UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
FACULDADE DE ENGENHARIA
ENGENHARIA ELÉTRICA
PROJETO BÁSICO DE UM PARQUE EÓLICO E
ESTUDOS DE CONEXÃO
KARINA
LINO
MIRANDA
DE
OLIVEIRA
Orientadora: Débora Rosana Ribeiro
Penido Araujo
JUIZ DE FORA
2014
i
KARINA LINO MIRANDA DE OLIVEIRA
PROJETO BÁSICO DE UM PARQUE EÓLICO E
ESTUDOS DE CONEXÃO
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
apresentado como requisito à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista na Faculdade de Engenharia
da Universidade Federal de Juiz de Fora.
BANCA EXAMINADORA
_________________________________________________
Prof. Dr. Débora Rosana Ribeiro Penido Araujo (orientadora)
UFJF
__________________________________________________
Prof. Dr. Leandro Ramos de Araujo
UFJF
__________________________________________________
Prof. Dr. Vander Menengoy da Costa
UFJF
ii
DEDICATÓRIA
Aos meus amados pais, Ana Lucia e Antônio, e a minha
irmã, Raquel, pelo apoio incondicional sem o qual não seria
contemplada com mais uma vitória.
iii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus pela presença constante em minha vida, pelo dom do
discernimento concedido ao longo dessa jornada e por renovar a cada momento a minha força
e a minha fé.
Aos meus pais por estarem ao meu lado me incentivando em todos os momentos e por
não me deixarem desistir. Mãe, Deus não poderia ter me proporcionado presente maior nessa
vida. Obrigada por todo amor, por compreender e incentivar minhas escolhas e meus sonhos,
por ser meu braço direito e por todos os sacrifícios para fazer de mim quem eu sou hoje. Te
amo incondicionalmente. Pai, meu herói, essa vitória também é sua. Dói muito não tê- lo
presente neste momento ainda mais porque faltava tão pouco tempo, mas sei que sempre
estará olhando por mim, guiando meus passos e vibrando a cada conquista. Não tenho como
agradecer tudo o que fez por mim, apenas gostaria de dizer que todos os seus ensinamentos eu
levarei por toda minha vida e que não existe orgulho maior nesse mundo do que ouvir que
“sou a sua cara”. “E no meu coração, aonde quer que eu vá, sempre levarei o teu sorriso em
meu olhar.” Te amo para todo sempre.
À minha avó Geny meu eterno agradecimento pelas orações constantes, por todas as
palavras de carinho e incentivo dadas ao longo de toda essa longa e difícil caminhada. Raquel,
minha irmã, saiba que você é o meu espelho, minha verdadeira fonte de inspiração. Espero
profundamente ser um dia a profissional dedicada, séria e competente que você é.
Minha gratidão especial aos amigos da faculdade, em especial João Paulo e Bráulio,
pelo companheirismo ao longo desses 5 anos de luta. Aos meus amigos de Tabuleiro meu
agradecimento por fazerem parte dessa história. Valter, Letícia, Mariane e Juninho, obrigado
pelo ombro amigo, pelos conselhos e por fazerem minha vida mais especial com suas
presenças. Que Deus fortaleça mais e mais esse laço que nos une.
Agradeço por fim à Universidade Federal de Juiz de Fora, ao PRH-PB214 (Programa
de Formação de Recursos Humanos da Petrobras) e, sobretudo, aos professores Leandro e
Débora por todos os ensinamentos e pela dedicação à minha formação.
iv
RESUMO
A energia eólica é uma fonte promissora, especialmente por ser abund ante, renovável,
limpa e não emissora de gases causadores do efeito estufa. O Brasil destaca-se no cenário
mundial por possuir um imenso potencial eólico ainda não explorado e, somado a tal fato,
ressalta-se também o progressivo declínio nos custos de implantação de unidades geradoras
eólicas e a consequente queda do preço do kWh nos últimos leilões de energia. Esses fatores
têm impulsionado cada vez mais o desenvolvimento de estudos relativos ao tema.
Neste trabalho serão apresentados alguns dos principais aspectos a serem considerados
nos estudos e projetos de parques eólicos, tais como: características gerais da geração eólica,
características intrínsecas dos locais potencialmente viáveis à geração, critérios para alocação
dos aerogeradores e equipamentos essenciais para o funcionamento da usina. Também serão
realizados, mesmo que considerando algumas simplificações, o projeto básico de um parque
eólico
e
alguns
estudos
de
conexão,
onde
serão
analisados
aspectos
como
especificações/dimensionamento de equipamentos, estudos de fluxo de potência e curtocircuito, projeto básico da subestação para conexão das unidades geradoras e os pontos mais
relevantes da conexão do parque eólico à rede de concessionária de distribuição ou ao sistema
interligado nacional. As principais etapas, análises e constatações do projeto serão descritas
ao longo deste trabalho.
Palavras chave: Energia Eólica, Equipamentos, Projeto Básico, Estudos de Conexão.
v
ABSTRACT
The wind energy is a promising source, especially for being abundant, renewable,
clean and not emitting greenhouse gases. The Brazil stands out on the world stage by having a
huge untapped wind potential, and coupled with that fact, also stand out the progressive
decline in deployment costs of generation units and the consequent fall in the price of kWh in
recent energy auctions. These factors have driven increasingly the development of studies on
the subject.
In this work are presented some of the main aspects to be considered in studies of
wind farms and projects such as: general characteristics of wind generation, intrinsic
characteristics of potentially viable local generation, criteria for allocation of wind turbines
and equipment essential to the operation of plant. Will also be conducted, even considering
some simplifications, the basic design of a wind farm and some connection studies, where
aspects like equipment specifications, load flow studies, short circuit, basic design of
substation will be analyzed to connections of generating units. Also the most relevant points
of connection of the wind farm in the distribution system or in the national grid will be
analyzed. The main steps, analyzes and findings of the project will be described throughout
this work.
Key-words: Wind Power, Equipment, Basic Design and Connection Studies.
vi
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................. 13
1.1.
Considerações iniciais e relevância do tema................................................... 13
1.2.
História............................................................................................................ 14
1.3.
Objetivos ......................................................................................................... 18
1.4.
Publicações decorrentes do trabalho ............................................................... 19
1.5.
Estrutura do trabalho ....................................................................................... 19
CAPÍTULO 2 – ENERGIA EÓLICA: PRINCIPAIS CONCEITOS E CARACTERÍSTICAS
.................................................................................................................................................. 20
2.1.
Introdução ....................................................................................................... 20
2.2.
O mecanismo de formação dos ventos e o estudo do seu comportamento
através de séries temporais .................................................................................................... 20
2.3.
Potência extraída do vento e a curva de rendimento de um aerogerador típico
24
2.4.
Estimativas de geração.................................................................................... 28
2.5.
Vantagens e desvantagens da utilização da energia eólica ............................. 29
2.6.
Parques eólicos e os fatores que influenciam no regime do vento – Escolha da
localidade
31
2.6.1. Curiosidade: Parque eólico off-shore ........................................................ 34
2.7.
Potencial eólico e capacidade de geração do Brasil........................................ 35
2.8.
Aplicações do sistema eólico .......................................................................... 39
2.9.
Leilões de Energia de Reserva: Energia eólica ............................................... 40
2.10.
Conclusão do capítulo ..................................................................................... 41
CAPÍTULO 3 – PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UM PARQUE EÓLICO E
DEFINIÇÕES INICIAIS DO PROJETO ................................................................................. 43
3.1.
Introdução ....................................................................................................... 43
3.2.
Aerogeradores ................................................................................................. 43
3.2.1. Classificação dos aerogeradores ................................................................ 43
3.2.1.1. Aerogeradores síncronos .............................................................. 45
3.2.1.2. Aerogeradores assíncronos ou de indução ................................... 46
3.2.2. Principais topologias utilizadas ................................................................. 46
3.2.2.1. Configurações que utilizam geradores de indução ....................... 46
vii
3.2.2.2. Configurações que utilizam geradores síncronos ......................... 48
3.2.3. Principais componentes ............................................................................. 49
3.2.4. Definições do parque e posicionamento das unidades geradoras.............. 53
3.3.
Transformadores ............................................................................................. 56
3.4.
Painéis elétricos............................................................................................... 59
3.4.1. Estrutura dos painéis elétricos presentes no parque eólico ....................... 60
3.5.
Cabos............................................................................................................... 63
3.6.
Conclusão do capítulo ..................................................................................... 65
CAPÍTULO 4 – PROJETO BÁSICO DE UM PARQUE EÓLICO ........................................ 66
4.1.
Introdução ....................................................................................................... 66
4.2.
Definição de projeto básico............................................................................. 66
4.3.
Metodologia adotada....................................................................................... 67
4.4.
Premissas utilizadas no projeto ....................................................................... 67
4.5.
Topologia do parque eólico............................................................................. 68
4.6.
Projeto básico da subestação para conexão das unidades geradoras .............. 70
4.6.1. Topologias consideradas como alternativas no projeto ............................. 70
4.6.1.1. Barra Simples ............................................................................... 70
4.6.1.2. Barra Simples Seccionada ............................................................ 71
4.6.1.3. Principal e Transferência .............................................................. 72
4.6.2. Análise comparativa entre as topologias de subestações consideradas ..... 75
4.7.
Dimensionamento dos condutores .................................................................. 76
4.8.
Etap Power Station Simulator (Versão estudante) ......................................... 77
4.8.1. Parâmetros editados no Etap ..................................................................... 78
4.9.
Estudos de fluxo de potência .......................................................................... 80
4.10.
Estudos de curto-circuito ................................................................................ 83
4.11.
Dimensionamento dos principais equipamentos............................................. 84
4.12.
Conclusão do capítulo ..................................................................................... 90
CAPÍTULO 5 – ESTUDOS DE CONEXÃO ........................................................................... 92
5.1.
Introdução ....................................................................................................... 92
5.2.
Qualidade da energia e a importância dos estudos de conexão dos sistemas de
geração
5.3.
92
Regulamentação e normas da conexão no sistema de transmissão ................. 93
5.3.1. Requisitos técnicos mínimos para a conexão de centrais eólicas na rede
básica
96
viii
5.4.
Regulamentação e normas da conexão no sistema de distribuição ................. 99
5.5.
ANAREDE – Programa de Análise de Redes (versão estudante) .................. 99
5.6.
Estudo de caso............................................................................................... 100
5.7.
Simulações .................................................................................................... 100
5.7.1. Perfil de tensão nas barras ....................................................................... 101
5.7.2. Fluxo de potência nas linhas.................................................................... 104
5.7.3. Análise de contingências ......................................................................... 107
5.8.
Conclusão do capítulo ................................................................................... 107
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ........................................................................................... 108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 110
ix
LISTA DE F IGURAS
Figura 1 – Histórico do desenvolvimento da energia eólica (Parte 1) [1]. ............................... 14
Figura 2 – Aerogerador desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial [22]. .................... 15
Figura 3 – Histórico do desenvolvimento da energia eólica (Parte 2) [1]. ............................... 16
Figura 4 – PROINFA no território nacional [21]. .................................................................... 17
Figura 5 – Evolução do diâmetro/potência dos aerogeradores com o passar dos anos [1]. ..... 18
Figura 6 – Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar [13]. ................... 20
Figura 7 – Série temporal de velocidade de vento – semana 04 a 11/09/2002 – Sítio Nordeste
[4].............................................................................................................................................. 21
Figura 8 – Histograma da velocidade de vento do Sítio Nordeste I [4]. .................................. 22
Figura 9 – Formas que a Função de Weibull pode assumir para valores distintos de k e c=1
[4].............................................................................................................................................. 23
Figura 10 – Curva de rendimento de um aerogerador típico [2]. ............................................. 25
Figura 11 – Forma típica de uma curva de potência de um aerogerador que possui controle
Estol [1]. ................................................................................................................................... 26
Figura 12 – Forma típica de uma curva de potência de um aerogerador com controle do tipo
Passo [1].................................................................................................................................... 27
Figura 13 – Curva de Potência de um aerogerador típico [2]. .................................................. 28
Figura 14 – Geração anual de uma turbina eólica [4]............................................................... 29
Figura 15 – Complementariedade dos sistemas eólico e hídrico da região nordeste do Brasil
(bacia do São Francisco) [34]. .................................................................................................. 30
Figura 16 – Variação da velocidade do vento com a altura [4]. ............................................... 32
Figura 17 – Variação da velocidade do vento de acordo com a classe de rugosidade e altura
[4].............................................................................................................................................. 33
Figura 18 – Efeito de sombreamento observado em uma usina eólica [4]. .............................. 33
Figura 19 – Maior parque eólico off-shore do mundo localizado na costa sudeste da Inglaterra.
"Thanet Off-Shore Wind Farm". .............................................................................................. 34
Figura 20 – Potencial eólico do Brasil por regiões [13]. .......................................................... 36
Figura 21 – Potencial eólico do Brasil [11]. ............................................................................. 37
Figura 22 – Imagem ilustrativa de um sistema isolado, onde baterias são utilizadas para o
armazenamento de energia [1]. ................................................................................................. 39
Figura 23 – Resultado do leilão de energia eólica [33]. ........................................................... 41
Figura 24 – Imagem de um aerogerador de eixo vertical [1]. .................................................. 44
x
Figura 25 – Imagem de um aerogerador de eixo horizontal [1]. .............................................. 44
Figura 26 – Classificação dos aerogeradores quanto à potência. ............................................. 44
Figura 27 – Configurações de aerogeradores, utilizando geradores assíncronos, mais
utilizados comercialmente [3]................................................................................................... 46
Figura 28 – Principais configurações de aerogeradores utilizando geradores síncronos [3]. ... 48
Figura 29 – Componentes de uma turbina típica [11]. ............................................................. 50
Figura 30 – Imagem ilustrativa da nacele de um aerogerador [1]. ........................................... 51
Figura 31 – Imagem ilustrativa de um cubo de uma turbina. ................................................... 51
Figura 32 – Imagem ilustrativa de um gerador conectado à caixa de engrenagens [1]. ........... 52
Figura 33 – Torre em montagem. ............................................................................................. 53
Figura 34 – Aerogerador da Mitsubishi adotado como padrão no parque eólico do projeto
[27]............................................................................................................................................ 54
Figura 35 – Distâncias mínimas a serem respeitadas para a alocação dos aerogeradores –
Critério 1 [18]. .......................................................................................................................... 54
Figura 36 – Distâncias mínimas a serem respeitadas para a alocação dos aerogeradores –
Critério 2 [8]. ............................................................................................................................ 55
Figura 37 – Imagem ilustrativa da disposição dos sessenta aerogeradores no parque eólico. . 55
Figura 38 – Disposição dos aerogeradores no parque eólico Alegria I [29]. ........................... 56
Figura 39 – Exemplo de um Transformador a Seco da WEG [28]. ......................................... 57
Figura 40 - Esquema ilustrando um transformador do tipo delta-estrela aterrado. .................. 58
Figura 41 – Exemplo ilustrativo de um painel elétrico............................................................. 60
Figura 42 – Estrutura Inicial do Painel. .................................................................................... 61
Figura 43 – Estrutura final do painel elétrico e exemplo de ligação entre dois painéis. .......... 63
Figura 44 – Ficha Técnica do cabo Eprotenax Compact 105 [26]. .......................................... 64
Figura 45 - Simbologia utilizada para o método de instalação "diretamente enterrado" e para
as disposições dos condutores de modo "trifólio" e "planar", respectivamente. ...................... 65
Figura 46 – Disposição adotada para os aerogeradores, painéis e transformadores no parque
eólico......................................................................................................................................... 69
Figura 47 - Topologia: Barra Simples ...................................................................................... 71
Figura 48 - Topologia: Barra Simples Seccionada ................................................................... 72
Figura 49 - Topologia: Principal e Transferência ..................................................................... 74
Figura 50 – Configuração que mescla as topologias barra “Simples Seccionada” e “Principal
e Transferência”. ....................................................................................................................... 75
Figura 51 – Fluxograma do processo de determinação da seção dos condutores. ................... 77
xi
Figura 52 – Alguns dos parâmetros de um motor de indução do Etap. .................................... 78
Figura 53 – Alguns dos parâmetros de um transformador de dois enrolamentos do Etap Power
Station. ...................................................................................................................................... 79
Figura 54 – Alguns dos parâmetros do cabo do Etap. .............................................................. 79
Figura 55 – Alguns dos parâmetros de uma subestação do Etap Power Station. ..................... 80
Figura 56 – Resultado das tensões em todos os pontos elétricos do parque eólico para a
alternativa considerando a tensão de 24,0 kV. ......................................................................... 81
Figura 57 – Resultado das tensões em todos os pontos elétricos do parque eólico para a
alternativa considerando a tensão de 34,5 kV. ......................................................................... 82
Figura 58 – Análise da corrente de curto-circuito para o nível de tensão de 24 kV para todos
os pontos elétricos do parque eólico. ........................................................................................ 83
Figura 59 – Análise da corrente de curto-circuito para o nível de tensão de 34,5 kV para todos
os pontos elétricos do parque eólico. ........................................................................................ 84
Figura 60 – Localização do transformador e do painel a ser dimensionado. ........................... 85
Figura 61 – Elementos que serão dimensionados. .................................................................... 86
Figura 62 – Etapas previstas para a aprovação da conexão da geração na rede de
transmissão [23]. ....................................................................................................................... 95
Figura 63 – Tensão suportada de acordo com a duração da falta. ............................................ 98
Figura 64 – Sistema simulado................................................................................................. 101
Figura 65 – Comportamento da tensão das barras do sistema IEEE14 quando da inclusão de
uma nova geração a carga leve e pesada. ............................................................................... 103
Figura 66 – Comportamento da potência ativa para as três configurações analisadas. .......... 105
Figura 67 – Comportamento da potência reativa para as três configurações analisadas. ....... 106
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classe de rugosidade de acordo com a paisagem [4]. ............................................. 32
Tabela 2 - Classificação das nações com maiores potências instaladas off-shore [15]. ........... 35
Tabela 3 – Empreendimentos em operação, construção e outorgados [21]. ............................ 38
Tabela 4 – Leilão de Energia de Reserva/2011 [14]................................................................. 41
Tabela 5 - Cálculos das distâncias entre os aerogeradores e da área ocupada pelos mesmos no
parque eólico............................................................................................................................. 56
Tabela 6 – Dados técnicos de um transformador seco da WEG cuja classe de tensão é 15 kV e
frequência de 60 Hz [28]. ......................................................................................................... 59
Tabela 7 – Tabela comparativa topologia da subestação x número de equipamentos ............. 76
Tabela 8 - Análises dos custos envolvidos com as perdas ôhmicas ao longo de 30 anos. ....... 82
Tabela 9 – Dados técnicos mínimos para a especificação do transformador de potência. ....... 86
Tabela 10 – Dados técnicos mínimos para a especificação do disjuntor de alta tensão. .......... 87
Tabela 11 – Dados técnicos mínimos para a especificação da chave seccionadora. ................ 88
Tabela 12 - Dados técnicos mínimos para a especificação da mufla ou terminação. ............... 88
Tabela 13 - Dados técnicos mínimos para a especificação do para-raios................................. 89
Tabela 14 - Dados técnicos mínimos para a especificação do painel. ...................................... 90
Tabela 15 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica [1]. .................................. 93
Tabela 16 – Requisitos técnicos gerais para centrais eólicas [23]. ........................................... 97
13
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1. Considerações iniciais e relevância do tema
A energia eólica é uma fonte promissora, especialmente por ser abundante, renovável,
limpa e não emissora dos gases de efeito estufa. Por estes e outros motivos, diversos trabalhos
relacionados a este tipo de geração têm sido publicados [1 – 9].
O Brasil destaca-se neste cenário por possuir um imenso potencial eólico ainda não
explorado. Apesar do crescente aumento da oferta de energia provida por fontes eólicas nos
últimos leilões de energia, ainda há muito que ser analisado e explorado [10 – 15].
Sabe-se que o custo das turbinas eólicas ainda é muito alto no Brasil e, dependendo da
tecnologia utilizada, o preço estimado de um aerogerador de 2,5 MW, por exemplo, pode
variar entre US$2.5000.000,00 a US$5.000.000,00. Sendo assim, ao se desenvolver um
projeto de uma planta eólica deve-se visar também à redução de custos para que seja possível
e viável a execução do empreendimento. É importante ressaltar que em uma usina eólica,
dentre outros fatores, a receita da geração líquida será determinada considerando-se o fator de
capacidade da usina (proporção entre a produção efetiva da usina e a capacidade total
instalada, em um determinado período de tempo), enquanto que o custo da instalação é
determinado pela capacidade instalada.
Existem outros fatores que devem ser considerados no planejamento do projeto, pois
podem impactar fortemente os custos finais envolvidos no mesmo:
o Necessidade de construção ou de reforço da infraestrutura de transmissão ou de
distribuição de energia elétrica;
o Construção de obras civis na região, como estradas para o transporte dos
equipamentos.
Portanto, apesar de existir um enorme potencial eólico a ser explorado, inúmeros são
os fatores que afetam os projetos de parques eólicos e que, devido a grande importância,
motivam a realização de diversos estudos e análises de forma a evitar o máximo possível que
algum equívoco possa vir a acontecer, resultando no comprometimento dos resultados
esperados ou até na inviabilização do projeto.
14
1.2. História
A utilização do vento como recurso para a substituição da tração humana data de cerca
de 2000 anos A.C. na China, onde rudimentares moinhos foram criados, principalmente, para
moagem de grãos e bombeamento de água.
Após o movimento das cruzadas (século XI) ocorreu o desenvolvimento dos moinhos
de vento e sua diversificação intensificou-se em toda a Europa, destacando-se a Holanda. No
entanto, com o advento da Revolução Industrial e a criação em larga escala da máquina a
vapor e, posteriormente, das máquinas movidas a carvão, houve o seu declínio, como pode ser
observado na Figura 1 [1] [22].
Figura 1 – Histórico do desenvolvime nto da energia eólica (Parte 1) [1].
Em meados do século XIX o americano Brush destacou-se no cenário mundial ao criar
o primeiro cata- vento destinado à geração de energia elétrica. Outro fato histórico que, direta
ou indiretamente, auxiliou no desenvolvimento de estudos nessa área de fontes renováveis foi
a ocorrência da Segunda Guerra Mundial, pois as grandes potências envolvidas no conflito
necessitavam economizar combustíveis fósseis para outros fins e, por isso, financiaram
grandes projetos, tais como de aerogeradores. A Figura 2 mostra um aerogerador
desenvolvido durante o conflito.
15
Figura 2 – Aerogerador desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial [22].
A partir da década de 70, diversos fatores, como os expostos a seguir e ilustrados na
Figura 3, foram responsáveis para que o cenário energético mundial, até então dominado
plenamente pelas fontes não renováveis, iniciasse um processo de mudança:
o Aumento da demanda de energia decorrente do aumento populacional e do setor
industrial;
o As “Crises do Petróleo”;
o Conflitos pela posse de regiões ricas em petróleo;
o A repercussão de grandes acidentes ecológicos como o de Chernobyl, o
surgimento do conceito de “Desenvolvimento Sustentável” e a maior preocupação
ecológica (criação de leis ambientais).
16
Figura 3 – Histórico do desenvolvimento da energia eólica (Parte 2) [1].
Em meio a esse cenário de “Crise Energética” e de maior conscientização da
população como um todo, incentivos fiscais do governo para o desenvolvimento de tecnologia
em fontes renováveis começaram a ocorrer em diferentes nações.
Um marco ocorrido no Brasil foi a criação em 2002 do PROINFA (Programa de
Incentivo às Fontes Alternativas de Energia) [21] que dentre os principais objetivos traçados,
destacam-se:
o Diversificação da matriz energética nacional;
o Redução das emissões de gases estufa, como o CO 2 ;
o Criação de milhares de empregos;
o Capacitação de muitos profissionais, entre outros.
Neste programa estava prevista a instalação de 144 projetos que abrangem 19 estados
brasileiros, divididos entre pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s), biomassa e eólica. Tais
empreendimentos encontram-se, sobretudo, na região nordeste, como pode ser observado na
Figura 4.
17
Figura 4 – PROINFA no território nacional [21].
Um fator muito positivo para o desenvolvimento de novos empreendimentos de
geração a partir do vento foi a expansão dos aerogeradores. Todo o cenário de incentivos
governamentais resultou no barateamento das turbinas e, com isso, no aumento da
comercialização das mesmas que evoluíram tanto em tecnologia quanto em suas
dimensões/potência.
A evolução da dimensão do rotor das turbinas desde 1985 até 2005 e a expectativa
para 2010 podem ser observadas na figura abaixo. Atualmente, turbinas com capacidade de
geração em torno de 7 MW já são comercializadas, validando as projeções realizadas.
18
Figura 5 – Evolução do diâmetro/potência dos aerogeradores com o passar dos anos [1].
1.3. Objetivos
A realização deste trabalho visa auxiliar estudantes e, até mesmo, profissionais que
estão iniciando estudos nessa área de geração de energia, permitindo um embasamento teórico
dos principais assuntos relacionados ao tema que devem ser analisados para que a posterior
realização do projeto básico do parque eólico possa ser realizada e concluída procurando
garantir a eficácia do projeto.
Apesar da ampliação dos empreendimentos eólicos e do maior interesse nesta fonte de
energia, certo esforço é exigido ao se procurar documentos que tenham grande abrangência na
área de conceitos e de projeto. A dificuldade mencionada é um dos fatores que impulsionou a
realização do presente estudo que, além de concentrar os mais diversos conhecimentos
relacionados à energia eólica, realizará um projeto básico e também alguns estudos de
conexão.
Além disso, cabe destacar que muitos dos tópicos aprendidos ao longo deste trabalho
podem ser estendidos para projetos que não estejam ligados somente à geração eólica, mas
também no planejamento de outras instalações de geração através das análises de fluxo de
potência e curto-circuito, dimensionamento de condutores e estudos de conexão. Assim, neste
projeto, teve-se como objetivo também o aprendizado para a realização e a aplicação destes
vários estudos.
19
1.4. Publicações decorrentes do trabalho
o OLIVEIRA, K. L. M., ARAUJO, D. R. R. P., ARAUJO, L. R. “Projeto Básico de um
Parque Eólico e Estudos de Conexão”. 7° PDPETRO - Congresso Brasileiro de
Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás. Aracaju/SE. Outubro de 2013.
o OLIVEIRA, K. L. M., ARAUJO, D. R. R. P., ARAUJO, L. R., FILHO, M. C.,
BENETELI, T. A. P. “Aplicação de Métodos Computacionais para a Elaboração de
um Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão”. 11° CAIP Congreso Interamericano de Computación Aplicada a La Industria de Procesos.
Lima/Peru. Outubro de 2013.
1.5. Estrutura do trabalho
O presente trabalho está dividido em seis capítulos, dos quais esta introdução é o
primeiro. No Capítulo 2 basicamente é realizada uma revisão dos principais conceitos e
características relacionados à energia eólica, tais como: o mecanismo de formação dos ventos
e a importância do estudo do seu comportamento através de séries temporais, a estimativa da
potência extraída do vento e da geração, as principais vantagens e desvantagens da utilização
dessa fonte de energia, parques eólicos e os fatores que interferem no regime do vento, entre
outros tópicos. O enfoque principal do Capítulo 3 é a abordagem dos principais equipamentos
presentes no parque eólico como os aerogeradores, transformadores, painéis e cabos. Os
critérios envolvidos na alocação das turbinas serão também discutidos nesse capítulo. O
objetivo do quarto capítulo é apresentar a definição de projeto básico bem como as premissas
adotadas para a realização desse trabalho. Os resultados dos estudos internos ao parque eólico,
como dimensionamento dos condutores, fluxo de potência e curto-circuito são apresentados e
discutidos. O Capítulo 5 é destinado aos estudos relacionados à conexão do parque eólico na
rede de concessionária ou no Sistema Interligado Nacional (SIN). Tal conteúdo pode ser
encontrado em dois documentos denominados “Procedimentos de Rede” e “Procedimentos de
Distribuição” que tratam, respectivamente, de toda regulamentação e das normas que
envolvem a conexão da geração na transmissão e na distribuição. No Capítulo 6 é feita uma
conclusão de todos os estudos realizados ao longo desse projeto e, por fim, é apresentada a
bibliografia utilizada.
20
CAPÍTULO 2 – ENERGIA EÓLICA: PRINCIPAIS
CONCEITOS E CARACTERÍSTICAS
2.1. Introdução
Neste capítulo serão apresentados conceitos e características importantes para o
entendimento do assunto e posterior aplicação em projetos de parques eólicos.
2.2. O mecanismo de formação dos ventos e o estudo do seu
comportamento através de séries temporais
A energia proveniente dos ventos é indiretamente uma forma de energia resultante do
aquecimento desigual da superfície da terra, já que de tal processo resulta a formação de
zonas de alta e baixa pressão responsáveis pelo deslocamento das massas de ar [1]. Este
processo é representado na Figura 6.
Figura 6 – Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar [13].
O conhecimento do comportamento do vento não é importante apenas para que seja
possível estimar a geração do parque eólico e seus rendimentos, mas também é fundamental
para que os fabricantes possam aperfeiçoar suas turbinas de acordo com o local onde serão
21
dispostos os aerogeradores, visando dotar o sistema de maior eficiência no aproveitamento da
energia contida no vento.
Sendo assim, uma extensa coleta de dados sobre a velocidade do vento em
determinada região é primordial para que se criem as chamadas “Séries Temporais” (conjunto
de observações realizadas em momentos diferentes de tempo, estando sujeitas a variações
aleatórias), como é exemplificado na Figura 7, que objetivam explicar o comportamento
aleatório do vento.
Figura 7 – Série temporal de velocidade de vento – semana 04 a 11/09/2002 – Sítio Nordeste [4].
O vento apresenta variações no decorrer do tempo que podem ser de rápida duração,
diárias, sazonais e anuais e o conhecimento de cada uma delas é essencial para a realização de
diversas análises que abrangem desde a viabilidade da implantação de usinas naquela região à
verificação das estimativas de geração, como é destacado em [4]:
“As variações diárias e sazonais são importantes para uma estimativa do suprimento
da demanda de um sistema elétrico. Como exemplo, sabendo-se que na maioria das vezes a
velocidade do vento é maior durante o dia que durante a noite, se o pico de carga do sistema
ocorrer durante o dia, ele pode ser suprido tanto pelas usinas convencionais, desempenhando
o papel de geração de base, quanto pelas usinas eólicas existentes, desempenhando o papel
de geração de ponta. Por outro lado, se os ventos não são tão fortes durante o dia, a
implantação de uma usina eólica neste sistema não seria interessante. A variação anual de
velocidade de vento também é importante para estudos de viabilidade de implantação de
usinas eólicas porque fornece um conhecimento do regime local dos ventos, embora a
variação encontrada neste caso seja bem menor do que a variação sazonal.”
22
À medida que se torna necessário um grande banco de dados, o manuseio também é
dificultado levando à utilização de modelos probabilísticos que representem tal fenômeno da
maneira mais fiel possível. Por ter um comportamento aleatório, a melhor forma de descrever
o comportamento de tal variável é por meio de métodos estatísticos, onde a incerteza é
modelada a fim de que fenômenos futuros possam ser previstos ou estimados [2].
Sabe-se que para utilizar essa ferramenta matemática, estudos de medidas estatísticas
(média, mediana, variância e desvio padrão) são necessários e, para grandes conjuntos de
medidas, como neste caso, outra ferramenta de comum utilização é o agrupamento de dados
em intervalos, que permite a visualização da frequência de ocorrência das medidas.
Portanto, o regime de vento de qualquer sítio pode ser representado por uma função de
distribuição, como a ilustrada na Figura 8.
Figura 8 – Histograma da velocidade de vento do Sítio Nordeste I [4].
Existem diversas funções de densidade de probabilidade que podem representar esse
comportamento aleatório do vento, porém a que apresenta melhores resultados é a Função de
Weibull, definida da seguinte maneira [4]:
Onde
é a velocidade para qual se deseja calcular a probabilidade,
e
são,
respectivamente, os parâmetros de escala e de forma. Para a determinação de tais parâmetros
existem vários métodos, dependendo da escolha dos dados disponíveis e da precisão desejada.
23
Como pode ser observado na Figura 9, quanto maior o valor de
mais estreita é a curva de
Weibull.
Figura 9 – Formas que a Função de Weibull pode assumir para valores distintos de k e c=1 [4].
A dependência da geração eólica das condições atmosféricas torna essa fonte de
energia extremamente vulnerável e de difícil previsão, já que não se consegue prever ao certo
se haverá ou não ventos fortes que possibilitem o funcionamento do parque eólico.
Visando considerar esse cenário, diversos programas que aproximam os valores
previstos daqueles realmente verificados (medidos) têm sido desenvolvidos, tais como: Redes
Neurais Artificiais (RNA) e Lógica Nebulosa (Lógica “Fuzzy”). Alguns desses modelos
computacionais e matemáticos, além de fornecerem estimativas de produção de energia, ainda
calculam indicadores de desempenho, parâmetros extremamente importantes para a
verificação da eficiência da usina em estudo [4]. É importante frisar que, além do
comportamento estocástico do vento, o desempenho operativo (taxas de falha e reparo) dos
aerogeradores também é importante e deve ser levado em consideração, a fim de que curvas
de potência mais próximas da realidade sejam geradas.
24
2.3. Potência extraída do vento e a curva de rendimento de um
aerogerador típico
Conforme citado anteriormente, antes que qualquer parque eólico seja instalado é
fundamental uma longa análise da região de implantação, a fim de que se verifique se as
condições de vento do local são apropriadas para a geração de energia.
Sabendo-se a velocidade do vento no instante considerado é possível calcular a energia
disponível no vento [2] [8]:
Onde:
Energia cinética.
– Velocidade do vento.
Massa do ar.
A partir da relação mostrada anteriormente, calcula-se a correspondente potência
máxima disponível:
Onde:
Potência disponível no vento [W].
– Massa específica do ar [kg/m³].
– Área da seção transversal (
), em que
é o diâmetro do rotor [m²].
– Velocidade do vento [m/s].
Porém, sabe-se que nem toda potência disponível no vento pode ser extraída pelo
aerogerador devido, entre outros fatores, às características operativas da turbina (limitações do
sistema mecânico). Portanto, um fator chamado de coeficiente de aproveitamento
aerodinâmico ou coeficiente de potência (
) é introduzido.
25
Portanto, associando as duas últimas equações, chega-se à seguinte relação da potência
da turbina eólica:
Onde:
– Potência da turbina eólica [W].
– Coeficiente de aproveitamento aerodinâmico.
– Massa específica do ar [kg/m³].
– Área da seção transversal (
), em que
é o diâmetro do rotor [m²].
– Velocidade cinética do vento [m/s].
A curva que relaciona o coeficiente de aproveitamento aerodinâmico de acordo com a
velocidade do vento é chamada de “curva de rendimento” e pode ser visualizada na Figura 10.
Figura 10 – Curva de rendimento de um aerogerador típico [2].
Como pode ser constatado na Figura 10, o coeficiente de potência cresce até que a
velocidade nominal da turbina seja atingida, reduzindo seu valor à medida que a velocidade
aumenta. Ele varia a magnitude a fim de manter a potência de saída da turbina constante
(como a potência é proporcional ao cubo da velocidade do vento, quaisquer mudanças nesta
provocariam grandes variações de geração) e essa limitação da geração é feita através dos
mecanismos de controles. Seu valor máximo típico gira em torno de 44% [2].
26
Os aerogeradores modernos contam com diversos mecanismos de controle (mecânico,
aerodinâmico ou eletrônico) que destinam-se à orientação do rotor, controle de velocidade,
controle de carga, entre outros. Se considerarmos a potência gerada pela turbina, temos dois
tipos principais: Controle Estol (Stall) e Passo (Pitch). O primeiro foi durante muito tempo o
mais utilizado, no entanto, por apresentar maior flexibilidade na operação e melhor
desempenho, atualmente o controle Passo tem sido mais frequentemente adotado. O
mecanismo básico de funcionamento de cada um desses controles será apresentado na
sequência.
Controle do Tipo Estol (Stall)
É um sistema dito “passivo”, pois reage à velocidade do vento. O ângulo de passo é
escolhido no projeto do aerogerador, de modo que quando a velocidade do vento ultrapassa a
velocidade nominal, as forças de arrasto aumentam e as de sustentação diminuem, através do
“descolamento aerodinâmico do vento” [1]. Nestas condições, tais forças agem contra o
aumento da potência do rotor. A curva típica de um aerogerador que possui controle de
potência ativa do tipo passo é ilustrada na Figura 11.
Quando comparado ao controle de passo que será relatado a seguir, este apresenta as
seguintes vantagens:
I.
Número menor de peças móveis o que faz com que o sistema tenha menor
manutenção;
II.
Estrutura simples do cubo do rotor.
Figura 11 – Forma típica de uma curva de potência de um aerogerador que possui controle Estol
[1].
27
Controle do Tipo Passo (Pitch)
Constitui-se de um mecanismo ativo de controle da potência das turbinas eólicas
através da variação do ângulo de passo. Quando a potência nominal é ultrapassada as pás
giram ao redor do seu eixo longitudinal e mudam o ângulo de ataque a fim de diminuir as
forças aerodinâmicas e, consequentemente, permitir que a potência gerada pela turbina seja
constante no valor nominal projetado. Devido à variação do ângulo de passo, essa técnica é
mais sofisticada e eficiente do que o controle estol. O comportamento da potência de acordo
com a velocidade do vento para aerogeradores que utilizam esse mecanismo de controle de
potência ativa pode ser visualizado na Figura 12.
Principais vantagens em relação ao controle do tipo estol:
I.
II.
Controle da potência ativa sob todas as condições de vento;
Alcançam potência nominal mesmo sob condições de baixa massa específica do ar;
III.
Maior produção de energia sob as mesmas condições;
IV.
Não é necessária a utilização de fortes freios para paradas de emergência;
V.
Partida simples do rotor pela mudança do passo, entre outras.
Figura 12 – Forma típica de uma curva de potência de um aerogerador com controle do tipo
Passo [1].
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.
O gráfico presente na Figura 13 correlaciona a velocidade do vento com a potência de
saída do aerogerador, além de mostrar as velocidades de acionamento (cut-in) e de corte (cut-
28
out) típicas, abaixo e acima das quais, respectivamente, a máquina não consegue produzir
energia.
Figura 13 – Curva de Potência de um aerogerador típico [2].
As turbinas eólicas iniciam a geração a partir da velocidade de acionamento projetada
que normalmente se encontra em torno de 2 a 3 m/s. No entanto, há uma velocidade limite
(chamada de velocidade de corte) acima da qual a máquina é retirada de operação a fim de
prevenir possíveis acidentes e danos materiais.
2.4. Estimativas de geração
Para um cálculo preciso da geração é necessário conhecer as características do regime
local do vento (histograma de velocidade do vento ou Distribuição de Weibull) e a curva de
potência da turbina eólica. Para cada valor de velocidade possível de ocorrer, o número de
horas em que o vento permanece nesta velocidade é multiplicado pela potência gerada pela
turbina, através da curva de potência. Estes valores são somados a fim de que a energia anual
produzida seja encontrada. Segue uma imagem ilustrativa de tal processo.
29
Figura 14 – Geração anual de uma turbina eólica [4].
2.5. Vantagens e desvantagens da utilização da energia eólica
Neste tópico serão destacadas as principais vantagens e desvantagens dessa fonte de
energia.
VANTAGENS
I.
É uma fonte de energia inesgotável e limpa, ou seja, quanto mais parques eólios forem
construídos em detrimento das fontes baseadas no consumo de combustíveis fósseis
ou, até mesmo, grandes hidrelétricas com reservatórios, menos gases de efeito estufa
como o CO 2 serão emitidos para a atmosfera.
II.
III.
É uma fonte de energia que não possui gastos com o combustível.
Possui um tempo de implantação pequeno, se comparado ao tempo de construção de
uma usina hidrelétrica, por exemplo.
IV.
Não há limitação do uso das áreas destinadas a abrigarem os aerogeradores, já que
estas podem ser utilizadas, paralelamente à geração eólica, para outros fins, como:
cultivos agrícolas e prática da pecuária.
V.
A geração de energia eólica no Brasil possui uma particularidade interessante advinda
da complementaridade que existe dos sistemas hídrico e eólico : a época do ano em que
as usinas hidroelétricas estão com os seus reservatórios mais vazios coincide com o
período de ventos com maiores velocidades. Essa característica é observada, por
exemplo, na bacia do rio São Francisco, como pode ser observado na Figura 15.
30
Figura 15 – Complementariedade dos sistemas eólico e hídrico da região nordeste do Brasil
(bacia do São Francisco) [34].
Outra característica muito interessante ainda não mencionada é o fato de cerca de 70%
da população brasileira (consumidores) encontrar-se na faixa litorânea do país, região de
maior potencial eólico [1 – 9].
DESVANTAGENS
I.
Emissão de ruídos: apesar do nível de ruído emitido pelas turbinas ter diminuído
sensivelmente à medida que tais máquinas foram aperfeiçoadas, ainda há
pesquisadores que defendem a ideia de que tal barulho pode ser prejudicial aos seres
humanos e perturbar animais que nessas regiões habitam.
II.
Alteração visual: parques eólicos com dezenas de aerogeradores provocam alteração
no visual devido às enormes pás dessas turbinas, motivo pelo qual estas estão sendo
pintadas de azul ou branco em busca de impactar menos a paisagem.
III.
Mortalidade de aves: para que tais projetos sejam aprovados, são necessários estudos
ambientais para verificar se a região de implantação do parque não é rota migratória
de pássaros, já que a mortalidade desses é um dos grandes imbróglios para a
efetivação do projeto. Em virtude dos frequentes choques envolvendo as aves nas pás
das turbinas, as extremidades destas estão sendo pintadas de vermelho a fim de que as
aves consigam perceber a presença dos aerogeradores e desviar.
31
IV.
A circulação do ar é modificada pelas turbinas o que pode vir a afetar o clima local e
gerar micro-climas.
V.
Reflexão de ondas magnéticas: a possível ocorrência de interferência em sistemas de
telecomunicação implica na necessidade de grande distanciamento entre parques
eólicos e qualquer sistema que dependa de pouquíssima interferência em seus sistemas
de comunicação de dados, como os aeroportos.
VI.
VII.
Equipamentos ainda relativamente caros.
Imprevisibilidade: a geração de energia através dos ventos é de difícil previsão, sendo
necessário um extenso trabalho de coleta de dados para que uma análise probabilística
possa ser feita com certa margem de erro aceitável, de modo a representar
adequadamente o comportamento do vento em tal região (séries temporais de vento).
2.6. Parques eólicos e os fatores que influenciam no regime do
vento – Escolha da localidade
Por definição, parque eólico (também chamado de central eólica) é um espaço,
terrestre ou marinho, onde aerogeradores são dispostos, destinando-se à geração de energia a
partir do aproveitamento da velocidade do vento. Portanto, é necessário um estudo criterioso
das condições de vento, bem como da topologia da região, pois uma escolha inadequada da
localização desses parques pode resultar na criação de usinas eólicas ineficientes e
economicamente inviáveis.
Serão descritos a seguir os principais fatores que influenciam no regime do vento e
que por isso merecem toda a atenção:
o Altura – como pode ser observado na Figura 16, a velocidade do vento varia com a
altura, motivo pelo qual as torres que sustentam os aerogeradores são elevadas e
devem ser devidamente escolhidas de acordo com as condições da localidade.
32
Figura 16 – Variação da velocidade do vento com a altura [4].
o Rugosidade - Não menos importante que a altura, destaca-se também a variação da
velocidade do vento de acordo com características do terreno (obstáculos e relevo). O
fato da classe de rugosidade ser menor em superfícies marítimas tem motivado
projetos de parques eólicos off-shore, como será mostrado ainda neste capítulo. A
Tabela 1 mostra a classe de rugosidade do terreno de acordo com suas características.
Tabela 1 – Classe de rugosidade de acordo com a paisagem [4].
Em [4], através da Figura 17, ilustrou-se a influência desses dois fatores em conjunto
no comportamento do vento.
33
Figura 17 – Variação da velocidade do vento de acordo com a classe de rugosidade e altura [4].
o Sombreamento da Torre e Efeito Esteira – Ao passar por uma turbina, o vento sai
com uma velocidade menor e uma direção diferente, possuindo uma turbulência muito
forte que pode comprometer a geração e a integridade física das máquinas se
posicionadas muito próximas umas das outras. Os fatores mencionados explicam o
distanciamento entre as turbinas que deve ser respeitado e que será abordado no
Capítulo 4 mais detalhadamente. Na Figura 18 é possível termos uma noção da
turbulência do vento ao sair das pás de um aerogerador.
Figura 18 – Efeito de sombreamento observado em uma usina eólica [4].
Ao pensar conjuntamente em tudo o que foi mencionado até então, lista-se um
conjunto de características que a região deve possuir para que seja considerada
potencialmente viável a instalação de uma planta eólica.
 Presença de pouca rugosidade;
 Presença de ventos constantes e com elevada velocidade média;
34
 Ventos com mínima turbulência e variação da direção.
2.6.1. Curiosidade: Parque eólico off-shore
Devido à sua característica de pouquíssima rugosidade e grandes rajadas de vento, o
mar tem sido o destino de alguns parques eólicos. Essas instalações off-shore possibilitam o
que é denominado “eficácia de potência unitária”, ou seja, maior potência com menor número
de aerogeradores. No entanto, a instalação dos aerogeradores é bem mais complicada devido à
necessidade de profundos conhecimentos, por exemplo, em fundações. Na Figura 19
apresenta-se uma foto do maior parque off-shore do mundo.
Figura 19 – Maior parque eólico off-shore do mundo localizado na costa sudeste da Inglaterra.
"Thanet Off-Shore Wind Farm".
A Tabela 2 mostra o ranking realizado em 2010 das maiores nações do mundo em
relação à potência off-shore instalada em MW.
35
Tabela 2 - Classificação das nações com maiores potê ncias instaladas off-shore [15].
2.7. Potencial eólico e capacidade de geração do B rasil
As Figuras 20 e 21 visam ilustrar o potencial eólico do território brasileiro bem como
sua capacidade de geração.
Como pode ser observado na Figura 20, mais da metade do potencial eólico do Brasil
concentra-se na região nordeste do país (aproximadamente 52,3%), seguida pelas regiões
sudeste e sul.
36
Figura 20 – Potencial eólico do Brasil por regiões [13].
37
Figura 21 – Potencial eólico do Brasil [11].
A imagem apresentada na Figura 21 faz uma análise da capacidade de geração do
território nacional com relação à velocidade média do vento (em m/s). É possível constatar a
predominância de ventos mais fortes no litoral, justificando a maior concentração dos
empreendimentos eólicos em tais regiões do país.
38
A Tabela 3 objetiva traçar um paralelo entre os diversos tipos de geração presentes na
matriz energética brasileira (hidrelétricas, termelétricas, eolielétricas, entre outras), assim
como mostrar a evolução da participação dessas fontes ao analisarmos os empreendimentos
em construção e os outorgados.
Tabela 3 – Empreendimentos em operação, construção e outorgados [21].
Dos 172 projetos em construção, 52 são parques eólicos que constituem 4,39% da
potência total dos empreendimentos. Observando agora os projetos que ainda não iniciaram
sua construção, a porcentagem de usinas eólicas é mais expressiva, constituindo cerca de
30%, ou 23,33% do total da potência outorgada. Todos esses fatores mostram que a parcela de
energia resultante da geração através dos ventos vem crescendo no cenário brasileiro.
39
2.8. Aplicações do sistema eólico
O sistema eólico pode ser utilizado basicamente em quatro tipos distintos de
aplicações:
o Sistemas Isolados: normalmente são sistemas de pequeno porte, caracterizados pela
necessidade de utilização de dispositivos para o armazenamento da energia gerada,
como é ilustrado na Figura 22.
Figura 22 – Imagem ilustrativa de um sistema isolado, onde baterias são utilizadas para o
armazenamento de energia [1].
o Sistema Híbrido: geralmente são sistemas de médio porte, não conectados à rede,
caracterizados por terem mais de uma fonte de geração de energia, tais como
geradores a diesel e sistemas fotovoltaicos.
o Sistema Interligado à Rede: são complementares ao sistema elétrico de grande porte,
já que toda energia que produzem é injetada na rede.
o Sistemas Off-Shore: parques eólicos instalados no mar são uma alternativa muitas
vezes onerosa (possuem elevados custos de transporte, instalação e operação), mas já
são encontrados, sobretudo, na Europa.
O estudo de conexão da usina eólica ao sistema elétrico é fundamental e será discutido
com mais detalhes no Capítulo 5. A disponibilidade de ponto de conexão na região é,
normalmente, variável decisiva para a viabilidade do projeto, uma vez que a necessidade de
construção de grandes extensões de linhas de transmissão e de subestações encarece o projeto
e impacta no custo final.
40
2.9. Leilões de Energia de Reserva: Energia eólica
A contratação de energia de reserva foi regulamentad a pelo Decreto n°. 6.353, de
16 de Janeiro de 2008. “Para efeitos deste Decreto, entende-se por energia de reserva aquela
destinada a aumentar a segurança no fornecimento de energia elétrica ao Sistema
Interligado Nacional – SIN, proveniente de usinas especialmente contratadas para este fim”
[36].
O decreto define também a forma como tal energia de reserva deverá ser contratada mediante leilões de energia a serem promovidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL), conforme diretrizes do Ministério de Minas e Energia (MME). Ao MME ficará
incumbida a função de definir o montante de energia de reserva a ser contratada, baseando-se
nos estudos realizados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE).
A Figura 23 e a Tabela 4 ilustram a evolução do preço da energia eólica nos Leilões de
Energia de Reserva realizados em 2009 e 2011 em que, neste último, foi possível notar que o
preço médio da energia figurou-se pela primeira vez abaixo da casa dos três dígitos (Preço
Médio em R$/ MWh = 99,54). Essa diminuição do preço do MWh, neste caso específico em
torno de 32,92%, é fruto da concorrência promovida pelos leilões e tem sido fundamental para
tornar a energia eólica competitiva no mercado nacional, estimulando, desta forma, a criação
de mais projetos.
Na avaliação do presidente da EPE, Maurício Tolmasquim, os leilões de energia
realizados em 2011 possibilitaram a quebra de dois paradigmas importantes. Um deles é a
viabilidade da competição de mercado entre as fontes eólicas e gás natural, algo inédito em
termos nacionais.
Outro ponto a ser destacado, segundo Tolmasquim, é a redução contínua dos preços
dos projetos eólicos. “O fato de as eólicas terem sido contratadas a um preço médio final de
dois dígitos, inferiores a R$ 100 o MWh, é a materialização de algo impensável até pouco
tempo atrás. Isso é fruto da competição promovida pelos leilões”, observou o presidente da
EPE [14].
41
Figura 23 – Resultado do leilão de energia eólica [33].
Tabela 4 – Leilão de Energia de Reserva/2011 [14].
2.10. Conclusão do capítulo
Ao longo de todo capítulo ficou evidente a necessidade de se se realizar um estudo
minucioso do comportamento do vento, assim como examinar as características do local onde
se planeja implementar um projeto de uma central eólica. Somente a partir de tais
considerações será possível estimar a geração da usina e, com isso, verificar se o projeto
42
atende às expectativas. As vantagens oferecidas por essa fonte de energia alternativa, os
incentivos recebidos e o enorme potencial verificado no território brasileiro são alguns dos
fatores que tem impulsionado o crescimento da sua participação nos leilões de energia, a
preços cada vez mais acessíveis e competitivos.
43
CAPÍTULO 3 – PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS
DE UM PARQUE EÓLICO E DEFINIÇÕES
INICIAIS DO PROJETO
3.1. Introdução
Neste capítulo serão apresentados os principais equipamentos de um parque eólico.
Inicialmente suas principais características serão descritas e, ao final de cada seção de
determinado equipamento, serão apresentadas as definições específicas consideradas para o
projeto do parque eólico deste trabalho.
3.2. Aerogeradores
Os aerogeradores constituem os principais equipamentos presentes no parque eólico.
São os responsáveis pela transformação da energia cinética presente no vento para energia
elétrica entregue, na maioria das vezes, à rede da concessionária ou ao Sistema Interligado
Nacional (SIN).
Nas próximas seções serão abordadas as classificações existentes para essas turbinas,
as topologias mais comuns de conexão na rede, os principais componentes e, por fim, os
critérios que devem ser respeitados para a disposição desses equipamentos no parque, de
modo a não comprometer a integridade física dos mesmos e a eficiência da usina.
3.2.1. Classificação dos aerogeradores
Considerando a posição do eixo, podem ser encontrados no mercado dois tipos de
aerogeradores: de eixo vertical (Figura 24) e de eixo horizontal (Figura 25). O primeiro tipo
possui elevada aplicação nos parques eólicos, enquanto que a segunda configuração é mais
empregada em residências, para pequenas gerações.
44
Figura 24 – Imagem de um aerogerador de eixo vertical [1].
Figura 25 – Imagem de um aerogerador de eixo horizontal [1].
Outra classificação de aerogeradores encontrada é quanto a sua potência. Neste caso
eles podem ser: aerogeradores pequenos, médios e grandes.
Pequenos
<500 kW
Médios
Entre 500 e
1000 kW
Grandes
>1 MW
Figura 26 – Classificação dos aerogeradores quanto à potência.
45
Ao visualizarmos os diversos tipos de aerogeradores em catálogos de fabricantes, nos
deparamos com a seguinte classificação: turbinas síncronas e assíncronas, as quais serão
abordadas a seguir.
3.2.1.1.
Aerogeradores síncronos
Máquinas síncronas são aquelas que utilizam uma fonte de corrente contínua (CC)
independente para alimentar o campo magnético. Nesta máquina há um sincronismo entre a
frequência da tensão alternada aplicada nos terminais da máquina e a velocidade de rotação
mecânica. Tais fatores se relacionam através do número de polos presentes na máquina,
conforme equação a seguir.
Existem duas configurações de máquinas síncronas que se distinguem justamente pelo
método de excitação do campo através de corrente contínua:
Máquinas síncronas com sistema de excitação com escovas
Nesta configuração existe um gerador CC conectado ao eixo do rotor que tem a função
de gerar corrente contínua, através dos anéis coletores e escovas, para a excitação dos
enrolamentos de campo da máquina principal. O desgaste dos anéis coletores e escovas faz
com que esta configuração tenha necessidade de manutenção cuidadosa e frequente.
Máquinas síncronas com sistema de excitação sem escovas
Nesta configuração existe um gerador CA no eixo do rotor seguido por retificadores
que são responsáveis por fornecerem corrente contínua ao circuito de campo da máquina
principal. Como não há contato entre o rotor e o estator da máquina, esta configuração não
requer manutenção tão frequente quando comparada às maquinas síncronas com escovas.
46
Apesar de existir a classificação, ao visualizar os diversos catálogos de fabricantes de
aerogeradores, no entanto, não foi encontrado nenhum modelo de turbinas que utilizassem
máquinas síncronas [37 – 41].
3.2.1.2.
Aerogeradores assíncronos ou de indução
Nas máquinas assíncronas (ou também conhecidas como máquinas de indução) o
campo magnético é criado por indução eletromagnética. O termo “assíncrono” deriva do fato
da velocidade do campo girante no estator ser diferente da velocidade mecânica do rotor.
Por não ter problemas com sincronismo e produzir eletricidade na tensão e na
frequência especificada, se tornaram atrativas para geração em parques eólicos e atualmente
fazem parte da grande maioria dos projetos de aerogeradores [37 – 41].
3.2.2. Principais topologias utilizadas
Os geradores podem ser conectados de diversas formas à rede. As principais
características dessas topologias serão descritas a seguir e foram baseadas em [3].
3.2.2.1.
Configurações que utilizam geradores de indução
A Figura 27 ilustra as quatro topologias de geradores de indução que são mais
encontradas no mercado e na sequência encontram-se maiores detalhes de cada uma.
Figura 27 – Configurações de aerogeradores, utilizando geradores assíncronos, mais utilizados
comercialmente [3].
47
a) A utilização dessa topologia foi muito difundida nas décadas de 80 e 90 pelos
fabricantes dinamarqueses. Caracteriza-se por possuir uma máquina de indução de
rotor em gaiola que controla a potência mecânica através do mecanismo stall.
Inicialmente eram conectadas diretamente na rede, no entanto, nos anos 80 esse
modelo passou por algumas modificações, dentre as quais destacam-se: inclusão de
banco de capacitores por estágios (para compensação da potência reativa) e de um
soft-starter (para suavização da conexão do gerador à rede elétrica).
b) Nesta configuração, o banco de capacitores e o soft-starter foram substituídos por um
conversor de frequência para a totalidade de potência (neste caso o conversor de
frequência normalmente é dimensionado para 120% da potência nominal do
aerogerador, permitindo que este opere com rotação variável para todas as velocidades
de vento) ou por um conversor de frequência de potência reduzida (o conversor é
dimensionado de 20 a 30% da potência nominal do aerogerador). Nesta última
configuração, o conversor de frequência é utilizado somente quando o aerogerador
opera com ventos reduzidos. Quando o aerogerador aproxima-se da sua potência
nominal o conversor de frequência sofre um by-pass por um controlador sendo
utilizado, agora, para o controle da potência reativa.
c) Esta configuração, utilizando-se de um gerador assíncrono do rotor bobinado, passou a
ser utilizada a partir da década de 90. Seu princípio de funcionamento resume-se,
basicamente, no controle da resistência do rotor do gerador (através de uma resistência
externa variável) através de um conversor eletrônico de potência. Utilizando o
conversor montado diretamente no eixo do rotor do gerador é possível controlar o
escorregamento do gerador em até 10%. O contro le do escorregamento implica no
controle da potência gerada pelo sistema.
d) Nesta esta última configuração de aerogerador, o conversor eletrônico (dimensionado
para 20 a 30% da potência nominal do gerador) controla diretamente a corrente nos
enrolamentos do rotor permitindo o controle completo da potência a ser
disponibilizada. Esta nova topologia introduziu algumas vantagens quando comparada
à configuração da letra anterior:
I.
Permite maior faixa de variação de rotação quando comparada com o sistema
baseado na tecnologia (c) (30% abaixo e acima da velocidade nominal);
48
II.
É uma alternativa que apresenta menor custo em relação à configuração que
utiliza um conversor de frequência dimensionado para a totalidade da potência
do gerador.
Esta topologia é largamente conhecida como “Double Feed Generator” ou “Gerador
Assíncrono Duplamente Alimentado”. Em [8] afirma-se que “a melhor configuração a ser
usada em uma central eólica moderna, econômica e de grande porte, sem dúvida, é o Gerador
Assíncrono Duplamente Alimentado”.
3.2.2.2.
Configurações que utilizam geradores síncronos
A Figura 28 ilustra as quatro topologias de geradores síncronos que são mais
encontradas no mercado, e na sequência estão descrias suas principais características.
Figura 28 – Principais configurações de aerogeradores utilizando geradores síncronos [3].
e) Este tipo de configuração é geralmente utilizado em aplicações isoladas da rede
elétrica ou em sistemas residenciais ou híbridos com potência entre 1 kW e 20 kW.
As turbinas eólicas são conectadas diretamente a um gerador síncrono com imãs
permanentes de baixa potência (inferior a 1 kW) que é utilizado para carregar um
banco de baterias através de um retificador. Um conceito futuro está sendo estudado
49
pela empresa ABB visando a utilização em seus sistemas de transmissão em corrente
contínua (HVDC-light): gerador síncrono com imãs permanentes multipolar com
3,5 MW de potência, conectado a um retificador com diodos produzindo tensão de
21 kV em corrente contínua.
f) Esta configuração não é largamente utilizada em aerogeradores devido a algumas
razões, tais como:
I.
Necessidade de um circuito de excitação;
II.
Necessidade de utilização de anéis coletores e escovas;
III.
Estratégia mais complexa de proteção do aerogerador.
g) Assim como a topologia da letra (f), esta configuração raramente é utilizada na prática,
no entanto, diferencia-se de (f) por permitir a operação da turbina eólica com rotação
variável.
h) Esta configuração utiliza-se de um gerador síncrono com um grande número de polos,
de modo a permitir sua operação em elevadas velocidades, dispensando assim o
multiplicador mecânico entre a turbina eólica e o gerador. O enrolamento do estator é
conectado à rede elétrica através de um conversor de frequência, o qual é normalmente
dimensionado para 120% da potência nominal do gerador. A etapa do conversor que é
conectada ao estator do gerador controla o torque eletromagnético, enquanto que a
etapa do conversor que é conectada à rede elétrica controla as potências ativa e reativa
entregues pelo sistema à rede. O campo do gerador síncrono é alimentado por um
retificador que controla a excitação do gerador.
3.2.3. Principais componentes
Este tópico destina-se à descrição sucinta dos principais componentes de um
aerogerador típico, de eixo horizontal. Estes estão representados na Figura 29 e serão
explicados na sequencia.
50
Figura 29 – Componentes de uma turbina típica [11].
NACELE
Pode-se dizer que a nacele constitui na carcaça montada sobre a torre onde são
comportados diversos equipamentos, tais como: gerador, caixa de engrenagens (quando
existente), sistema de controle e medição do vento, motores para rotação do sistema para o
melhor posicionamento em relação ao vento, entre outros. Na Figura 30 ilustra-se uma nacele.
51
Figura 30 – Imagem ilustrativa da nacele de um aerogerador [1].
PÁS, CUBOS E EIXOS
As pás são componentes ocos feitos de materiais como fibras de carbono ou vidro e
têm a função da captação da energia do vento. São dispostas em outra estrutura denominada
cubo. O conjunto (pás, cubo e eixo) é o responsável direto pela transformação da energia
cinética em mecânica. Na Figura 31 ilustra-se um cubo.
Figura 31 – Imagem ilustrativa de um cubo de uma turbina.
TRANSMISSÃO E CAIXA MULTIPLICADORA
52
A finalidade desses dispositivos é transmitir energia mecânica até o gerador. É
composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamento, responsáveis pela
entrega da energia mecânica ao gerador na rotação e torque corretos [3].
GERADOR
Responsável por transformar a energia mecânica rotacional em energia elétrica. Na
Figura 32 ilustra-se um gerador conectado a um sistema de transmissão composto por
engrenagens.
Figura 32 – Imagem ilustrativa de um gerador conectado à caixa de engrenagens [1].
TORRE
É uma estrutura de elevado porte e custo cuja função primordial é promover a
sustentação da nacele. No entanto, ela também é a responsável pelo posicionamento do rotor a
uma altura conveniente onde seja possível desfrutar de ventos com maior velocidade. Essas
torres chegam a atingir 100 metros e podem pesar mais de 800 toneladas. Na Figura 33 tem-se
um exemplo da montagem de uma torre.
53
Figura 33 – Torre em montagem.
3.2.4. Definições do parque e posicionamento das unidades geradoras
Conforme citado no início deste capítulo, após apresentar as características principais
dos aerogeradores, pretende-se nesta seção expor as definições específicas relacionadas a tais
máquinas consideradas para o projeto do parque eólico deste trabalho.
O parque eólico do projeto em questão irá constar de sessenta aerogeradores da
Mitsubishi do tipo MWT 92/2.3 cuja especificação pode ser vista na Figura 34. O fator de
potência da turbina a ser considerado nas análises é FP = 0,90 indutivo e, com isso, cada
máquina poderá gerar uma potência ativa de aproximadamente 2,25 MW.
54
Figura 34 – Aerogerador da Mitsubishi adotado como padrão no parque eólico do projeto [27].
Sabe-se que distâncias mínimas entre as máquinas têm que ser respeitadas, poré m não
há um consenso que estabeleça tais condições. Ao pesquisar nas bibliografias sobre o assunto
são encontrados diversos critérios para se fazer tal distanciamento, como pode ser observado
nas Figuras 35 e 36.
Figura 35 – Distâncias mínimas a serem respeitadas para a alocação dos aerogeradores –
Critério 1 [18].
55
Figura 36 – Distâncias mínimas a serem respeitadas para a alocação dos aerogeradores –
Critério 2 [8].
Uma observação a ser feita é que tais critérios são válidos apenas para locais ditos
“livres de obstáculos” (rugosidade nula). Caso a região destinada à instalação da fazenda
eólica não se enquadre neste requisito, outros fatores como a altura ideal da torre são levados
em consideração, em busca da obtenção de condições propícias à melhor geração.
Neste trabalho, o distanciamento adotado entre as turbinas se enquadra no que foi
recomendado por [18] (Figura 35).
Assim, como já se sabe o diâmetro da turbina, definem-se os distanciamentos entre as
unidades, conforme representado na Figura 37 e é possível estimar a área que a central eólica
irá ocupar, como mostrado na Tabela 5.
X
Y
SUBESTAÇÃO
Figura 37 – Imagem ilustrativa da disposição dos sessenta aerogeradores no parque eólico.
56
Tabela 5 - Cálculos das distâncias entre os aerogeradores e da área ocupada pelos mesmos no
parque eólico.
Distância “Y”(m)
Distância “X” (m)
Área Total (km²)
Y = 2,5 x D = 2,5 x 92 = 230
X = 9,0 x D = 9,0 x 92 = 828
A ≈ 15
O cálculo da área efetuado é aproximado e foi realizado apenas para se ter uma
dimensão da área ocupada pelos aerogeradores. Ainda no que se refere ao posicionamento das
unidades geradoras, cabe destacar que tal disposição adotada não é a ideal (existem mais
parâmetros a serem considerados) e foi escolhida meramente para se iniciar o
dimensionamento dos condutores. Há softwares no mercado que foram desenvolvidos
justamente para fornecer o melhor posicionamento para os aerogeradores de acordo com as
condições atmosféricas (vento, umidade, etc.), tipo de relevo, entre outras.
Como ilustração do posicionamento adotado por um parque eólico real, destaca-se na
Figura 38 o complexo Alegria I localizado no Rio Grande do Norte.
Figura 38 – Disposição dos aerogeradores no parque eólico Alegria I [29].
3.3. Transformadores
Na base de cada torre do aerogerador, prevê-se a instalação de transformadores de
potência “secos” visando à elevação do nível de tensão para se trabalhar com correntes
menores e, consequentemente, cabos mais finos. A redução do nível da corrente circulante
57
pode possibilitar também que haja menores perdas Joule no sistema, tendo em vista a variação
das perdas com o quadrado da corrente.
Transformadores “secos” são selecionados devido a fatores como os listados pelo
fabricante WEG na referência [28]:
o Segurança: sem risco de explosão e tão logo seja suprimida a fonte de calor, a resina
não propaga o fogo e comporta a propriedade de autoextinção;
o Ecologicamente correto: não contamina o meio ambiente e não libera gases tóxicos;
o Custos de manutenção e instalação minimizados: construção simples, dispensando
parede corta- fogo e tanque de recolhimento de óleo, havendo a possibilidade de
instalação junto ao centro de carga;
o Otimização de espaço: dimensões reduzidas (na área ocupada por um transformador
a óleo pode ser colocado um seco com o dobro da potência).
Neste presente projeto o último fator listado acima (otimização de espaço) foi um dos
que mais pesaram para a escolha deste tipo de transformador.
Figura 39 – Exemplo de um Transformador a Seco da WEG [28].
Para a distribuição de energia no parque eólico deste trabalho serão propostas três
alternativas distintas e comumente encontradas para a tensão de distribuição (13,8 kV – 24 kV
– 34,5 kV), influenciando, desta forma, no dimensionamento dos transformadores, dos cabos
e de outros equipamentos. A análise comparativa das alternativas é muito empregada nos
projetos e visa analisar, entre outros fatores, as perdas, o nível de corrente e a seção dos cabos,
a fim de que a opção de melhor custo benefício seja a escolhida no projeto.
58
Neste tipo de empreendimento transformadores do tipo delta-estrela são usualmente
empregados. O esquema das conexões do primário e do secundário do transformador pode ser
observado na Figura 40.
Figura 40 - Esquema ilustrando um transformador do tipo delta-estrela aterrado.
Ao observar os dados técnicos dos transformadores presentes em catálogos de
fabricantes, como o da WEG, verifica-se que o valor da impedância varia de acordo com dois
parâmetros: potência do transformador e nível de tensão dos seus enrolamentos. Para os níveis
de tensão e potência a serem adotados neste estudo (maiores informações quanto a estas
definições serão apresentadas em próximas seções do trabalho) a impedância dos
transformadores gira em torno de 6 a 7%, como pode ser verificado, por exemplo, na Tabela 6
referente a um transformador de classe de isolação de 15 kV.
59
Tabela 6 – Dados técnicos de um transformador seco da WEG cuja classe de tensão é 15 kV e
frequência de 60 Hz [28].
Os fabricantes normalmente informam a impedância dos transformadores em Z% mas
negligenciam a relação X/R, impossibilitando a especificação do fator de potência. Levando
em consideração tal empecilho, os valores de impedância adotados nas simulações realizadas
no trabalho foram retirados a partir de dados semelhantes do programa Etap Power Station
(versão estudante).
3.4. Painéis elétricos
Pode-se dizer que os painéis elétricos são invólucros devidamente protegidos e
completamente montados, com todas as interconexões internas elétricas e mecânicas.
Abrigam uma combinação de equipamentos responsáveis por diversas funções, como por
exemplo:
manobra,
controle,
medição,
sinalização,
proteção
e
regulação.
Relés,
transformadores de corrente e de potencial, disjuntores, chaves seccionadoras, fus íveis,
barramentos, para-raios e muflas são alguns dos dispositivos encontrados nesses cubículos e
que serão discutidos na sequência, quando será mostrada uma estrutura de painel pensada para
a central eólica do projeto. Para ilustração, na Figura 41 apresenta-se uma foto de um painel.
60
Figura 41 – Exemplo ilustrativo de um painel elétrico.
3.4.1. Estrutura dos painéis elétricos presentes no parque eólico
A estrutura inicialmente imaginada para os painéis presentes na base da torre de cada
aerogerador é mostrada na Figura 42. No entanto, ao se analisar melhor a estrutura, foi
possível perceber que a presença de alguns equipamentos era questionável e, com isso,
algumas mudanças foram propostas até se chegar à composição final ilustrada na Figura 43,
que também apresenta a ligação entre dois painéis. Na sequencia serão descritas
características dos equipamentos pensados originalmente e dos que permaneceram no projeto
final.
61
Aerogerador
DJ
Cabos Subterrâneos
(1)
Transformador
Elevador
(2)
(8)
Mufla
TP
Pára-Raios
TC
Relé (6)
(3)
Pára-Raios
Seccionadora c
(7)
Fusível
(4) Seccionadora a
TA Fusível
(5)
DJ
Intertravamento
(4) Seccionadora b
Barramento
Figura 42 – Estrutura Inicial do Painel.
(1) Disjuntor na saída de cada aerogerador: normalmente é um equipamento de
responsabilidade do fabricante do aerogerador. Possui basicamente duas funções no
sistema:
o Proteção do aerogerador em caso de alguma falta no trecho que compreende o
disjuntor presente no painel e o aerogerador;
o Funciona como um dispositivo de retaguarda contra uma possível não atuação
do dispositivo de proteção presente no painel.
62
(2) Para-raios na saída de cada aerogerador: são fundamentais para prevenir o sistema
contra possíveis sobretenções decorrentes do chaveamento da seccionadora e do
disjuntor presentes no painel. Apesar de conferirem proteção contra as sobretenções
advindas de descargas atmosféricas que possam vir a atingir o aerogerador ou a torre
de sustentação, destaca-se que a estrutura metálica da torre já proporciona uma
“blindagem” aos equipamentos presentes em seu interior.
(3) Para-raios na saída/entrada de cada
painel: equipamentos extremamente
necessários para salvaguardar todo o painel contra possíveis sobretensões decorrentes
de descargas atmosféricas no terreno do parque eólico.
(4) Chaves Seccionadoras “a” e “b”: de início pensou-se na utilização das duas chaves
(“a” e “b”) para o seccionamento do sistema em caso de manutenção de algum
equipamento. No entanto, é questionável a presença da chave “a” já que a “b” por si só
poderia isolar o sistema em caso de falta ou necessidade de manutenção em algum
equipamento, considerando que para tal ação ser possível o aerogerador, deveria ser
primeiramente desligado. A chave “b” que permaneceu no esquema final possui
comando manual e não possui capacidade de abertura em caso de curto-circuito já que
isso demandaria um custo maior e também de maior espaço no painel em decorrência
da presença do meio extintor de arco.
(5) Disjuntor presente no painel: disjuntor de média tensão que utiliza o gás
hexafluoreto de enxofre (SF 6 ) para extinção do arco elétrico e como meio isolante.
Está associado a um conjunto de dispositivos (TC, TP e Relés de Proteção)
responsáveis tanto para a detecção do curto e o posterior trip do disjuntor quanto para
o acionamento das molas de abertura e fechamento do mesmo ( transformador
auxiliar – TA). Pode ser comandado remotamente e possui um intertravamento com a
chave seccionadora “b”, de modo a não permitir que esta última atue (abertura ou
fechamento) quando o circuito estiver energizado.
(6) Transformadores de Corrente e Potencial associados a Relés de Proteção: os
transformadores de corrente e de potencial possuem como finalidades principais a
isolação dos equipamentos de medição, controle e relés do circuito de alta tensão e o
fornecimento no secundário de corrente e tensão, respectivamente, de dimensões
adequadas para serem utilizadas pelos mesmos. Os relés de proteção, por sua vez,
possuem a função de detectar uma anomalia (condição anormal) no sistema e
promover o acionamento de equipamentos de sinalização e/ou proteção, como alarmes
e disjuntores.
63
(7) Chave Seccionadora “c”: chave seccionadora de comando manual para abertura e
fechamento sem carga. Sua presença aumenta a confiabilidade do sistema já que trás
uma maior vantagem operativa em caso de defeitos em algum dos trechos com cabos
enterrados.
(8) Mufla: terminação de cabos aplicada onde existe mudança de tipo de isolamento. São
responsáveis por fazer a impermeabilização no ponto de término do isolamento e
também por realizar uma transição suave entre os campos elétricos nessas regiões.
Aerogerador 2
Cabos Subterrâneos
DJ
Aerogerador 1
DJ
Cabos Subterrâneos
Transformador
Elevador
Mufla
TP
Pára-Raios
TC
Relé
TA
Pára-Raios
Fusível
Fusível
DJ
DJ
Seccionadora
Intertravamento
Seccionadora
Barramento
Figura 43 – Estrutura final do painel elétrico e exemplo de ligação entre dois painéis.
3.5. Cabos
Na maioria dos projetos de centrais eólicas, os aerogeradores são distribuídos por uma
extensa área buscando maximizar o rendimento do empreendimento. Devido à considerável
quantidade de cabos necessários para concretização do projeto, especial atenção deve ser dada
à escolha dos mesmos, já que estes costumam impactar profundamente no custo total da parte
elétrica.
O dimensionamento dos cabos realizado neste trabalho levou em consideração os
parâmetros elétricos do cabo Eprotenax 105, da Prysmian (empresa fabricante de cabos [45]).
Este condutor pode ser utilizado em instalações elétricas onde a tensão seja de 6 kV até
35 kV. Sua ficha técnica está apresentada na Figura 44.
64
Figura 44 – Ficha Técnica do cabo Eprotenax Compact 105 [26].
Além da escolha adequada do condutor, outras decisões que envolvem o tipo de
método de instalação e também a maneira como os cabos estão dispostos no parque têm que
ser definidas.
O tipo de linha elétrica escolhida para esse caso específico foi o “Diretame nte
Enterrado”, o qual está representado por sua simbologia na Figura 45. A grande maioria dos
empreendimentos de geração eólica adota esse tipo de instalação que, se comparada às redes
aéreas, possui maior confiabilidade já que os conduto res estão menos susceptíveis a
fenômenos da natureza (ventos, raios, entre outros) e a ação humana. No entanto, esse tipo de
instalação apresenta uma maior dificuldade de detecção de falhas nos condutores. O fato dos
cabos ocuparem uma área muito grande no parque eólico inviabiliza economicamente a
possibilidade destes serem instalados em canaletas ou bandejas. A profundidade pela qual
estes condutores devem estar enterrados é indicada pela norma ABNT NBR 14039:2005 [30]
e o valor mínimo de profundidade é 0,90 m. Quando não se conhece a resistividade térmica
65
do solo normalmente adota-se o valor de 2,5 K.m/W, no entanto, dependendo do caso, há
fatores de correção tabelados para melhor adequação.
Outro fator muito importante é o modo como os condutores estão dispostos. Neste
caso, realizou-se o dimensionamento considerando que estes pudessem estar distribuídos de
duas formas: em trifólio e de modo planar, as quais têm suas simbologias representadas na
Figura 45. No entanto, ao dar seguimento aos estudos de fluxo de potência e curto-circuito,
que serão apresentados em próximos capítulos, decidiu-se adotar para os valores dos
parâmetros dos cabos aqueles que se referem à topologia em trifólio.
Figura 45 - Simbologia utilizada para o método de instalação "diretamente enterrado" e para as
disposições dos condutores de modo "trifólio" e "planar", respectivamente.
3.6. Conclusão do capítulo
A definição do modelo do aerogerador a ser utilizado varia tanto de acordo com o tipo
de aplicação da central eólica (sistema isolado, híbrido ou interligado à rede) quanto com a
característica física do terreno e o consequente comportamento do vento. A escolha
inadequada somada ao incorreto posicionamento das unidades geradoras podem comprometer
a eficiência da usina e também a integridade das máquinas devido à exposição a altas
velocidades e turbulência. Neste capítulo outros equipamentos tiveram seu emprego
justificado no parque eólico, tais como: transformadores e painéis. A composição destes
últimos foi discutida e chegou-se a uma configuração final que, apesar de ser básica, já ilustra
toda a complexidade envolvida na especificação dos cubículos.
66
CAPÍTULO 4 – PROJETO BÁSICO DE UM
PARQUE EÓLICO
4.1. Introdução
Neste capítulo será apresentada a definição de projeto básico, assim como as
principais premissas assumidas para a realização deste trabalho. A topologia utilizada para o
posicionamento das unidades geradoras será apresentada e algumas configurações de
subestações serão discutidas visando escolher aquela que melhor se adapta às condições do
projeto.
Os estudos de dimensionamento dos condutores, fluxo de potência e curto-circuito
realizados para as três tensões de distribuição serão descritos e a uma simples análise das
perdas ilustrada. Por fim, serão mostrados os parâmetros mínimos necessários quando se
deseja fazer o pedido de um equipamento junto ao fabricante.
4.2. Definição de projeto básico
Um projeto básico, segundo a lei brasileira 8.666 de 21 de junho de 1993 [31], é o
“conjunto de elementos necessários e suficientes, com nível de precisão adequado, para
caracterizar a obra ou serviço, ou complexo de obras ou serviços objeto da licitação,
elaborado com base nas indicações dos estudos técnicos preliminares, que assegurem a
viabilidade técnica e o adequado tratamento do impacto ambiental do empreendimento, e que
possibilite a avaliação do custo da obra e a definição dos métodos e do prazo de execução”.
O presente trabalho procurou abordar e desenvolver, mesmo que de forma simplória,
alguns dos elementos necessários para se fazer um projeto básico, com o intuito principal de
aprendizado e de orientação para futuros leitores. Portanto, o objetivo principal não é a
elaboração de um documento denso e descritivo de todos os requisitos que devem ser
cumpridos, mas sim mostrar as principais diretrizes do que deve ser feito quando se almeja a
realização de um projeto de tal dimensão.
67
4.3. Metodologia adotada
Visando orientar os estudos para a realização do projeto, o trabalho foi dividido em
algumas etapas explicitadas a seguir:
1º. Etapa – Estudos conceituais de geração eólica.
2º. Etapa – Estudo das principais tecnologias de aerogeradores e os principais
fabricantes.
3º. Etapa – Estudos dos equipamentos elétricos necessários para a interligação dos
aerogeradores com a subestação principal.
4º. Etapa – Determinação do nível de tensão ideal e definições de topologias.
5º. Etapa – Especificação dos equipamentos elétricos e estudos elétricos.
6º. Etapa – Especificação da parte elétrica da subestação principal.
7º. Etapa – Análise dos pontos relevantes da conexão do parque eólico com a rede da
concessionária ou ao Sistema Interligado Nacional (SIN).
Cabe ressaltar que o processo de realização de tais etapas caracteriza-se por ser
dinâmico e, por isso, não necessariamente segue a ordem linear descrita acima. Destaca-se
também que estas etapas foram aqui colocadas apenas como possíveis orientações, mas não
necessariamente seriam todas realizadas em outro projeto exatamente como foram descritas. E
ainda, enfatiza-se que um projeto real caracteriza-se por possuir um maior número de fases
que não foram abordadas neste trabalho.
Alguns dos produtos e resultados obtidos durante o desenvolvimento das etapas
citadas já foram descritos neste documento, em seções anteriores. Neste capítulo serão
abordados os tópicos mais específicos considerados no projeto deste trabalho em si,
principalmente a partir da etapa 4.
4.4. Premissas utilizadas no projeto
Para a elaboração do projeto básico elétrico da usina eólica foram consideradas as
seguintes premissas:
o Utilização de sessenta aerogeradores de indução duplamente alimentados com
potência de 2,3 MW e tensão nominal de 690 V.
o As turbinas estão dispostas em uma área de aproximadamente 15 km².
o A conexão da usina eólica com a rede será feita em uma subestação de 230 kV. Como
já foi mencionada anteriormente, a conexão do parque poderia ser realizada com a
68
rede de uma concessionária de energia, no entanto, neste caso em específico e
meramente ilustrativo, preferiu-se fazer a conexão com a rede básica.
o O cabeamento será subterrâneo.
o Serão realizados estudos com três níveis diferentes de tensão de distribuição: 13,8 kV;
24,0 kV e 34,5 kV.
o Serão utilizados dois transformadores para elevar a tensão de distribuição no nível de
transmissão e fazer a conexão do parque eólico à rede.
o Inicialmente, supôs-se a utilização de um painel com suportabilidade de corrente de
curto-circuito até 25 kA, tanto na saída de cada aerogerador quanto na subestação
principal.
o A redução de custo do empreendimento é a diretiva principal, mas sem ocasionar
redução da segurança e/ou dificuldades de operação da usina.
4.5. Topologia do parque eólico
A Figura 46 ilustra a topologia adotada para o parque eólico, ou seja, o modo como os
aerogeradores, painéis e os transformadores estão dispostos.
Nos próximos tópicos serão abordados os estudos de dimensionamento dos
condutores, bem como as análises internas (na rede de distribuição do parque) de fluxo de
potência e curto-circuito.
69
Figura 46 – Disposição adotada para os aerogeradores, painéis e transformadores no parque eólico.
70
4.6. Projeto básico da subestação para conexão das unidades
geradoras
Segundo a norma NBR 5460 [42], subestação “é parte de um sistema de potência,
concentrada em um dado local, compreendendo primordialmente as extremidades de linhas
de transmissão e/ou distribuição, com os respectivos dispositivos de manobra, controle e
proteção, incluindo as obras civis e estruturas de montagem, podendo incluir também
transformadores, equipamentos conversores e/ou outros equipamentos”.
Elementos como os listados a seguir normalmente são encontrados em subestações:
o Pára-Raios;
o Chaves Seccionadoras;
o Disjuntores;
o Fusíveis;
o Relés de Proteção;
o Transformadores de Potencial e de Corrente;
o Transformadores de Força;
o Barramento;
o Painéis;
o Entre outros.
4.6.1. Topologias consideradas como alternativas no projeto
Nos subtópicos a seguir serão discutidas as principais características de três arranjos
de subestações pensadas de serem implantadas nesse projeto: Barra Simples, Barra Simples
Seccionada e Principal e Transferência, e a decisão tomada no projeto.
4.6.1.1.
Barra Simples
Este é o arranjo de subestação mais simples, de menor custo e de mais fácil manobra.
Como pode ser visualizado na Figura 47, nele todos os circuitos se conectam em uma única
barra e, sendo assim, a ocorrência de algum defeito ou a necessidade de manutenção de
qualquer dos disjuntores diretamente conectados à barra inevitavelmente provoca a
interrupção do suprimento do alimentador em questão. Neste tipo de esquema não é possível
fazer obras de ampliação sem deixar toda a subestação indisponível.
71
Devido à confiabilidade limitada e a baixa flexibilidade de manobras, este esquema é
utilizado em subestações de pequeno porte, que atendem cargas de pequeno porte e baixa
potência ou que tenham outra fonte de alimentação.
Tendo em vista todas essas características chega-se à conclusão de que este tipo de
arranjo de subestação não se adéqua ao projeto do parque eólico.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
ALIMENTADOR 1
ALIMENTADOR 2
Figura 47 - Topologia: Barra Simples
4.6.1.2.
Barra Simples Seccionada
O arranjo de Barramento Simples Seccionado, exemplificado na Figura 48, consiste
essencialmente em proporcionar o seccionamento da barra simples através de uma chave
seccionadora ou de um disjuntor (tie). A vantagem da colocação do disjuntor de
seccionamento é que, se houver defeito em uma barra, a proteção de barra isola esta barra,
sem perda da continuidade de serviço da barra sem defeito. Neste caso, a proteção de barra
abre todos os disjuntores conectados à barra com defeito, incluindo o disjuntor de
seccionamento.
Portanto, este novo esquema confere maior confiabilidade e flexibilidade de manobra
quando comparado ao esquema de Barra Simples. Subestações que adotam esse arranjo
72
normalmente estão conectadas a cargas que possuem um maior grau de importância, mas que
não exigem alta confiabilidade.
Algumas das principais características desse arranjo são apresentadas a seguir:
o Apresenta um baixo custo de implantação, no entanto maior que o do esquema de
Barra Simples.
o Maior continuidade no fornecimento de energia e facilidade na execução de serviços
de manutenção se comparado a Barra Simples.
o O sistema pode funcionar com duas fontes diferentes de suprimento.
o No caso de defeitos nas barras, somente ficarão desligadas as saídas de carga
correspondentes à seção avariada.
o A ampliação do barramento é realizada desligando uma das barras enquanto a outra
permanece ligada.
o A manutenção de um equipamento diretamente conectado à barra deixa indisponível a
saída de carga correspondente.
o Os esquemas de proteção são mais complexos.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
TIE
ALIMENTADOR 1
ALIMENTADOR 2
Figura 48 - Topologia: Barra Simples Seccionada
4.6.1.3.
Principal e Transferência
73
O arranjo Barra Principal e Transferência, ilustrado na Figura 49, é o mais complexo e
o que apresenta maior confiabilidade dos apresentados até então. Neste esquema o barramento
principal de subestação é conectado a um barramento auxiliar através de um disjuntor de
transferência cuja finalidade principal é garantir a execução de trabalhos de manutenção
corretiva, preventiva ou preditiva em qualquer disjuntor sem deixar fora de serviço qualquer
linha ou alimentador.
Em condições normais de funcionamento, o vão de entrada de linha supre a barra
principal através do disjuntor principal e de suas respectivas chaves seccionadoras, que se
encontram normalmente fechadas. Caso haja necessidade de retirada do disjuntor principal
para manutenção a entrada de linha é conectada a barra de transferência através do
fechamento da chave “by-pass” que se encontra normalmente aberta e do disjuntor de
transferência. Tal procedimento é realizado seguindo a rigor uma determinada ordem de
fechamento/abertura das chaves seccionadoras até que o disjuntor de transferência substitua o
principal.
Algumas das características mais destacadas desse tipo de arranjo são descritas a
seguir:
o Possui um custo de implantação relativamente baixo, no entanto é o esquema mais
oneroso dos três apresentados.
o Possibilita uma maior continuidade no suprimento de energia o que torna esse arranjo
o mais confiável dos três.
o A maior flexibilidade de manobras, no entanto, trás consigo uma maior dificuldade de
operação (manobras relativamente complicadas são necessárias quando se deseja
colocar um disjuntor em manutenção).
o A expansão da subestação é realizada sem afetar a alimentação dos circuitos.
o Qualquer disjuntor pode ser retirado de serviço para manutenção.
o O esquema de proteção é bastante complexo.
74
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Chave
By- Pass
BARRA
“PRINCIPAL”
DISJUNTOR DE
TRANSFERÊNCIA
BARRA
“TRANSFERÊNCIA”
ALIMENTADOR 1
ALIMENTADOR 2
Figura 49 - Topologia: Principal e Transferência
Devido ao fato de uma falha no barramento ou em algum dos disjuntores resultarem
no desligamento da subestação, indica-se a utilização de um disjuntor de seccionamento (TIE)
na barra principal onde, a princípio, os circuitos estão conectados. A inclusão desse
equipamento aumenta o custo dessa alternativa, mas levando em consideração as vantagens
operativas e a maior confiabilidade no fornecimento de energia indica-se a utilização dessa
configuração, que mescla as topologias de barra Simples Seccionada e Principal e
Transferência, como pode ser observado na Figura 50.
75
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Chave
By- Pass
BARRA
PRINCIPAL
TIE
DISJUNTOR DE
TRANSFERÊNCIA
BARRA
TRANSFERÊNCIA
ALIMENTADOR 1
ALIMENTADOR 2
Figura 50 – Configuração que mescla as topologias barra “Simples Seccionada” e “Principal e
Transferência”.
4.6.2. Análise comparativa entre as topologias de subestações consideradas
Devido a grande dificuldade de conseguir o valor real (custos de fabricantes) dos
equipamentos presentes na subestação, como disjuntores e chaves seccionadoras, a análise
econômica ficaria comprometida. Em meio a tal situação o que se propôs neste trabalho foi
fazer uma comparação quantitativa do número de equipamentos presentes em cada uma das
topologias descritas, como é mostrado na Tabela 7.
76
Tabela 7 – Tabela comparativa topologia da subestação x número de equipamentos
Barra Simples
Barra
Barra Simples
Principal e
Seccionada e
Simples
Seccionada
Transferência
Principal e
Transferência
Número de
Chaves
24
26
38
40
12
13
13
14
Seccionadoras
Número de
Disjuntores
Como já foi mencionado, o arranjo Barra Simples não é o sistema mais adequado para
o parque eólico. Analisando os dados presentes na tabela, conclui-se que a grande diferença
em termos de quantidade de equipamentos entre os esquemas de Barra Simples Seccionada e
Principal e Transferência é em relação ao número de chaves seccionadoras, já que ambos
apresentam o mesmo número de disjuntores. O último arranjo proposto, que combina as
características da barra Simples Seccionada e Principal e Trans ferência, apresenta-se como o
mais oneroso, no entanto entende-se que tal fato é compensado pela maior confiabilidade,
flexibilidade e continuidade de serviço oferecida e, tendo em vista tais fatos, foi o esquema
escolhido neste projeto.
4.7. Dimensionamento dos condutores
Neste trabalho, foi desenvolvido em Matlab um algoritmo que calcula a corrente em
todos os condutores dos ramais dos aerogeradores, para cada um dos três níveis de tensão
pensados (13,8 kV – 24,0 kV e 34,5 kV), e após este cálculo indica automaticamente uma
seção adequada para os cabos. O fluxograma na sequência mostra basicamente o processo de
funcionamento do programa, ou seja, os passos realizados até a determinação da bitola dos
condutores. Salienta-se que no fluxograma já foram indicadas possíveis ligações do algoritmo
de determinação de parâmetros de condutores com rotinas de cálculo de fluxo de potência e
curto-circuito, para as quais estes parâmetros seriam dados de entrada.
77
Tabelas
Tabelas de
de
Ampacidade
Ampacidade xx
Seção
Seção dos
dos
Condutores
Condutores
Declaração
Declaração dos
dos
parâmetros
parâmetros dos
dos
equipamentos
equipamentos
Fim
Fim
Nível
Nível de
de tensão
tensão de
de
distribuição
distribuição adotado
adotado
Cálculo
Cálculo
estimado
estimado da
da
corrente
corrente em
em
cada
cada circuito
circuito
Determinação
Determinação dos
dos
parâmetros
parâmetros elétricos
elétricos
dos
dos condutores
condutores
Determinação
Determinação da
da
seção
seção dos
dos
condutores
condutores
Cálculo
Cálculo de
de
Fluxo
Fluxo de
de
Potência
Potência
Tabelas
Tabelas de
de Seção
Seção dos
dos
Condutores
Condutores xx
Parâmetros
Parâmetros Elétricos
Elétricos
Cálculo
Cálculo de
de
Curto
Curto
Circuito
Circuito
Figura 51 – Fluxograma do processo de determinação da seção dos condutores.
Primeiramente foi montado um banco de dados com as seções e os parâmetros
elétricos dos condutores de acordo com a classe de tensão e máxima corrente suportada. Para
tal,
como
já
foi mencionado,
foram utilizados os dados da
linha de cabos
Eprotenax Compact 105 da Prysmian. Na rotina desenvolvida, o usuário escolhe o nível de
tensão desejado e o algoritmo faz um cálculo aproximado da corrente que circula por cada
circuito, a partir da declaração de alguns parâmetros dos aerogeradores que serão utilizados
no parque eólico, tais como: potência e fator de potência. Ou seja, de posse dos mencionados
dados é possível fazer uma estimativa da corrente que passará em cada circuito. Tendo feito
isso, o próximo passo é a determinação da seção do condutor e dos seus respectivos
parâmetros elétricos através da checagem do banco de dados pelo critério de ampacidade.
Este processo de dimensionamento dos cabos é de suma importância em um projeto,
pois possibilita o conhecimento dos parâmetros elétricos dos condutores e, tornando possível
a posterior realização de outros estudos, como fluxo de potência e curto-circuito.
4.8. Etap Power Station Simulator (Versão estudante)
Etap Power Station Simulator é um programa voltado para engenharia elétrica que foi
desenvolvido pela OTI – Operation Technology Inc. e hoje é utilizado mundialmente nas
maiores empresas de consultoria, indústrias, concessionárias de energia, governos e
universidades. É a opção corporativa mais completa para o projeto, simulação, operação,
controle, otimização e automação de geração, transmissão, distribuição e sistemas de energia
industrial já que oferece um conjunto de soluções de software totalmente integrado, incluindo
78
arco voltaico, fluxo de carga, curto-circuito, estabilidade transitória, coordenação de relés,
ampacidade de cabo, fluxo de potência ótimo, e muito mais [32].
Este software, em sua versão estudante, foi de muita utilidade neste trabalho, pois
serviu como plataforma para as simulações e análises de fluxo de potência e curto-circuito
realizadas na rede de distribuição interna do parque eólico proposto.
4.8.1. Parâmetros editados no Etap
Para realizar as simulações no Etap são necessários os modelos dos equipamentos e a
definição de suas conexões. Logo, ao se desenhar o escopo do projeto do parque eólico devese editar da maneira planejada os parâmetros dos equipamentos presentes na planta.
A seguir serão ilustrados alguns dos principais parâmetros dos componentes da central
eólica projetada e algumas aproximações realizadas devido às limitações de modelos que a
versão apresentava.
o Gerador: primeiramente foi alterado seu modo de funcionamento de motor para
gerador. Outros parâmetros como potência, fator de potência, tensão e eficiência
foram editados, de modo a representar o aerogerador escolhido. Na Figura 52
apresenta-se, apenas como ilustração, uma tela com parâmetros de motor presente no
Etap.
Figura 52 – Alguns dos parâmetros de um motor de indução do Etap.
o Transformador: os principais termos a serem “setados” são: potência, tensão no
primário e secundário, impedância e relação X/R, como destacado na Figura 53.
79
Figura 53 – Alguns dos parâmetros de um transformador de dois enrolamentos do Etap Power
Station.
o Cabos: campos como o de comprimento do cabo, temperatura e, principalmente,
impedância de sequência nula e positiva devem ser preenchidos, conforme Figura 54.
Figura 54 – Alguns dos parâmetros do cabo do Etap.
o Barramento: o campo principal que obrigatoriamente deve ser preenchido é a tensão
nominal.
80
o Subestação: potência nominal, potência de curto-circuito trifásico e X/R são alguns
dos parâmetros que devem ser preenchidos, conforme se pode observar na Figura 55.
Figura 55 – Alguns dos parâmetros de uma subestação do Etap Power Station.
Diversos outros campos em todos esses equipamentos são passíveis de alterações,
porém não foram mencionados já que a descrição ficaria muito longa e, sobretudo, por este
não ser o propósito principal do trabalho.
4.9. Estudos de fluxo de potência
Os aerogeradores mais modernos podem produzir uma potência considerável. Para
melhor aproveitamento desta geração torna-se necessário realizar um estudo para definir a
tensão ótima da rede de interconexão dos aerogeradores e, com isto, minimizar o custo do
cabeamento elétrico e das perdas ôhmicas. Neste trabalho não era objetivo montar nenhum
estudo de otimização em si, no sentido de desenvolver modelagem e metodologia para buscar
pontos ótimos, porém, sabe-se que com alguns estudos é possível encontrar bons pontos de
operação, mesmo que não seja exatamente o ótimo. Tendo em vista tal fato, foi realizado um
estudo de fluxo de potência internamente ao parque eólico para três níveis de tensão de
distribuição (três alternativas). O objetivo de tal estudo é verificar os níveis de corrente que
circularão pelos cabos, as quedas de tensão e também a magnitude das perdas ôhmicas do
sistema para cada alternativa. Foram feitas várias simulações, sendo que algumas serão
apresentadas na sequência. Cabe destacar que o cálculo estimado da corrente em cada um dos
81
trechos de circuito do parque eólico, mencionado na etapa de dimensionamento dos
condutores e ilustrado através do fluxograma da Figura 51, foi realizado meramente para que
fosse possível definir a seção dos cabos a serem utilizados, já que, a princípio, não eram
conhecidos os seus parâmetros elétricos.
Os gráficos a seguir (Figura 56 e Figura 57) ilustram os resultados das simulações para
os níveis de tensão de 24,0 kV e 34,5 kV. Percebe-se que, em ambos os casos, a tensão
permaneceu acima de 0,94 pu, valor tido como aceitável, porém os valores para o nível de
tensão maior são mais interessantes, pois a corrente circulante é menor. A queda de tensão
ocorrida se justifica também pelo fato de os geradores de indução necessitar consumir reativos
para seu funcionamento. Os pontos elétricos segundo os quais foram realizadas simulações e
obtidos os valores de tensão e corrente de curto-circuito correspondem às barras do sistema.
Esses nós podem ser mais bem visualizados na Figura 46, onde encontram-se em destaque na
cor vermelha.
Resultado do fluxo de potência
24,0 kV
100
99
98
Tensão (%)
97
96
95
94
93
92
91
90
1
10
19
28
37
46 55 64 73
Pontos Elétricos
82
91
100 109 118
Figura 56 – Resultado das tensões em todos os pontos elétricos do parque eólico para a
alternativa considerando a tensão de 24,0 kV.
82
Resultado de fluxo de potência
34,5 kV
100
99
98
Tensão (%)
97
96
95
94
93
92
91
90
1
10
19
28
37
46 55 64 73
Pontos Elétricos
82
91
100 109 118
Figura 57 – Resultado das tensões em todos os pontos elétricos do parque eólico para a
alternativa considerando a tensão de 34,5 kV.
Na próxima tabela é realizada uma estimativa dos custos das perdas ôhmicas de
acordo com a alternativa. O custo do MWh utilizado corresponde ao valor do último leilão de
energia de reserva, realizado em 2011 [14]. Tal análise foi realizada tendo em vista um
horizonte de 30 anos de contratação da usina e um fator de capacidade de 35% (valor
estimado para muitos empreendimentos no Brasil). É possível observar que, em longo prazo,
as perdas podem impactar muito no custo do empreendimento e por isso não podem ser
desprezadas nos estudos de viabilidade.
Tabela 8 - Análises dos custos envolvidos com as perdas ôhmicas ao longo de 30 anos.
Alte rnativa
24,0 kV
34,5 kV
Perdas
(MW)
1,887
1,4743
Horizonte
(anos)
30
30
Fator de
Capacidade
0,35
0,35
Custo
(R$/MWh)
99,54
99,54
Custo Perdas
(MR$)
17
13,3
Fazendo um exame apenas do que foi analisado até então, conclui-se que a alternativa
de 34,5 kV seria a mais viável, no entanto, outros fatores, como o custo desses painéis, devem
ser contabilizados visando a escolha da melhor opção.
83
4.10. Estudos de curto-circuito
O estudo de curto-circuito é de grande importância no planejamento dos sistemas
elétricos, sobretudo em sistemas onde o dimensionamento dos equipamentos e do sistema de
proteção deve ser realizado. Estudos de curto-circuito para os níveis de tensão propostos
(alternativas) foram feitos internamente no parque eólico e alguns resultados podem ser
verificados nos gráficos na sequência (Figura 58 e Figura 59).
A linha azul é relativa aos valores da corrente de curto-circuito nos principais pontos
elétricos do sistema (painéis) e a linha vermelha representa os valores de suportabilidade dos
painéis elétricos utilizados. Os resultados obtidos para o nível de tensão de 24,0 kV mostram
que em apenas um ponto elétrico o valor do curto-circuito ultrapassou o limite permitido do
painel, indicando a necessidade de troca do mesmo para outro com maior suportabilidade,
como o de 50 kA. No entanto, para 34,5 kV, não observamos nenhuma transgressão aos
limites dos painéis adotados, indicando que para o curto-circuito o dimensionamento está
correto.
Resultado do curto-circuito
24,0 kV
60
Corrente (kA)
50
40
30
Icc,3f
20
Limite
10
0
1
10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118
Pontos Elétricos
Figura 58 – Análise da corrente de curto-circuito para o nível de tensão de 24 kV para todos os
pontos elétricos do parque eólico.
84
Resultado do curto-circuito
34,5 kV
60
Corrente (kA)
50
40
30
Icc,3f
20
Limite
10
0
1
10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118
Pontos Elétricos
Figura 59 – Análise da corrente de curto-circuito para o nível de tensão de 34,5 kV para todos os
pontos elétricos do parque eólico.
Cabe realçar que todas as análises ilustradas anteriormente foram também realizadas
para o nível de tensão de 13,8 kV. Para esta configuração, no entanto, os resultados não foram
muito positivos já que elevadas correntes circulariam pelos cabos, provocando o aumento das
perdas joule e a diminuição do custo-benefício. Somado a tal fato, destaca-se a utilização de
condutores de elevada seção, que aumentam consideravelmente o valor gasto no cabeamento
e reduz muito a praticidade de instalação e possíveis manutenções. Sendo assim, em uma
primeira análise, tal alternativa não seria idealmente a escolhida para ser adotada no parque
eólico.
4.11. Dimensionamento dos principais equipamentos
Uma etapa importante a ser realizada em qualquer projeto, sobretudo os de elevada
complexidade, é o dimensionamento dos equipamentos que serão adquiridos. Sua relevância
se dá tanto no âmbito operativo, já que a especificação equivocada de parâmetros e a
consequente escolha inadequada de equipamentos pode compro meter a funcionalidade de
todo sistema, quanto também no econômico, pois a determinação dos parâmetros dos
equipamentos afeta diretamente o custo de obtenção dos mesmos.
85
Sendo assim, após a realização dos estudos elétricos (como por exemplo, fluxo de
potência, curto-circuito e análise transitória) é feito o dimensionamento de acordo com as
definições das normas técnicas. Depois de todas as etapas do projeto (onde vários ajustes são
normalmente feitos) os dimensionamentos serão utilizados para a compra dos equipamentos
junto aos fabricantes.
O objetivo principal desse tópico não é fazer o completo dimensionamento de alguns
dos equipamentos presentes na central eólica, até porque estudos mais complexos (como por
exemplo, análise transitória) teriam que ser realizados, mas reafirmar a sua importância dentro
do projeto e exemplificar para alguns casos os procedimentos básicos que devem ser
seguidos.
As tabelas a seguir, baseadas em [43] ilustrarão os dados mínimos necessários para a
formulação do dimensionamento de alguns equipamentos presentes no parque eólico, como
por exemplo: transformador de potência seco, disjuntor de alta tensão, chave seccionadora,
mufla ou terminação, para-raios e painel. Alguns dos dados que serão fornecidos foram
baseados nos estudos realizados para a alternativa de 34,5 kV. Na Figura 60 é possível
observar o transformador de potência e o painel cujos parâmetros serão explicitados nas
tabelas a seguir. Na Figura 60 são destacados os elementos que serão dimensionados.
Figura 60 – Localização do transformador e do painel a ser dimensionado.
86
Figura 61 – Elementos que serão dimensionados.
Para o dimensionamento do transformador seco para elevação da tensão na saída de
cada aerogerador do parque indica-se a visualização das normas: ABNT NBR 10295:2011
(Transformadores Secos) [46] e ABNT NBR 5356-1 (Transformadores de Potência) [47]. Na
Tabela 9 são mostrados alguns dos dados presentes na especificação do equipamento e os
valores obtidos, seja através dos estudos feitos neste trabalho ou a partir de indicações
presentes nas normas citadas.
Tabela 9 – Dados técnicos mínimos para a especificação do transformador de potência.
TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA SECO
Tensão primária
Tensão secundária fase- fase e fase- neutro
Derivações (tapes)
Potência nominal
Frequência nominal
Número de fases
Deslocamento angular
Tensão máxima do equipamento
87
Tensão suportável nominal de impulso
atmosférico
Tensão suportável nominal à frequência
industrial (Isolamento)
Impedância percentual
Para o estabelecimento dos dados dos disjuntores de alta tensão presentes nos painéis
sugere-se a checagem da norma NBR IEC 62271-200 2007 (“Conjunto de manobra e controle
de alta-tensão em invólucro metálico para tensão acima de 1 kV até e inclusive 52 kV”) [48]
assim como a leitura da referência [43].
Tabela 10 – Dados técnicos mínimos para a especificação do disjuntor de alta tensão.
DISJUNTOR DE ALTA TENSÃO
Tensão nominal (
) e número de fases
Tensão suportável nominal de curta duração
à frequência industrial (
Tensão
)
suportável nominal de impulso
atmosférico (
)
Frequência nominal ( )
Corrente nominal de regime contínuo ( )
Corrente
suportável
nominal
de
curta
duração ( )
Valor de crista da corrente suportável
nominal ( )
Duração de curto-circuito nominal ( )
Tipo de construção
Meio extintor de arco
88
Os parâmetros que descrevem as chaves seccionadoras foram especificados baseandose, sobretudo, na ABNT NBR 62271-102 2006 (“Equipamentos de alta tensão Parte 102:
Seccionadores e chaves de aterramento”) [49].
Tabela 11 – Dados técnicos mínimos para a especificação da chave seccionadora.
CHAVE SECCIONADORA
Tensão nominal
Corrente nominal
Frequência nominal
Corrente nominal suportável de curtaduração
Valor da crista nominal da corrente
suportável
Duração da corrente suportável de curtocircuito
Tensão de operação dos circuitos auxiliares
Tipo de comando
Alguns dos dados necessários para a correta especificação de uma mufla podem ser
vistos na Tabela 12, e são baseados em [43]. No entanto, nem todos eles puderam ser
determinados, pois exigiam estudos específicos que não foram realizados no presente
trabalho.
Tabela 12 - Dados técnicos mínimos para a especificação da mufla ou terminação.
MUFLA OU TERMINAÇÃO
Tensão nominal
Tensão máxima de operação
Tensão suportável de impulso
Tensão suportável a seco durante 1 minuto
Tensão suportável sob chuva, durante 10
segundos
-----
89
Características técnicas e dimensionais do
cabo
Nível de isolamento: 100% para sistemas
com neutro ligado à terra e 133% para
sistemas com neutro isolado
Material do condutor: cobre ou alumínio
---
Tipo de encordoamento
Os para-raios constituídos por Óxido de Zinco, atualmente, constituem no tipo mais
utilizado, no entanto, neste trabalho a especificação foi feita considerando a utilização de
resistor não linear à base de Carboneto de Silício por questões de obtenção dos dados (Tabela
na referência [43] que auxiliou na determinação dos parâmetros presentes na Tabela 13 e
exigidos pelo fabricante). Na especificação de um para-raios é necessário que constem, no
mínimo, os dados apresentados na Tabela 13.
Tabela 13 - Dados técnicos mínimos para a especificação do para-raios.
PARA-RAIOS
Tensão nominal
Frequência nominal
Tensão
disruptiva
máxima de
impulso
atmosférico
Tensão residual máxima sob corrente de
descarga nominal
Tensão disruptiva à frequência industrial
Tensão disruptiva máxima por surto de
manobra
Corrente de descarga nominal
Classe (A ou B)
Tipo de resistor não linear
*** Valores não Normalizados
B
90
Por fim, destaca-se a especificação do painel que, em muitos aspectos, seus
parâmetros assemelham-se ao do disjuntor de alta tensão. Alguns dos requisitos necessários
de serem apresentados na especificação do cubículo para a realização da compra são
visualizados na Tabela 14 através da consulta às normas: “Conjunto de manobra e controle de
alta-tensão em invólucro metálico para tensão acima de 1 kV até e inclusive 52 kV” (NBR
IEC 62271-200 2007) [50] e “Especificações comuns para normas de equipamentos de
manobra de alta tensão e mecanismos de comando” (NBR IEC 60694 – 2006) [51].
Tabela 14 - Dados técnicos mínimos para a especificação do painel.
PAINEL DE ALTA TENSÃO
Tensão nominal (
) e número de fases
Tensão suportável nominal de curta duração
à frequência industrial (
Tensão
)
suportável nominal de impulso
atmosférico (
)
Frequência nominal ( )
Corrente nominal de regime contínuo ( )
Corrente
suportável
nominal
de
curta
duração ( )
Valor de crista da corrente suportável
nominal ( )
Duração de curto-circuito nominal ( )
4.12. Conclusão do capítulo
Os estudos realizados neste capítulo são fundamentais para a realização de um projeto
que opere da melhor maneira possível. A definição do nível de tensão de distribuição impacta
diretamente na seção do condutor e também no nível de corrente que circula nos circuitos. As
perdas ao longo do tempo de contratação da usina muitas vezes são desprezadas, mas podem
significar grande impacto econômico. Apesar da obtenção de menores perdas ao se utilizar
91
uma tensão maior, o nível de isolamento necessário para os equipamentos, no entanto, é
superior e tal fato impacta muito no preço dos mesmos. É através do processo de
dimensionamento dos equipamentos que estes são solicitados aos fabricantes. É devido a tais
fatores que esta etapa merece um cuidado especial.
92
CAPÍTULO 5 – ESTUDOS DE CONEXÃO
5.1. Introdução
Este capítulo apresentará alguns dos principais distúrbios que podem decorrer da
presença de aerogeradores conectados na rede e as duas normas (Procedimentos de Rede e de
Distribuição) que regulam essa ação de conexão do parque eólico na rede básica ou na rede de
uma concessionária de distribuição, respectivamente. Encontram-se nesses procedimentos os
limites de variação permitidos para certas variáveis do sistema, tais como tensão e frequência,
tanto para as condições normais de operação quanto para situações de distúrbios.
Neste trabalho, buscou-se estudar o processo de conexão, os requisitos técnicos
associados e os estudos necessários. Para exemplificar um desses estudos, será realizada uma
análise do comportamento da tensão e do fluxo de potência nas linhas do sistema IEEE14
quando do acréscimo de uma geração na barra 9 (modelagem da usina eólica) para diferentes
situações. Esta modelagem da usina eólica citada foi realizada de maneira muito simplificada,
apenas utilizando um gerador com tensão especificada em 1 pu e geração de 138 MW
(simulando o funcionamento do parque eólico na sua capacidade máxima) e 41,4 MW
(funcionamento do parque eólico com apenas 30% da sua capacidade) conectado à barra 9 por
meio de uma linha cujos parâmetros serão explicitados na seção de simulação. Isto
representaria a conexão da usina projetada neste trabalho a um sistema de transmissão. A
simulação foi realizada no software ANAREDE, de propriedade do CEPEL (Centro de
Pesquisas de Energia Elétrica), que é o software atualmente utilizado para parte dos estudos
reais de conexão de usinas ao SIN. Suas principais funcionalidades serão, também,
brevemente descritas neste capítulo.
5.2. Qualidade da energia e a importância dos estudos de
conexão dos sistemas de geração
Os cuidados com a conexão à rede elétrica devem ser observados e avaliados ainda na
fase de planejamento do projeto. O desempenho elétrico do aerogerador deve satisfazer, tanto
em condições normais de funcionamento quanto em caso de distúrbios, o nível de exigência
93
imposto pelo gerente de operações da rede, onde quaisquer perturbações sobre a rede elétrica
devem ser mantidas dentro de limites técnicos estabelecidos.
Na Tabela 15 são listados os principais distúrbios causados por aerogeradores na rede
elétrica e as respectivas causas, que podem ser decorrentes de condições meteorológicas, do
terreno, e especificamente sobre as características elétricas, aerodinâmicas e de controle
presente no aerogerador. [1]
Tabela 15 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica [1].
Devido à possibilidade da conexão dos novos sistemas de geração comprometer o
desempenho da rede elétrica e de seus indicadores de qualidade é que surge a necessidade de
seu estudo. Os Procedimentos de Rede [23] e os Procedimentos de Distribuição de Energia
Elétrica (PRODIST) [24] foram criados justamente para regulamentar e unificar os limites
técnicos que devem ser respeitados. Parte do conteúdo de tais documentos será mais bem
detalhado a seguir.
5.3. Regulamentação e normas da conexão no sistema de
transmissão
A conexão de qualquer sistema de geração de energia elétrica deve ser feita, de modo
que não comprometa a confiabilidade, a qualidade da energia, a operação segura e com
eficiência do Sistema Interligado Nacional (SIN). É devido a tais motivos que [9] destaca que
94
“todo sistema de geração que queira se conectar com o sistema elétrico nacional deve seguir
os procedimentos de rede fornecidos pela Aneel”. Estes podem ser encontrados no site do
Operador nacional do Sistema (ONS) [23] e são definidos da seguinte forma:
“Documentos de caráter normativo, elaborados pelo ONS, com participação dos
agentes, e aprovados pela ANEEL, que definem os procedimentos e os requisitos necessários
à realização das atividades de planejamento da operação eletroenergética, administração da
transmissão, programação e operação em tempo real no âmbito do SIN” [23].
Como o próprio documento enfatiza, o objetivo fundamental é a obtenção do “ótimo
sistêmico”, ou seja, a junção da “otimização energética com a segurança elétrica e com a
continuidade do suprimento energético”.
Tais documentos são de fundamental importância para o SIN, responsável pelo
suprimento de energia elétrica para todas as regiões do país interligadas eletricamente, e para
o ONS, responsável por toda a coordenação da operação da geração e transmissão de energia
elétrica.
O esquema da Figura 62 ilustra as etapas necessárias de serem concluídas desde a
solicitação de acesso a rede até a aprovação da conexão e liberação da operação:
95
Figura 62 – Etapas previstas para a aprovação da conexão da geração na rede de
transmissão [23].
96
Para o caso de parques eólicos, existem procedimentos específicos que devem ser
respeitados pelos planejadores e operadores deste tipo de usina. Eles são encontrados no
Módulo 3, Submódulo 3.6, Tópico 8 – “Requisitos técnicos mínimos para conexão de centrais
eólicas na rede básica.”, dos Procedimentos de Rede e serão resumidos na seção a seguir.
5.3.1. Requisitos técnicos mínimos para a conexão de centrais eólicas na
rede básica
O item 8 presente no Submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede é dedicado ao
estabelecimento dos requisitos mínimos necessários para a conexão de centrais eólicas na rede
básica. Primeiramente deve-se verificar qual a modalidade de operação da usina (Tipo I,
Tipo II ou Tipo III) e também em qual sistema se conectará (Rede Básica, Demais Instalações
de Transmissão – DIT ou Rede de Distribuição). Tendo tais informações é possível identificar
quais requisitos técnicos e indicadores de desempenho deverá atender.
É dever do acessante verificar qualquer efeito que o Sistema Interligado Nacional
(SIN) possa provocar sobre o parque eólico bem como realizar estudos dos possíveis impactos
que a central eólica possa vir a causar no SIN.
Um cuidado especial com o sistema de proteção e controle deve ser tomado, visando
não exceder a capacidade dos equipamentos e com isso comprometer a rede. Para tal, estudos
de curto-circuito, avaliações da capacidade dos disjuntores, barramentos, equipamentos
terminais e malhas de terra devem ser realizados, abrangendo não somente o ponto de
conexão, mas também toda a área de influência da central eólica [23]. A Tabela 16 informa os
requisitos técnicos gerais para a geração eólica.
97
Tabela 16 – Requisitos técnicos gerais para centrais eólicas [23].
Além dos itens gerais descritos acima, outros requisitos devem ser verificados, tais
como:
I.
Variação da tensão em regime permanente – A variação da tensão provocada pelas
centrais eólicas no ponto de conexão não deve ser superior a 5%.
II.
Instabilidade de tensão – As centrais eólicas devem dispor de um mecanismo de
controle que evite o seu desligamento por instabilidade de tensão.
III.
Flutuação de tensão – Todas as condições de operação que impliquem em flutuação
de tensão (flicker) devem ser consideradas na avaliação do desempenho da usina, de
98
modo a identificar os índices de flutuação para que estes não excedam os limites dos
indicadores.
IV.
Distorção harmônica – A operação dos equipamentos das centrais eólicas não devem
provocar distorções harmônicas no ponto de conexão, acima dos limites individuais
dos indicadores de distorção de tensão harmônica individual e total.
V.
Requisitos específicos para o sistema de proteção do gerador – As unidades
geradoras devem possuir dois conjuntos de proteção, além do conjunto de proteção
intrínseca recomendados pelo fabricante: proteção unitária e de retaguarda.
VI.
Requisitos específicos para o sistema de registro de perturbação dos geradores –
Os aerogeradores devem possuir um sistema de registro de perturbações e tais
registros devem ser disponibilizados para o ONS.
VII.
Requisitos de suportabilidade a subtensões decorrentes de faltas na rede básica
(falt ride-through) – Em caso de afundamento de tensão no ponto de conexão, a
central eólica deve permanecer funcionando se a tensão nos terminais dos
aerogeradores permanecer acima da curva mostrada na Figura 63.
Figura 63 – Tensão suportada de acordo com a duração da falta.
Cabe destacar, por fim, que dependendo da capacidade instalada da usina eólica,
alguns dos requisitos necessários não constam na Tabela 16 e serão analisados caso a caso
pelo Operador Nacional do Sistema (ONS).
99
5.4. Regulamentação e normas da conexão no sistema de
distribuição
A Agência Nacional de Energia Elétrica elaborou documentos que possuem um
conjunto de regras que subsidiam os agentes e consumidores do Sistema Elétrico Nacional na
identificação e classificação de suas necessidades para o acesso ao sistema de distribuição,
disciplinando formas e condições. Tais documentos são denominados de “Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST)” [24].
Ao contrário do que ocorre no sistema de transmissão, não existe ainda no Brasil
nenhuma seção específica no PRODIST que trate da conexão de centrais eólicas na rede de
distribuição e, sendo assim, os procedimentos requeridos para a conexão são comuns a todos
os sistemas de geração de energia. Em [16] é destacado que “a conexão é negociada com a
distribuidora da área em que a usina está localizada” sendo que cada distribuidora possui
requisitos técnicos específicos para o seu sistema em relação aos limites permitidos de
variação da tensão, frequência, fator de potência e harmônicos no ponto de conexão da usina
com a rede. Assim, para cada conexão, a concessionária local específica deverá ser
consultada.
5.5. ANAREDE – Programa de Análise de Redes (versão
estudante)
“O Anarede é o programa computacional mais utilizado no Brasil na área de
Sistemas Elétricos de Potência. É formado por um conjunto de aplicações integradas que
inclui Fluxo de Potência, Equivalente de Redes, Análise de Contingências, Análise de
Sensibilidade de Tensão e Fluxo e Análise de Segurança de Tensão. O programa dispõe
ainda de modelo de curva de carga, modelo de bancos de capacitores / reatores chaveados
para controle de tensão, modelos de equipamentos equivalentes e individualizados, algoritmo
para verificação de conflito de controles e facilidades para estudos de recomposição do
sistema. O programa destaca-se por sua robustez e confiabilidade” [35].
A utilização desse software (versão estudante) neste trabalho se resumiu às simulações
do comportamento de um sistema (sobretudo a verificação dos níveis de tensão e geração de
reativos nas barras e do fluxo de potência nas linhas) frente à conexão de um novo sistema de
geração (modelagem do parque eólico) em uma de suas barras.
100
5.6. Estudo de caso
Os estudos foram realizadas no sistema IEEE 14 barras (IEEE14) onde foi conectada
uma nova geração na barra 9 e, a partir desta configuração, foram feitas diferentes análises do
comportamento do sistema:
o Condição normal de operação:
 Carga Leve – Sistema de geração a ser conectado funcionando com 30% da
capacidade total.
 Carga Pesada – Sistema de geração a ser conectado funcionando com 100% da
capacidade total.
o Contingência:
 Carga Leve – Sistema de geração a ser conectado funcionando com 30% da
capacidade total.
 Carga Pesada – Sistema de geração a ser conectado funcionando com 100% da
capacidade total.
5.7. Simulações
Para a modelagem da inclusão da central eólica na barra 9 supôs-se a existência de
uma linha de transmissão (conexão com a rede básica de 230 kV) de 20 km de comprimento ,
cujos parâmetros elétricos em pu podem ser observados a seguir. Devido à dificuldade de
obtenção de catálogos de cabos para transmissão de energia elétrica, os parâmetros na
sequência foram retirados de [44].
As bases utilizadas são:
101
O sistema do IEEE14 acrescido da geração na barra 9 pode ser visualizado na Figura
64.
Figura 64 – Sistema simulado.
Nas seções a seguir será mostrado o comportamento da tensão nas barras e também o
fluxo de potência nas linhas para as quatro condições indicadas no item 5.6.
5.7.1. Perfil de tensão nas barras
Como pode ser observada na Figura 65, a inclusão da geração na barra 9 não afetou
consideravelmente o comportamento da tensão nas barras do sistema, quando comparado ao
caso original (IEEE14) sem a nova geração. Devido a maior necessidade de suprir o consumo
de reativos da central eólica modelada e também da necessidade imposta de manter a tensão
desta barra em 1 pu, ocorreu uma leve diminuição da tensão nas barras de carga do sistema e
também nas barras onde os compensadores síncronos atingiram o seu limite operacional e
perderam sua capacidade de controle. Ressalta-se que não era objetivo neste trabalho realizar
102
ajustes nos casos, portanto, o resultado dos controles foram simplesmente verificados de
acordo com a solução do ANAREDE. No entanto, em todos os casos simulados a tensão
permaneceu dentro dos limites técnicos definidos nos Procedimentos de Rede, como pode ser
constatado na Figura 65.
103
Perfil de Tensão
1.09
Tensão [p.u.]
1.04
0.99
0.94
0.89
1
IEEE14
1.06
IEEE14 + Geração a 30% 1.06
IEEE14 + Geração a 100% 1.06
Limite Máximo
1.1
Limite Mínimo
0.9
2
1.045
1.045
1.045
1.1
0.9
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1.01 1.0177 1.0195 1.07 1.0615 1.09 1.0559 1.051 1.0569 1.0552 1.0504 1.0355
1.01 1.0141 1.0172 1.0559 1.0338 1.0732 1.0077 1.0087 1.0286 1.0379 1.0312 0.9992 1
1.01 1.0234 1.0245 1.0437 1.0354 1.0747 1.007 1.0059 1.0209 1.0252 1.0205 0.9929 1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
Barras
Figura 65 – Comportamento da tensão das barras do sistema IEEE14 quando da inclusão de uma nova geração a carga leve e pesada.
104
5.7.2. Fluxo de potência nas linhas
Ao se analisar o comportamento da potência ativa nas linhas foi possível notar que
quando a geração presente na barra 9 foi acrescentada houve um alívio das linhas mais
carregadas, já que a nova geração encontra-se nas proximidades de grande parte das barras de
carga. Nas demais linhas do sistema localizadas com maior distanciamento da nova barra de
geração não foram observadas alterações significativas no fluxo de potência ativa, como pode
ser observado na Figura 66.
Observando o perfil da potência reativa através da Figura 67 conclui-se que, de
maneira geral, houve a necessidade de aumento do fluxo, sobretudo em direção a barra 9,
visando compensar o nível de reativos demandado pela central eólica modelada. Se
analisássemos o comportamento da geração de reativos perceberíamos que grande parte desse
aumento verificado deveu-se ao maior fornecimento por parte dos compensadores síncronos
presentes nas barras 3,6 e 8 (nestas duas últimas barras a geração, inclusive, atingiu o limite) e
também à barra referência (barra 1).
Apesar das mudanças no fluxo de potência ativa e reativa no sistema, não houve
qualquer extrapolação dos limites das linhas que pudesse causar problemas ao sistema e, com
isso, inviabilizar a conexão.
105
Comportamento da potência ativa
150
100
Potência Ativa [MW]
50
0
-50
-100
-150
B1-B2
B1-B5
B2-B3
B2-B4
B2-B5
B3-B4
B4-B5
B4-B7
B4-B9
B5-B6 B6-B11 B6-B12 B6-B13 B7-B8
IEEE14
156.8829 75.5104 73.2376 56.1315 41.5162 -23.2857-61.1583 28.0742 16.0798 44.0873 7.3533 7.7861 17.748
IEEE14 + Geração a 30% 127.8223 59.8548 67.4228 43.5034 32.3621 -28.7505 -46.915 7.7958 4.4444 35.0759 1.5738 7.3291 14.9615
IEEE14 + Geração a 100% 62.798 24.9688 53.7151 15.6017 11.1 -41.7526-19.0884-35.8118-20.4168 8.8914 -14.4775 5.3906 6.7499
0
B10B12B13B9-B15
B11
B13
B14
28.0741 5.2275 9.4264 -3.7853 1.6143 5.6438
B7-B9 B9-B10 B9-B14
0
7.7962 11.2349 12.8439 2.1902 1.1546 2.3874 -41.331
0
-35.8115 28.2195 23.6442 18.9575 -0.765 -7.6824 -137.577
Barra DE-PARA
Figura 66 – Comportamento da potência ativa para as três configurações analisadas.
106
Comportamento da potência reativa
60
50
Potência Reativa [Mvar]
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
B1-B2
B1-B5
B2-B3
B2-B4
B2-B5
B3-B4
B4-B5
B4-B7
B4-B9
B5-B6 B6-B11 B6-B12 B6-B13 B7-B8
B7-B9 B9-B10 B9-B14
IEEE14
B10B11
B12B13
B13B14
B9-B15
-20.4043 3.855 3.5602 -1.5504 1.171 4.4731 15.8236 -9.6811 -0.4276 12.4707 3.5605 2.5034 7.2166 -17.163 5.7787 4.2191 3.61 -1.6151 0.754 1.7472
IEEE14 + Geração a 30% -13.3554 6.5109 4.1645 3.5677 4.9475 9.0749 7.8559 1.5925 7.362 16.7544 13.7287 3.9325 12.4006 -23.1138 24.5835 -5.4042 -2.6162 -11.3346 2.1743 8.32 41.5987
IEEE14 + Geração a 100% 4.3122 8.5489 5.8521 5.9189 6.8285 9.5007 3.4712 6.79 10.4312 24.347 19.3765 4.9675 15.1097 -23.1171 27.3703 -8.8428 -4.9463 -15.3743 3.2433 12.1987 49.5492
Barra DE-PARA
Figura 67 – Comportamento da potência reativa para as três configurações analisadas.
107
5.7.3. Análise de contingências
Ao realizar a análise de contingências no sistema, a fim de verificar o seu
comportamento com N-1 circuitos, percebeu-se a convergência de todos os casos, para ambas
as configurações (carga leve e pesada). Não houve violação dos limites de tensão em
nenhuma barra do sistema, assim como não foram encontradas infrações de fluxo entre os
circuitos monitorados (todos os ramos do sistema ilustrado na Figura 64). Portanto, levando
em consideração apenas os estudos feitos, seria possível concluir que a inclusão do novo
sistema de geração na barra 9 não implicaria na necessidade de instalação de banco de
capacitores (aporte de reativos) ou de transformadores LTC para controle de tensão nas barras
ou no redespacho do sistema.
5.8. Conclusão do capítulo
Ficou evidente neste capítulo a importância de se conhecer as normas técnicas que
regem a operação do sistema elétrico de potência, assim como de realizar os estudos previstos
nas mesmas. Neste caso específico, deve-se verificar se a inclusão do novo sistema de geração
de energia eólica não prejudicará os índices de qualidade de energia da rede e se não afetará a
capacidade dos equipamentos (o que tornaria necessária a substituição de muitos deles).
Como foram destacadas, muitas outras análises além das realizadas neste trabalho precisam
ser consideradas em estudos reais para, assim, receberem a permissão de conexão.
108
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES
É inegável que com o crescimento acentuado do Sistema Elétrico Brasileiro devido
aos mais diversos fatores, tais como crescimento demográfico e industrial, cada vez mais se
torna necessária a construção de novas centrais geradoras de energia elétrica.
O Brasil caracteriza-se por ser um país com predominância de geração hídrica. No
entanto, o cenário de blecautes ocorridos nos últimos anos somado à rígida exigência de
fornecimento de energia, com índices cada vez maiores de qualidade, trás à tona a
necessidade de diversificação da matriz energética brasileira. É neste contexto que a energia
eólica ganhou aceitação da população e apoio do governo que, através de iniciativas como a
criação do PROINFA e benefícios nos leilões de energia de reserva, permitiu a expansão
desses empreendimentos em todo o território nacional.
É consenso a necessidade de elaboração de várias alternativas de projeto, através das
quais são realizadas análises técnico econômicas, visando a escolha adequada daquela que
melhor atenda aos requisitos de qualidade do projeto e que caiba no orçamento. É nesse
sentido que foram analisadas neste trabalho algumas configurações distintas de nível de
tensão de distribuição do parque, tipos de barramento da subestação e equipamentos presentes
nos painéis.
A instalação do transformador elevador de tensão na saída de cada aerogerador é
fundamental, pois torna viável a ligação destas máquinas com a subestação da central eólica.
Neste projeto três propostas foram inicialmente pensadas estudadas com os níveis de tensão
de distribuição normalmente mais empregados: 13,8 kV – 23,0 kV – 34,5 kV. Levando-se em
conta apenas os estudos básicos realizados (fluxo de potência e curto-circuito), chega-se a
conclusão que os melhores resultados foram obtidos utilizando-se a terceira alternativa, de
34,5 kV. As menores correntes decorrentes da utilização desse nível de tensão proporcionam
maior praticidade à instalação dos cabos no parque, tendo em vista que suas seções não
ultrapassaram 120 mm². Destaca-se que para 13,8 kV, em determinados trechos de circuito do
parque eólico onde o nível da corrente extrapolou o limite de ampacidade do cabo, houve a
necessidade de implantar circuitos duplos. Outro fator importante que não deve ser
desprezado é a economia que a alternativa de 34,5 kV proporciona quando as perdas ao longo
do tempo de contrato são contabilizadas.
109
Os estudos de curto-circuito mostraram também níveis de corrente de defeito menores
para esta configuração de 34,5 kV, possibilitando a utilização de painéis com menor
suportabilidade de corrente. No entanto, sabe-se que o valor de tais cubículos, entre outros
fatores, cresce muito de acordo com o isolamento necessário e, que neste caso, é o maior entre
as três alternativas.
A conexão do sistema de distribuição com a subestação principal também foi objeto de
estudos, visando a escolha da configuração de barramento que melhor atendesse às
necessidades. Levando em consideração o padrão de qualidade imaginado, optou-se pela
topologia que reúne as características da barra Simples Seccionada e da Principal e
Transferência, já que esta possibilita maior flexibilidade de operação e confiabilidade na
entrega de energia, se comparada às outras três ilustradas no trabalho.
Todas essas simples considerações e análises realizadas mostram a complexidade
envolvida na elaboração de um projeto dessa dimensão e a dificuldade de se escolher uma
alternativa que seja no mínimo boa.
Por fim, mas não menos importante, destacou-se alguns dos inúmeros estudos que a
empresa responsável pela central eólica deve apresentar à concessionária de distribuição ou ao
ONS de modo a conseguir a liberação para conectar-se na rede. As simulações no Sistema
IEEE14 com a inclusão da nova barra de geração (modelo simplificado da conexão do parque
eólico na rede) em duas situações, carga pesada e carga leve, mostraram que não houve
mudanças significativas no sistema a ponto dos limites de tensão especificados em normas e
os limites de fluxo de potência das linhas monitoradas serem ultrapassados. Ou seja, pelo
menos para esses poucos estudos realizados a conexão poderia ser feita sem prejuízos à rede.
Nas análises de contingências em todas as barras do sistema não foram encontradas violações
dos limites de tensão nas barras e nem de fluxo de potência nas linhas, convergindo, desta
maneira, para as duas condições de geração: sistema operando com a capacidade total (carga
pesada) e com apenas 30% desta (carga leve).
Por fim, foi possível notar que um projeto dessa magnitude envolve profissionais das
mais diversas áreas e que trabalham em estudos que vão desde as previsões de geração até as
análises de curto-circuito e fluxo de potência, etapas que antecedem o dimensionamento dos
equipamentos e a posterior compra dos mesmos. Como foi possível perceber, neste trabalho
algumas dessas áreas foram abordadas de maneira bem básica, no entanto, seu
aprofundamento através da realização de estudos mais detalhados pode ser realizado em
trabalhos futuros.
110
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