Introdução às redes de...
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Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. <[email protected]>
Introdução às redes de distribuição
Eletrônica de Potência para
Redes Ativas de Distribuição
Refs.:
V. K. Mehta, “Principles of Power Systems,” 2000.
N. Kagan et al., “Introdução aos sistemas de distribuição de energia elétrica,” 2005.
L. L. Grigsby, “Electric Power Engineering Handbook,” 2006.
— Rede de distribuição:
• É a parte de um sistema de energia que
distribui energia elétrica para uso
local
— Não se pode distinguir precisamente da transmissão
pelos níveis de tensão
Redes de distribuição
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http://muraliblog.com/change/hyderabad
-also-known-as-cables-city-why/
http://www.utilityweek.co.uk/
Redes de distribuição
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Fusível e seccionamento
Cabos de distribuição (13,8 kV)
Linha telefônica
Trafo
Linhas de distribuição (13,8 kV)
380/220 V
— Alimentadores
• Condutores que conectam SEs à área de distribuição
• Não há taps (derivações)
— Distribuidores
• Condutores de onde são derivados os taps para
alimentar consumidores
• Correntes não constantes
• Projetados para ±6% de queda de tensão
— Entradas de serviço
• Condutor (pequeno) que conecta o consumidor ao
distribuidor
Partes de uma rede de distribuição
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— Natureza da tensão
• CA
o mais simples e mais barata
• CC
o utilizada em sistemas aonde CC é vantajoso
• Híbrida (CA e CC)
— Tipo de construção
• Aérea
o 5 a 10 vezes mais barata
• Subterrânea
o utilizada em áreas urbanas ou aplicações especiais
Classificação
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— Esquema de conexão
• Radial
• Em anel
• Inter-conectada
o Cada esquema tem vantagens e desvantagens
— Passividade
• Redes passivas
o não há geração local
• Redes ativas
o há unidades de armazenamento ou geração local
Classificação
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— Níveis de tensão adequados
• Variações de tensão para os consumidores deve ser
minimizada
• Tensão baixa
o Multas
o Perdas em iluminação
o Degradação de motores
• Tensão alta
o Prejuízos à lâmpadas, chuveiros
o Falhas de eletrônicos
Requisitos para uma rede de distribuição
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— Disponibilidade de energia frente à demanda
• A rede deve ser capaz de fornecer picos de potência
o Partida de motores
o Chaveamento de grandes cargas
• Deve-se utilizar a predição baseada em estudos de
comportamento de cargas
— Confiabilidade
• Nossa sociedade é dependente da energia elétrica
• Métodos para aumento de confiabilidade
o Interconexões
o Sistemas de controle automático eficientes
o Reservas adicionais de energia
Requisitos para uma rede de distribuição
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— Tecnologia habilitadora
• TRANFORMADOR
o Facilidade de elevar/reduzir tensões no sistema
— Divide-se em
• Sistema de distribuição primária
o Níveis mais altos de tensão V=f(P)
o 13,8 kV / 4,16 kV / 3,3 kV / etc
o Trifásico / 3-fios
• Sistema de distribuição secundária
o Níveis de tensão para o uso final
o 380 V / 400 V / 220 V / 127 V / etc
o Trifásico / 4-fios
o Monofásico / diversas configurações
Distribuição em corrente alternada
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http://www.unisoma.com.br/br/casos-
energia-2.php
— Sistema primário seletivo
• ChT: Chaves de transferência
Configurações de SEs (distr. primária)
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— Modelagem matemática básica (regime perm.)
• Quedas de tensão dependem de R, L e C
• Cálculos utilizam vetores (fasores)
• Fator de potência deve ser considerado
• Fases das tensões podem ser referenciadas tanto a
origem do sistema, quanto ao ponto de consumo
• Cargas não-lineares são complexas de modelar
• Harmônicas representam um grande problema
Distribuição em corrente alternada
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— Conexão de cargas
• Monofásicas
o Fase—neutro
o Fase—fase
• Trifásicas
o Conectadas em ∆
o Conectadas em Y
– 3 fios
– 4 fios
o Simétricas
o Assimétricas
Distribuição em corrente alternada
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— Tecnologia habilitadora
• CONVERSORES ESTÁTICOS
o Capacidade de controlar tensões no sistema
— Somente utilizada (hoje) aonde CC é essencial
— Principais tipos
• 2-fios
• 3-fios (bipólo)
Distribuição em corrente contínua
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23 INEP
Geração em corrente contínua (bipolar)
— Métodos
• Dois geradores CC
• Gerador CC a três fios
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24 INEP
Geração em corrente contínua (bipolar)
• Gerador com grupo de balanceamento
o Máquinas CC tipo shunt mecanicamente acopladas
o Enrolamentos de campos conectados em série
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25 INEP
Desbalanços em uma rede CC bipolar
— Perdas nos condutores são minimizadas se as
correntes forem equilibradas
— Na prática a seção do condutor central é a metade
dos externos
r+ i+
V+
V_
P+
P_
r0
r_ i_
i 0
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26 INEP
Comparação: bipolar x unipolar
— Diferença de volume de cobre para uma dada perda:
• Se o condutor central apresentar uma seção igual
à metade dos condutores externos:
o VolCu,bipolar = 31,25% VolCu,unipolar
• Se o condutor central apresentar uma seção igual
à dos condutores externos:
o VolCu,bipolar = 37,50% VolCu,unipolar
• Tarefa:
o Comparar com redes CA trifásicas
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27 INEP
Capacidade de transmissão
Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: Maximum Transfer Capability,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008. 27
— Distribuidor alimentado em um terminal
— Distribuidor alimentado em dois terminais
Tipos de distribuidores em CC
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— Distribuidor alimentado em um ponto central
— Distribuidor em anel
Tipos de distribuidores em CC
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— Modelagem matemática básica (regime perm.)
• Quedas de tensão dependem de R
• Cálculos utilizam aritmética simples
• Fator de potência não é definido
• Cargas não-lineares são modeladas mais facilmente
• Cargas podem ser modeladas como
o Concentradas
o Distribuídas
• Objetivos: encontrar pontos de tensão mínima
Distribuição em corrente contínua
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Linhas aéreas x subterrâneas
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— Segurança subt.
— Custo inicial aérea
— Flexibilidade aérea
— Custo de falhas aérea
— Aparência subt.
— Localização de faltas aérea
— Reparos aérea
— Capacidade de corrente aérea
— Queda de tensão subt.
— Vida útil subt.
— Custo de manutenção subt.
— Interferência EM subt.
Esquemas de conexão (radial)
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— “Radiação” dos alimentadores de uma única SE
— Vantagens
• Simples
• Barato
— Desvantagens
• O final do distribuidor será mais carregado
• Dependência de um único alimentador
• Consumidores ao fim dos distribuidores tem maiores
quedas de tensão
Esquemas de conexão (anel)
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— Os primários dos trafos de distribuição formam um
laço (“anel”) em volta da área a ser alimentada
— Vantagens
• Menos flutuações de tensão
• Confiabilidade alta (dois caminhos)
— Desvantagens
• Mais caro
• Dependência de uma única SE
Esquemas de conexão (sistema
interconectado)
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— O anel de distribuição é alimentado por mais de uma
SE
— Vantagens
• Menos flutuações de tensão
• Confiabilidade ainda mais alta (dois caminhos e duas
SEs)
• Possibilidade de escolha da SE em caso de picos de
demanda
— Desvantagens
• Mais caro
— Depende do objetivo
— Cada tipo de análise utiliza modelos apropriados
— Partes do modelo:
• Geradores
• Transformadores
• Dispositivos de proteção
• Cabos (parâmetros distribuídos)
• Cargas (concentradas ou distribuídas)
o Lineares
o Não lineares
• Equipamentos de qualidade de energia
o Filtros
o Reguladores de tensão e frequência
o Compensadores
• etc
Modelagem de redes de distribuição
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Sistema exemplo:
— Modelo:
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Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: A loss comparison,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008.
43 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Equações do circuito:
o Correntes injetadas nos nós
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44 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Em forma matricial:
o Correntes e tensões são incógnitas
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45 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Equações complementares:
o Potências
— Sistema final:
o Não linear
o Diferentes métodos para solução
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46 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Tipos de barras e variáveis conhecidas:
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47 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Método “double current injection” (exemplo):
• 1º passo: Perdas são nulas e calculam-se as
correntes
• 2º passo: Perdas são as do passo anterior e
recalculam-se as correntes
• Processo iterativo até erro < limite
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48 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CC)
— Trocar trafos por conversores CC-CC
— Considerar rendimentos
— Perdas são dependentes somente de R
— Cargas não necessitam de fator de potência
— Modelos:
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49 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CC)
— Modelo:
— Equações complementares:
o Potências
— Sistema final:
o Mais simples
o Newton-Raphson é suficiente
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50 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CC)
— Modelo:
— Tipos de barras e variáveis conhecidas:
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51 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
— Potências
• CA:
• CC:
— Perdas
• CA:
• CC:
— Para perdas e cabos iguais:
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52 INEP
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
— Para perdas e cabos iguais:
— Considerando
• Linha CC bipolar
• Tensões de pico
• Relação de tensões para mesmas perdas:
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
— Perdas a considerar
• Circuitos de proteção
• Cabos
• Conversores CC-CC
o CC
o Rendimento 90..99%
• Conversores CC-CA
o CC
o Rendimento 97%
• Transformadores
o CA
o Rendimento 98%
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