pdpetro 2013 projeto básico de um parque eólico e estudos de conexão
DESCRIPTION
Projeto Basico Petro- Energia EólicaTRANSCRIPT
5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁSDESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
TÍTULO DO TRABALHO:
Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão
AUTORES:
Leandro Ramos de Araujo
Universidade Federal de Juiz de Fora
Este Trabalho foi preparado para apresentação no 7° Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 7° PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 27 a 30 de outubro de 2013, em Aracajú-SE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 7°PDPETRO.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão
Abstract
The wind energy is a promising source, especially for being abundant, renewable, clean and
not emitting greenhouse gases. Brazil has a huge unexplored wind potential, and coupled with this
fact, also point out the progressive decline in implementation costs of generation units and the
consequent fall in the price of kWh in recent energy bids. These factors have boosted ever more the
development of studies on the subject.
In this paper we present some of the main aspects to be considered in studies and projects of
wind farms, such as characteristics of potentially viable places for wind generation, criteria for
allocation of wind turbines, essential equipments to the operation of the wind farm, internal studies of
power flow and short circuit, a basic design of the substation to which generating units should be
connected and relevant points of connection of the wind farm to the utility grid or interconnected
system.
Introdução
O Brasil destaca-se no cenário mundial por possuir um enorme potencial eólico ainda não
explorado, como pode ser visualizado na Figura 1 [1,2]. Esta característica, acrescida da maior
dificuldade de se implantar grandes hidrelétricas e a necessidade de diversificação da matriz
energética nacional foi preponderante para que incentivos fiscais e do governo alavancassem o
desenvolvimento de tecnologias em novas fontes renováveis, tais como a eólica. No que se refere ao
Brasil, o grande marco foi a criação do PROINFA [3] (Programa de Incentivos às Fontes Alternativas
de Energia) em 2012 onde foram previstas as instalações de 144 projetos, totalizando 3,3 GW de
capacidade instalada.
Figura 1 - Mapa do Potencial Eólico do Brasil [2].
A geração de energia através dos ventos tem ganhado destaque no cenário mundial
principalmente por não ser agressiva ao meio ambiente tal como ocorre com as termelétricas e até
mesmo as grandes hidrelétricas com reservatórios. Somado a esses fatores destaca-se ainda a redução
dos custos para implantação das unidades geradoras que tem contribuído para a disseminação de novos
empreendimentos e para a maior competitividade (preço do kWh mais compatível) dessa fonte nos
leilões de energia de reserva.
O empreendimento estudado neste trabalho é composto por um parque eólico que visa
produzir energia através da instalação de 60 aerogeradores de 2,3 MW de potência nominal, resultando
em uma potência instalada de 138 MW. É importante ressaltar que enquanto o custo da instalação de
uma usina eólica é determinado pela capacidade instalada, a receita de geração líquida deve levar em
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
consideração o fator de capacidade do parque eólico [4]. Existem outros fatores que também devem
ser considerados e que eventualmente podem inviabilizar o empreendimento eólico, como por
exemplo, a necessidade de construção ou de reforço da infraestrutura de transmissão de energia
elétrica, ou mesmo a construção de obras civis na região, como estradas para o transporte dos
equipamentos. Portanto, deve-se desenvolver o projeto do parque eólico visando não somente a análise
técnica, mas também a redução máxima possível dos custos [5,6].
A seguir serão destacados alguns conceitos básicos sobre energia eólica cujo conhecimento é
importante para a análise e entendimento do projeto em si:
o Potencial Eólico
Um parque eólico deve possuir algumas características para ser considerado tecnicamente
viável à geração através dos ventos, sendo elas: velocidade média de vento alta, pouca variação nas
direções do vento e pouca turbulência durante todo o ano. A análise dos dados de vento em diversos
locais do Brasil confirmou que há diversas localidades tecnicamente viáveis, possuindo elevado fator
de forma de Weibull (k) (Figura 2). Para a avaliação de um empreendimento eólico deve-se analisar
seu histograma, ou seja, a distribuição de velocidade de vento x frequência.
Figura 2 - Exemplo de Distribuição de Weibull [5]
Uma distribuição de Weibull é definida utilizando-se dois parâmetros: o fator de forma (k) e a
velocidade média do vento [7]. Analisando tal distribuição percebe-se que quanto maior a velocidade
média e maior o fator de forma da distribuição mais rentável será o campo. Além disso, a direção
principal do vento é um importante fator que deve ser avaliado, um vento disperso pode invalidar o
potencial técnico de um campo.
o Disposição dos Aerogeradores
A disposição física dos geradores eólicos é geralmente feita em fileiras, como pode ser
observado no exemplo apresentado na Figura 3a e 3b.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
SUBESTAÇÃO (b)(a)
Figura 3 – (a) Disposição Típica dos Aerogeradores em um Parque (b) Disposição Adotada no Projeto em
Questão
O alinhamento das fileiras está perpendicular à direção preferencial do vento. Usualmente os
geradores são espaçados com distância maior que duas vezes o diâmetro do rotor, entre equipamentos
na mesma fileira, e sete ou mais diâmetros entre fileiras. Isto é realizado para reduzir a perda de
eficiência da geração causada, entre outros motivos, pelos efeitos “Sombreamento da Torre” e “Efeito
Esteira” [6] e também visando preservar a integridade física dos aerogeradores.
o Composição dos Aerogeradores
Um aerogerador é composto basicamente de dois equipamentos: o conjunto turbina eólica e o
gerador elétrico.
Os aerogeradores modernos contam com diversos mecanismos de controle que se destinam à
orientação do rotor, controle de velocidade, controle de carga entre outros. Se considerarmos a
potência gerada pela turbina, temos dois tipos principais: Controle “Stall” e “Pitch” [5]. O primeiro foi
durante muito tempo o mais utilizado, no entanto, por apresentar maior flexibilidade na operação e
melhor desempenho, atualmente o controle através da variação do ângulo de passo das pás tem sido
mais utilizado.
A configuração mais indicada para ser utilizada em uma central eólica moderna, econômica e
de grande porte é a do Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado (DFIG), Figura 4. Esta
configuração é relativamente barata: possui uma dimensão física menor e o conversor é especificado
para uma potência reduzida (aproximadamente 1/3 da potência nominal da máquina). Além disso
possui outras vantagens, tais como: ampla faixa de regulação de velocidade, mínima emissão de
componentes harmônicos e robustez. Como desvantagens desta configuração aponta-se a necessidade
de utilizar um multiplicador de velocidade, o que dificulta e aumenta a manutenção, e perdas
mecânicas [5].
Figura 4 – Ilustração de um Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado [5]
As turbinas eólicas são projetadas para gerar máxima potência em uma determinada
velocidade do vento (velocidade nominal), geralmente em torno de 12 a 15 m/s. Na Figura 5 é
apresentada uma curva de potência típica de uma turbina eólica.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Figura 5 - Curva de Potência de um Aerogerador Típico [7]
É importante destacar que correlacionando os dados apresentados na Figura 2 com os da
Figura 5 para um determinado parque eólico é possível estimar a potência média gerada em relação à
potência total instalada (ou seja, o fator de capacidade). Considera-se excelente um fator de
capacidade acima de 35%.
Metodologia
Para a elaboração do projeto básico elétrico da usina eólica estudada neste trabalho foram
consideradas as seguintes premissas:
- Utilização de 60 aerogeradores de indução duplamente alimentados com potência de 2,3 MW
e tensão nominal de 690 V.
- As turbinas estão dispostas em uma área de aproximadamente 15 km².
- A conexão da usina eólica com a rede será feita em uma subestação de 230 kV.
- O cabeamento será subterrâneo.
- Os cabos que foram analisados são os seguintes (apresentados na forma: seção, ampacidade):
500 mm 2 , 553 A; 400 mm²,493 A; 300 mm², 436 A; 240 mm
2 , 389 A; 185 mm
2 , 337 A; 150
mm², 299 A; 120 mm 2 , 267 A; 95 mm², 236 A; 70 mm², 198 A; 50 mm², 163 A; 35 mm², 138
A; 25 mm², 116 A; 16 mm², 91 A.
Os aerogeradores mais modernos podem produzir uma potência considerável, tornando-se
necessário realizar um estudo para definir a tensão ótima da rede de interconexão dos aerogeradores
(objetivo principal deste trabalho) e, com isto, minimizar o custo do cabeamento elétrico e das perdas
ôhmicas. Na maioria dos projetos eólicos, os aerogeradores são distribuídos por uma extensa área
buscando maximizar o rendimento do parque eólico. Devido à considerável quantidade de cabos
necessários em um projeto de uma usina eólica deve ser dada especial atenção à escolha dos mesmos,
já que esta costuma impactar profundamente o custo total da parte elétrica do projeto.
Objetivando otimizar o sistema de distribuição estudou-se alternativas em três níveis de
tensão: 13,8 kV, 24 kV e 34,5 kV. Os resultados obtidos em cada um desses níveis de tensão serão
apresentados no tópico intitulado “Resultados e Discussão”. Os barramentos da subestação ilustrada
na Figura 3b foram definidos como principal e transferência, como pode ser visualizado na Figura 6,
pois apresenta considerável possibilidade de manobras com um custo reduzido, sendo ideal para
parques eólicos.
Como pode ser observada na Figura 3b, a topologia de distribuição inicialmente adotada foi
radial. Cabe destacar que a disposição dos aerogeradores admitida não é a ideal (melhorias ainda
poderiam ser efetuadas) e foi escolhida meramente para se iniciar o dimensionamento dos condutores.
Há softwares que foram desenvolvidos justamente para fornecer o posicionamento ideal para tais
máquinas de acordo com condições ambientais (vento, umidade, etc.) e de relevo.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Para integrar a usina eólica a rede básica a tensão é elevada para 230 kV através de dois
transformadores de potência (Figura 6). Os transformadores foram projetados de modo a possuírem
capacidade de suportar toda a carga nominal do parque eólico, ou seja, caso haja algum defeito neste
equipamento, ou simplesmente ele necessite ser retirado para manutenção, o outro transformador
deverá permitir o despacho máximo da usina.
1 2 3 4 5 6 7 8
Chave
By-Pass
ALIMENTADOR 2
Figura 6 – Subestação do Tipo Principal e Transferência do Projeto do Parque Eólico
A conexão de qualquer sistema de geração de energia elétrica deve ser feita de modo que não
comprometa fatores tais como: confiabilidade, qualidade da energia, operação segura e eficiência. A
solicitação de acesso é um requerimento que, acompanhado de dados, estudos preliminares de acesso e
informações sobre o empreendimento, deve ser apresentado pelo acessante ao ONS [8] ou à
concessionária de transmissão ou à concessionária ou permissionária de distribuição, para que sejam
definidas as condições de acesso visando à sua contratação. O parque eólico pode ser conectado à rede
básica (sistema de transmissão) ou ao sistema de distribuição local. Os principais estudos que devem
ser realizados para verificar se o parque eólico está apto a interligação com a rede são:
- Curto-circuito – Deve-se calcular a contribuição de corrente de curto-circuito da usina eólica
projetada para o ponto de conexão com a concessionária (PCC) e verificar se a nova potência
de curto-circuito não impacta na superação da capacidade dos equipamentos instalados no
entorno da subestação de modo a ser necessária a substituição de equipamentos.
- Fluxo de Potência – Análises de contingências no entorno da usina eólica devem ser
realizadas, considerando-se o critério n-1 atualmente vigente, a fim de se verificar a
necessidade ou não de reforço na rede básica ou na rede da concessionária local.
- Emissão de Flicker - O flicker ou cintilação é a impressão visual resultante das variações do
fluxo luminoso nas lâmpadas elétricas causadas pelas flutuações da tensão de alimentação. A
severidade de flicker é uma representação quantitativa do incômodo visual percebido pelas
pessoas expostas a este, sendo a causa principal as variações de potência devido à
intermitência do vento. Estudos de flicker também devem ser realizados.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
- Desempenho Harmônico – Deve-se fazer um estudo do desempenho harmônico da usina e
fim de verificar as correntes harmônicas, tensões harmônicas e a distorção harmônica total.
- Estabilidade – Análises referentes ao exame do comportamento da tensão na área por ocasião
de distúrbios devem ser realizadas. Para o estudo de estabilidade é necessário recorrer à
simulação empregando modelos detalhados das máquinas selecionadas (parâmetros em regime
transitório da máquina) e seus controles, válidos para condições operativas extremas.
Resultado s e Discussão
Foi desenvolvido em Matlab um algoritmo que calcula a corrente em todos os condutores dos
aerogeradores para um determinado nível de tensão e, após este cálculo, ele indica automaticamente a
seção adequada dos condutores. A determinação da seção adequada considera os seguintes fatores:
tipo do cabo, a quantidade de cabos por encaminhamento, ventilação e tipo de instalação. Após a
determinação dos condutores um fluxo de potência foi executado e as perdas ôhmicas totais do sistema
calculadas. Abaixo são apresentadas as alternativas de tensões testadas.
- Alternativa 13,8 kV
Na tensão de 13,8 kV verificou-se a circulação de elevadas correntes (cada aerogerador
contribui com uma corrente de aproximadamente 103 A) e, consequentemente, a necessidade de
utilização de cabos de seção muito grande, tornando inviável economicamente a implantação desta
configuração. As perdas foram da ordem de 2362 kW.
- Alternativa 24 kV
Nesta alternativa, com tensão de distribuição em 24 kV, a corrente de cada gerador é de 59 A.
As seções dos condutores possuem em média uma bitola de 240 mm² e as perdas obtidas em todo o
circuito foram de aproximadamente 2299 kW.
- Alternativa 34,5 kV
Os preços dos equipamentos para este nível de tensão são ligeiramente maiores do que aqueles
encontrados para o nível de tensão de 24 kV. Por outro lado sua utilização se justifica pelo fato do
circuito ser percorrido por correntes bem menores (cada aerogerador contribui com uma corrente de
aproximadamente 41 A) e, consequentemente, cabos mais baratos de seções que não ultrapassam 120
mm² e que introduzem uma maior praticidade em sua operação. Além do mais, este nível de tensão
implica em uma redução das perdas que nesta topologia giram em torno de 2160 kW. A redução das
perdas dessa alternativa quando comparada com a anterior pode implicar em uma economia
considerável ao final do período de contratação da usina. Pode-se considerar como outra vantagem da
utilização de cabos em 34,5 kV, a apresentação de menores quedas de tensão para uma mesma
distância de cabos, o que pode possibilitar uma maior flexibilidade para atender a uma eventual
redistribuição dos locais de instalação dos aerogeradores.
Na Tabela 1 são apresentados os resultados relativos a perdas das alternativas estudadas para
um horizonte de funcionamento de 30 anos.
Tabela 1 - Análise Comparativa entre as três Alternativas de Tensão
Alternativa Perdas
* Preço do Leilão de Energia de Reserva realizado em 2011.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Considerando apenas os critérios de perdas ôhmicas a tensão 34,5 kV é indicada para o
projeto. Mas outros estudos devem ser realizados como a queda de tensão e curto-circuito, além de
contabilizar também o preço dos equipamentos. Estes estudos estão sendo implementos na ferramenta
Matlab.
Conclusões
Este trabalho foi desenvolvido visando abordar os principais aspectos a serem considerados
para o estudo/desenvolvimento de projetos básicos de parques eólicos. Foram apresentados os
conceitos fundamentais sobre energia eólica, o processo de definição da tensão de distribuição,
critérios a serem respeitados para a alocação adequada das turbinas, os principais equipamentos
presentes no parque eólico, questões relativas a fluxo de potência e curto-circuito, projeto básico da
subestação bem como sobre os pontos relevantes da conexão da usina com a rede.
Foi aplicada uma metodologia para definição da seção adequada dos condutores dos
alimentadores da usina eólica e posterior cálculo das perdas ôhmicas totais visando fornecer uma
informação a mais para a tomada de decisão da tensão de alimentação.
Por fim, destaca-se a necessidade de se realizar juntamente com a análise técnica uma análise
econômica. A associação desses dois estudos é que indicará qual topologia de parque eólico melhor
atende as necessidades e aos requisitos pré-estabelecidos.
Agradecimentos
Agradecemos ao PRH-PB14 pela oportunidade de aprendizado. Agradecemos também ao
pesquisador visitante do PRH-PB14 engenheiro Armando Bordignon pela ajuda no trabalho.
Referências Bibliográficas
[1] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, “Atlas de Energia Elétrica do Brasil”. 3°
Edição, Brasília, 2008.
[2] CRESESB, CEPEL, “Atlas do Potencial Eólico Brasileiro”. Brasília, 2001.
[3] Informe à Imprensa “Leilão de Energia de Reserva/2011”. EPE – Empresa de Pesquisa
Energética. São Paulo, 18/08/2011.
[4] DUTRA, R. “Energia Eólica – Princípios e Tecnologia”. CRESESB (Centro de Referência
para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito).
[5] PAVINATTO, E. F. “Ferramenta para Auxílio à Análise de Viabilidade Técnica da Conexão
de Parques Eólicos à Rede Elétrica”. Tese de Mestrado. Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ)- COPPE. Rio de Janeiro, RJ- Brasil, 2005.
[6] LEITE, A. P.“Modelagem de Fazendas Eólicas para Estudo de Confiabilidade”. Tese de
mestrado. Rio de Janeiro, RJ – Brasil, Abril de 2005.
[7] MALTA, C. S.“Estudos de Séries Temporais de vento Utilizando Análises Estatísticas e
Agrupamento de Dados”. Tese de mestrado. Rio de janeiro, RJ – Brasil, Fevereiro de 2009.
[8] “Requisitos Técnicos Mínimos Para Conexão de Centrais Eólicas na Rede Básica”, Módulo
3, Submódulo 3.6, Tópico 8 – Procedimentos de Rede. Disponível no site do Operador
Nacional do Sistema (ONS): www.ons.org.br
TÍTULO DO TRABALHO:
Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão
AUTORES:
Leandro Ramos de Araujo
Universidade Federal de Juiz de Fora
Este Trabalho foi preparado para apresentação no 7° Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 7° PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 27 a 30 de outubro de 2013, em Aracajú-SE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 7°PDPETRO.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão
Abstract
The wind energy is a promising source, especially for being abundant, renewable, clean and
not emitting greenhouse gases. Brazil has a huge unexplored wind potential, and coupled with this
fact, also point out the progressive decline in implementation costs of generation units and the
consequent fall in the price of kWh in recent energy bids. These factors have boosted ever more the
development of studies on the subject.
In this paper we present some of the main aspects to be considered in studies and projects of
wind farms, such as characteristics of potentially viable places for wind generation, criteria for
allocation of wind turbines, essential equipments to the operation of the wind farm, internal studies of
power flow and short circuit, a basic design of the substation to which generating units should be
connected and relevant points of connection of the wind farm to the utility grid or interconnected
system.
Introdução
O Brasil destaca-se no cenário mundial por possuir um enorme potencial eólico ainda não
explorado, como pode ser visualizado na Figura 1 [1,2]. Esta característica, acrescida da maior
dificuldade de se implantar grandes hidrelétricas e a necessidade de diversificação da matriz
energética nacional foi preponderante para que incentivos fiscais e do governo alavancassem o
desenvolvimento de tecnologias em novas fontes renováveis, tais como a eólica. No que se refere ao
Brasil, o grande marco foi a criação do PROINFA [3] (Programa de Incentivos às Fontes Alternativas
de Energia) em 2012 onde foram previstas as instalações de 144 projetos, totalizando 3,3 GW de
capacidade instalada.
Figura 1 - Mapa do Potencial Eólico do Brasil [2].
A geração de energia através dos ventos tem ganhado destaque no cenário mundial
principalmente por não ser agressiva ao meio ambiente tal como ocorre com as termelétricas e até
mesmo as grandes hidrelétricas com reservatórios. Somado a esses fatores destaca-se ainda a redução
dos custos para implantação das unidades geradoras que tem contribuído para a disseminação de novos
empreendimentos e para a maior competitividade (preço do kWh mais compatível) dessa fonte nos
leilões de energia de reserva.
O empreendimento estudado neste trabalho é composto por um parque eólico que visa
produzir energia através da instalação de 60 aerogeradores de 2,3 MW de potência nominal, resultando
em uma potência instalada de 138 MW. É importante ressaltar que enquanto o custo da instalação de
uma usina eólica é determinado pela capacidade instalada, a receita de geração líquida deve levar em
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
consideração o fator de capacidade do parque eólico [4]. Existem outros fatores que também devem
ser considerados e que eventualmente podem inviabilizar o empreendimento eólico, como por
exemplo, a necessidade de construção ou de reforço da infraestrutura de transmissão de energia
elétrica, ou mesmo a construção de obras civis na região, como estradas para o transporte dos
equipamentos. Portanto, deve-se desenvolver o projeto do parque eólico visando não somente a análise
técnica, mas também a redução máxima possível dos custos [5,6].
A seguir serão destacados alguns conceitos básicos sobre energia eólica cujo conhecimento é
importante para a análise e entendimento do projeto em si:
o Potencial Eólico
Um parque eólico deve possuir algumas características para ser considerado tecnicamente
viável à geração através dos ventos, sendo elas: velocidade média de vento alta, pouca variação nas
direções do vento e pouca turbulência durante todo o ano. A análise dos dados de vento em diversos
locais do Brasil confirmou que há diversas localidades tecnicamente viáveis, possuindo elevado fator
de forma de Weibull (k) (Figura 2). Para a avaliação de um empreendimento eólico deve-se analisar
seu histograma, ou seja, a distribuição de velocidade de vento x frequência.
Figura 2 - Exemplo de Distribuição de Weibull [5]
Uma distribuição de Weibull é definida utilizando-se dois parâmetros: o fator de forma (k) e a
velocidade média do vento [7]. Analisando tal distribuição percebe-se que quanto maior a velocidade
média e maior o fator de forma da distribuição mais rentável será o campo. Além disso, a direção
principal do vento é um importante fator que deve ser avaliado, um vento disperso pode invalidar o
potencial técnico de um campo.
o Disposição dos Aerogeradores
A disposição física dos geradores eólicos é geralmente feita em fileiras, como pode ser
observado no exemplo apresentado na Figura 3a e 3b.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
SUBESTAÇÃO (b)(a)
Figura 3 – (a) Disposição Típica dos Aerogeradores em um Parque (b) Disposição Adotada no Projeto em
Questão
O alinhamento das fileiras está perpendicular à direção preferencial do vento. Usualmente os
geradores são espaçados com distância maior que duas vezes o diâmetro do rotor, entre equipamentos
na mesma fileira, e sete ou mais diâmetros entre fileiras. Isto é realizado para reduzir a perda de
eficiência da geração causada, entre outros motivos, pelos efeitos “Sombreamento da Torre” e “Efeito
Esteira” [6] e também visando preservar a integridade física dos aerogeradores.
o Composição dos Aerogeradores
Um aerogerador é composto basicamente de dois equipamentos: o conjunto turbina eólica e o
gerador elétrico.
Os aerogeradores modernos contam com diversos mecanismos de controle que se destinam à
orientação do rotor, controle de velocidade, controle de carga entre outros. Se considerarmos a
potência gerada pela turbina, temos dois tipos principais: Controle “Stall” e “Pitch” [5]. O primeiro foi
durante muito tempo o mais utilizado, no entanto, por apresentar maior flexibilidade na operação e
melhor desempenho, atualmente o controle através da variação do ângulo de passo das pás tem sido
mais utilizado.
A configuração mais indicada para ser utilizada em uma central eólica moderna, econômica e
de grande porte é a do Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado (DFIG), Figura 4. Esta
configuração é relativamente barata: possui uma dimensão física menor e o conversor é especificado
para uma potência reduzida (aproximadamente 1/3 da potência nominal da máquina). Além disso
possui outras vantagens, tais como: ampla faixa de regulação de velocidade, mínima emissão de
componentes harmônicos e robustez. Como desvantagens desta configuração aponta-se a necessidade
de utilizar um multiplicador de velocidade, o que dificulta e aumenta a manutenção, e perdas
mecânicas [5].
Figura 4 – Ilustração de um Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado [5]
As turbinas eólicas são projetadas para gerar máxima potência em uma determinada
velocidade do vento (velocidade nominal), geralmente em torno de 12 a 15 m/s. Na Figura 5 é
apresentada uma curva de potência típica de uma turbina eólica.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Figura 5 - Curva de Potência de um Aerogerador Típico [7]
É importante destacar que correlacionando os dados apresentados na Figura 2 com os da
Figura 5 para um determinado parque eólico é possível estimar a potência média gerada em relação à
potência total instalada (ou seja, o fator de capacidade). Considera-se excelente um fator de
capacidade acima de 35%.
Metodologia
Para a elaboração do projeto básico elétrico da usina eólica estudada neste trabalho foram
consideradas as seguintes premissas:
- Utilização de 60 aerogeradores de indução duplamente alimentados com potência de 2,3 MW
e tensão nominal de 690 V.
- As turbinas estão dispostas em uma área de aproximadamente 15 km².
- A conexão da usina eólica com a rede será feita em uma subestação de 230 kV.
- O cabeamento será subterrâneo.
- Os cabos que foram analisados são os seguintes (apresentados na forma: seção, ampacidade):
500 mm 2 , 553 A; 400 mm²,493 A; 300 mm², 436 A; 240 mm
2 , 389 A; 185 mm
2 , 337 A; 150
mm², 299 A; 120 mm 2 , 267 A; 95 mm², 236 A; 70 mm², 198 A; 50 mm², 163 A; 35 mm², 138
A; 25 mm², 116 A; 16 mm², 91 A.
Os aerogeradores mais modernos podem produzir uma potência considerável, tornando-se
necessário realizar um estudo para definir a tensão ótima da rede de interconexão dos aerogeradores
(objetivo principal deste trabalho) e, com isto, minimizar o custo do cabeamento elétrico e das perdas
ôhmicas. Na maioria dos projetos eólicos, os aerogeradores são distribuídos por uma extensa área
buscando maximizar o rendimento do parque eólico. Devido à considerável quantidade de cabos
necessários em um projeto de uma usina eólica deve ser dada especial atenção à escolha dos mesmos,
já que esta costuma impactar profundamente o custo total da parte elétrica do projeto.
Objetivando otimizar o sistema de distribuição estudou-se alternativas em três níveis de
tensão: 13,8 kV, 24 kV e 34,5 kV. Os resultados obtidos em cada um desses níveis de tensão serão
apresentados no tópico intitulado “Resultados e Discussão”. Os barramentos da subestação ilustrada
na Figura 3b foram definidos como principal e transferência, como pode ser visualizado na Figura 6,
pois apresenta considerável possibilidade de manobras com um custo reduzido, sendo ideal para
parques eólicos.
Como pode ser observada na Figura 3b, a topologia de distribuição inicialmente adotada foi
radial. Cabe destacar que a disposição dos aerogeradores admitida não é a ideal (melhorias ainda
poderiam ser efetuadas) e foi escolhida meramente para se iniciar o dimensionamento dos condutores.
Há softwares que foram desenvolvidos justamente para fornecer o posicionamento ideal para tais
máquinas de acordo com condições ambientais (vento, umidade, etc.) e de relevo.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Para integrar a usina eólica a rede básica a tensão é elevada para 230 kV através de dois
transformadores de potência (Figura 6). Os transformadores foram projetados de modo a possuírem
capacidade de suportar toda a carga nominal do parque eólico, ou seja, caso haja algum defeito neste
equipamento, ou simplesmente ele necessite ser retirado para manutenção, o outro transformador
deverá permitir o despacho máximo da usina.
1 2 3 4 5 6 7 8
Chave
By-Pass
ALIMENTADOR 2
Figura 6 – Subestação do Tipo Principal e Transferência do Projeto do Parque Eólico
A conexão de qualquer sistema de geração de energia elétrica deve ser feita de modo que não
comprometa fatores tais como: confiabilidade, qualidade da energia, operação segura e eficiência. A
solicitação de acesso é um requerimento que, acompanhado de dados, estudos preliminares de acesso e
informações sobre o empreendimento, deve ser apresentado pelo acessante ao ONS [8] ou à
concessionária de transmissão ou à concessionária ou permissionária de distribuição, para que sejam
definidas as condições de acesso visando à sua contratação. O parque eólico pode ser conectado à rede
básica (sistema de transmissão) ou ao sistema de distribuição local. Os principais estudos que devem
ser realizados para verificar se o parque eólico está apto a interligação com a rede são:
- Curto-circuito – Deve-se calcular a contribuição de corrente de curto-circuito da usina eólica
projetada para o ponto de conexão com a concessionária (PCC) e verificar se a nova potência
de curto-circuito não impacta na superação da capacidade dos equipamentos instalados no
entorno da subestação de modo a ser necessária a substituição de equipamentos.
- Fluxo de Potência – Análises de contingências no entorno da usina eólica devem ser
realizadas, considerando-se o critério n-1 atualmente vigente, a fim de se verificar a
necessidade ou não de reforço na rede básica ou na rede da concessionária local.
- Emissão de Flicker - O flicker ou cintilação é a impressão visual resultante das variações do
fluxo luminoso nas lâmpadas elétricas causadas pelas flutuações da tensão de alimentação. A
severidade de flicker é uma representação quantitativa do incômodo visual percebido pelas
pessoas expostas a este, sendo a causa principal as variações de potência devido à
intermitência do vento. Estudos de flicker também devem ser realizados.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
- Desempenho Harmônico – Deve-se fazer um estudo do desempenho harmônico da usina e
fim de verificar as correntes harmônicas, tensões harmônicas e a distorção harmônica total.
- Estabilidade – Análises referentes ao exame do comportamento da tensão na área por ocasião
de distúrbios devem ser realizadas. Para o estudo de estabilidade é necessário recorrer à
simulação empregando modelos detalhados das máquinas selecionadas (parâmetros em regime
transitório da máquina) e seus controles, válidos para condições operativas extremas.
Resultado s e Discussão
Foi desenvolvido em Matlab um algoritmo que calcula a corrente em todos os condutores dos
aerogeradores para um determinado nível de tensão e, após este cálculo, ele indica automaticamente a
seção adequada dos condutores. A determinação da seção adequada considera os seguintes fatores:
tipo do cabo, a quantidade de cabos por encaminhamento, ventilação e tipo de instalação. Após a
determinação dos condutores um fluxo de potência foi executado e as perdas ôhmicas totais do sistema
calculadas. Abaixo são apresentadas as alternativas de tensões testadas.
- Alternativa 13,8 kV
Na tensão de 13,8 kV verificou-se a circulação de elevadas correntes (cada aerogerador
contribui com uma corrente de aproximadamente 103 A) e, consequentemente, a necessidade de
utilização de cabos de seção muito grande, tornando inviável economicamente a implantação desta
configuração. As perdas foram da ordem de 2362 kW.
- Alternativa 24 kV
Nesta alternativa, com tensão de distribuição em 24 kV, a corrente de cada gerador é de 59 A.
As seções dos condutores possuem em média uma bitola de 240 mm² e as perdas obtidas em todo o
circuito foram de aproximadamente 2299 kW.
- Alternativa 34,5 kV
Os preços dos equipamentos para este nível de tensão são ligeiramente maiores do que aqueles
encontrados para o nível de tensão de 24 kV. Por outro lado sua utilização se justifica pelo fato do
circuito ser percorrido por correntes bem menores (cada aerogerador contribui com uma corrente de
aproximadamente 41 A) e, consequentemente, cabos mais baratos de seções que não ultrapassam 120
mm² e que introduzem uma maior praticidade em sua operação. Além do mais, este nível de tensão
implica em uma redução das perdas que nesta topologia giram em torno de 2160 kW. A redução das
perdas dessa alternativa quando comparada com a anterior pode implicar em uma economia
considerável ao final do período de contratação da usina. Pode-se considerar como outra vantagem da
utilização de cabos em 34,5 kV, a apresentação de menores quedas de tensão para uma mesma
distância de cabos, o que pode possibilitar uma maior flexibilidade para atender a uma eventual
redistribuição dos locais de instalação dos aerogeradores.
Na Tabela 1 são apresentados os resultados relativos a perdas das alternativas estudadas para
um horizonte de funcionamento de 30 anos.
Tabela 1 - Análise Comparativa entre as três Alternativas de Tensão
Alternativa Perdas
* Preço do Leilão de Energia de Reserva realizado em 2011.
7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
Considerando apenas os critérios de perdas ôhmicas a tensão 34,5 kV é indicada para o
projeto. Mas outros estudos devem ser realizados como a queda de tensão e curto-circuito, além de
contabilizar também o preço dos equipamentos. Estes estudos estão sendo implementos na ferramenta
Matlab.
Conclusões
Este trabalho foi desenvolvido visando abordar os principais aspectos a serem considerados
para o estudo/desenvolvimento de projetos básicos de parques eólicos. Foram apresentados os
conceitos fundamentais sobre energia eólica, o processo de definição da tensão de distribuição,
critérios a serem respeitados para a alocação adequada das turbinas, os principais equipamentos
presentes no parque eólico, questões relativas a fluxo de potência e curto-circuito, projeto básico da
subestação bem como sobre os pontos relevantes da conexão da usina com a rede.
Foi aplicada uma metodologia para definição da seção adequada dos condutores dos
alimentadores da usina eólica e posterior cálculo das perdas ôhmicas totais visando fornecer uma
informação a mais para a tomada de decisão da tensão de alimentação.
Por fim, destaca-se a necessidade de se realizar juntamente com a análise técnica uma análise
econômica. A associação desses dois estudos é que indicará qual topologia de parque eólico melhor
atende as necessidades e aos requisitos pré-estabelecidos.
Agradecimentos
Agradecemos ao PRH-PB14 pela oportunidade de aprendizado. Agradecemos também ao
pesquisador visitante do PRH-PB14 engenheiro Armando Bordignon pela ajuda no trabalho.
Referências Bibliográficas
[1] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, “Atlas de Energia Elétrica do Brasil”. 3°
Edição, Brasília, 2008.
[2] CRESESB, CEPEL, “Atlas do Potencial Eólico Brasileiro”. Brasília, 2001.
[3] Informe à Imprensa “Leilão de Energia de Reserva/2011”. EPE – Empresa de Pesquisa
Energética. São Paulo, 18/08/2011.
[4] DUTRA, R. “Energia Eólica – Princípios e Tecnologia”. CRESESB (Centro de Referência
para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito).
[5] PAVINATTO, E. F. “Ferramenta para Auxílio à Análise de Viabilidade Técnica da Conexão
de Parques Eólicos à Rede Elétrica”. Tese de Mestrado. Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ)- COPPE. Rio de Janeiro, RJ- Brasil, 2005.
[6] LEITE, A. P.“Modelagem de Fazendas Eólicas para Estudo de Confiabilidade”. Tese de
mestrado. Rio de Janeiro, RJ – Brasil, Abril de 2005.
[7] MALTA, C. S.“Estudos de Séries Temporais de vento Utilizando Análises Estatísticas e
Agrupamento de Dados”. Tese de mestrado. Rio de janeiro, RJ – Brasil, Fevereiro de 2009.
[8] “Requisitos Técnicos Mínimos Para Conexão de Centrais Eólicas na Rede Básica”, Módulo
3, Submódulo 3.6, Tópico 8 – Procedimentos de Rede. Disponível no site do Operador
Nacional do Sistema (ONS): www.ons.org.br