Guia de projeto energia eólica

GUIA DE PROJETO ELTRICO DE CENTRAIS ELICASVolume I Projeto Eltrico e Impacto de Centrais Elicas na Rede EltricaAutores:Pedro Andr Carvalho Rosas Centro Brasileiro de Energia Elica CBEE (Brasil) Ana Isabel Estanqueiro Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial INETI (Portugal)

Editores:Everaldo Alencar feitosa, Ph.D. Alexandre de Lemos Pereira, Ph.D.

Apoio:

Recife 2003

EDITORES: Everaldo Alencar Feitosa, Ph.D.Ph.D. em Engenharia Elica pela Universidade de Southampton Inglaterra, e Professor da Universidade Federal de Pernambuco. atualmente diretor do CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA ELICA, centro de referncia nacional dedicado especialmente ao desenvolvimento de tecnologia para energia elica, disseminao de informaes, treinamento especializado e assessoria a empresas e ao Congresso e Senado. Tem coordenado programas de P&D de energia elica com entidades internacionais como a Unio Europia e GEF (Global Environment Facility) - Banco Mundial. vice-presidente da WORLD WIND ENERGY ASSOCIATION, com sede em Bruxelas e representa o Brasil na RIGE Rede bero-Americana de Gerao Elica. Coordena a implantao do maior sistema hbrido elico-diesel da Amrica Latina no Distrito Estadual de Fernando de Noronha / Pernambuco e a implantao de diversos projetos de centrais elicas de grande porte no Brasil. autor de dezenas de trabalhos cientficos publicados em revistas e congressos e editor do peridico Wind Energy, publicado pela John Wiley & Sons, Ltd. / Inglaterra.

Alexandre de Lemos Pereira, Ph.D.Ph.D. em Energia Elica pela Universidade Tcnica da Dinamarca Dinamarca, professor da Ps-graduao em Energia Elica da Universidade Federal de Pernambuco e pesquisador do Centro Brasileiro de Energia Elica. Tem coordenado projetos de pesquisa na rea de energia elica e ministrado cursos no Brasil e exterior. Participa de projetos nacionais e internacionais sobre energia elica e autor de vrias publicaes, incluindo 12 artigos em congressos internacionais. Executou a instalao de vrias turbinas elicas no Brasil e na Dinamarca. Responsvel pela operao e manuteno da turbina elica do CBEE (de potncia nominal 225kW) na ilha de Fernando de Noronha.

AUTORES: Pedro Andr Carvalho Rosas, M.ScEngenheiro Eletricista com mestrado em Energia Elica pelo Centro Brasileiro de Energia Elica CBEE da Universidade Federal de Pernambuco. especialista em qualidade de energia eltrica e integrao de centrais elicas. Integrante do Centro Brasileiro de Energia Elica, atualmente se encontra concluindo doutorado no RIS National Laboratory Dinamarca. Publicou modelos para anlise de qualidade de energia e estabilidade do sistema eltrico relacionados com energia elica enfatizando aplicao em larga escala de energia elica em sistemas de potncia.

Ana Isabel Estanqueiro, Ph.D.Engenheira Eletricista com doutorado em Energia Elica pela Universidade Tcnica de Lisboa/PT. Atualmente diretora da Unidade de Energia Elica e dos Oceanos do Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial INETI em Portugal. integrante do grupo de trabalho TG88 da International Electrotechnical Commission-IEC para criao de normas internacionais sobre conexo eltrica de turbinas elicas. Especialista em modelagem de centrais elicas e anlise dinmica com vrios trabalhos publicados na rea, realizou diversos estudos de integrao de centrais elicas com nfase para redes eltricas.

guia de projeto eltrico de centrais elicas

SUMRIO

1 PREFCIO 2 DEFINIES 3 INTRODUO 4 PROJETO ELTRICO DE CENTRAIS ELICAS4.1 CARACTERIZAO DO LOCAL DE INSTALAO 4.2 CARACTERIZAO DAS TURBINAS ELICAS 4.3DIMENSIONAMENTO PRINCIPAL

7 9 13 1515 16 17 17 20 21 21 23 23 23

4.3.1 POTNCIA E CORRENTE DE PROJETO 4.4 SISTEMAS DE PROTEO 4.4.1 SOBRE E SUB-TENSO 4.4.2 CURTO-CIRCUITO SOBRE-CORRENTE 4.4.3 SOBRE-FREQNCIA E SUB-FREQNCIA. 4.4.4 PRA-RAIOS. 4.5ATERRAMENTO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR

5 IMPACTO DE CENTRAIS ELICAS NA QUALIDADE DE ENERGIA5.1 AVALIAO DA OPERAO EM REGIME ESTACIONRIO 5.2 AVALIAO DA OPERAO EM REGIME DINMICO 5.3 AVALIAO DA OPERAO EM REGIME TRANSITRIO 5.3.1 OPERAO DURANTE E APS OS CURTOS-CIRCUITOS 5.3.2 OPERAO DE PARTIDA, TROCA DE GERADORES E CONEXO DE BANCOS DE CAPACITORES 5.3.3 DESLIGAMENTOS EM VENTOS DE ALTA VELOCIDADE.

2425 30 33 34 35 35

6 REFERNCIAS ANEXO A. CARACTERSTICAS DE TURBINAS E CENTRAIS ELICASA.1. TURBINAS ELICAS

36 3939

centro brasileiro de energia elica www.eolica.com.br3


A.1.1. GERADORES ASSNCRONOS OU DE INDUO A.1.2. GERADORES SNCRONOS A.1.3. REGULAO DE POTNCIAA.1.4. MQUINAS USUAIS E CARACTERSTICAS RELEVANTES A.1.5. SISTEMA DE CONTROLE A.1.6. INTEGRAO FINAL NA REDE ELTRICA A.2. PARTICULARIDADES DAS

42 43 43 45 45 45 46 46 47 47

CENTRAIS ELICAS

A.2.1. DEMANDA DE ENERGIA REATIVA. A.2.2. CANCELAMENTO DE PICOS DE POTNCIA. A.2.3. SUBESTAES ESPECIAIS.

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ANEXO B. FUNDAMENTOS DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICAB.1. POTNCIA ELTRICA INSTANTNEA EM REGIME FORADO ALTERNADO SENOIDAL B.2. POTNCIA ATIVA, REATIVA,

4949 50 52 53

APARENTE E COMPLEXA

B.3. NOES BSICAS DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA B.3.1. POTNCIA DE CURTO-CIRCUITO

ANEXO C. AVALIAO DAS PERDAS ELTRICAS ANEXO D. CERTIFICAO DE QUALIDADE DE ENERGIA ANEXO E. FASES DO PROJETO ELTRICO DE CENTRAIS ELICAS

55 57 61

4


NDICE DE FIGURAS:Figura 1. Curva de ocorrncia da potncia de sada de uma central elica. Figura 2. Diagrama unifilar esquemtico de conexo de centrais elicas. Figura 3. Exemplo de um diagrama unifilar de uma instalao de uma central elica. Figura 4. Determinao do fluxo de potncia de uma central elica de 2,5MW. 20 26 27 28

Figura 5. Tenso ao longo do ramal de distribuio onde se encontra instalada a central elica. 29

NDICE DE FIGURAS DOS ANEXOS

Figura A.2. Caracterizao geral da conexo de turbinas elicas rede eltrica.

46

Figura A.3. Diagrama geral das diferentes formas de conexo de turbinas elicas em centrais elicas. 48

Figura B. 1. Evoluo temporal da tenso, corrente e potncia instantnea. Figura B. 2. Decomposio da corrente nas componentes ativa e reativa. Figura B. 3. Caracterizao do fluxo de energia atravs do ngulo de defasagem Figura B. 4. Esquema unifilar simplificado da ligao de uma turbina elica

50 51 51 52


Figura A.1. Curva de potncia de uma turbina com regulao de potncia com: a) variao do ngulo de ps e b) descolamento do vento (stall). 44


NDICE DE TABELAS:Tabela 1. Coeficiente de segurana para diferentes tecnologias de turbinas elicas. ............. 18 Tabela 2. Valores convencionais de acionamentos das protees para sobre e sub-tenses em sistemas de controle de turbinas elicas . ........................................................................... 21 Tabela 3. Relao de anlises que devem ser realizadas em funo de diferentes condies de redes eltricas [Estanqueiro, 2001]. ................................................................................... 25 Tabela 4. Conveno de fluxo de potncias de acordo com a conveno da potncia injetada no barramento: Pinject.= Pgerada- Pconsumida................................................................................ 26 Tabela 5. coeficiente para clculo da contribuio harmnica por vrias turbinas elicas ... 33 Tabela 6. Principais tipos e formas de conexo de turbinas elicas....................................... 41



1 PREFCIOO potencial elico brasileiro pela qualidade e distribuio dos ventos vem estimulando iniciativas para o desenvolvimento tecnolgico, industrial e de projetos de parques elicos nas diferentes regies do Pas. O Governo Federal criou o Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica -PROINFA atravs da Lei n 10.438 de 26 de abril de 2002, sancionada pelo Presidente da Repblica, onde est prevista na primeira fase a instalao de 3.300 MW em projetos de Energia Renovvel at o ano de 2006. A Universidade Federal de Pernambuco - UFPE atravs do Centro Brasileiro de Energia Elica - CBEE, lder no pas em pesquisa e desenvolvimento na rea de energia elica, tem tido papel fundamental na elaborao e implantao do PROINFA. O grupo de especialistas da UFPE tem se destacado em suas aes em prol do desenvolvimento tecnolgico e industrial do Pas, em cooperao com entidades nacionais e internacionais. O CBEE participa efetivamente da World Wind Energy Association WWEA e da Rede Ibero-americana de Gerao Elica RIGE, a instituio brasileira responsvel pelas atividades na rea de energia elica do Solar and Wind Energy Research Assessment Project SWERA do Programa das Naes Unidas para o Meio-Ambiente e mantm vrias outras cooperaes estratgicas. A realizao do curso de interligao de centrais elicas ao sistema interligado nacional, realizado em agosto de 2001 em Recife/PE, permitiu identificar, atravs do debate entre os especilistas presentes, a falta de material tcnico no Pas que pudesse auxiliar especialistas na anlise do comportamento de turbinas elicas quando interligadas s redes eltricas e, tambm, pudesse orientar o projeto de conexo eltrica de turbinas elicas e de centrais elicas na rede eltrica nacional. O Guia de Projeto Eltrico de Centrais Elicas Volume I: Projeto Eltrico e Impacto de Centrais Elicas na Rede Eltrica visa preencher esta lacuna apresentando os principais mtodos para realizao de projeto eltrico de conexo de centrais elicas e as ferramentas utilizadas para estimar o impacto de centrais elicas na qualidade de energia local. A avaliao do funcionamento de turbinas elicas e as anlises de proteo para evitar operaes indevidas tambm so includas neste trabalho. Congratulamo-nos com os especialistas representantes de entidades e empresas que participaram do debate acerca da integrao de centrais elicas ao Sistema Eltrico Nacional e contriburam para a realizao deste trabalho, que por certo promover



a viabilidade e competitividade da energia elica e a capacitao de novos especialistas para o mercado brasileiro.

Braslia, dezembro de 2002

Ivonice Aires CamposCoordenadora de Aes de Desenvolvimento Energtico

Ministrio de Cincia e Tecnologia



2 DEFINIESngulo de impedncia de curto-circuito ngulo da impedncia que representa um equivalente do sistema de potncia em um especfico ponto da rede eltrica. definido como:

cc = arctan(

X cc ) Rcc

Coeficiente de emisso de flicker (cintilamento) em operao contnua ck (cc,va) coeficiente normalizado que permite estimar a flutuao de tenso em operao contnua de uma turbina elica em funo do ngulo de impedncia de curtocircuito do ponto de conexo (k) e da velocidade mdia de vento anual (va). Coeficiente de emisso de flicker devido operao de chaveamento kf (cc) coeficiente normalizado que permite estimar a flutuao de tenso durante uma operao de chaveamento (incio de gerao ou troca de geradores). Este coeficiente fornecido para 3 condies especficas: a) Operao de partida com velocidade de vento prxima da velocidade de entrada b) Operao de partida com velocidade de vento prxima da velocidade nominal e c) Na operao de troca de gerador (se a turbina elica for equipada com dois geradores). Corrente de curto-circuito Icc corrente de curto-circuito de linha calculada para um local do sistema eltrico. Demanda de reativo em vazio Q0 a potncia reativa em regime permanente de uma turbina elica em vazio (gerao nula). equivalente potncia de excitao mais as perdas no caso de um gerador assncrono. Gerador assncrono mquina assncrona acionada como gerador. Este tipo de gerador depende de uma fonte externa de excitao e uma referncia para freqncia e tenso. Gerador sncrono gerador que possui uma excitao prpria. Fornece uma tenso em uma freqncia que depende diretamente da freqncia de giro do seu eixo mecnico.


Coeficiente de afundamento de tenso devido a operao de chaveamento ku (cc) coeficiente utilizado nos testes de certificao de turbinas elicas de grande porte. Este coeficiente define a mxima variao de tenso para trs condies especficas: a) Operao de partida com velocidade de vento prxima da velocidade de entrada b) Operao de partida com velocidade de vento prxima da velocidade nominal e c) Na operao de troca de gerador (se a turbina elica for equipada com dois geradores).


Corrente harmnica - Ih Corrente da componente harmnica h emitida por uma turbina elica durante a operao contnua. Impedncia de curto-circuito Zcc impedncia que multiplicada pela tenso nominal ao quadrado resulta na potncia de curto-circuito (Scc), tambm chamada de impedncia caracterstica da rede eltrica. O mdulo da impedncia definido como |Zcc|=|Rcc+jXcc|=| Un2 /Scc |. Intensidade de turbulncia IT indicador da magnitude das flutuaes da velocidade do vento calculado pelo quociente entre o desvio padro e a velocidade mdia do vento usando a seguinte expresso (valor adimensional):

IT =

Vmdia


N10 e N120 nmeros mximos de chaveamentos permitidos em uma turbina elica para 10 e 120 minutos, respectivamente. Operao contnua operao normal da turbina elica excluindo as operaes de partida e parada. Operao de troca de geradores comutao de ligao de geradores ou plos existente em algumas turbinas elicas com vista otimizao da potncia eltrica produzida. Operao de partida de turbina elica incio de operao e conexo do gerador rede eltrica. Ponto de Conexo com o Concessionrio PCC representa fisicamente o local da separao da central elica com a rede do concessionrio local. Sendo, normalmente, o local onde se instala o sistema de medio da energia gerada. Potncia nominal de referncia Pn a potncia ativa nominal em regime permanente de uma turbina elica possvel de ser definida atravs de sua curva de potncia. Potncia de curto-circuito Scc Potncia eltrica calculada com base na tenso nominal do sistema eltrico e na corrente de curto-circuito (sem as turbinas elicas). O mdulo da potncia de curto-circuito definido como |Scc|= | 3 UnIcc|. Potncia mxima admissvel Pmax a potncia ativa mxima que uma turbina elica poder fornecer em regime permanente. Potncia mxima em mdias de 1 minuto P1 a potncia ativa mxima medida em mdias de 1 minuto durante os testes de certificao de qualidade de energia.

10


Potncia mxima instantnea Pinst. potncia ativa mxima medida em mdias de 0,2 segundos durante os testes de certificao de qualidade de energia que atestam a mxima potncia que a turbina elica pode atingir em regime dinmico. Potncia nominal de uma turbina elica Si Valor de potncia indicativo da capacidade da mquina fornecido pelo fabricante (nem sempre coincidente com a potncia mxima). Potncia nominal da central elica Scentralelica a soma das potncias nominais de todas as turbinas elicas instaladas em uma central elica:

S centralelica = S ii =1

N t .e.

Potncia reativa na potncia mxima em mdias de 1 minuto Q1 a potncia reativa relativa potncia ativa mxima em mdias de 1 minuto. Potncia reativa mxima instantnea Qinst potncia reativa demandada relativa potncia ativa mxima instantnea, medida em intervalos de 0,2 segundos. Pst e Plt parmetros de flicker de curtos e longos perodos que podem ser entendidos como uma mdia ponderada da variao de tenso em 10 minutos e em 2 horas, respectivamente. Ramal de ligao linha eltrica que realiza a ligao da central elica rede de distribuio existente ou subestao do concessionrio. Rede pr-existente rede qual a central elica conectada atravs de um ramal de ligao. Regulao de potncia por estol (stall) forma passiva de controle (limitao) da potncia extrada do vento pelo rotor de uma turbina elica atravs do efeito aerodinmico de descolamento do fluxo de vento e conseqente reduo da fora de sustentao ( lift). Regulao de potncia por variao do ngulo de passo (pitch) forma de controle ativo da potncia extrada do vento pelo rotor de uma turbina elica atravs da variao do ngulo de passo (ngulo de pitch) das ps. Relao de curto-circuito rcc quociente entre a potncia de curto-circuito no ponto de conexo da central elica e a potncia nominal da central elica:


Potncia nominal de reativo Qn a potncia reativa demandada por uma turbina elica em regime permanente, relativa potncia ativa nominal de referncia.


rcc =

Scc Scentraelica

Tenso nominal da rede receptora Un a tenso nominal para a qual todas as caractersticas eltricas so referidas (valor entre fase-fase). Turbina elica de rotao constante classificao onde a velocidade de rotao do rotor da turbina elica (praticamente) fixa, normalmente associada conexo direta rede eltrica com geradores assncronos. Turbina elica de rotao varivel classificao onde a velocidade de rotao do rotor da turbina elica varivel, pode ser normalmente associado ao uso de conversores de potncia eltrica e/ou geradores sncronos. Velocidade de vento de entrada da turbina elica (cut-in) velocidade mnima de vento, em m/s, para a qual a turbina elica inicia a produo de energia eltrica (operao de partida). Valores mdios de 10 minutos. Velocidade de vento nominal da turbina elica velocidade de vento mdia (10min) em que a turbina atinge a potncia nominal, Si. Velocidade de vento de sada da turbina elica (cut-out) velocidade mxima de vento (em m/s) para a qual o sistema de controle comanda o desligamento da turbina elica por razes de segurana. Valores mdios de 10 minutos.



3 INTRODUOO presente documento foi desenvolvido no formato de um Guia com o intuito de auxiliar no estudo e na elaborao de projetos eltricos de centrais elicas no Brasil. Aqui so descritos os principais parmetros para projeto eltrico de centrais elicas e procedimentos para avaliar o impacto das centrais elicas na qualidade de energia eltrica. O texto dividido em dois grandes grupos: 1) projeto eltrico de centrais elicas e 2) impacto de centrais elicas na qualidade de energia. Este Guia trata dos principais aspectos do projeto eltrico de centrais elicas, enumerados abaixo: 1) Dimensionamento e otimizao da interligao de uma central elica; 2) Limites trmicos associados com a rede eltrica; 4) Estudos transitrios e dinmicos da integrao de turbinas elicas; 5) Problemas de estrangulamento da transmisso de energia eltrica e perdas eltricas; 6) Modificao do planejamento da operao das unidades geradoras e regulao da capacidade de gerao; 7) Impacto na estabilidade, confiabilidade e segurana da operao do sistema eltrico como um todo. Nem sempre todos os aspectos acima identificados so relevantes, sendo o bom senso e a experincia importantes na deciso das principais anlises a serem conduzidas. No entanto, de uma maneira geral, para o projeto de uma central elica so necessrias anlises envolvendo os quatro primeiros aspectos da lista acima. Os trs ltimos tpicos so importantes na anlise da integrao de vrias centrais elicas (ou centrais de grande capacidade), onde a participao da gerao de energia elica na matriz energtica regional ou local seja considervel. Os parmetros eltricos descritos neste trabalho so baseados na norma para garantia da qualidade de energia da conexo eltrica de turbinas elicas preparada pela Comisso Eletrotcnica Internacional IEC, Norma IEC 61400-21. Esta norma especifica os parmetros relevantes para anlise da qualidade de energia devido conexo de turbinas/centrais elicas, bem como mtodos para a certificao da qualidade de energia das turbinas elicas. Com estes parmetros possvel estimar o impacto de turbinas elicas na qualidade de energia no ponto de conexo local. Apesar de existirem recomendaes para os valores e limites dos parmetros, cada projeto deve ser analisado em funo das caractersticas da rede local e regras dos operadores ou concessionrios eltricos locais.


3) Impactos na qualidade de tenso eltrica;


Neste Guia tambm so includos anexos sobre a tecnologia de turbinas elicas modernas e as principais caractersticas eltricas de funcionamento dessas mquinas, uma descrio das noes bsicas de transmisso de energia eltrica, aspectos de otimizao de projeto atravs da anlise de perdas eltricas e um diagrama esquemtico apresentando todas as fases de um projeto eltrico de centrais elicas. Os procedimentos e anlises contidas neste trabalho aplicam-se a centrais elicas diretamente conectadas ao sistema eltrico interligado. No aconselhado o uso deste Guia para anlise de projetos de instalao de turbinas/centrais elicas em sistemas isolados ou para projetos de sistemas hbridos de energia (combinao de vrias fontes de energia) onde a energia elica tenha considervel participao (tipicamente acima de 15%). Parmetros de variao de freqncia e estabilidade de geradores sncronos no so considerados na presente metodologia.



4 PROJETO ELTRICO DE CENTRAIS ELICASA energia elica uma forma de gerao eltrica que se diferencia das fontes convencionais devido a dois importantes fatores: 1) caracterstica aleatria da fonte de energia, o vento e 2) tecnologia utilizada nas turbinas elicas atuais. As principais diferenas existentes residem nos sentidos dos fluxos de potncia eltrica em funo do tipo de gerador utilizado, na inexistncia de ou reduzida capacidade de regulao da potncia eltrica entregue rede eltrica e na eventual necessidade de mecanismos especiais de ligao e sincronismo com a rede eltrica. A seguir so apresentadas as principais etapas na elaborao e execuo do projeto eltrico de uma central elica. 4.1 CARACTERIZAO DO LOCAL DE INSTALAO O local de instalao deve ser caracterizado atravs de diversos parmetros. Essas caractersticas so fundamentais para o desenvolvimento do projeto da central elica e a integrao desta na rede eltrica local. Os principais dados que devem ser obtidos para o local podem ser classificados em dois grandes grupos: 1. Caracterizao do recurso elico; 2. Caracterizao da rede eltrica de conexo. A caracterizao do recurso elico permite a elaborao do projeto eltrico otimizado onde os equipamentos sero projetados para operar nas condies locais. A caracterizao da rede eltrica, por sua vez, fundamental para a definio dos parmetros eltricos e na otimizao da capacidade da central elica. A rede eltrica local onde ser conectada a central elica (rede receptora) pode ser caracterizada basicamente atravs das seguintes grandezas: Potncia de curto-circuito Scc; ngulo de impedncia de curto-circuito cc; Nvel e regulao da tenso no ponto de conexo Un U; Caractersticas do(s) transformador(es) da subestao de interligao; Parmetros caractersticos das linhas/cabos de transmisso; Distncia do ponto de conexo central elica; Regime de neutro.



Para o projeto eltrico bsico da central elica so necessrias as informaes sobre o nvel de tenso de conexo, a distncia central elica e a potncia de curto-circuito da subestao principal de interligao da central elica ou do seu ramal. Para avaliar o impacto na operao da rede e na qualidade de energia eltrica local so necessrios todos os parmetros citados. Normalmente relaciona-se a potncia da central elica instalada (ou a instalar) com a potncia de curto-circuito no local, sendo esta chamada de relao de curtocircuito, e definida pela equao: rcc = Scc Scentralelica (1)


onde rcc a relao de curto-circuito, Scentralelica a potncia aparente nominal da central elica e Scc a potncia de curto-circuito do ponto de interligao. comum associar valores elevados da potncia de curto-circuito e, consequentemente de rcc,, denominao de redes eltricas fortes. 4.2 CARACTERIZAO DAS TURBINAS ELICAS Os parmetros eltricos relevantes das turbinas elicas para a elaborao de um projeto eltrico esto tambm relacionados com a tecnologia usada e devem ser apresentados pelo fabricante da mquina ou determinados atravs de testes de certificao independentes. importante salientar que a maioria das turbinas elicas existentes no mercado possui mquinas assncronas como geradores eltricos. Isto significa que a potncia ativa gerada a partir do vento transmitida para a rede eltrica e, em contrapartida, uma parcela de energia reativa demandada da rede para excitao do gerador eltrico. Os principais parmetros que caracterizam uma turbina elica do ponto de vista eltrico so: Potncia ativa nominal Pn (kW); Tenso nominal Un (V); Demanda de energia reativa em funo da potncia ativa Q=f(P); Sistema de compensao de energia reativa e estratgia de compensao; Demanda de reativo na potncia nominal Qn (kVAr); Demanda de reativo em vazio Q0 (kVAr); Corrente nominal In (A);

16


Potncia mxima admissvel Pmax (kW); Potncia mxima instantnea Pinst (kW). Os quatro primeiros parmetros (sublinhados) so importantes para o projeto eltrico de uma central elica e servem para caracterizar a interligao da central elica rede eltrica. O conjunto completo de parmetros indicados acima relevante para a anlise da qualidade da energia eltrica entregue no ponto de conexo. A anlise da potncia mxima de projeto de uma central elica e o conseqente dimensionamento dos equipamentos de interligao, elevao de tenso e de proteo so realizados em funo das potncias mximas especificadas para cada tipo/modelo de turbina elica. A caracterizao do fluxo de potncia reativa essencial para a determinao da potncia mxima na rede eltrica e, atravs da simulao da operao da central elica, para a determinao dos nveis mximos e mnimos de tenso alcanados durante a operao da central em regime permanente. Conseqentemente, o dimensionamento do sistema de compensao de energia reativa torna-se fundamental para definir a potncia eltrica nos condutores e transformadores e verificar o perfil de tenses da rede local. 4.3 DIMENSIONAMENTO PRINCIPAL

4.3.1POTNCIA E CORRENTE DE PROJETOA potncia eltrica aparente de projeto definida como sendo a soma complexa da potncia ativa mxima admissvel e a respectiva demanda de potncia reativa, quando no compensada localmente na sua integridade. Assim, a potncia aparente de projeto Sprojeto encontrada atravs da equao abaixo S projeto = f

(Pmax )2 + (Qmax )2

(2)

onde f um fator de segurana (somente aplicvel nos casos onde os valores mximos admissveis de potncia para as turbinas elicas no tenham sido fornecidos pelo fabricante. Este fator pode ser estimado atravs da Tabela 1:



Tipo de tecnologia usada Regulao de potncia por estol (stall)

f 1,1-1,2

Regulao de potncia por variao do ngulo de passo das ps 1,05-1,3 (pitch)1 Regulao atravs de sistemas de controle e eletrnicos de potncia integrados2Tabela 1. Coeficiente de segurana para diferentes tecnologias de turbinas elicas.

1,0

Em seguida pode-se calcular a corrente eltrica de projeto atravs da equao I projeto = S projeto 3 U n (3)


Onde Iprojeto a corrente nominal de projeto, Un a tenso nominal nos terminais da turbina elica e Sprojeto a potncia eltrica aparente de projeto calculada com a equao (2). A corrente nominal de projeto usada para especificar a seo mnima dos cabos eltricos de conexo da turbina elica subestao bem como a corrente mnima do lado secundrio do transformador. Este parmetro tambm conhecido como limite trmico do projeto. A corrente eltrica de projeto de uma central elica, no ponto de conexo, depende da tenso nominal na conexo, do nmero de turbinas elicas e da corrente de projeto das turbinas elicas no interior do parque. Assim sendo, a corrente de projeto pode ser especificada como apresentada na equao seguinte I projeto conexo =N t .e . i =1

I projeto ,i RTi

(4)

Onde Iprojeto conexo a corrente eltrica de projeto do ramal de ligao, Iprojeto,i a corrente de projeto da turbina elica i calculada a partir da equao (3), RTi a relao de transformao do transformador da turbina elica i e Nt.e. o nmero total de turbinas elicas na central elica.

1

importante observar que turbinas elicas com regulao por pitch, sem mecanismos de controle dos picos de

potncia, podem ser dinamicamente mais prejudiciais para a rede que as turbinas controladas por stall, porque as oscilaes mais representativas so introduzidas na proximidade da potncia nominal onde o controle de potncia est em funcionamento contnuo.2

Neste caso a potncia mxima ser limitada pelo sistema de controle, sendo fundamental o conhecimento das

caractersticas do sistema de controle e eletrnicos de potncia.

18


Caso seja usado um transformador elevador de tenso na subestao da central elica, a corrente eltrica no lado secundrio do mesmo necessariamente proporcional relao de transformao deste. O dimensionamento eltrico realizado com as grandezas de projeto apresentadas nas equaes (2) a (4) representam uma abordagem relativamente conservadora. Para alguns locais especficos pode ser mais vantajoso, do ponto de vista econmico, realizar a especificao do ramal de ligao e do transformador da subestao com uma potncia inferior potncia nominal instalada no parque. Este procedimento, entretanto, requer a utilizao de sistemas de superviso e controle central para a central elica. Este controlador central dever monitorar a produo de energia elica total e, se necessrio, diminuir a gerao da central elica para respeitar os limites trmicos do ramal e/ou transformador instalados. Normalmente, esta metodologia alternativa de projeto justifica-se para locais com regimes de vento fracos a mdios, tendo em conta a curva de distribuio da potncia de uma central elica (Figura 1), onde a percentagem do tempo de operao potncia nominal consideravelmente baixa. A Figura 1 mostra em (a) a curva de probabilidade de ocorrncia de velocidade de vento para um local onde a distribuio estatstica de Weibull tem os seguintes parmetros: k=2 e c=8m/s; em (b) a curva de potncia tpica de uma turbina elica de 500kW e em (c) a curva de distribuio de potncia de uma central elica hipottica constituda de 10 turbinas elicas de 500kW. Pode-se observar que apesar da potncia nominal da central elica ser 5MW em 70% do tempo a potncia total gerada fica a baixo de 2MW. Isto significa que se pode reduzir o custo de conexo eltrica de uma central elica em detrimento dos picos de gerao.



Ocorrencias de Vento (%)

10

Weibul distribution, k=2, c=8

5

0 600

0

5

10 15 Velocidade de Vento (m/s)

20

Potencia (kW)

400 200 Curva de potencia de uma turbina 0 0 5 10 15 Velocidade de Vento (m/s) 20

6000


Potencia gerada pela central (kW)

4000 2000 0

10

20 30 40 50 60 70 80 Distribuicao acumulada da potencia gerada na central eolica(%)

90

100

Figura 1. Curva de distribuio de potncia de uma central elica com potncia nominal de 5MW (10 x 500kW).

A deciso sobre os critrios de dimensionamento depende fundamentalmente da anlise econmica dos diferentes cenrios, isto , anlises que levem em considerao a caracterstica do vento do local, o custo de no gerao de energia em algumas horas do ano e o custo de instalao de um transformador central com a potncia nominal da central elica. 4.4 SISTEMAS DE PROTEO O projeto eltrico das turbinas elicas deve incluir uma anlise das protees eltricas. Estas protees incluem: Sobre e sub-tenso; Curto-circuito; Sobre e sub-freqncia. Pra-raios.

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4.4.1SOBRE E SUB-TENSOTodas as turbinas elicas comerciais so fornecidas com um sistema de controle que supervisiona e controla os parmetros operacionais da mquina, o que inclui as protees e a gesto do sistema individual de compensao de energia reativa. No sistema de controle possvel especificar condies de desligamento por sobre ou sub-tenso. A Tabela 2 apresenta os parmetros de regulao convencionais relativos s protees especificadas nos sistemas de controle das turbinas elicas. Parmetro Sub-tenso Sobre-tenso nvel 1 Desligamento dos capacitores Sobre-tenso nvel 2 Nvel de acionamento (p.u) 0,90 1,10 1,06 1,20 Tempo de integrao (segundos) 60 60 0,2 ---

Tabela 2. Valores convencionais de acionamentos das protees para sobre e sub-tenses em sistemas de controle de turbinas elicas .

O desligamento do banco de capacitores tem como objetivo evitar o desligamento da turbina por sobre-tenso nvel 1, pois o desligamento dos capacitores fora o aumento no fluxo de potncia reativa proveniente do concessionrio, provocando a queda de tenso na linha eltrica e reduzindo o nvel de tenso nos terminais da turbina elica.

4.4.2CURTO-CIRCUITO SOBRE-CORRENTETanto a operao de partida como a operao contnua da turbina elica pode, em algumas circunstncias, ocasionar correntes acima da corrente nominal. A anlise das correntes mximas que normalmente ocorrem na operao de turbinas elicas apresentada a seguir. Como esperado, a ligao de uma turbina elica rede eltrica tem um impacto diferente que depende da sua tecnologia construtiva e operativa (podendo se apresentar de duas formas distintas: turbinas diretamente conectadas rede e turbinas com conversores de freqncia). As Turbinas conectadas diretamente rede possuem, em geral, um sistema de limitao de corrente denominado soft-starter, que limita a corrente em at 3 vezes a corrente nominal. Sem este sistema, os geradores assncronos, durante a conexo, poderiam apresentar correntes similares as correntes de partida dos motores convencionais, que podem atingir valores de at 13 vezes a corrente nominal.



Para turbinas elicas com conversores de freqncia, a corrente de ligao controlada pelo sistema de controle e apresentam, em condies normais, valores consideravelmente baixos. Ainda assim, na ausncia de informaes detalhadas por parte dos fabricantes, recomendvel que se aplique para o projeto de instalao de turbinas elicas deste tipo um fator de segurana idntico s turbinas com ligao atravs de soft- starter. Assim, em ambos os casos, a mxima corrente durante a partida de uma turbina elica pode ser calculada com a expresso:

I max imo partida = ki I n ,i

(5)


onde ki o fator de mxima corrente acima da corrente nominal In para a i-sima turbina durante a partida (quando no fornecido pelo fabricante, pode ser estimado atravs do fator ku,i(cc), fator de afundamento de tenso momentneo durante a partida). Esta corrente deve ser calculada para todas as turbinas da central elica, pois considera-se muito difcil que duas turbinas elicas executem a ligao rede ao mesmo tempo. Desta maneira, a soma das correntes mximas no aplicada. Durante a operao contnua das turbinas elicas, a potncia mxima medida em intervalos de 0,2s usada para analisar a mxima corrente. Nesse caso, assumindo a distribuio espacial das turbinas elicas, existe um fator de compensao que reflete a potncia de vrias turbinas na central elica [IEC61400-21]. P0, 2c = Pn,i +i =1 N t .e.

(P

0 , 2 ,i

Pn ,i )

2

(6)2

Q0, 2c = Qn ,i +i =1

N t .e.

(Q

0 , 2 ,i

Qn ,i )

(7) (8)

I max c =

1 2 2 P0, 2c + Q0, 2c 3 U n

Onde o subescrito c indica operao contnua e 0,2 indica a potncia mxima medida em 0,2 segundos (parmetros fornecidos pelo fabricante). As constantes de tempo das protees de sobre-corrente no ponto de conexo devem ser reguladas para valores elevados, pois durante a operao contnua das turbinas existem picos de potncia que podem facilmente chegar a 60% em valores instantneos (mesmo que em mdia estejam dentro de parmetros especificados pelos fabricantes). Estes so normalmente filtrados pelos transformadores da central elica, por isso no representam conseqncias negativas para a rede local.

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4.4.3SOBRE-FREQNCIA E SUB-FREQNCIA.Considerando que turbinas elicas diretamente conectadas, tm a velocidade de rotao sincronizada pela freqncia da rede eltrica sendo assim mquinas passivas, sem qualquer capacidade de regulao de freqncia existe a necessidade de incluir protees de salvaguarda da prpria turbina com relao a ocorrncias de altas e baixas freqncias. Normalmente o sistema de controle de turbinas elicas comerciais possui parmetros ajustveis para desligamento, caso a freqncia esteja fora dos valores normais de operao, o que representa uma tolerncia de +1Hz e 3Hz [Tande, 2001]. Em locais isolados, com a combinao de sistemas hbridos de energia e redes relativamente fracas com grande contribuio de energia elica, a freqncia da rede eltrica pode ser bastante afetada pela gerao elica.

4.4.4PRA-RAIOS.Os pra-raios so instalados nos terminais de mdia tenso dos transformadores para evitar que sobre tenses transitrias vindas da rede sejam transferidas para as turbinas elicas. O sistema de controle tambm possui um sistema de pra-raios, para evitar maiores danos aos equipamentos eletrnicos instalados. Recentemente, face ao elevado nmero de descargas eltricas sofridas pelas ps das turbinas elicas, alguns fabricantes incluem um sistema de pra-raios internos nas ps. 4.5 ATERRAMENTO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR imperativo que um dos lados do transformador elevador seja conectado em delta, eliminando assim a circulao de corrente de seqncia zero, pois alguns fabricantes conectam os geradores em delta ou em estrela no aterrado, evitando a circulao de corrente de curto-circuito monofsica pelo gerador. Apesar de no aterrar o neutro do gerador, um sistema de terra deve ser feito para o neutro do transformador, bem como para os pra-raios, para o sistema de controle e para a proteo de toque dos componentes metlicos da turbina elica. O aterramento deve seguir as recomendaes de norma. Normalmente, utilizam-se as ferragens da fundao da turbina elica para melhorar o aterramento.



5 IMPACTO DE CENTRAIS ELICAS NA QUALIDADE DE ENERGIAA variabilidade do vento, aliada a outros fatores dinmicos das turbinas elicas, pode ocasionar, em algumas circunstncias, distrbios nos padres de qualidade da rede eltrica local. Variaes cclicas dirias do vento so apontadas como a causa principal das variaes lentas de tenso, tambm chamadas variaes estticas da tenso. As variaes da velocidade do vento em escalas de tempo de milissegundos a minutos, tambm chamadas de turbulncia atmosfrica, aliadas aspectos dinmicos estruturais das turbinas elicas so responsveis pelas variaes dinmicas de tenso, normalmente contabilizadas atravs do fenmeno de cintilao (flicker3). Neste contexto, os parmetros apresentados no capitulo anterior, referentes s turbinas elicas e caracterizao do local (recurso elico e caractersticas da rede) devem ser ampliados e devidamente especificados na perspectiva da avaliao da qualidade da energia. A caracterizao do potencial elico permite conhecer as variaes lentas da tenso e averiguar a eventual necessidade de instalao de transformadores com regulao em carga. Os parmetros de caracterizao da rede eltrica local potncia de curto-circuito e o ngulo da rede no ponto de ligao devem ser medidos ou estimados de maneira adequada para a correta definio do impacto da potncia elica no perfil da tenso na rede eltrica local. O valor da potncia de curto-circuito ir definir o melhor tipo de anlise a ser conduzida. Atravs da relao de curto-circuito possvel indicar as anlises relevantes para a integrao das centrais elicas conforme apresentado na Tabela 3.


3

Flicker um termo de origem inglesa, que usado para indicar flutuaes de tenso visveis a olho nu, ele

tambm chamado de cintilao de tenso. Flicker pode ser entendido como uma mdia ponderada das variaes de tenso em freqncias da ordem de 0 a 10Hz.

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Relao de curto-circuito rcc 20

Anlises fundamentais Perfil de tenso no ramal.Obs.: no devero existir problemas de conexo eltrica

10 r cc < 20 r cc>1, o efeito da injeo de energia elica depender do balano entre os fluxos de potncia ativa e reativa no ramal (ver Anexo B). O nvel de tenso no ponto de conexo da central elica pode, de uma maneira analtica, ser estimada atravs da equao


Deve-se realar que as anlises sugeridas na Tabela 3, so usadas para centrais elicas de dimenses pequenas ou mdias, tipicamente at 50 MW, e/ou turbinas isoladas. No caso de estudos da conexo de uma grande central elica rede eltrica, este deve, necessariamente, incluir uma anlise dinmica detalhada do sistema eltrico de potncia.


U ce =

U 2 + 2 ( R P + Q X ) + U 4 + 4 ( R P + Q X ) U 2 4 ( X P + R Q) 2 2

(9)

Onde P representa a potncia ativa gerada pela central elica e Q a potncia reativa demandada pela central elica, considerando a seguinte conveno de sinais: R+jX UUce

P + jQ

Figura 2. Diagrama unifilar esquemtico de conexo de centrais elicas.


Na Figura 2, U a tenso nominal de representao do sistema eltrico de potncia, R+jX a impedncia caracterstica no ponto de conexo da central elica e Uce a tenso no ponto de conexo da central elica. Convm, neste momento, realar as convenes de sinais para o fluxo de potncia no ponto de conexo da central elica. A Tabela 4 apresenta um sumrio da conveno de sinais para centrais elicas como especificado em [Estanqueiro et. al, 1997]. Potncia ativa P>0 (entrega rede) P>0 (entrega rede) P

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Guia de projeto energia eólica