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Outros Tópicos em Usinas Eólicas

� Conexão com a Rede� Impacto Ambiental� Proteção, Aterramento e Fundação� Proteção, Aterramento e Fundação

Planejamento de Sistemas Elétricos de Potência

Eduardo Fabro

Conexão com a Rede

� Cuidados com a Conexão� As Linhas de Transmissão� O Armazenamento de Energia� O Armazenamento de Energia� A Potência de Curto-Circuito� O Custo de Transmissão Elétrica� O Nível de Compartilhamento Eólico da

Energia� A Qualidade da Energia Elétrica

Cuidados com a Conexão

� rápida desconexão do gerador, no caso de a tensão ou frequência da rede exceder ou cair certos limites

� compensação para potência reativa

� conexão do gerador de indução apenas na faixa de aproximadamente 95% a 105% da velocidade de sincronia

As Linhas de Transmissão


Fatores para determinação de conexão, equipamento e custo:

a) distância da turbina a redea) distância da turbina a redeb) capacidade de tensão e transmissão da redec) controle de potência e equipamento elétrico na turbinad) requisitos técnicos do uso das estações de energia em paralelo com a rede


� turbinas são ligadas em paralelo� geram 380 V e 690 V que são elevadas

através de um transformador� tensão elevada é entregue a uma

subestação onde sofre segunda subestação onde sofre segunda elevação até valor de transmissão

� valor de transmissão é entregue no ponto de conexão

� não é feita segunda elevação em casos de energia entregue direto a rede ou em parques de menor potência


� são instalados em áreas com bons ventos, normalmente em áreas remotas

� limites térmicos dos condutores, tensão e transitórios restringem capacidade de transmissão em situações extremasextremas

� limite térmico: temperatura acima da qual o material começa a amolecer (normalmente 50º a 100º C) dependendo do tipo de material, tempo de uso, geometria

� limite térmico da capacidade de condução depende da temperatura ambiente, velocidade do vento, radiação solar, condições da superfície do condutor e altura acima do nível do mar

O Armazenamento de Energia

A Potência de Curto Circuito

� fator que determina a habilidade da rede de absorver distúrbios

Propriedades básicas:� Potência aparente de curto circuito:� Potência aparente de curto circuito:

� Relação de curto circuito:

*taxa que reflete a rigidez de uma rede


Propriedades básicas:� Ângulo de impedância de curto circuito :

� Tensão na carga em estado estacionário:� Tensão na carga em estado estacionário:

*através da qual é possível estimar se a tensão na carga está ou não dentro dos limites especificados


� a frequência de um sistema é proporcional a velocidade de rotação dos geradores síncronos

Integração com a rede

� geradores no mesmo sistema AC estão sincronizados

� o aumento da carga no sistema tende a diminuir a velocidade dos geradores e a frequência


Integração com a rede� Scc – potência de curto circuito� Uk – tensão nominal no ponto� Ze – impedância equivalente

entre os pontos considerados� S – potência elétrica aparente� f – fator de segurança� In – corrente nominal

� se a impedância é pequena, as variações também são, é dito que a rede é forte

� caso a impedância seja grande, as variações são grandes, é dito que a rede é fraca

� In – corrente nominal


Integração com a rede

Uc – nível de tensão no ponto de conexão, em regime estacionário


Fatores considerados no projeto de um parque eólico:a) Compensação apropriada de energia reativab) Reforço da redec) Uso de turbinas eólicas com saída controlável de potência

Redes Fracas e Redes Fortes

� Os valores da tabela costumam ser usados para pequenos parques eólicos (50 MW ou sistemas isolados)

� Para grandes é necessária uma análise, levando em conta os ângulos de impedância

O Custo de Transmissão Elétrica

Custo para entregar uma unidade de energia (kWh) do parque eólico a rede.

� EE – energia entregue (MWh)� Ep – energia produzida (MWh)� P – perdas (%)� U – não disponibilidade (%)

O Nível de Compartilhamento Eólico de Energia

Na Europa, o sistema de energia é conectado internacionalmente e é dividido em:

� a) Estações Básicas: com alta capacidade, operando com carga nominal

Estratégias Operacionais e as Questões de Controle

operando com carga nominal

� b) Estações de Média Carga: operadas e controladas de acordo com a curva de demanda da necessidade diária prevista

� c) Estações de Pico: para compensar variações de curto prazo na carga da rede

A Qualidade de Energia Elétrica

A Qualidade de Energia ElétricaFórmula do fator de potência:*forma de se medir o nível de “poluição elétrica”

� fator de potência eólico é geralmente maior que 96%� geradores assíncronos de velocidade constantes

costumam ser compensados por bancos de capacitorescapacitores

� geradores de velocidade variável são conectados a rede por um conversor de frequência (AC-DC-AC) e têm os reativos controlados por um inversor


São causadas por turbinas eólicas devido a:-rajadas-efeitos de sombra na torre

Variação de tensão é o desvio da tensão RMS da tensão durante um curto período de tempo.

As Variações de Tensão

tensão durante um curto período de tempo.Todo e qualquer tipo de turbina eólica causa variação

de tensão na rede, que pode ser calculada via softwares ou analiticamente:


Para uma taxa de curto circuito constante:-uma baixa X/R aumentará a tensão no ponto de conexão-uma alta X/R diminuirá a tensão no ponto de conexão

As Variações de Tensão

conexão


� medida normalizada da mudança de tensão devido a operação de comutação na turbina eólica

Fator de Mudança de Tensão

comutação na turbina eólica� Ku é similar ao valor do fator da

corrente de partida Ki


� é uma redução brusca da tensão, seguido de seu restabelecimento após um curto período de tempo

� IEC: voltage dip, restabelecimento entre 0,5 ciclo e

Afundamento da Tensão

� IEC: voltage dip, restabelecimento entre 0,5 ciclo e alguns segundos

� IEEE: voltage sag, decréscimo entre 10 e 90% do valor da tensão nominal, com duração de 0,5 ciclo e 1 minuto

� no Brasil é considerado para valores abaixo de 90%


Principais causas:� abertura de chaves e religadores em

subestaçõesproblemas causados por fenômenos


� problemas causados por fenômenos naturais

� falha de um equipamento em sobrecarga, em que o sistema de proteção atua no desligamento da alimentação

� partida de motores de grande carga


Os tipos de afundamentos são associados aos tipos de curto-circuito:

� curto trifásico: entre as três fases ou entre as fases e o terra (5%)


fases e o terra (5%)� curto monofásico: entre fase e terra ou entre

fase e neutro (80 e 15%)� curto bifásico: entre duas fases ou duas fases

e a terra


Avaliação da súbita mudança de tensão:

� dispositivo para controle: FACTS (sistema de transmissão flexível em corrente alternada)


transmissão flexível em corrente alternada)

Harmônicos

� não contribuem para a entrega de energia útil� causam aquecimento de motores, erros na medição

de energia elétrica, sobrecarga de capacitores


Costuma-se analisar o desempenho de um sistema para cada harmônico separadamente e posteriormente sobrepor os resultados:

Fator de Distorção de Harmônica Total:



� é útil em comparar a qualidade da alimentação AC em vários pontos de um mesmo sistema de potência ou entre sistemas de potências

� quanto maior o THD, mais distorcida é a onda


� quanto maior o THD, mais distorcida é a onda senoidal, resultando em maior perda I²R

Correntes Harmônicas

Harmônicos de Tensão


� flicker (cintilação) é a variação de velocidade da turbina devido a flutuações nas condições do vento, que causa uma impressão subjetiva da variação de densidade de luz das lâmpadas

Flickers

densidade de luz das lâmpadas

� valores inconvenientes para o olho humano são de 8 a 10 Hz

� pode causar desde desconforto visual, dor de cabeça e dificuldades de raciocínio até disfunção neurológica


� flicker de sombra é o efeito estroboscópico do aspecto da sombra das pás em rotação quando o sol está atrás delas

� valores que podem causar distúrbios são de 2,5 a 20 Hz, sendo que frequências de 15 a 20 Hz podem até

Flickers

Hz, sendo que frequências de 15 a 20 Hz podem até levar a convulsões epilépticas

� 10% da população adulta e 30% da de crianças são sensíveis a alguma variação de luz nessas frequências

� pás modernas giram a 35 rpm que equivale a 1,75 Hz� existem softwares para controle e desligamento das

turbinas� existem regiões do planeta onde as altas latitudes e

baixo ângulo do sol, fazem do flicker de sombra um problema sério


� Segundo a IEC, os níveis de atuação dos flickerspodem ser quantificados pelos indicadores de curta (Pst, 10 minutos) e longa duração (Plt, 2 horas).

Flickers

O Pst pode ser calculado segundo as seguintes equações:


Para diminuição do flicker em parque eólico adota-se:

a) Potência de curto circuito grande no

Flickers

a) Potência de curto circuito grande no ponto de conexão do parque eólico

b) Uso de conversores na conexão à rede da turbina eólica

c) Uso de turbinas eólicas com velocidade variável


� é a medida normalizada da emissão máxima de uma turbina eólica em operação contínua:

Coeficiente de Flicker

� ele é fornecido pelo fabricante da máquina� é dependente da velocidade anual dos ventos no

local de instalação das turbinas e do ângulo de impedância equivalente de curto circuito da rede no ponto de conexão

� é recomendado o uso de seu pior valor


Pode-se usar o valor do coeficiente de flicker para calcular o nível de emissão de flicker:

E para N turbinas:

Coeficiente de Flicker

Os níveis de referência para nível de emissão:� Pst = Plt <= 0,9 para tensões entre 1 kV e 35 kV� Pst = Plt <= 0,3 para tensões maiores que 35 kV

Quando ocorres comutação, os níveis de tensão e flicker dependem:� do nível de tensão em que o parque eólico está conectado� da frequência com que as manobras ocorrem� da potência dos geradores eólicos


Para determinar o nível de emissão de flicker devido as operações de chaveamento:

Fator de Passo do Flicker

Os níveis de referência para Pst e Plt são:� Pst <= 0,9 e Plt <= 0,7 para tensões entre 1 kV e 35

kV� Pst <= 0,3 e Plt <= 0,2 para tensões maiores que 35

kV


� flutuações do vento em linhas de transmissão� chaveamento do gerador eólico em velocidades do

vento em torno da velocidade de partida� operações de comutação� flutuações aerodinâmicas na potência, por causa do

Causas do Flicker

� flutuações aerodinâmicas na potência, por causa do efeito da sombra na torre

� variações na potência devido a rajadas e gradiente do vento

� vibrações na turbina devido a erros no controle de passo

� oscilações no conjugado da turbina devido a variação natural do vento e ao peso das pás


� na partida de um gerador eólico, a corrente transitória alcança 7 vezes o valor de regime

� num parque, todos os transitórios se somam

Tensões Transitórias

� também ocorrem transitórios na comutação de dois geradores de diferentes potências nominais

� é necessário controle para evitar a simultaneidade das energizações


� antigamente todas as turbinas eólicas eram desligadas por qualquer perturbação na rede

� isso era feito para evitar ilhamento ou perda de rede (loss of grid ou loss of mains)

A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh)

(loss of grid ou loss of mains)

� eram usados relés que respondiam a qualquer incidente

� porém, caso disparassem em bloco, grande parte da energia eólica seria desconectada criando escassez na geração


� foi criado o requisito FRT (fault-ride through), que é a capacidade de um sistema para suportar afundamento de tensão

� determinam valores temporais mínimos que os parques devem continuar em operação, normalmente permitindo a

A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh)

continuar em operação, normalmente permitindo a desconecção em um afundamento de 10 a 20%

� há códigos que exigem que os geradores eólicos injetem correntes reativas na rede durante o afundamento para manter determinado nível de tensão

� não existe uma normatização internacional, já que cada país tem características próprias em seu sistema com regulação particular

A Suportabilidade a Faltas no Brasil

Os Procedimentos de Rede no Brasil

Os Procedimentos de Rede no BrasilTipo I – programação e despacho centralizados

Tipo II – programação centralizada e despacho não centralizado

Tipo III – programação e despacho não centralizados (usinas não classificadas nos casos anteriores)


não classificadas nos casos anteriores)

� Impacto Visual� Impacto Sonoro – Emissão de Ruído � O Impacto nas Aves

Impacto Devido a Interferência com

Impacto Ambiental

� Impacto Devido a Interferência com Ondas de Rádio e TV

� Impactos em Sítios Arqueológicos� Análise Crítica Ambiental� O Outro Lado da Moeda

Impacto Visual

Impactos:� tipo de paisagem� cores das torres� número de turbinas� quantidade de torres

design das turbinas� design das turbinas

Para minimizar os efeitos:� pintar turbinas com a mesma cor da paisagem� manter distância mínima dos parques em relação as

residências (500 m)� atentar a posição do sol e efeito cíclico

Impacto Sonoro – Emissão de Ruído

� sons inferiores a 20 Hz (infrassons) causam náuseas e dores de cabeça

� limite da audição humana é 0 dB, valores acima de 60 dB causam irritações e a partir de 100 são prejudiciais


� o ouvido humano é mais sensível a sons em torno de 1000 Hz� ruído de parques eólicos depende da velocidade dos ventos,

dos tipos de sistema, do número de turbinas e das características do localmédias típica de 103 dB

A Física do Ruído

� médias típica de 103 dB

� Existem duas principais fontes de ruído em uma turbina eólica: mecânica e aerodinâmica


� é gerado pelo maquinário na nacele principalmente pela caixa de engrenagens e do gerador

� existem duas categorias:– quando é diretamente radiado na atmosfera– quando é devido as vibrações propagadas através dos elementos

de transmissão para a nacele e torre (principal causa do ruído)

O Ruído Mecânico

de transmissão para a nacele e torre (principal causa do ruído)

� os ruídos na caixa de engrenagens são causados por um erro da malha do sistema conversão-transmissão

� há também diferenças entre tipos de engrenagens: helicoidais são menos ruidosas que as retas

� uma maior redução de ruído é alcançada com o isolamento acústico da nacele


� fenômeno ainda não muito compreendido

� existem métodos semiempíricos para previsão do ruído usados em acústica computacional

� é o principal ruído das turbinas

O Ruído Aerodinâmico

Categorias de ruído aerodinâmico:i) De frequência: da interação da pá com a torre e o cisalhamento do ventoii) De fontes autoinduzidas: geradas pelo aerofólioiii) De ruídos de turbulência de escoamento de aproximação: devido a turbulência atmosférica


Não existe um único padrão de ruído internacional comum para os níveis de pressão sonora, mas costumam haver

A Legislação e os Valores Praticados do Ruído

pressão sonora, mas costumam haver regulamentos de limites superiores de pressão sonora as quais as pessoas podem ser expostas, variando de país para país e por horário.

O Impacto nas AvesPrincipais pontos ambientais analisados:a) Os efeitos sobre populações de pássaros

das mortes provocadas por turbinas eólicasb) A violação de trajetórias de migração de

pássaros

� O desenvolvimento eólico afeta os pássaros alterando seu habitat de migração, colisões e eletrocussões

� Porém podem também trazer benefícios como proteção da terra contra mais perdas de habitat e proteção de pássaros contra perseguição indiscriminada

O Impacto nas Aves

� estudos mostram que morcegos em comportamento migratório estão sendo mortos por turbinas eólicas em um quantidade sem precedentes

� não se sabe o motivo desse fenômeno e não existem programas de monitoramento em escala continental de avaliação de acidentes com morcegos

Acidentes com Morcegos

com morcegos

� morcegos são predadores de insetos noturnos, estudos dizem que uma colônia de 150 morcegos no estado americano de Indiana comeu aproximadamente 1,3 milhão de insetos em um único ano

� acreditasse que a morte de morcegos possa causar um prejuízo agrícola de mais de U$3,7 bilhões por ano, podendo atingir U$53 bilhões anuais, por serem os predadores naturais de muitas pragas agrícolas

Impacto Devido a Interferência com

Ondas de Rádio e TVA interferência com os sinais de TV pode ser atribuída a:

a) O sinal direto da estão de TV pode ser perturbado pelo giro das pás se a turbina eólica estiver posicionada diretamente em linha com o receptorb) A interferência causada pela turbina refletir o sinal.

� Esse problema está relacionado a topografia individual de cada local, assim como o desenho das pás do rotor que consistem parcial ou assim como o desenho das pás do rotor que consistem parcial ou totalmente de aço.

� Para resolução desses problemas adotam-se pás de fibras de vidro ou madeira, o simples alinhamento das antenas já resolvia o problema, ou até a instalação de um pequeno retransmissor.

� Os efeitos das turbinas mas transmissões são mínimos e somente aplicáveis baixas distâncias (da ordem de dezenas de metros), porém há problemas quanto a interferência em radares para controle de tráfego aéreo e civil, situação que ainda não tem solução.

Impactos em Sítios Arqueológicos

Análise Crítica Ambiental

� A fabricação das turbinas eólicas e seu processo de eliminação causam impactos ambientais, que devem ser considerados

� O EACV foi criado para determinar e quantificar as � O EACV foi criado para determinar e quantificar as emissões relacionadas e o impacto da tecnologia de produção de energia eólica, assim como para definir o chamado tempo de retorno energético (payback

time) que é o tempo de uso necessário para pagar pela energia gasta na fabricação da unidade, entretanto, os resultados apresentam algumas incertezas que precisam ser consideradas e avaliadas

O Outro Lado da Moeda

Há diversos movimentos que se opõem a instalação de turbinas eólica, tendo como principais alegações:

� impactos ambientais

� ganho financeiro

� questões de saúde

O Outro Lado da Moeda

� NIMBY – “Not In My Backyard” ou “Não no meu quintal”

� Fenômeno de oposição de residentes a projetos de desenvolvimento próximos a eles.

Fenômeno “NIMBY”

desenvolvimento próximos a eles.

Como principais motivos:� alteração de áreas com valor paisagístico� diminuição do valor econômico de residências� questões de saúde como “A Síndrome da Turbina

Eólica”

Vídeos

� Impactos ambientais de usinas eólicas:https://www.youtube.com/watch?v=6UY58qSu-C8

� Impacto de usinas eólicas sobre peixeshttps://www.youtube.com/watch?v=Oz-RKXZIa1c

� Proteção Contra Raios

� Aterramento

Proteção, Aterramento e

Fundação

� Aterramento

� Fundação

Proteção Contra Raios

� o Brasil é o país com maior incidência de descargas atmosféricas no mundo, sendo 50 milhões por ano

� a maioria atinge a ponta da pá

� o sistema de proteção consiste num receptor consiste num receptor localizado na ponta da pá, uma peça de metal aparafusada e facilmente trocável, dentro da qual existe um fio metálico que conecta o receptor a uma fita metálica flexível do cubo ao sistema de aterramento da turbina

Proteção Contra RaiosO relâmpago é um fenômeno natural com

duração de 0,5 segundos e comprimento de 5 a 10 km de extensão, podendo ocorrer:

� da nuvem para o solo (positiva ou negativa)� do solo para a nuvem� dentro da nuvem� dentro da nuvem� entre nuvens� de uma nuvem para um ponto de ar

O impacto com uma turbina eólica pode ocorrer:

� de ação descendente� de ação ascendente

Proteção Contra RaiosTipos de proteção contra raios em turbinas eólicas:� sistema de captação aérea nas pás� fitas de alta resistência e desviadores� condutores instalados dentro das pás� material condutor na superfície das pás

Zonas de Proteção:� Zona de proteção 0A: quando a ação de um

raio direto é possível� Zona de proteção 0B: quando a ação de um

raio direto é impossível� Zona de proteção 1: quando a ação de um

raio direto é impossível� Zona de proteção 2: como na zona 1


� Não há instalação de parques eólicos em nenhuma das cidades citadas acima

Aterramento� tipicamente disposto em forma de anel ao

redor da base da fundação� geralmente acrescentados eletrodos verticais

e horizontais para alcançar baixa resistência de aterramento, baixa tensão de passo e tensão de toquetensão de toque

A Fundação� é determinada pelo tamanho da

turbina eólica e pelas condições locais do terreno

� o fator determinante é a maior velocidade do vento, assim como o tipo de turbina

� outro caso a se verificar é o de elevadas cargas durante a elevadas cargas durante a operação, onde o máximo momento de inclinação para a fundação é determinado pelo empuxo do rotor

� dependendo das condições geológicas, podem ser feitas fundações escavadas ou em sapata, de acordo com quanta carga pode ser absorvida pelo solo

conexão com a rede impacto ambiental proteção,...

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