panorama dos sistemas elétricos de potência
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Panorama dos Sistemas Elétricos de Potência
Objetivo da Aula
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Apresentar uma visão geral dos sistemas elétricos depotência.
Conteúdo Programático
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O que são os Sistemas Elétricos
de Potência ?
Elementos Constituintes
Agentes Institucionais
Estudos comumente realizados
Construção de Conhecimento Esperado
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Conhecer de forma qualitativa os Sistemas Elétricos dePotência (SEP).
A Energia Elétrica
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Pode-se dizer que:
– A Energia Elétrica desempenha papel fundamental na sociedade pois,
• Fator preponderante no desenvolvimento e bem estar;
• Abundância ou escassez influencia o potencial econômico das nações;
• Versátil – capaz de ser utilizada nos mais diferentes meios e para as mais diferentesfinalidades.
Visão Esquemática do SEP
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Expansão Contínua
Interligação
Maior complexidade
Continuidade no Fornecimento
Padrões de Qualidade
Confiabilidade
Evolução do SEP Brasileiro
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Produção
Evolução do SEP Brasileiro
8
5.883bilhões kWh
4.095 bilhões kWh
568bilhões kWh
Produção – Comparação Mundo 2020
Evolução do SEP Brasileiro
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568bilhões kWh
132bilhões kWh
109bilhões kWh
Produção – Comparação América do Sul - 2020
Evolução do SEP Brasileiro
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Consumo
Consumo - Comparação Mundo 2020
Evolução do SEP Brasileiro
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5.564 bilhões kWh
3.902 bilhões kWh
509bilhões kWh
Consumo - Comparação América do Sul 2020
Evolução do SEP Brasileiro
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509bilhões kWh
72bilhões kWh
121bilhões kWh
Definição de SEP
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Pode-se denominar de Sistema Elétrico de Potência (SEP)ao conjunto de infraestruturas (Equipamentos,tecnologias, processos, normas, legislação, etc.)responsáveis pela geração, transmissão e distribuição daenergia elétrica.
Composição do SEP
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Geração:• Converte alguma forma de energia (hidráulica,
térmica, eólica, solar, etc.) em energia elétrica.
Transmissão:• Responsável pelo transporte de energia elétrica dos
Centros de Produção aos Centros de Consumo, ou até outros sistemas elétricos, interligando-os.
Distribuição:• Distribui a energia elétrica recebida do sistema de
transmissão aos grandes, médios e pequenos consumidores.
Composição do SEP
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Em relação aos blocos fundamentais:
– Cada bloco requer diferentes níveis de investimentos e deve atender a padrõesde qualidade, de serviço e produto, específicos;
– Não é possível diferenciar relativamente a importância econômica de cada umdos blocos;
– Blocos em série → confiabilidade e desempenho qualitativo (obtenção demelhor resultado estratégico para determinado montante financeiro alocado)
Composição do SEP
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Em relação aos blocos fundamentais:
– O sucesso da exploração econômica e confiável do SEP depende de quãointegrado e coerente é o trabalho desenvolvido na gestão dos três blocosmencionados.
Topologias usuais para os blocos do SEP:– Radial
Composição do SEP
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Composição do SEP
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Sistema Radial - Características gerais:
– Construção relativamente econômica;– Baixa confiabilidade;– Baixa complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;– A corrente de defeito flui sempre na mesma direção (fonte-local da falta);– Geradores eletricamente distantes → pequena variação nas correntes de
curto-circuito com mudanças nas capacidades geradoras;– A corrente de curto-circuito diminui conforme se afasta da fonte.
Topologias usuais para os blocos do SEP:– Anel
Composição do SEP
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Composição do SEP
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Sistema em Anel - Características gerais:
– Construção mais cara em relação ao sistema radial;– Maior confiabilidade;– Maior complexidade para estabelecimento do sistema de proteção;– Maior flexibilidade para operação;– A direção do fluxo das correntes de curto-circuito é imprevisível;– O valor das correntes de curto-circuito varia em uma faixa muito grande
com mudanças na topologia do sistema e da capacidade de geração.
Topologias usuais para os blocos do SEP:– Malhado
Composição do SEP
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Sistema Malhado - Características gerais:
– Maiores valores de corrente de curto-circuito;– Melhor distribuição do fluxo de potência;– Maior confiabilidade→ devido a redundância;– Possibilidade de operar como microgrid (operação ilhada);– Maior custo de implantação em relação a topologia radial e em anel;– Maior dificuldade de operação.
Composição do SEP
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Composição do SEP
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O SEP Brasileiro, segundo o Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS) é caracterizado por:
– O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-termo-eólico de grande porte,com predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários;
– O Sistema Interligado Nacional (SIN) é constituído por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e amaior parte da região Norte
– Propicia a transferência de energia entre subsistemas, permite a obtenção de ganhos sinérgicos e explora adiversidade entre os regimes hidrológicos das bacias → Aumento da segurança operativa.
– Apenas 1,0% da energia requerida pelo país encontra-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados
– 212 localidades isoladas no Brasil, A maior parte está na região Norte, nos estados de Rondônia, Acre, Amazonas,Roraima, Amapá e Pará. A ilha de Fernando de Noronha, em Pernambuco, e algumas localidades de Mato Grossocompletam a lista. Entre as capitais, Boa Vista (RR) é a única que ainda é atendida por um sistema isolado.
Elementos Constituintes
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Matriz Energética para o SEP
– O que é?
• É o conjunto de fontes primárias de energia que podem ser aproveitadascomercialmente para produção de energia elétrica a partir de alguma técnica deconversão.
Elementos Constituintes
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Matriz Energética brasileira (Fevereiro de 2021 – empreendimentos em operação)
Solar 1,87%Nuclear 1,13%
Matriz Energética - Mundo
Elementos Constituintes
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Composição do SEP
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Perfil de Consumo – 482 TWh (consumo total de energia elétrica no Brasil em 2019) Número de consumidores
por classe
Consumo de energia por classe
Elementos Constituintes
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Geração
– Obtém-se a energia elétrica a partir da conversão de alguma outra forma deenergia, em geral, utilizando-se máquinas elétricas rotativas.
– Comumente o conjugado mecânico é obtido pelo uso de uma máquina primária(turbina, a qual pode ser hidráulica, eólica ou a vapor, por exemplo);
– Geradores com tensão terminal entre 10 a 30kV.
Elementos Constituintes
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Geração (dados de fevereiro de 2021)
– O Brasil possui no total 9.202 empreendimentos em operação , totalizando176.495.945,16 kW de potência instalada;
– Está prevista para os próximos anos uma adição de 11.433.687,28 kW nacapacidade de geração do País, proveniente dos 254 empreendimentosatualmente em construção e mais 699 em Empreendimentos comConstrução não iniciada com potência total outorgada igual a27.201.119,22 kW.
Elementos Constituintes
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Empreendimentos em construção (Fevereiro de 2021)
Empreendimentos construção não iniciada (Fevereiro de 2021)
Elementos Constituintes
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Geração Hidráulica de forma esquemática
Elementos Constituintes
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Usina Hidroelétrica – 330MW - Aimorés
Elementos Constituintes
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Geração Termelétrica de forma esquemática
Elementos Constituintes
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Ciclo Combinado Menor emissão de poluentes;Reaproveitamento de água noprocesso.
Usina Hidroelétrica – 857MW – Jorge Lacerda
Elementos Constituintes
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Usina Eólica de forma esquemática
Elementos Constituintes
36
Usina Eólica – 293MW – Alto Sertão I
Elementos Constituintes
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Usina Eólica– Evolução da geração eólica (2006 a 2020)
Elementos Constituintes
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238 Gwh2006
56.623 Gwh2020
Usina Solar de forma esquemática
Elementos Constituintes
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HeliotérmicaMolten-Salt (60% nitrato de sódio e 40%
nitrato de potássio)
Fotovoltaica
Usina Solar Fotovoltaica – 3MW – Cidade Azul
Elementos Constituintes
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Usina Fotovoltaica– Evolução da geração solar (2016 a 2021)
Elementos Constituintes
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Evolução da potência instalada egeração de usinas solaresfotovoltaicas verificada no SIN. Apotência instalada contemplaapenas usinas em operaçãocomercial.
Ranking com os 10 maiores países
Elementos Constituintes
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Transmissão
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Padronização do Valores de Tensão e frequência– Através do decreto lei nº 73080 de 5 de novembro de 1973
• Para transmissão em corrente alternada 750; 500; 230; 138 kV;• Para subtransmissão em corrente alternada 69; 34,5; 13,8 kV;• Para distribuição primária de corrente alternada em redes públicas: 34,5 e 13,8 kV;• Para distribuição secundária de corrente alternada em redes públicas: 380-220 e
220-127 volts (trifásico a quatro fios); 230/115 volts (monofásico a três fios).• Frequência padronizada em 60Hz.
Evolução dos valores de tensão em linhas de transmissão
Transmissão
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• 1911 – 110 kV – Alemanha
• 1929 – 220 kV – Alemanha
• 1932 – 287 kV – EUA
• 1952 – 380 kV – Suécia
• 1965 – 725 kV – Canada
• 1985 – 1200 kV - URSS
Transmissão
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Características gerais
– Geralmente é feita em Corrente Alternada (CA) em estruturas aéreas, nãosomente no Brasil, mas no mundo todo;
– A facilidade e flexibilidade em alterar os níveis de tensão através detransformadores constitui um dos maiores atrativos dos sistemas CAs(juntamente com os geradores trifásicos síncronos), o que justifica suaampla utilização.
Comparação entre os custos de linhas aéreas e subterrâneas*
Transmissão
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Faixa de Tensão (kV) 110 a 219 220 a 362 363 a 764
Potência média transmitida (MVA/circuito) 220 600 1800
Investimento médio linha aérea (EUR/(km.MVA) 820 390 185
Investimento médio linha subterrânea (EUR/(km.MVA) 6100 4900 3700
Razão subterrânea/aérea 7,4 12,5 20
*reservado para situações nas quais uma linha aérea não é apropriada, como, por exemplo, saídas desubestações, licenciamento por parte da prefeitura, cruzamento sob outra linha de transmissão.
Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)
• Para distâncias longas, a transmissão em Corrente Contínua torna-se uma alternativa atraente. (maior distância → Maiores perdas em CA)
Transmissão
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Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)
• Variações de topologia - bipolo
Transmissão
48Esquema típico para linhas de transmissão aéreas
Características gerais– Transmissão em Corrente Contínua (CC)
• Variações de topologia - monopolo
Transmissão
49Esquema típico para transmissão submarina.
Capacidade de Transmissão– Limitada pela reatância da Linha de Transmissão
Transmissão
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𝑃𝑃𝑘𝑘𝑘𝑘 ≅𝑉𝑉𝑘𝑘 ⋅ 𝑉𝑉𝑘𝑘𝑥𝑥𝑘𝑘𝑘𝑘
⋅ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜃𝜃𝑘𝑘 − 𝜃𝜃𝑘𝑘)𝑊𝑊
Para a qual: 𝑃𝑃𝑘𝑘𝑘𝑘 = potência ativa entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚; 𝑉𝑉𝑘𝑘 =tensão na barra 𝑘𝑘;𝑉𝑉𝑘𝑘= tensão na barra 𝑚𝑚; 𝜃𝜃𝑘𝑘= ângulo da tensão na barra 𝑘𝑘; 𝜃𝜃𝑘𝑘 = ângulo da tensãona barra 𝑚𝑚; 𝑥𝑥𝑘𝑘𝑘𝑘 = reatância série entre as barras 𝑘𝑘 e 𝑚𝑚.
Capacidade de Transmissão– Capacidade de transmissão x Tensão nominal
Transmissão
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Custo de Transmissão– Considerando apenas variações no montante de potência transmitida:
Transmissão
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Custo de Transmissão Considerando variações no montante de potencia transmitida e
distância:
Transmissão
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Transmissão
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Basicamente equipamentos emanutenção
Perdas Técnicas
Custo de Transmissão– Custos totais
Transmissão
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Sistema DC• Torres mais simples;• Menores perdas técnicas para
a mesma potência transmitida;• Custo elevado das estações
conversora-inversora
Entre 500 e 800 km para linhas aéreas;
Entre 40 e 100 km para linhas subterrâneas.
Custo de Transmissão– Comparação entre sistemas AC e DC
Sistema Interligado Nacional SINTransmissão
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>100.000 km (rede básica)
Transmissão
57
>120.000 km (rede básica)
Sistema Interligado Nacional SIN
Sistema Interligado Nacional SIN
Transmissão
58
>134.000 km (rede básica)
SIN – Evolução no comprimento das linhas da rede básica
Transmissão
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230 kV36.358,40 km
500 kV25.956,70 km
500 kV47.790,45 km
230 kV57.071,32 km
Jan. 2008 a jan. 2021
SIN (2008) – 84.797,43 km
SIN (2021) – 148.572,63 km
Visão topológica
Distribuição
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Distribuição
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Redes inteligentes segundo IEEE (2011):
– podem ser definidas como a integração entre o Sistema Elétrico dePotência (SEP), redes de comunicação de dados e tecnologia da informaçãocom o objetivo de melhorar o funcionamento do SEP a partir doestabelecimento de novas ações operativas.
Distribuição
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Segundo (Farhangi, 2010; Hassan e Radman, 2010; Moslehi e Kumar, 2010; NETL, 2009; Brown, 2008).
– capacidade do SEP de se recompor automaticamente, possuir elevada confiabilidade; – segurança operacional e qualidade do produto;– ser seguro a ataques cibernéticos;– capacidade de gerenciar a presença de geradores distribuídos, como células
combustíveis e painéis fotovoltaicos;– capacidade de otimizar a utilização dos elementos componentes do sistema;– minimizar despesas de operação, manutenção e perdas técnicas e não técnicas.
Modelo Conceitual segundo o NIST (National Institute of Standards and Technology)
Distribuição
63Fonte: http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model
Detalhe da Distribuição
Distribuição
64Fonte: http://smartgrid.ieee.org/ieee-smart-grid/smart-grid-conceptual-model
Distribuição
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Implicações para o estabelecimento das redes inteligentes:
– análise minuciosa e simultânea de diversos tópicos complexos como asegurança cibernética, interoperabilidade entre dispositivos de automação,controle e proteção, a confiabilidade e desempenho das soluções adotadas(infraestrutura, algoritmos, etc.).
Implicações - Exemplo
Distribuição
66MIRANDA et al. (2010)
Implicações - Exemplo
Distribuição
67MIRANDA et al. (2010)
Implicações - Exemplo
Distribuição
68MIRANDA et al. (2010)
Implicações - Exemplo
Distribuição
69MIRANDA et al. (2010)
Modelo Vigente SEP
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Modelo Vigente SEP
CNPE: Define a política energética do país, com o objetivo deassegurar a estabilidade do suprimento energético;
MME: Responsável pelo planejamento, gestão e desenvolvimentoda legislação do setor, bem como pela supervisão e controle daexecução das políticas direcionadas ao desenvolvimento energéticodo país;
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Modelo Vigente SEP
EPE: Realiza o planejamento da expansão da geração e transmissão, aserviço do MME, e dá suporte técnico para a realização de leilões;
CMSE: Supervisiona a continuidade e a confiabilidade do suprimentoelétrico;
ANEEL: Regula e fiscaliza a geração, transmissão, distribuição ecomercialização de eletricidade. Define as tarifas de transporte econsumo, e assegura o equilíbrio econômico-financeiro das concessões;
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Modelo Vigente SEP
ONS: Controla a operação do Sistema Interligado Nacional (SIN) demodo a assegurar a otimização dos recursos energéticos;
CCEE: Administra as transações do mercado de energia e realiza osleilões oficiais.
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Estudos Realizados
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Tipo de Estudo Período de análise
Transitório Eletromagnético Milisegundos (0,001 s)
Transitório Eletromecânico 0,1 segundos
Atuação dos Reguladores de velocidade 1 a poucos segundos
Atuação do Controle Automático de Geração
alguns segundos (10s), ou até 100 segundos
Redespacho Econômico vários minutos
Planejamento da Operação do Sistema horas; 1 dia; 1 semana ou 1 mês
Planejamento da Expansão do Sistema 5; 20; 30 anos
Estudos em Regime Permanente (fluxo de potência, curto-circuito) -
Referências bibliográficas
75
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Operador Nacional do Sistema Elétrico. Sistemas Isolados. Disponível em: http://www.ons.org.br/paginas/sobre-o-sin/sistemas-isolados .
Obrigado pela Atenção!Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected]
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