operaÇÃo de rede em ilha em situaÇÃo de … · 2.2.1 queda de tensão ... tabela 2.3. valores...
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OPERAÇÃO DE REDE EM ILHA EM SITUAÇÃO DE
CONTINGÊNCIA
André Fialho Besteiro
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
ENGENHARIA ELETROTÉCNICA E DE COMPUTADORES
Orientadores: Prof. Doutor José Fernando Alves da Silva
Prof.ª Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto
Júri
Presidente: Prof. Doutor Rui Manuel Gameiro de Castro
Orientador: Prof. Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto
Vogal: Prof. Doutor Paulo José Duarte Landeiro Gamboa
Maio 2017
iii
AGRADECIMENTOS
Na realização da presente dissertação, contei com o apoio directo ou indirecto de múltiplas pessoas às
quais estou profundamente grato. Correndo o risco de injustamente não mencionar algum dos
contributos quero deixar expresso os meus agradecimentos:
À orientadora desta dissertação a Professora Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira
Pinto, pela orientação prestada, pelo seu incentivo, disponibilidade e apoio que sempre demonstrou.
Aqui lhe exprimo a minha gratidão.
Ao co-orientador Professor Doutor José Fernando Alves da Silva, pela sua disponibilidade, pelo seu
incentivo e igualmente pelo seu apoio na elaboração deste trabalho.
A todos os amigos e colegas que de uma forma directa ou indirecta, contribuíram, ou auxiliaram na
elaboração do presente estudo, pela paciência, atenção e força que prestaram em momentos menos
fáceis. Para não correr o risco de não enumerar algum não vou identificar ninguém, aqueles a quem
este agradecimento se dirige sabê-lo-ão, desde já o meu reconhecimento.
Não poderia deixar de agradecer à minha família por todo o apoio económico, pela força e pelo carinho
que sempre me prestaram ao longo de toda a minha vida académica, bem como, à elaboração da
presente tese a qual sem o seu apoio teria sido impossível.
A todos o meu sincero e profundo Muito Obrigado!
v
RESUMO
As redes de baixa tensão que funcionam em ilha têm o sistema de geração por norma, composto por
um gerador diesel que assegura o fornecimento de energia eléctrica. É essencial para avaliar todo o
sistema. No entanto, cada vez mais os sistemas de geração destas redes, a diesel, encontram-se
auxiliados por centrais fotovoltaicas, pois cada vez mais as empresas encontram-se pressionadas para
diminuir a sua factura energética e por consequência a sua pegada ambiental. No entanto, hoje em dia
os seguidores de máxima potência que controlam estas micro centrais fotovoltaicas não se encontram
programados para trabalhar em ilha, apenas se encontram programados para trabalhar com rede de
baixa tensão industrial ligada à rede de distribuição. Desta forma, sempre que em caso de emergência
existe necessidade da rede de baixa tensão industrial ficar numa situação de ilha, não se conhece
como a microgeração irá evoluir e se a mesma permitirá o funcionamento correcto do gerador.
Para se simular uma rede com um sistema de geração convencional e uma microcentral fotovoltaica,
foi necessário recorrer a um programa de simulação e representar uma rede típica, neste caso utilizou-
se uma rede de uma instalação fabril. Realizou-se três testes diferentes. O primeiro teste é
caracterizado pelo funcionamento típico, em situação estacionária. O segundo ensaio representa a rede
numa situação em que se encontra praticamente em vazio e a potência de geração encontra-se no
máximo. O terceiro ensaio consiste em simular o arranque de uma máquina assíncrona.
Com diferentes ensaios, conclui-se que toda a microgeração funciona correctamente sempre que não
existam grandes perturbações da frequência e da tensão da rede. Sempre que existem grandes
flutuações destas variáveis. As centrais fotovoltaicas saem de serviço. Em suma, a microgeração
fotovoltaica não se encontra preparada para funcionar em ilha.
Palavras-chave
Geradores Diesel, Máquina Síncrona, Sistemas Fotovoltaicos, Redes de Baixa Tensão
vii
ABSTRACT
Generation system, consisting of a diesel generator that ensures the supply of electric power. In industry
that in case of emergency their networks can operate in island operation the study of their type of load
is essential to evaluate the whole system. However, more and more the generation systems of these
networks, are by photovoltaic plants, as more and more companies are under pressure to reduce their
energy bill and consequently their environmental footprint. However, nowadays the maximum power
followers that control these micro-photovoltaic plants are not programmed to work in island operation,
they are only programmed to work with low voltage industrial network connected to the distribution
network. In this way, whenever there is an emergency in the event of an industrial low voltage network,
it is not known how the microgeneration will evolve and if it will allow the generator to function correctly.
In order to simulate a network with a conventional generation system and a photovoltaic power plant, it
was necessary to use a simulation program and represent a typical network, in this case was used a
network of a manufacturing facility. First test is characterized by the typical operation, in a stationary
situation. The second test represents the network in a situation where it is practically hollow and the
generation power is at the maximum. The third test consists of simulating the start-up of an
asynchronous machine.
With different tests, it is concluded that all microgeneration works correctly whenever there are no major
disturbances of the frequency and voltage of the network. Whenever there are large fluctuations of these
variables. Photovoltaic power plants are out of service. In short, photovoltaic microgeneration is not
ready to work in island.
Key-words:
Diesel Generators, Synchronous Machine, Photovoltaic Systems, Low Voltage Networks
ix
ÍNDICE
Agradecimentos ........................................................................................................................ iii
Resumo .................................................................................................................................... v
Abstract.................................................................................................................................... vii
Índice ....................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ....................................................................................................................... xii
Lista de Tabelas ...................................................................................................................... xv
Lista de Símbolos .................................................................................................................. xvii
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 1
1.1 Motivação ......................................................................................................................... 1
1.2 Descrição do Problema ..................................................................................................... 2
1.3 Objectivos ......................................................................................................................... 3
1.4 Estrutura do Trabalho ....................................................................................................... 3
2. MODELO DA REDE DE BAIXA TENSÃO.................................................................................. 5
2.1 Transformador .................................................................................................................. 5
2.1.1 Ensaio em vazio, Dimensionamento da Resistência e Reactância de
Magnetização ................................................................................................................. 7
2.1.2 Ensaio em curto-circuito, Dimensionamento dos enrolamentos primário e
secundário ..................................................................................................................... 8
2.2 Dimensionamento dos cabos .......................................................................................... 10
2.2.1 Queda de tensão ............................................................................................ 12
2.3 Carga ............................................................................................................................. 13
2.4 Microgeração .................................................................................................................. 14
2.5 Caracterização de rede .................................................................................................. 15
2.5.1 Interrupção ..................................................................................................... 15
2.5.2 Caracterização da Tensão rede .................................................................. 16
3. MODELO DO GERADOR DIESEL ....................................................................................... 17
3.1 Regulador de Frequência ................................................................................................ 17
3.2 Regulador de Tensão ..................................................................................................... 18
3.3 Máquina Síncrona .......................................................................................................... 19
4. SIMULAÇÃO DE REDE ....................................................................................................... 25
4.1 Ensaio da rede em condições de operação estacionários ............................................... 26
4 2 Ensaio da rede com carga 10% carga normal e microgeração máxima .......................... 32
4.3 Ensaio da rede com arranque de uma máquina assíncrona ............................................ 35
x
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES TRABALHO FUTURO ..................................................... 38
5.1 Conclusão ...................................................................................................................... 38
5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros .................................................................................... 39
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................ 40
xii
LISTA FIGURAS
Figura 2.1. Esquema Rede Simulink. ………………………………………………………………………… 5
Figura 2.2. Esquema Ligação Transformador. …………………………………………………….………… 6
Figura 2.3. Esquema Equivalente em T do Transformador. …………………………………….……….… 7
Figura 2.4. - Esquema em Simulink de uma carga crítica tipo. …………………………………….……. 15
Figura 2.5. Esquema Ligação da EDP – Distribuição ao Cliente de média tensão. ……………………. 16
Figura 3.1. Diagrama de blocos do Regulador de Frequência. ……………...…………………………… 17
Figura 3.2. Diagrama de blocos do Regulador de Tensão. ……………………………………………….. 18
Figura 3.3. Representação dos Referenciais abc em coordenadas α β. ………………………………… 20
Figura 3.4. Representação da transformação de Park. ……………………………………………………. 21
Figura 3.5. Diagrama de blocos do modelo da máquina síncrona. ………………………………………. 24
Figura 4.1. Tensão da rede antes do corte. ………………………………………………………………… 26
Figura 4.2. Corrente na rede antes do corte. …………………………………………………………….…. 27
Figura 4.3. Tensão durante o corte. ……………………………………………………………………........ 27
Figura 4.4. Frequência de referência em (p.u.). ……………………………………………………………. 28
Figura 4.5. Frequência da rede em (p.u.). ………………………………………………………….……….. 28
Figura 4.6. Ampliação frequência de rede em (p.u.). ………………………………………………………. 28
Figura 4.7. Potência mecânica, variável entrada de máquina síncrona. ………………………………… 29
Figura 4.8. Tensão de referência em (p.u.). ………………………………………………………………… 29
Figura 4.9. Tensão aos terminais do gerador sícrono em (p.u.). ………………………….……………… 29
Figura 4.10. Tensão excitação do gerador síncrono. ……………………………………………………… 30
Figura 4.11. Ampliação de tensão excitação do gerador síncrono. ……………………………………… 30
Figura 4.12. Tensão da rede durante ligação microgeracão. ……………………..………………………. 31
Figura 4.13. Corrente da rede durante ligação microgeração. ………….………………………………… 31
Figura 4.14. Potência activa pedida ao gerador ensaio 4.1.. ……………...……………………………… 32
Figura 4.15. Tensão aos terminais do gerador. ……………………………………………….…………... 32
Figura 4.16. Potência activa pedida ao gerador ensaio 4.2. ……………………………………………… 33
Figura 4.17. Frequência de referência à entrada do controlador de frequência. …………….…………. 33
xiii
Figura 4.18. Tensão de referência à entrada do controlador de excitação. …………………………….. 34
Figura 4.19. Corrente à saída da secção 1 da central de microgeração. ……………………………….. 34
Figura 4.20. Corrente de arranque da máquina assíncrona. ………………………..……………………. 35
Figura 4.21. Tensão de arranque da máquina assíncrona. …………………..…………………………… 35
Figura 4.22. Velocidade de arranque da máquina assíncrona. …………………………………….…….. 36
Figura 4.23. Corrente da secção da central de microgeração. …………………………………………… 37
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Catálogo transformador France Tranfo ……………………………………………..……..…… 7
Tabela 2.2. Valores ensaio em vazio do transformador …………………………………………..……….. 8
Tabela 2.3. Valores ensaio em curto-circuito ………………………………….……………………………. 9
Tabela 2.4. Parâmetros do transformador trifásico ………………………………………………………… 10
Tabela 2.5. Valor eficaz das diferentes correntes ……………………………….…………………………. 11
Tabela 2.6. Caracterização dos cabos de rede …………………………………………………………….. 11
Tabela 2.7. Impedância equivalente dos cabos ……………………………………………………………. 11
Tabela 2.8. Queda de tensão nos diferentes circuitos …………………………………………………….. 12
Tabela 2.9. Distribuição da potência pelos quadros ……….………………………………………………. 13
Tabela 2.10. Distribuição da potência de ligação da micro-central pelas 3 cargas ………….…………. 14
Tabela 2.11. Classificação dos tipos de interrupções ……………………………………………………… 16
Tabela 4.1. Parâmetros do regulador de frequência …….…………………………………………….….. 25
Tabela 4.2. Parâmetros do regulador de tensão …………………………………………………………... 25
Tabela 4.3. Parâmetros de funcionamento da máquina síncrona …….………………………………….. 25
Tabela 4.4. Parâmetros da máquina assíncrona …………………………………………………………… 36
Tabela 4.5. Parâmetros constitutivos da máquina assíncrona ………………….………………………… 36
Tabela 4.6. Parâmetros internos da máquina assíncrona ………………………………………………… 36
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS
CIE Consumidores Intensivos de Energia
Tep Tonelada Equivalente de Petróleo
UPS Uninterruptible Power Supply
Gm Condutância de magnetização
Bm Susceptância de magnetização
Rm Resistência de magnetização
Zcc Impedância de curto-circuito
Rt Resistência do transformador
Xt Reactância do transformador
R1 Resistência do enrolamento primário do transformador
R2 Resistência do enrolamento secundário do transformador
X1 Reactância de dispersão do primário do transformador
X2 Reactância de dispersão do secundário do transformador
PVC Policloreto de vinil
Kθ Coeficiente de temperatura
Kp Coeficiente de proximidade
IN Corrente nominal
IS Corrente de serviço
IZ Corrente Corrigida
SN Potência aparente trifásica
RTIEBT Regras Técnicas de Instalações de Baixa Tensão
xviii
ρ Resistência do cobre por cada metro
s Secção do cabo em mm2
l Comprimento do cabo em metros
R Resistência do cabo
L’ Reactância do cobre por metro
L Reactância do cabo
λ Coeficiente representativo da reactância
cos(φ) Factor de potência
Scarga Potência aparente trifásica da carga do sistema
Smicrogeração Potência aparente trifásica da microgeração do sistema
uds Tensão do enrolamento no eixo d
uqs Tensão do enrolamento no eixo q
Rs Resistência do enrolamento do estator
Lσs Indutância ligada do enrolamento do estator
u’f Tensão dos enrolamentos do campo
i’f Corrente nos enrolamentos do campo
L’σf Indutância de fugas do campo
R’f Resistência dos enrolamentos do campo
u'pd Tensão no enrolamento amortecedor no eixo d
u'pq Tensão no enrolamento amortecedor no eixo q
L’pd Indutância de fugas do enrolamento amortecedor do eixo d
L’pq Indutância de fugas do enrolamento amortecedor do eixo q
R’pd Resistência do enrolamento amortecedor do eixo d
xix
R’pq Resistência do enrolamento amortecedor do eixo q
Lmd Indutância mutua do eixo d
Lmq Indutância mutua do eixo q
Ψds Fluxo ligado dos enrolamentos do eixo d
Ψqs Fluxo ligado dos enrolamentos do eixo q
Ψ’f Fluxo ligado do campo
Ψ’pd Fluxo ligado do enrolamento amortecedor do eixo d
Ψ’pq Fluxo ligado do enrolamento amortecedor do eixo q
Ψmd Fluxo ligado da indutância mutua no eixo d
Ψmq Fluxo ligado da indutância mutua no eixo q
ids Corrente no enrolamento no eixo d
iqs Corrente no enrolamento no eixo q
i'pd Corrente no enrolamento amortecedor do eixo d
i'pq Corrente no enrolamento amortecedor do eixo q
Tem Binário eletromagnético
Tm Binário mecânico
Tdamp Binário amortecimento
P Potência do gerador em W
ωe Velocidade angular eléctrica
𝑑𝜔𝑅
𝑑𝑡 Aceleração angular do rotor
θe Ângulo entre o rotor e a rotação síncrona do eixo q
θr Ângulo entre o eixo q e o rotor
δ Ângulo de carga
M.P.P.T. Maximum power point tracking (Seguidor de máxima potência)
Ɛ Elasticidade da carga
_________________________________________________________________________________ 1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Motivação
Para suprimir as falhas de energia eléctrica em situações de emergência, existem vários tipos de
solução, nomeadamente UPS (Uninterruptible Power Supply System) e geradores diesel. As UPS
disponíveis a nível comercial asseguram uma potência eléctrica ao sistema, durante um curto período
de tempo, no entanto comparando com a potência de carga de uma indústria, seria necessárias
múltiplas UPS, mesmo assim poderia não ser viável pois existem cargas extremamente exigentes
(tensão, ângulo de potência, potência activa) e que uma bateria não consegue suprimir. As UPS
comerciais apresentam algumas desvantagens nomeadamente, padrão de descarga em regime de
bateria, componente harmónica que introduzem na rede de baixa tensão podendo afectar outros
equipamentos. [1]
Por outro lado, existem outro tipo de UPS (uso não comercial) com capacidade para satisfazer as
necessidades de potência de carga de uma indústria, onde a combinação entre supercondensados e
perfis de descarga das baterias de ácido conseguem assegurar por períodos muito curtos a carga de
uma fábrica. Conforme apresentado no artigo “Battery/Supercapacitors Combination in Uninterruptible
Power Supply (UPS)” [2] uma UPS com 500kVA seriam necessário 2226 elementos de baterias de
chumbo com tensão de 12V. Sabendo que estas baterias têm um tempo de vida útil relativamente
curto, existiriam custos associados à manutenção deste equipamento relativamente dispendiosos. [2]
No entanto, a produção descentralizada encontra-se hoje na ordem do dia, os variados incentivos que
os sucessivos governos têm distribuído às empresas com vista à diminuição da sua factura energética.
Sem dúvida, que a microgeração assumiu-se como um novo paradigma na forma de produzir energia
eléctrica, este tipo de produção descentralizada e localizada assume-se, contudo, como um elemento
de concorrência com a rede eléctrica, uma vez que, dada a maior proximidade dos consumidores, vai
contribuir para reduzir os trânsitos de energia, evitando ou adiando novos investimentos. [3]
Actualmente, a energia fotovoltaica assume-se como principal meio para produção de energia eléctrica
de forma descentralizada. Para este facto contribui o aumento do rendimento dos painéis fotovoltaicos
e o seu preço cada vez mais competitivo por cada kWp, o que leva a que esta tecnologia esteja em
fase de expansão e de desenvolvimento. Para instalação de micro centrais fotovoltaicas em Portugal
contribui o facto de o pais ter uma orientação fixa óptima com valores de irradiação que variam entre
cerca de 1700 kWh/m2 e 2000 kWh/m2 deste modo, é estimada uma produtividade anual variando
cerca de 1275 kWh e 1550 kWh, por cada kWp de potência-pico instalada, isto é, utilizações anuais da
potência-pico entre 1275 e 1550 horas. [4]
A partir do ano de 2015 todas as empresas portuguesas encontram-se abrangidas pelo decreto-lei
n.º71/2008, que regula o Sistema de Gestão dos Consumos de Energia, como uma das medidas do
Plano Nacional de Acção para Eficiência Energética. Este diploma visa prover a eficiência energética e
monitorizar os consumos energéticos das instalações consumidores intensivas de energia (CIE). Neste
_______________________________________________________________________________________ 2
diploma define-se como CIE uma empresa que consuma anualmente um valor superior de energia
acima das 500 tep/ano. Todas as empresas abrangidas por este diploma e que se encontram próximas
deste limite anual ponderam reduzir a sua factura energética de forma preventiva, evitando a voltados
gastos em auditorias de eficiência energética, e por consequência evitando coimas em caso de
incumprimento. [5]
Analisando todas as possíveis soluções será estudada neste trabalho a solução mais convencional,
utilizando um gerador diesel. Adicionalmente, é estudada a possibilidade de ligação de um sistema
fotovoltaico, que possa contribuir para a alimentação da rede isolada. Neste trabalho ir-se-á estudar o
caso específico de alimentação de uma fábrica da área de cutelaria.
Para garantir alimentação ininterrupta de cargas muito crítica é habitual ligar uma UPS até o gerador
diesel conseguir arrancar e garantir a alimentação das cargas. No entanto, este trabalho encontra-se
focado no funcionamento do gerador numa situação de emergência e num sistema de geração
fotovoltaica.
1.2 Descrição do Problema
Tendo por base a rede de baixa tensão da fábrica, selecionou-se a área da rede que se denomina de
área critica pois é aquela que em caso de interrupção da rede de distribuição a mesma é assegurada
pelo gerador da empresa. Esta área crítica é caracterizada por cargas que não devem ser desligadas
de forma prolongada, pois trata-se da zona produtiva da fábrica que deve ser mantida sempre em
laboração.
Estas cargas encontram-se divididas em três quadros eléctricos, sendo o primeiro o quadro do
armazém e do cais de saída das encomendas. Neste quadro eléctrico encontra-se ligado o servidor e
os respectivos terminais onde se recebem as ordens de encomenda e regularização do stock dos
produtos. Esta é uma área vital de uma indústria pois os prazos, hoje em dia, são extremamente
apertados. No segundo quadro eléctrico crítico encontra-se ligada toda a secção de embalamento e de
acabamento. Nesta secção efectua-se o controlo de qualidade do produto acabado, o seu posterior
embalamento, sendo também uma área importante. No terceiro quadro eléctrico encontram-se ligadas
as máquinas de termoformagem, injectoras de plástico, que são um dos principais consumidores de
toda a fábrica. Aqui é injectado o cabo na lâmina. Esta secção é composta por quatro máquinas
semelhantes. Considera-se esta área crucial, pois actualmente a industria das cutelarias em Portugal,
não armazena produtos acabados, pois é mais dispendioso a sua armazenagem e os seus
acabamentos encontram-se muito dependentes das tendências do mercado, nomeadamente na linha
de uso doméstico. Assim, é efectuada a armazenagem de lâminas semiacabadas, sem se encontrarem
afiadas, e em caso de encomenda, às lâminas é colocado um cabo.
A partir desta rede eléctrica já existente foi estudada a microgeração. Ao analisar a central fotovoltaica
verificou-se que a mesma é caracterizada por três pontos de injecção de energia eléctrica na rede de
baixa tensão da fábrica. Cada um destes pontos é coincidente com cada um dos três quadros vitais da
_______________________________________________________________________________________ 3
fábrica. Verifica-se que divisão da microgeração por estas três grandes cargas é mais eficiente do que
realizar a injecção toda num ponto. A cada um destes pontos de ligação da central, chama-se secção.
De seguida, realizou-se o estudo da rede em situações mais exigentes para ver qual o comportamento
da micro central e do gerador diesel. Nestas simulações tentou-se representar situações extremas de
funcionamento da rede, para se poder analisar como se comportaria a rede isolada no caso ocorrência
de um destes cenários de operação.
1.3 Objectivos
O objectivo desta dissertação será avaliar a rede em causa, quando se encontra a funcionar em ilha.
Assim, pretende-se avaliar o comportamento transitório da rede, bem como o funcionamento dos seus
elementos de geração, analisando para que estado de operação evolui a rede.
Para se proceder a uma avaliação da rede analisa-se o valor de tensão eficaz do gerador, valor de
corrente eficaz do gerador, tensão e corrente na central de microgeração, bem como a frequência da
rede, formas de onda e trânsitos de potência.
Para se conseguir estudar esta rede de baixa tensão, coloca-se a mesma sobre algumas condições
extremas de funcionamento, e de seguida analisa-se como evolui. Conhecendo os valores máximos e
mínimos de tensão, corrente e frequência, onde estas grandezas podem flutuar, quando as mesmas
violam estas fronteiras a rede é colocada em vazio, como forma de assegurar a segurança da mesma
e dos seus utilizadores.
1.4 Estrutura do trabalho
Este trabalho encontra-se estruturado em cinco capítulos:
No primeiro capítulo é realizada uma introdução ao modelo de laboração da empresa e explicação da
importância da alimentação contínua destas cargas.
No segundo capítulo é apresentada a rede eléctrica de baixa tensão da fábrica, incluindo o
dimensionamento dos modelos de todos os componentes que a constituem: transformador, cabos e
cargas.
No terceiro capítulo é estudado o modelo do gerador diesel e das suas diferentes componentes, como
regulador de tensão, regulador de frequência, modelo do motor diesel e o modelo do gerador eléctrico
(máquina síncrona). Para se poderem apresentar conclusões realistas, foi necessário simular a rede
de baixa tensão da fábrica e o modelo do gerador num programa de simulação computacional, para
que os dados obtidos se aproximassem dos valores do sistema real.
No quarto capítulo apresentam-se os ensaios realizados e formas de onda obtidas. Os resultados
obtidos são analisados.
_______________________________________________________________________________________ 4
No quinto capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho realizado e as perspectivas de trabalho
futuro.
_______________________________________________________________________________________ 5
2. MODELO DA REDE DE BAIXA TENSÃO
Com o intuito de analisar o impacto da microgeração nesta rede em ilha é essencial dimensionar e
simular a rede de baixa tensão, representando as cargas ligadas à rede. Essa simulação é efectuada
no programa MATLAB/Simulink.
Figura 2.1 – Esquema da rede em Simulink
As simulações são realizadas num contexto aproximado à operação real, com valores de carga de uma
situação real, medindo tensões, correntes e potências em vários pontos da rede. Para que tal seja
possível, é necessário dimensionar e obter modelos do transformador MT/BT, dos cabos de ligação,
das cargas eléctricas bem como do gerador.
Este tipo de simulação é computacionalmente pesada e pode tornar-se excessivamente lenta, porque
envolve um número elevado de cabos e de cargas eléctricas, assim como a leitura de muitos valores
de tensão e de corrente bem como, cálculos de potência.
2.1 Transformador
Neste estudo foi utilizado um transformador com características semelhantes aos utilizados nos postos
nacionais de transformação da média tensão (MT) para a baixa tensão (BT). As características destes
transformadores variam mediante a potência pretendida, nível de tensão na rede MT ou até da
localização desejada. Geralmente, os transformadores recebem no primário três fases da Média
Tensão, ligadas em triângulo e, o secundário é ligado em estrela. Os cabos que saem do posto de
transformação são normalmente, constituído por 3 condutores de fase, 1 de neutro, 1 de terra, sendo
o de neutro logo aterrado no posto de transformação.
Os níveis de tensão mais usuais na rede MT da rede eléctrica nacional são 10, 15 e 30kV. Na BT, o
nível de tensão utilizado é de 230V (por fase), 400V (composta). A maior parte dos transformadores
permitem ajustar a tensão de saída entre ±2x2,5%. A frequência de funcionamento é muito próxima
_______________________________________________________________________________________ 6
dos 50Hz. Neste projecto, consideramos uma potência de 630kVA, pois é semelhante ao transformador
colocado na indústria em estudo.
Os transformadores utilizados nas simulações deste trabalho têm as seguintes características:
• Tensão MT:30kV
• Tensão BT:400V
• Potência: 630kVA
Nas simulações realizadas no simulink utilizou-se o bloco na figura 2.2, sendo um modelo do esquema
de ligações da figura 2.3, onde é possível ver o esquema de ligações do mesmo.
Os valores a serem obtidos para o dimensionamento do transformador são as resistências e as
reactâncias de dispersão dos enrolamentos primários, secundário e de magnetização. O cálculo destes
valores é feito com recurso aos dados fornecidos pelo fabricante. Considera-se o modelo equivalente
do transformador em T, com os parâmetros em valores p.u.. Os dois ramos horizontais correspondem
às indutâncias de dispersão do primário e do secundário, enquanto o ramo transversal, representa o
núcleo do transformador onde flui a corrente de magnetização.
Analisando os catálogos dos fabricantes é possível obter os valores das perdas em vazio, das perdas
em carga, da tensão de curto-circuito e da corrente em vazio. Na tabela 2.1 [6] está representado um
catálogo de transformadores a óleo herméticos da France Transfo.
As perdas em vazio correspondem às perdas no ferro no núcleo do transformador. Estas perdas
dependem do fluxo do núcleo, que é praticamente independente do regime de carga. Assim as perdas
no ferro também vão ser praticamente independentes ao regime de carga, e como as perdas no cobre
devidas à corrente de magnetização são praticamente desprezáveis, podemos considerar as perdas
do vazio iguais às perdas no ferro.
Figura 2.2 Esquema Ligação Transformador
_______________________________________________________________________________________ 7
Figura 2.3 - Esquema equivalente em T do Transformador
As perdas em carga são verificadas normalmente quando o transformador está em plena carga, e
correspondem às perdas no cobre que são devidas ao efeito de Joule associado à passagem das
correntes nos enrolamentos. Como o ensaio em curto-circuito é feito de forma que no secundário circule
uma corrente correspondente à que existiria num cenário de plena carga, então as perdas em curto-
circuito admitem-se equivalentes às perdas em carga.
Tabela 2.1 – Catálogo do transformador da France Transfo
De seguida, realizou-se dimensionamento dos parâmetros do transformador para introduzir no simulink,
com base nos dados fornecidos pelo catálogo do transformador.
2.1.1 Ensaio em vazio, Dimensionamento da Resistência e Reactância de
Magnetização
No ensaio realizado em vazio é aplicada uma tensão no secundário (lado da rede de BT) e o primário
é colocado em circuito aberto. Como apenas existe corrente no secundário uma vez que o primário
está em vazio, a corrente que percorre o transformador é apenas a corrente de magnetização. O
catálogo do fabricante apresenta o valor desta corrente em percentagem (tabela 1). Como a impedância
do enrolamento série é muito menor que a impedância do ramo de magnetização considera-se apenas
as perdas no ferro que serão aproximadamente iguais às perdas em vazio, fornecidas no catálogo do
fabricante (tabela 2.1). A tabela 2.2 contém uma síntese dos valores necessários para proceder aos
cálculos do ensaio do transformador em vazio. Começa-se por retirar os valores de catálogo do
_______________________________________________________________________________________ 8
transformador, calculam-se os valores de base, quando necessário, para se obter as grandezas em
valores p.u.
Tabela 2.2 - Valores do ensaio em vazio transformador
Tensão em vazio Corrente de magnetização Perdas em vazio
Valor de catálogo 𝑈𝑛 = 400𝑉 𝐼𝑚 = 2.9% 𝑃0 = 1450𝑊
Valor de base 𝑈𝑏 = 400𝑉 - 𝑆𝑏 = 630𝑘𝑉𝐴
Valor em p.u. 𝑈𝑛𝑝𝑢= 1𝑝. 𝑢. 𝐼𝑚𝑝𝑢
= 0.029 𝑝. 𝑢. 𝑃0𝑝𝑢
=1.45
630= 0.0023 𝑝𝑢
A partir dos dados da tabela 2.2 pode-se determinar a condutância de magnetização, Gm.
𝐺𝑚 =𝑃0𝑝𝑢
𝑈𝑛𝑝𝑢2 (2.1)
𝑅𝑚 =1
𝐺𝑚
(2.2)
Com base no valor da corrente de magnetização, pode-se calcular o valor da susceptância de
magnetização Bm.
𝐵𝑚 = −√(𝐼𝑚𝑝𝑢
𝑈𝑛𝑝𝑢
)
2
− 𝐺𝑚2 (2.3)
O valor da reactância de magnetização é dado pela equação (2.4).
𝑋𝑚 =1
𝐵𝑚
(2.4)
2.1.2 Ensaio em curto-circuito, Dimensionamento da Resistência e Reactância
dos enrolamentos primário e secundário
Com o secundário em curto-circuito, é aplicada uma tensão no primário, tensão de curto-circuito, tal
que no secundário circule a corrente nominal do transformador. Neste tipo de ensaio a impedância de
magnetização, que é muito superior às impedâncias dos enrolamentos pode ser desprezada no modelo
equivalente do transformador.
_______________________________________________________________________________________ 9
Tabela 2.3 - Valores dos ensaios em Curto-Circuito
Tensão em curto-circuito Corrente nominal Perdas em curto-circuito
Valor de catálogo 𝑈𝑐𝑐 = 4.5% 𝐼𝑛𝑣 =
𝑆𝑏
√3x𝑉𝑛= 12 𝐴
𝑃𝑐𝑐 = 8.8𝑘𝑊
Valor de base 𝑈𝑏 = 30𝑘𝑉 𝐼𝑏 =
𝑆𝑏
√3x𝑉𝑛= 12 𝐴
𝑆𝑏 = 630𝑘𝑉𝐴
Valor em p.u. 𝑈𝑛𝑝𝑢= 0.045𝑝. 𝑢. 𝐼𝑛𝑣 = 1 𝑝𝑢
𝑃𝑐𝑐𝑝𝑢=
8.8
630= 0.014 𝑝. 𝑢.
A partir dos dados obtidos na tabela, pode se calcular as resistências dos enrolamentos e as
respectivas reactâncias de dispersão.
𝑍𝑐𝑐 =𝑈𝑐𝑐𝑝𝑢
𝐼𝑛𝑣𝑝𝑢
(2.5)
𝑅𝑐𝑐 =𝑃𝑐𝑐𝑝𝑢
𝐼𝑛𝑣𝑝𝑢2 (2.6)
𝑋𝑡 = √𝑍𝑐𝑐2 − 𝑅𝑡
2 (2.7)
Agora, o valor das resistências do enrolamento primário (R1), do enrolamento secundário (R2) e das
respectivas reactâncias (X1) e (X2).
𝑅1 = 𝑅2 =𝑅𝑡
2
(2.8)
𝑋1 = 𝑋2 =𝑋𝑡
2
(2.9)
A tabela 2.4 contém um resumo de todos os parâmetros, obtidos a partir dos dados do fabricante do
transformador. Na instalação em estudo, os dois transformadores são iguais.
Tendo em conta os dados do catálogo do transformador pode-se efectuar uma regulação nas suas
tomadas e elevar a tensão no secundário acima dos 400V. Assim, a tensão de saída do transformador
é 5% superior, logo passa a ser uma tensão de 420V.
A utilização de uma tensão superior nesta é uma vantagem estratégica também usada pela EDP –
Distribuição nos postos de transformação da rede pública. A rede em estudo apresenta uma distribuição
de cargas muito significativa e localizadas, fazendo com que os condutores usados na rede tenham
que ser de secção considerável para que queda de tensão não seja preponderante. Assim, elevando a
tensão no transformador e no gerador em 5% possibilita que a tensão na carga seja muito próxima dos
230V.
_______________________________________________________________________________________ 10
Tabela 2.4 - Parâmetros do transformador trifásico
Parâmetros do transformador trifásico da rede
Primário Magnetização Secundário
R1 (pu) X1 (pu) Rm (pu) Xm (pu) R2 (pu) X2 (pu)
0,007 0,022 434,78 34,48 0,007 0,022
2.2 Dimensionamento dos cabos
Analisando o tipo de cabo utilizado na instalação industrial em estudo, verificou-se ser do tipo LVV.
Este tipo de cabo é caracterizado por uma alma condutora em cobre multifilar, com isolamento em
policloreto de vinil (PVC) e bainha de regularização em PVC e bainha exterior em PVC, apresentando
uma tensão nominal 0,6/1kV e uma tensão de ensaio 3,5kV, pertencendo à classe 2 do tipo multifilar.
Este cabo encontra-se homologado pelas normas NP2365, IEC502 [7] e encontra-se perfeitamente
adaptado ao transporte e distribuição de energia eléctrica em instalações industriais. De seguida,
efetuam-se os cálculos para determinar a resistência e reactância de cada cabo, a utilizar no modelo
de simulação.
O valor da corrente nominal é dada por (2,10). O valor da corrente corrigida IZ (2,11) onde, a constante
𝐾𝜃 representa o coeficiente de temperatura, irá permitir calcular a secção do cabo a instalar. Considera-
-se 𝐾𝜃 = 1 pois é o pior caso, em estudo. A constante 𝐾𝑝 relaciona-se com o número de cabos que
partilham o mesmo caminho de cabos, neste caso utiliza-se 𝐾𝑝 = 0.72, pois através das regras técnica
de baixa tensão é o valor encontrado para o caminho de cabos mais lotado da instalação. Estas
constantes encontram-se explicitadas na CEI 60228 [7]. O valor IN corresponde à corrente nominal em
cada uma das três fases, sendo Sn o valor da potência trifásica em cada quadro em estudo, conforme
tabela 2,5. Assume-se que a potência máxima do gerador seja de 800kVA, no entanto o gerador da
rede em estudo tem apenas a potência nominal de 630kVA e uma potência máxima de 663kVA. Assim,
considera-se a utilização de 2 cabos por fase para não se utilizar apenas um cabo de grande secção,
também permite que sistema fique mais redundante, logo mais seguro.
Para dimensionar a secção dos condutores tendo determinado a corrente corrigida, consulta-se o
QUADRO 52-C11 das RTIEBT com o método de referência E [7]. Desta forma, obtemos secção dentro
das Regras Técnicas de Baixa Tensão.
𝐼𝑁 =𝑆𝑛
√3 ∗ 400
(2.10)
𝐼𝑍 =𝐼𝑁
𝐾𝜃 ∗ 𝐾𝑝
(2.11)
_______________________________________________________________________________________ 11
Agora, para se poder calcular as resistências de cada cabo e sua respectiva reactância deve-se realizar
para cada um dos cabos a seguinte expressão. Este procedimento deve ser realizado para o condutor
de cada uma das fases e para o condutor de neutro.
Tabela 2.5 - Valor eficaz das diferentes correntes
Nome Circuito Corrente Serviço IS (A) Corrente Nominal IN (A) Corrente Corrigida IZ (A)
Carga Critica 1 34,27 40 55,56
Carga Critica 2 248 250 347,22
Carga Critica3 479 500 694,44
Gerador 1155/2=578 600 833
Tabela 2.6 - Caracterização dos cabos da rede
Nome
Circuito 𝐾𝑝 𝐾𝜃
Corrente
Corrigida
(A)
Secção
Cabo
Fase
(mm2)
Secção
Cabo
Neutro
(mm2)
Secção
Cabo
Terra
(mm2)
Designação Cabo
Carga
Critica 1 0,72 1 55,56 10 10 70 3x240+120+T70
Carga
Critica 2 0,72 1 347,22 240 120 70 3x240+120+T70
Carga
Critica3 0,72 1 694,44 240 120 70 3x240+120+T70
Gerador 0,72 1 1229 630 240 - 3x630+240
Onde 𝜌 = 0.020Ω/𝑚𝑚2.𝑚, s representa a secção do cabo em mm2 e l representa o comprimento do
cabo em m.
𝑅 = 𝜌 ∗ 𝑙
𝑠
(2.12)
A reactância é calculada da seguinte forma. Onde 𝐿′ = 2.4e−7 H/m e l representa o comprimento do
cabo em m.
𝐿 = 𝐿′ ∗ 𝑙 (2.13)
Tabela 2.7 - Impedância equivalente dos cabos
Nome Circuito Secção (mm2) l(m) R(Ω) L(H)
Carga Critica 1 10 10 0,0192 2,4 e-6
Carga Critica 2 240 20 0,0016 4,8 e-6
Carga Critica 3 240 10 0,00080 2,4 e-6
Gerador 630x2 50 0,00076 6 e-6
_______________________________________________________________________________________ 12
2.2.1 Queda de tensão
Para uma correcta parametrização da rede foi necessário verificar que a mesma cumpria as Regras
Técnicas de Instalações de Baixa Tensão. Através da fórmula 2.14, conseguiu-se verificar se os cabos
dimensionados cumprem as regras técnicas. Onde ρ=0,020Ωmm2/m, λ=0,00008Ω/m, φ representa o
ângulo de atraso da corrente face à tensão (cos(φ)=0,8) e Is representa a corrente de serviço do troço
em análise, consegui-se verificar que cumprem as regras técnicas.
Δ𝑈[%] =230
100(𝜌
𝑙
𝑠cos(𝜑)𝐼𝑠 + 𝜆𝑙 sin(𝜑)𝐼𝑠
(2.14)
Para uma instalação elétrica de baixa tensão trifásica [8]:
Δ𝑈[%] < 1,5% (2.15)
Assim, pela tabela 2.8 pode se verificar que todos os cabos se encontram bem dimensionados. Até um
pouco sobredimensionados. No entanto, este procedimento de sobredimensionamento dos cabos da
instalação eléctrica é uma prática recorrente em muitas. A sua finalidade prende-se com facto de dotar
a instalação da capacidade de receber um reforço de potência, no futuro, sem ser necessário substituir
os cabos. Por outro lado, os cabos sobredimensionados conduzem a perdas de por efeito de joule
menores no sistema.
Tabela 2.8 - Queda de tensão nos diferentes circuitos
Nome Circuito ΔU do troço [%] ΔU total [%]
Carga Critica 1 0,246 0,27
Carga Critica 2 0,248 0,28
Carga Critica 3 0,239 0,27
Gerador 0,027 -
Desta forma, é facilmente comprovado pela tabela 2.8 que todos os circuitos cumprem as normas de
segurança.
_______________________________________________________________________________________ 13
2.3 Carga
Neste projecto utiliza-se dois grandes tipos de cargas. Em 60% de toda a potência de carga a mesma
encontra-se dimensionada em cargas do tipo RL, cargas passivas típicas. No entanto, cerca de 40%
de toda a carga encontra-se dimensionada de uma forma activa. Utilizou-se esta forma activa, com
recurso a fontes de corrente pois seria a forma mais simples de simular os dispositivos eletrónicos que
cada vez fazem mais parte das cargas de uma indústria, com controlo de tensão o que leva a que
corrente aumente proporcionalmente à queda de tensão do sistema.
Assim encontrou-se uma carga que conforme a tensão disponível na rede conseguisse consumir uma
corrente proporcional à potência de carga, fazendo com que a potência consumida fosse sempre
constante. Assim, desenvolveu-se um sistema que ao ler a tensão disponível na rede (valor eficaz), vai
de seguida comandar as fontes de corrente fazendo com que as respectivas fontes consumam uma
corrente com amplitude e forma desejada. Este sistema desenvolvido tem por base uma cadeia de
controlo. Assim, a probabilidade de existência de ruido no sistema aumenta, logo colocam-se alguns
filtros e sistemas de corte comandados e sincronizados com o corte da rede. As equações, número
2.16, 2.17 e 2.18 representam a corrente em cada uma das fases do sistema trifásico, sendo a potência
activa e reactiva em cada uma das fases.
𝐼 = √𝑃2 + 𝑄2
𝑉2
(2.16)
𝑖(𝑡) = √2 ∙ 𝐼 ∙ sin(𝜔𝑡 + 𝜑𝑖) (2.17)
𝜑𝑖 = tan−1(𝑄
𝑃)
Tabela 2.9 - Distribuição das potências pelos quadros
(2.18)
Nome Circuito Potência Aparente (VA) Potência Activa (W) Potência Reactiva (VAr)
Carga Critica 1 23717 18996 14200
Carga Critica 2 172500 138000 103500
Carga Critica 3 332508 266010 199500
O valor de potência da carga crítica 1 representa toda a carga da secção da unidade fabril responsável
pelo despacho das encomendas. O valor de 172500VA representa toda a carga da secção de
acabamento de produto e por fim, a carga crítica 3 representa a secção de injeção de cabos plástico.
_______________________________________________________________________________________ 14
Embora só cerca de 40% de toda rede apresenta carga com elasticidade zero, o mesmo foi desenhado
desta forma pois a rede real apresenta uma percentagem de carga com (Ɛ=0). Como as cargas não
lineares apresentam controlo de tensão, logo tensão é aproximadamente constante implica um
aumento de corrente.
Considerou-se uma representação fiel da rede dando prioridade ao desenvolvimento deste sistema
para exemplificar a carga, pois a utilização de cargas passivas do tipo RL não iriam representar
fielmente a rede logo o comportamento do gerador e da micro-central fotovoltaica não seriam
fidedignos.
2.4 Microgeração
As várias unidades de microgeração desenvolvidas são semelhantes entre si. Num esquema
semelhante ao utilizado para carga. Aqui a microgeração é representada por fontes de corrente que
produzem uma corrente com um valor eficaz decidido para cada um dos testes, não esquecendo os
valores típicos para estes sistemas. Assim, para cada um dos ensaios pode-se considerar um valor
para corrente produzida, tornando o sistema mais próximo de um sistema real. Pois, na presença de
microgeração por painéis fotovoltaicos a produção é depende da irradiância, temperatura, entre outras
condicionantes, logo não se pode considerar constante.
Assim, o valor da potência da microgeração pode variar de acordo com vários factores, no entanto, o
seu valor máximo não pode ultrapassar 25% da potência do posto de transformação. Na rede estudada,
A potência máxima da central fotovoltaica é de 157,5kW [9].
Assim, considerou-se a seguinte distribuição da potência de geração pelos três quadros em estudo
segundo o principio de optmalidade de funcionamento da central de microgeração. Como no primeiro
quadro (carga crítica 1) encontra-se cerca de 5% de toda a potência de carga considerou-se que cerca
de 5% toda a potência da central de microgeração deveria ser alocada a este quadro. Seguindo este
raciocínio ao quadro da carga critica 2 é alocada cerca de 30% e ao outro quadro cerca de 65% de
toda a potência disponível da central fotovoltaica.
Tabela 2.10 - Distribuição da potência máxima de ligação da micro-central pelas 3 cargas
Potência Geração Secção 1 (W)
Potência Geração Secção 2 (W)
Potência Geração Secção 3 (W)
2010 50000 104962
Cada uma das secções da central fotovoltaica não apresentam um valor de potência de ligação
semelhante entre si, pois o valor de carga entre as diferentes cargas críticas é diferente. Logo, é mais
vantajoso que a potência da central fotovoltaica seja separada pelos diferentes sub-quadros das cargas
críticas desta forma potência é injectada nos diferentes locais é diferente. No entanto, é melhor do que
_______________________________________________________________________________________ 15
o caso em que toda a potência de geração é injectada no mesmo local, fazendo com que a tensão
aumente nesse local e o inversor deixe de operar.
Figura 2.4 - Esquema em Simulink de uma carga crítica tipo
A figura 2.4 representa um bloco de carga crítica típico. Assim, em cada uma da fases o cabo eléctrico
é simulado por uma resistência em série com uma bobine. Os valores desta resistência e desta bobine
encontram-se dimensionados na tabela 2.7. O sub-bloco intitulado carga crítica é composto pelo
sistema de simulação da carga activa e por cargas do tipo RL, conforme enuciado no subcapítulo 2.3.
Por outro lado, o bloco da Microgeração representa parte da central fotovoltaica com a potência
indicada na tabela 2.10 do subcapítulo 2.4.
2.5 Caracterização da rede
2.5.1 Caracterização da tensão rede
Em Portugal, a tensão da rede pública de baixa tensão situa-se nos 230V±10%, ou seja, o valor eficaz
da tensão deve-se situar entre 253V e os 207V. Assim, qualquer valor eficaz da tensão entre 207V e
11,5V é denominado cava de tensão e abaixo dos 11,5V considerado interrupção, de acordo com
norma NP EN 50160. [11]
Deste modo, considera-se que quando o gerador se encontra em funcionamento e o seu valor eficaz
de tensão se encontra abaixo dos 207V ao longo de 60s, o gerador deve ser desligado da rede, e a
mesma colocada em vazio pois, a tensão aos terminais já não apresenta um valor dentro do
regulamentado.
Os problemas relativos às variações dos perfis de tensão nas redes elétricas são dos mais sérios
problemas relacionados com a Qualidade de Energia Elétrica (QEE), de acordo com Manual de
Qualidade de Energia Eléctrica, [11] logo tem que se assegurar que a rede cumpre estes padrões de
qualidade. Assim, a qualidade da forma de onda da tensão pode ser medida por um conjunto de
indicadores. Nomeadamente, amplitudes das tensões nas três fases são desequilibradas, a forma de
onda é distorcida, ou quando surgem cavas ou elevações de tensão, a qualidade da energia eléctrica
é degradada.
_______________________________________________________________________________________ 16
2.5.2 Interrupção
De acordo com norma NP EN 50160 [11] considera-se que uma interrupção da rede ocorre quando no
ponto de utilização do cliente a tensão numa das fases apresenta um valor de 5% do seu valor
declarado.
Assim, quando a tensão ficar abaixo dos 11,5 V de valor eficaz, deve-se efectuar a separação da rede
privada do cliente da rede de distribuição e iniciar o arranque do gerador.
As interrupções podem ter várias naturezas e posteriormente diferentes classificações (tabela 2.10).
Ao utilizar-se a palavra cliente considera-se o responsável por toda a instalação eléctrica, desde o
seccionador da média tensão, à entrada do posto de transformação, até às respectivas cargas ligadas
à rede de baixa tensão [9].
Tabela 2.11 - Classificação do tipo de interrupções
Figura 2.5 - Esquema ligação da EDP - Distribuição ao cliente de média tensão
_______________________________________________________________________________________ 17
3. MODELO DO GERADOR DIESEL
Os geradores síncronos autoexcitados são a principal fonte de energia em caso de emergência nas
indústrias. A estabilidade da energia eléctrica depende de muitos factores relacionados, no entanto, a
tensão e a frequência são os principais. Consideram-se fontes de alimentação estável todas aquelas
que regressam ao seu estado original depois de terem sido expostos a distúrbios. Assim, a tensão e a
frequência devem voltar aos seus valores padronizados dentro de um intervalo de tempo
regulamentado, se não convergirem para os seus valores esperados, o sistema deve ser desligado.
Considerou-se este gerador o mais indicado pois devido ao valor de carga que a rede apresenta, esta
seria melhor solução. Também, qualquer industria quando realiza a compra de um equipamento como
um gerador deve ter em conta o aumento da sua carga no futuro. Assim, o total de carga alimentar pelo
gerador é inferior à potência nominal do gerador.
O bloco utilizado para representar o gerador na rede do simulink é o bloco de uma máquina síncrona,
conforme deduzida neste capítulo. Esta máquina encontra-se ligada em estrela, possibilitando o acesso
ao neutro e às três fases. Este bloco recebe como variáveis de comando, a potência mecânica, que
provêm de controlador de frequência e a excitação que provêm de um controlador de tensão. Conforme
a variação de tensão na rede é possível o gerador regular e retribuir o sistema ao equilíbrio, o mesmo
acontece com a frequência.
Assim, este sistema de geração funciona correctamente dentro de certos limites de tensão e frequência,
quando os mesmos são ultrapassados o sistema de geração deve parar de funcionar.
3.1 Regulador de frequência
O regulador de frequência do sistema é composto pelo controlador, pelo regulador e pelo tempo de
resposta do gerador.
Este sistema recebe como entrada a velocidade de rotação da máquina e tem como saída o valor de
potência mecânica que o gerador diesel fornece através do veio ao gerador eléctrico.
Figura 3.1 - Diagrama de blocos do regulador de frequência [12]
_______________________________________________________________________________________ 18
O gerador diesel é representado simplesmente por um atraso e por uma função de transferência,
considera-se que para um sistema com esta potência e complexidade é uma boa aproximação
considerar o gerador diesel desta forma.
O controlador inicial é um sistema de segunda ordem, que recebe um sinal de erro entre o valor de
referência da velocidade da máquina e o seu valor actual. Onde, Kp é o ganho deste sistema e tem
como constantes de tempo T1C, T2C, T3C. [12]
𝐻𝑎 =𝐾𝑝(1 + 𝑇3𝐶𝑠)
1 + 𝑇1𝐶𝑠 + 𝑇1𝐶𝑇2𝐶𝑠2
(3.1)
Por outro lado, a função de transferência do actuador apresentas as constantes de tempo T1a, T2a, T3a.
Este actuador e o atraso do gerador diesel representam o a parte mecânica do sistema de geração que
fornece a potência mecânica ao gerador diesel. Por isso, considera-se que obinário deve ter um valor
máximo de 110% da potência nominal. O binário mecânico é enviado para o atraso do gerador diesel,
onde é multiplicado pela velocidade angular de rotação da máquina, calculando-se a potência mecânica
a enviar ao gerador eléctrico. [12]
𝐻𝑎 =(1 + 𝑇1𝑎𝑠)
𝑠(1 + 𝑇2𝑎𝑠) + (1 + 𝑇3𝑎𝑠)
(3.2)
3.2 Regulador de tensão
O modelo de regulador de tensão é baseado na prática do IEEE para sistemas de excitação de
máquinas síncronas. O modelo de base é o AC5A do IEEE, onde o esquema se encontra descrito
abaixo. [14]
Figura 3.2 - Diagrama de Blocos do regulador de tensão [12]
_______________________________________________________________________________________ 19
O valor de referência Uref é comparado com o valor actual Ug que é obtido à saída da máquina síncrona.
Este sinal de erro é aplicado à entrada do regulador de tensão que tem a função de transferência 3.3,
onde Kvr é ganho do regulador de tensão e T1vr é a contante de tempo do regulador de tensão.
𝐻𝑣𝑟 =𝐾𝑣𝑟
(1 + 𝑇𝑣𝑟𝑠)
(3.3)
Para evitar oscilações na tensão de saída do gerador, é colocado na cadeia de retroação um filtro de
amortecimento. Este filtro tem a função de transferência (3.4), onde Kdf é ganho e tem como constantes
de tempo T1df, T2df, T3df. [14]
𝐻𝑓 =𝐾𝑑𝑓𝑇3𝑑𝑓𝑠
2 + 𝐾𝑑𝑓𝑠
𝑇1𝑑𝑓𝑇2𝑑𝑓𝑠2 + (𝑇1𝑑𝑓 + 𝑇2𝑑𝑓)𝑠 + 1
(3.4)
A excitatriz apresenta um modelo do tipo PI com um ganho Ki e uma contante de tempo Ti. Na saída
da excitatriz tem-se a tensão de campo do gerador que vai dar entrada na máquina síncrona. A função
de saturação da excitatriz Sf(Ef) reflecte o aumento da carga em função da tensão de excitação, devido
aos efeitos da saturação. Assim, podem-se definir dois valores para tensão de campo Ef1 e Ef2. [14]
3.3 Máquina síncrona
Modelar o comportamento dinâmico do gerador síncrono é bastante complexo, devido ao movimento
dos enrolamentos do rotor em relação aos enrolamentos de indução das três fases. Deste modo o
coeficiente de acoplamento magnético muda continuamente com a posição do rotor, de tal modo que,
que a máquina síncrona pode ser descrita através de equações diferenciais, com valores de indutância
mútuos.
Para se criar um modelo de um gerador síncrono, independente do tempo é necessário exprimir as
variáveis do estator e do rotor em sistemas de coordenadas separados, baseados na transformação
de Park. Os circuitos de indução no eixo direto (d) e em quadratura (q) são obtidos pela linearização
das equações de tensão nas três fases abc em coordenadas dq [12].
As transformações de variáveis são frequentemente com o objetivo de simplificar a análise e controlo
do sistema. Na análise e controlo das máquinas elétricas recorre-se frequentemente a dois tipos de
transformações de variáveis: a) transformação de um referencial trifásico num referencial equivalente
bifásico; b) e de rotação de referencial.
A transformação de bifásica de amplitudes constantes, também conhecida como
transformação de Clarke, em homenagem à sua criadora Edith Clarke, transforma um referencial
trifásico abc num referencial α β. Esta transformação de variáveis ao manter as amplitudes invariantes
_______________________________________________________________________________________ 20
possui especial interesse para a observação grandezas. Por outro lado, não possui a potência
invariante, surgindo a necessidade de corrigir as expressões de potência e de binário.
Nesta matriz de transformação o eixo “α” fica coincidente com a fase da tensão “a” e o eixo “β” fica
em quadratura.
[
𝑥𝛼
𝑥𝛽
𝑥0
] =2
3
[ 1 −
1
2−
1
2
0√3
2−
√3
21
2
1
2
1
2 ]
[
𝑥𝑎
𝑥𝑏
𝑥𝑐
]
(3.5)
Em que a sua transformação inversa é dada por:
[
𝑥𝑎
𝑥𝑏
𝑥𝑐
] =
[
1 0 1
−1
2
√3
21
−1
2−
√3
21]
[
𝑥𝛼
𝑥𝛽
𝑥0
]
(3.6)
De seguida, a transformação de Park, também, conhecida por transformação de rotação de diferencial
em homenagem a Robert H. Park, consiste em aplicar uma rotação de ângulo θ a um referencial bifásico
obtido através da transformação de Clarke.
Figura 3.3 - Representação dos referenciais abc em coordenadas αβ.
_______________________________________________________________________________________ 21
As componentes deste novo referencial denominam-se dq0 (directa, quadratura e homopolar,
respectivamente). A matriz de transformação é dada por:
[
𝑥𝑑
𝑥𝑞
𝑥0
] = [cos(𝜃) sin( 𝜃) 0
−sin( 𝜃) cos(𝜃) 00 0 1
] [
𝑥𝛼
𝑥𝛽
𝑥0
] (3.7)
Com a escolha adequada dos ângulos de transformação, as grandezas eléctricas que possuem formas
alternadas sinusoidais tornam-se grandezas constantes quando se encontram em regimes
estacionários, uma vez que o referencial acompanha o andamento destas grandezas, o que permite
um tratamento matemático mais simplificado.
Aplicação consecutiva destas duas transformadas a um sistema abc, resultam as componentes dq0 de
amplitudes invariantes. Seja T a matriz de transformação resultante do produto de matrizes de
transformação, já indicadas.
[
𝑥𝑑
𝑥𝑞
𝑥0
] = 𝑻−1[𝑥𝑎 𝑥𝑏 𝑥𝑐] =2
3
[ cos𝜃 cos( 𝜃 −
2𝜋
3) cos( 𝜃 −
4𝜋
3)
−sin 𝜃 −sin(𝜃 −2𝜋
3) −sin(𝜃 −
4𝜋
3)
1
2
1
2
1
2 ]
[
𝑥𝑎
𝑥𝑏
𝑥𝑐
]
(3.8)
A transformação inversa é dada por:
[
𝑥𝑎
𝑥𝑏
𝑥𝑐
] = 𝑻−1[𝑥𝑑 𝑥𝑞 𝑥0] =
[
cos 𝜃 −sin 𝜃 1
cos(𝜃 −2𝜋
3) −sin(𝜃 −
2𝜋
3) 1
cos(𝜃 −4𝜋
3) −sin(𝜃 −
4𝜋
3) 1]
[
𝑥𝑑
𝑥𝑞
𝑥0
]
(3.9)
Para se poder obter o modelo simplificado da máquina síncrona, aplicam-se consecutivamente as
transformadas de Clarke e Park, respectivamente, podendo chegar ao modelo de parâmetros
distribuídos para as coordenadas dq.
Figura 3.4 - Representação da Transformação de Park
_______________________________________________________________________________________ 22
Todas as variáveis e parâmetros no circuito equivalente da máquina síncrona dq são transportadas
para lado do estator e definidas por uds e uqs que são as tensões nos enrolamentos do estator no eixo
dq, Rs representa a resistência dos enrolamentos do estator, Lσs indutância ligada do estator, u’f tensão
nos enrolamentos do campo, i’f corrente nos enrolamentos do campo, L’σf indutância de fugas do
campo, R’f resistência dos enrolamentos do campo u’pd enrolamento amortecedor no referencial dq.
L’σpd, L’σpq são as indutâncias de fuga amortecedoras do referencial dq, R’pd, R’pq são as resistências
amortecedoras do campo e Lmd, Lmq indutâncias mútuas nos eixos d e q.[12]
𝑢𝑑𝑠 = −𝑅𝑠𝑖𝑑𝑠 +𝑑𝜓𝑑𝑠
𝑑𝑡− 𝜔𝑟𝜓𝑞𝑠 (3.10)
𝑢𝑞𝑠 = −𝑅𝑠𝑖𝑞𝑠 +𝑑𝜓𝑞𝑠
𝑑𝑡− 𝜔𝑟𝜓𝑑𝑠 (3.11)
𝑢′𝑓 = 𝑅′𝑓𝑖′𝑓 +𝑑𝜓′𝑓𝑑𝑡
(3.12)
𝑢′𝑝𝑑 = 𝑅′𝑝𝑑𝑖′𝑝𝑑 +𝑑𝜓′𝑝𝑑
𝑑𝑡 (3.13)
𝑢′𝑝𝑞 = 𝑅′𝑝𝑞𝑖′𝑝𝑞 +𝑑𝜓′𝑝𝑞
𝑑𝑡 (3.14)
𝑢′𝑝𝑑 = 𝑢′𝑝𝑞 = 0 (3.15)
Os fluxos ligados do estator ψds, ψqs, o fluxo ligado do campo ψ’f, bem como os fluxos amortecedores
no referencial dq. As equações de (3,13) a (3,14) representam em função das correntes e dos fluxos
ligados, pois são duas variáveis dependentes, não podem ser estudas em separado. Para se conseguir
uma função de transferência para o modelo de simulação é necessário expressar as tensões em função
de uma única variável, neste caso, o fluxo. Assim, chega-se às seguintes equações. [12]
𝜓𝑑𝑠 = ∫(𝑢𝑑𝑠 +𝑅𝑠
𝐿𝑚𝑑
(𝜓𝑚𝑑 − 𝜓𝑑𝑠) + 𝜔𝑟𝜓𝑞𝑠)𝑑𝑡 (3.16)
𝜓𝑞𝑠 = ∫(𝑢𝑞𝑠 +𝑅𝑠
𝐿𝑚𝑞
(𝜓𝑚𝑞 − 𝜓𝑞𝑠) + 𝜔𝑟𝜓𝑑𝑠)𝑑𝑡 (3.17)
𝜓′𝑓 = ∫(𝑢′𝑓 +𝑅′𝑓𝐿′𝜎𝑓
(𝜓𝑚𝑑 − 𝜓′𝑓))𝑑𝑡 (3.18)
𝜓′𝑝𝑑 = ∫(𝑢′𝑝𝑑 +𝑅′𝑝𝑑
𝐿′𝜎𝑝𝑑
(𝜓𝑚𝑑 − 𝜓′𝑝𝑑))𝑑𝑡 (3.19)
𝜓′𝑝𝑞 = ∫(𝑅′𝑝𝑑
𝐿′𝜎𝑝𝑞
(𝜓𝑚𝑑 − 𝜓′𝑝𝑑))𝑑𝑡 (3.20)
_______________________________________________________________________________________ 23
As indutâncias mútuas são:
𝜓𝑚𝑑 = 𝐿𝑚𝑑(𝑖𝑑𝑠 + 𝑖′𝑝𝑑 + 𝑖′𝑓) (3.21)
𝜓𝑚𝑞 = 𝐿𝑚𝑑(𝑖𝑞𝑠 + 𝑖′𝑝𝑞) (3.22)
Pelas equações (3.16) e (3.22) é possível calcular as correntes através dos enrolamentos:
𝑖𝑑𝑠 =𝜓𝑑𝑠 − 𝜓𝑚𝑑
𝐿𝜎𝑠
(3.23)
𝑖𝑞𝑠 =𝜓𝑞𝑠 − 𝜓𝑚𝑞
𝐿𝜎𝑠
(3.24)
𝑖′𝑓 =𝜓′𝑓 − 𝜓𝑚𝑑
𝐿′𝜎𝑓
(3.25)
𝑖′𝑝𝑑 =𝜓′𝑝𝑑 − 𝜓𝑚𝑑
𝐿′𝜎𝑝𝑑
(3.26)
𝑖′𝑝𝑞 =𝜓′𝑝𝑞 − 𝜓𝑚𝑑
𝐿′𝜎𝑝𝑞
(3.27)
Este sistema é um sistema rotativo onde o gerador diesel diesel através de um veio solidamente ligado
entrega potência mecânica à máquina síncrona, sendo a equação do movimento a seguinte.
2𝐽
𝑃
𝑑𝜔𝑟(𝑡)
𝑑𝑡= 𝑇𝑚 − 𝑇𝑒𝑚 − 𝑇𝑑𝑎𝑚𝑝
(3.28)
Nesta equação ωr é a velocidade angular do rotor em rad/s, J é o momento de inércia em Kgm2, Tm
representa o binário no eixo mecânico em Nm, Tem é o binário eletromagnético em Nm, Tdamp representa
o binário de amortecimento em Nm e P representa a potência do gerador (máquina síncrona) em W.
[12]
Através da equações 3.10 à 3.27 consegue-se definir o binário eletromagnético, que se encontra
sumariamente indicado na figura 3.5 no canto inferior esquerdo, sendo necessário juntamente com o
binário mecânico para determinar a velocidade de rotação do rotor da máquina síncrona.
O ângulo de carga em rad (δ) pode ser expresso pela seguinte expressão:
𝛿(𝑡) = 𝜃𝑟(𝑡) − 𝜃𝑒(𝑡) = ∫ (𝜔𝑟(𝑡) − 𝜔𝑒)𝑑𝑡 + 𝜃𝑟(0) − 𝜃𝑒(0)𝑡
0
(3.29)
_______________________________________________________________________________________ 24
Figura 3.5 – Diagrama de blocos do modelo da máquina síncrona
Nesta equação θr(t) representa o ângulo entre o eixo q do rotor e o eixo estacionário de referência do
estator. θe(t) representa o ângulo entre a rotação síncrona no eixo q e o eixo estacionário da fase de
referência no estator, ωe é a velocidade angular elétrica em rad/s.
Como a frequência da rede deve ser constante então, chega-se à seguinte expressão.
𝑑(𝜔𝑟(𝑡) − 𝜔𝑒)
𝑑𝑡=
𝑑𝜔𝑟(𝑡)
𝑑𝑡
(3.30)
Podendo, a mesma equação ser escrita de outra forma associando a equação (3.29):
𝜔𝑟(𝑡) − 𝜔𝑒 =𝑃
2𝐽∫ (𝑇𝑚 − 𝑇𝑒𝑚 − 𝑇𝑑𝑎𝑚𝑝)
𝑡
0
𝑑𝑡 (3.31)
_______________________________________________________________________________________ 25
4. SIMULAÇÃO DA REDE
Neste capítulo descrevem-se três cenários, considerados de interesse, para este modelo. Estes são
três possíveis casos diferentes, onde a rede se comporta de forma diferente, evidenciando as suas
limitações
Nas tabelas 4.1 e 4.2 encontram-se os parâmetros utilizados para o regulador de frequência e para o
regulador de tensão. Estes parâmetros foram deduzidos no capítulo 3 e foram utilizados os valores
típicos que constam da biblioteca IEEE [14]
Tabela 4.1 - Parâmetros do regulador de frequência
Controlador Actuador Gerador diesel
Limtes binário
Kp T1c T2c T3c T1a T2a T3a TD Tmin(pu) Tmax(pu)
40 0,01 0,2 0,02 0,25 0,009 0,0384 0,024 0 1,1
Tabela 4.2 - Parâmetros do regulador de tensão
Controlador de tensão Filtro amortecimento
Ka Ta Kf T1f T2f T3f
40 0,01 0,3 1 0 0
Embora, estes parâmetros não tenham sido dimensionados para este projecto, pode se considerar uma
boa aproximação dos valores reais pois o gerador síncrono em estudo tem potência de geração
semelhante.
Para simulação da máquina síncrona, depois se conhecer o seu modelo matemático deduzido no
capítulo 3 deste trabalho, foi necessário obter-se parâmetros concretos para utilização na simulação.
Assim, e na impossibilidade de utilizar parâmetros reais, pois as empresas fabricantes destes geradores
não disponibilizam essa informação ao público, utilizou-se um modelo existente no programa Simulink,
onde apenas se pode indicar a frequência de operação, tensão de saída e frequência de rotação.
Embora, a potência da máquina estudada tenha potência nominal de 630kVA e a máquina da simulação
670kVA esta diferença ao nível dos parâmetros construtivos da máquina não é muito significativa. No
entanto, os valores de potência máxima de geração e todos os procedimentos de segurança foram
dimensionados tendo em conta a potência nominal correcta, da máquina em estudo.
Tabela 4.3 - Parâmetros de funcionamento da máquina síncrona
Frequência (Hz) Tensão (V) Potência (VA) Velocidade (RPM)
50 400 670000 1500
_______________________________________________________________________________________ 26
O propósito das simulações consiste em averiguar os modos de operação extremos da rede. Assim, as
variáveis que os seguidores de máxima potência da central fotovoltaica e o gerador analisam são: a
frequência, o valor eficaz da tensão e o valor eficaz da corrente. Desta forma, são estes os factores
que serão analisados no decorrer das simulações.
4.1 Ensaio do sistema em condições de operação emergência
Este ensaio é caracterizado pelo funcionamento da rede dentro das condições de emergência. A
energia elétrica da rede de distribuição de média tensão falha e o gerador arranca quando essa falha
é detectada pelo sistema de controlo do gerador. Quando não detectada valor eficaz de tensão o
gerador inicia o seu arranque, no entanto, com um atraso de 0,03s, o que faz com que as cargas críticas
que não possam ter esta descontinuidade devam ter em backup uma UPS, para que durante em este
curto espaço de tempo possam assegurar o funcionamento das mesmas. Este ensaio foi realizado em
plena carga e em microgeração assume uma potência deligação com um valor médio para uma
instalação desta ordem de grandeza e para um dia médio em território nacional, ou seja
Scarga=528,8kVA Smicrogeração=41,4kVA. É considerada esta potência de microgeração, como um valor
típico de produção da central fotovoltaica.
Assim, antes do corte da rede ocorrido em (t=0,1s) a tensão e a corrente na média tensão
respetivamente (figura 4.1 e 4.2).
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.1 - Tensão na rede antes do corte
Tensão (
V)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 27
Figura 4.2 - Corrente na rede antes do corte
O funcionamento da rede antes do corte caracteriza-se por uma frequência de 50 Hz, tensão fase-terra
na média tensão de cerca de 13kV. Durante o fornecimento da energia eléctrica por parte da rede de
distribuição a microgeração encontra-se desligada, pois o foco deste estudo é o seu comportamento
no funcionamento em ilha, logo não é considerado relevante o seu comportamento ao longo deste
período.
Quando (t=0,1s) ocorre o corte da energia eléctrica por parte do disjuntor do quadro geral de baixa
tensão, fazendo com que a rede fiquem em vazio, neste momento ocorre uma sobretensão aos
terminais do disjuntor conforme (figura 4.3), esta sobretensão não ultrapassa os limites de amplitude
nem de tempo de duração, estipulado pelas Regras Técnica de Instalações de Baixa Tensão, Quadro-
44C [7] assim, o corte e ligação do sistema de geração encontram-se dentro dos valores esperados.
A partir do corte da rede, o gerador inicia o seu processo de arranque. As variáveis de controlo do
gerador são a frequência da tensão e o valor eficaz da tensão, no entanto, para efectuar o arranque é
Fase R Fase S Fase T
Fase R Fase S Fase T
t(s)
Tensão (
V)
Figura 4.3- Tensão durante o corte na baixa tensão
Corr
ente
(A
)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 28
necessário colocar as condições iniciais de frequência de 50Hz e tensão fase-terra de 330V, o sistema
controlo de frequência e de tensão entra em funcionamento quando o gerador se liga à rede de baixa
tensão e é necessário realizar o controlo pois a carga aos seus terminais flutua e é necessário realizar
o seu autocontrolo.
O regulador de frequência recebe na sua entrada duas variáveis, a frequência de referência, neste caso
50Hz, e a frequência media aos terminais da máquina síncrona, com estes dois dados este
equipamento através do algoritmo exposto no capitulo 3, deste trabalho estima a potência mecânica a
ser fornecida ao gerador síncrono.
No modelo utilizado, o regulador de frequência é composto pelo dispositivo eletrónico de controlo do
gerador diesel diesel, e pelo gerador diesel em concreto, assim, existe um atraso de 0,024s (figura 4.7)
de atraso do controlador de frequência, este atraso corresponde à constante mecânica do sistema, ou
seja, este atraso encontra-se relacionado com o tempo que o gerador diesel leva a responder. Este
valor pode ser parametrizado, neste modelo, considerou-se este valor pois para o gerador diesel com
potência semelhante é o valor de padrão apresentado pelo Simulink.
t(s)
f(p.u
.)
Figura 4.4 - Frequência de referência em (p.u.)
t(s)
f(p.u
.)
Figura 4.5 - Frequência da rede em (p.u.)
t(s)
f(p.u
.)
Figura 4.6 - Ampliação Frequência da rede em (p.u.)
_______________________________________________________________________________________ 29
O outro sistema que regula a máquina síncrona é o regulador de tensão, este sistema tem como entrada
a tensão eficaz da rede medida aos terminais da máquina síncrona em (p.u.) e uma tensão de referência
em (p.u.). Na saída do sistema de excitação encontra-se a tensão contínua de excitação da máquina
síncrona. Este sistema encontra-se descrito no capítulo 3 desta dissertação.
Assim, pelos gráficos seguintes (figura 4.9 e figura 4.10) visualiza-se a tensão de saída do sistema de
controlo de excitação. Pela figura 4.9 é visivel que em t=0,1s o gerador inicia o seu arranque com as
Figura 4.7 - Potência mecânica, variável entrada da máquina síncrona
t(s)
Tensão (
p.u
.)
t(s)
Tensão (
p.u
.)
Figura 4.8 - Tensão de referência em (p.u.)
Figura 4.9 - Tensão aos terminais do gerador síncrono em (p.u.)
t(s)
Pm
ec (
p.u
.)
_______________________________________________________________________________________ 30
suas condições iniciais, só em t=0,23s é que todo sistema abandona as condições iniciais e inicia o
controlo de tensão recebendo a tensão da rede e calculando a tensão de excitação da máquina.
Considerou-se este intrevalo de tempo de 0,13s pois durante este intrevalo a microgeração entra em
funcionamento bem como toda a rede. Assim, durante este intrevalo ocorrem na rede diversos
fenomenos e se o respectivo controlo de tensão estivesse em funcionamento levaria mais tempo a
establizar a tensão levando a toda a rede a tornar-se mais instável.
Assim, pelos gráficos seguintes (figura 4.9 e figura 4.10) visualiza-se a tensão de saída do sistema de
controlo de excitação. Pela figura 4.9 é visivel que em t=0,1s o gerador inicia o seu arranque com as
suas condições iniciais, só em t=0,23s é que todo sistema abandona as condições iniciais e inicia o
controlo de tensão recebendo a tensão da rede e calculando a tensão de excitação da máquina.
Considerou-se este intrevalo de tempo de 0,13s pois durante este intervalo a microgeração entra em
funcionamento bem como toda a rede. Assim, durante este intervalo ocorrem na rede diversos
fenómenos e se o respectivo de controlo de tensão estivesse em funcionamento levaria mais tempo a
establizar a tensão levando a toda a rede a tornar-se mais instável.
Durante o período de arranque do gerador também a central fotovoltaica inicia o seu funcionamento,
logo o a ligação da mesma à rede leva a uma perturbação transitória da tensão pouco significativa,
t(s)
Efd
(pu)
Figura 4.10 - Tensão excitação do gerador síncrono
t(s)
Efd
(pu)
Figura 4.11 - Ampliação da Tensão excitação do gerador síncrono
_______________________________________________________________________________________ 31
levando também a um aumento transitório da corrente. Este fenómeno encontra-se dentro dos valores
regulamentados, de acordo com a norma NP50160 [11], acordo com as figuras apresentadas (figura
4.12 e figura 4.13) visualiza-se que a queda de tensão não é inferior a 10% da tensão nominal durante
um intervalo inferior a 0,10s, a corrente também não excede em 10% a corrente nominal durante o
mesmo intervalo, assim assegura-se o funcionamento.
Como se pode verificar pelas figuras a perturbação da tensão ocorre mais cedo temporalmente em
relação ao aumento da corrente, isto acontece devido à forma como o sistema se encontra desenhado,
para se simular a carga com elasticidade zero (Ɛ=0), com fontes de corrente comandadas.
A microgeração irá auxiliar o gerador, pois assegura uma parte da produção da potência eléctrica, logo
o gerador deixa de estar sujeito a uma carga tão grande. Assim, é visível na figura 4.14 que a potência
pedida ao gerador, após um estado transitório é menor, como seria esperado teoricamente. Embora,
apresente um pequeno tremor na forma de onda da potência, o mesmo não é significativo para o estudo
t(s)
Tensão (
V)
Figura 4.12 - Tensão da rede durante ligação microgeração
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.13 - Corrente da rede durante ligação microgeração
Fase R Fase S Fase T
_______________________________________________________________________________________ 32
do sistema, podendo ser considerado que a curva de potência é aproximadamente constante, neste
troço.
4.2 Ensaio da rede com carga 10% carga nominal e microgeração máxima
O objectivo deste ensaio é representar uma situação limite, onde a potência da microgeração supera a
potência de carga, fazendo com que a corrente no gerador inverta o sentido e a máquina síncrona
comece acelerar. No entanto, os sistemas de controlo não permitem que o mesmo ocorra. Quando a
corrente inverte o sentido ao terminais do gerador, o sistema de emergência do mesmo realiza um corte
de emergência, colocando a rede a operar exclusivamente com microgeração. No entanto, a
microgeração não se encontra preparada para funcionar em ilha, assim, passados alguns segundos
ocorre uma sobretensão na rede, o que irá levar microgeração a desligar, colocando a rede
completamente em vazio.
Figura 4.14 - Potência activa pedida ao gerador ensaio 4.1.
t(s)
Tensão (
V)
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.15 - Tensão aos terminais do gerador
t(s)
P (
W)
_______________________________________________________________________________________ 33
Pela figura 4.15 é visível quando t=0,27s efectua-se o corte da rede pois a corrente encontra-se em
sentido a fluir no sentido da máquina síncrona, deste modo a mesma verifica através dos seus sistemas
de emergência que o mesmo se encontra a decorrer, deste modo como o prolongamento desta situação
iria levar a máquina a acelerar, de forma súbita, para valores superiores aos seus valores nominais.
Desta forma, o sistema de emergência para evitar que o mesmo ocorra, verifica em tempo real qual o
sentido da corrente, assim, quando a mesma inverte o sentido de forma estacionária, evitando parar a
máquina devido a fenómenos transitórios, pois, pode ocorrer transitoriamente a inversão do sentido da
corrente e não existe razão justificada para efetuar um corte da máquina. Estando certo, que para um
sistema de recurso como é o estudado nesta dissertação, qualquer paragem no fornecimento de
energia por parte do gerador é extramente nefasta para o funcionamento da fábrica pois sendo este o
recurso utilizado para contornar a falta de energia eléctrica por parte da rede de distribuição o mesmo
só poderá ser parado em situação de perigo para a rede da fábrica ou para funcionamento do gerador.
Assim, pela figura da potência activa pedida ao gerador verifica-se a inversão do sentido da corrente.
Desta forma a máquina irá desligar conforme figura 4.15 e parar de forma de emergência, na simulação
coloca-se as variáveis de referência da máquina a zero, neste caso frequência de referência e tensão
de referência. Desta forma a máquina irá desligar.
Figura 4.16 - Potência Activa pedida ao gerador ensaio 4.2.
t(s)
f(p.u
.)
Figura 4.17 - Frequência de referência à entrada do controlador de frequência
P (
W)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 34
Após o corte do gerador, a central de microgeração continua o seu funcionamento, no entanto, os
inversores irão continuar a injectar na rede. A injeção de potência na rede irá elevar a tensão, quando
a tensão se eleva acima do valor máximo de 253V os inversores irão desligar o sistema de
microgeração colocando toda a carga em vazio. É visível pela figura 4.15 a elevação da tensão e
desseguida o corte da microgeração. Assim, aos 0,27s ocorre o corte do gerador e aos 0,30s ocorre o
corte da central de microgeração. Desta forma é possível, verificar que os inversores continuam assumir
a totalidade da carga neste intervalo, no entanto, após este intervalo a central de microgeração é
cortada.
Pela figura 4.19 visualiza-se o corte da secção 1 da central de microgeração, no entanto, as secções 2
e 3 evoluem de forma semelhante, só diferindo no valor de corrente produzido pois a potência de cada
uma das secções é diferente.
t(s)
Tensão (
p.u
.)
Figura 4.18 - Tensão de referência à entrada controlador de excitação
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.19 - Corrente à saída a secção 1 da central de microgeração
_______________________________________________________________________________________ 35
4.3 Ensaio da rede com arranque de uma máquina assíncrona
Considerou-se de interesse simular o arranque directo de uma máquina assíncrona pois o arranque de
uma máquina é um fenómeno que cria grande perturbação na rede e é importante verificar-se a
microgeração pode auxiliar ou não o arranque da máquina diminuindo a perturbação da rede. Assim,
quando o sistema diesel e a central fotovoltaica se encontram ligados, inicia-se o arranque da máquina
assíncrona.
Figura 4.20 - Corrente de arranque da máquina assíncrona
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.21 - Tensão de arranque da máquina assíncrona
Fase R Fase S Fase T
t(s)
Corr
ente
(A
) T
ensão (
V)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 36
Tabela 4.4 – Parâmetros da máquina assíncrona
Tabela 4.4 - Parâmetros da máquina assíncrona
Tabela 4.5 - Parâmetros constitutivos da máquina assíncrona
Rs(Ω) Ls(H) Rr’(Ω) LL’(H) Lm(H)
0,087 0,0008 0,228 0,0008 0,035
Tabela 4.6 - Parâmetros internos da máquina assíncrona
J (Kg.m2) F (N.m.s) Nº par polos
1,662 0,002985 2
Nas tabelas 4.4, 4.5, 4.6 encontram-se os parâmetros constitutivos da máquina assíncrona utilizada
para efectuar a simulação, de acordo com os valores típicos utilizados para máquina desta potência,
sendo o interesse do ensaio, estudar o seu arranque em vazio. Esta máquina encontra-se na biblioteca
do Simulink, considerou-se a sua utilização pois sendo uma máquina de potência baixa e com arranque
em vazio pode servir de exemplo a qualquer gerador em utilização na fábrica, por exemplo o gerador
da bomba de exaustão das limalhas das máquinas de corte. Assim, qualquer máquina que seja ligada
à rede poderá criar perturbações graves.
Potência (VA) Tensão (V) Frequência (Hz)
37300 400 50
Figura 4.22 - Velocidade de arranque da máquina assíncrona
ω (
R.P
.M)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 37
Pelo balanço de potências é visível que o gerador e a microgeração teriam capacidade de assegurar
esta elevação da carga, pois até mesmo o gerador suportaria esta carga pois encontra-se em
funcionamento abaixo da suar carga nominal.
A partir do momento que a tensão da rede cai abaixo dos 207 V [11] os inversores encontram-se
programados para efectuar o corte da microgeração, estes quando ocorrem fenómenos na rede que
façam baixar a tensão da rede, eles efetuam o corte integral da central fotovoltaica por motivos de
segurança.
As secções 2 e 3 da central fotovoltaica evoluem de forma semelhante à secção 1. Neste ensaio, é
visível que mesmo o arranque de uma máquina com potência baixa em comparação com a potência
de produção da central, a central não consegue assegurar o arranque da máquina sozinha. Esta
limitação da microgeração pela via fotovoltaica, apenas consegue diminuir a potência pedida ao gerador
em situação estacionária. Em caso, de ser necessário sair da situação estacionária a resposta da
central na maioria dos casos é efectuar um corte de produção.
Fase R Fase S Fase T
Figura 4.23 - Corrente da secção 1 da central de microgeração
Corr
ente
(A
)
t(s)
_______________________________________________________________________________________ 38
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES TRABALHO FUTURO
5.1 Conclusão
O objectivo deste trabalho foi analisar o comportamento da rede de uma instalação industrial quando
se encontram em funcionamento em ilha em situação de emergência. Utilizou-se um gerador diesel
com principal elemento de produção de energia eléctrica e uma central fotovoltaica dividida em três
secções de produção, cada uma das secções realiza a injecção junto a umas das cargas críticas.
Verifica-se pelo ensaio do sistema em situação estacionária, que este sistema de emergência funciona
de forma profícua, sempre que não existam grandes perturbações na rede de baixa tensão conforme
ocorre no ensaio número dois e número três. Sempre que a frequência ou a tensão é perturbada os
seguidores de máxima potência encontram-se programados para utilizar estas variáveis como variáveis
de controlo. Sempre que saem dos valores nominais os controladores cortam a central fotovoltaica.[13]
Quando a potência de microgeração é superior à potência de carga. Seria de esperar que com o corte
do gerador, pois não existe necessidade de o mesmo entrar em funcionamento, que a microgeração
assegura-se a produção, pois pelo balanço de potências seria possível. No entanto, os painéis
fotovoltaicos não se encontram preparados para funcionar em ilha, logo não possuem controlador de
tensão, apenas conseguem conectar ou desconectar a central da rede, não conseguem em caso de
sobretensão tentar reduzir a potência injectada como forma de diminuir a tensão para o valor padrão.
Esta forma de operar não é mais vantajosa, hoje em dia é necessário que estes equipamentos em caso
de sobretensão consigam controlar a mesma e tentar que a mesma, volte ao seu valor nominal, o corte
integral de uma central de microgeração desta potência não é aconselhável para o equilíbrio da rede.
Através da simulação três, conclui-se uma vez mais falibilidade da central fotovoltaica em caso de
perturbação da tensão. O simples, arranque de uma máquina com potência inferior à potência de
geração irá provocar o corte da microgeração.
Assim, com este trabalho conclui-se que inversores que controlam a produção da central fotovoltaica
maximizando a potência a injectar na rede em tempo real, monitorizando a tensão da rede e a
frequência no ponto de ligação. Não se encontram preparados para controlar a tensão e frequência da
rede, em caso de perturbação fazer convergir estas grandezas para os seus valores nominais causando
assim, grandes problemas quando a potência da central é considerável.
Em suma, através desta dissertação fica claro que os inversores não se encontram preparados para
trabalhar em ilha qualquer que seja a situação. A tensão e a frequência numa rede não apresentam um
valor sempre constante, consoante as perturbações que a rede sofre as mesmas vão sofrer alteração,
deste modo controlar um elemento de produção de forma “ON/OFF” não é a melhor forma pois quando
_______________________________________________________________________________________ 39
desliga, implica uma potência de carga que não é satisfeita, logo cria problemas ao nível a estabilidade
da rede.
5.2 Sugestão de Trabalhos Futuros
No futuro será importante efectuar mais estudos sobre o funcionamento em ilha das micro centrais
fotovoltaicas, pois será importante criar um sistema que permite aos inversores saber se estão a
trabalhar conectados à rede de distribuição ou se estão a trabalhar em modo de emergência e caso
estejam em modo de emergência os mesmos devem estar conectados com o gerador. Pois só desta
forma, poderá haver um conhecimento integral sobre o estado da rede. Desta forma, passa-se a ter um
sistema de produção conectado entre si, a central fotovoltaica conhece o estado do gerador e vice-
versa, logo é possivel utilizar a potência disponível de cada um dos elementos para controlo da rede.
Abandonar concepção utilizada nas redes de baixa tensão com microgeração, onde cada componente
de geração conhece os dados recolhidos nos seus terminais, mas evoluindo para um modelo de
interconexão entre os mesmo para que imagem retirada sobre a rede seja mais fidedigna permitindo
assim maximizar potência injectada na rede por parte das fontes renováveis em detrimento das fontes
fósseis, utilizando o gerador apenas em caso de grandes oscilações de frequência ou de tensão,
permitindo que estas grandezas convirjam para os seus valores nominais.
No entanto, todos os novos paradigmas necessitam de algum amadurecimento e de muitos ensaios
para estarem ao alcance do público.
_______________________________________________________________________________________ 40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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System With a Smaller Battery Bank for Low-Power Applications”, IEEE Transaction on Power
Electronics, vol. 30, No. 1, January 2017
[2] Amine Lahyani, Pascal Venet, Abdessattar Guermazi, and Alaeddine Troudi,
“Battery/Supercapacitors Combination in Uniterruptible Power Supply (UPS)”, IEEE Transaction
on Power Electronics, vol. 28, No. 4, April 2013
[3] J. P. Sucena Paiva, Redes de Energia Eléctrica, uma análise sistémica, Lisboa: IST Press,
Agosto 2011.
[4] R. Castro, Uma Introdução às Energias Renováveis: Eólica, Fotovoltaica e Mini-Hídrica, IST
Press, Abril de 2011, Lisboa.
[5] ADENE – Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia [Online]
Available: www.SGCIE.publico.adene/documentacao. [Acedido em Março 2017]
[6] F.M. SILVA, “Impacto da microgeração na forma de onda da tensão da rede de distribuição,”
Tese de Mestrado, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Junho 2009
[7] Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão, Portaria 449-A/2006, 11setembro
[8] Certiel, ―Ficha Técnica no. 29, [Online].
Available: https://www.certiel.pt/c/document_library/get_file?uuid=132c2f11-b8c7-4ca1-92a9-
c24cf2f2168d&groupId=10100. [Acedido em Março 2017].
[9] EDP, Manual de Ligações à Rede Eléctrica do Serviço Público – Guia Técnico e Logístico 3ª
edição, Junho 2011.
[10] Regulamento nº. 455/2013 de 29 de Novembro, Diário da República, 2.ª série — N.º 232,
Ministério da Economia e da Inovação.
[11] EDP, Manual da Qualidade da Energia Eléctrica, Dezembro 2005
[12] Aleksandar Cuculić, Jasmin Ćelić and Rene Prenc, Maritime Studies, Studentska 2, 51000
Rijeka, Croatia “Marine Diesel-generator Model for Voltage and Frequency Variation Analysis
During Fault Scenarios”, Journal of Maritime & Transportation Sciences, vol. 51, no. 1, March
2016.
[13] F. BERNARDES, “Compensação de sobretensões originadas por sistemas de microgeração
em redes de baixa tensão, “ Dissertação, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Abril 2014.
_______________________________________________________________________________________ 41
[14] "IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability
Studies." IEEE Standard, Vol. 421, No. 5, 2005 (Revision of IEEE 521.5-1992).