Novo software para cálculo de redes elétricas com fontes renováveis

Ampère Evolution fornece ferramentas para estudar sistemas de grande escala alimentados por fontes como a energia solar
Energia solar Canal Solar Queda de energia no centro da cidade de São Paulo faz prefeitura acionar ANEEL
Ampère Evolution é um importante avanço no cálculo de redes elétricas com GD .Imagem: Canal Solar

Ampère Evolution é o novo software para cálculo de redes elétricas da Electro Graphics. O software oferece ferramentas avançadas para o estudo de sistemas de grande escala alimentados por fontes renováveis, como energia solar e eólica.

Para essas situações é fundamental o estudo dos efeitos dos elementos longitudinais e transversais da rede no cálculo do Load Flow e das Curvas de Capability, garantindo análises mais completas e precisas.

Além disso, desenvolve modelos específicos para geradores eólicos e sistemas de compensação automática de potência reativa, permitindo a simulação precisa de diferentes cenários de operação.

O software também conta com uma ferramenta inovadora para a criação guiada de sistemas fotovoltaicos. Essa ferramenta simplifica o processo de projeto, permitindo a escolha automática e controlada dos módulos fotovoltaicos, a correlação com os inversores e a definição dos cabos de ligação do sistema.

Ampère Evolution é um importante avanço no cálculo de redes elétricas com geração distribuída. O software amplia consideravelmente as possibilidades de projeto, abrangendo cenários com fontes renováveis e abrindo caminho para a concretização de redes inteligentes (Smart Grids).

Com o Ampère Evolution, a Electro Graphics reafirma seu compromisso com a inovação e a tecnologia. O software é uma ferramenta essencial para projetistas que buscam soluções eficientes e confiáveis para o projeto de redes elétricas, atendendo às demandas do mercado e impulsionando a evolução do setor elétrico.

Gráfico: Electro Graphics
Gráfico: Electro Graphics/Reprodução

Conexão de sistemas eólicos e fotovoltaicos

O gerenciamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos exige o cumprimento de requisitos específicos da distribuidora de energia, relacionados às potências ativas e reativas disponíveis no ponto de ligação.

Especificamente, a potência reativa sobrexcitada varia de acordo com uma curva, desde 35% Pnd até um mínimo de 20% Pnd quando a potência ativa é igual a Pnd. Conforme ilustrado na figura, uma faixa segura de potência reativa deve ser garantida, pois a potência ativa fornecida à rede varia.

Ajustar os pontos de funcionamento dos geradores ou inversores pode ser insuficiente para garantir 20% do Pnd, a menos que a potência nominal seja aumentada, o que não é ideal.

Sistemas automáticos de correção do fator de potência podem ser utilizados para equilibrar o excesso de potência capacitiva em baixa carga ou fornecer potência capacitiva em alta carga, quando as linhas absorvem potência indutiva devido às altas correntes.

Esta utilização, no entanto, deve obedecer às regras específicas, e o software Ampère Evolution implementa o que está definido no Anexos A.17 e A.68 da Terna, que reportamos a seguir.

Dentro das áreas vermelha e cinza indicadas na figura, estão excluídos os ajustes através da inserção/desconexão de elementos de compensação estática, com exceção dos dois casos descritos abaixo.

  • Acima de um limite de potência ativa acordado entre a Terna e o Cliente ao nível do Regulamento de Funcionamento (PdesconexãoRS), pode ser prevista a desconexão dos reatores de compensação shunt da rede MT da central (se presentes), recuperando áreas de controle de reativos;
  • No caso de presença de bancos de capacitores (se solicitados pela Terna) estes devem ser inseridos acima de um limite de potência ativa (Pinserção BC) e abaixo de uma determinada tensão (Vinserção BC) acordada entre a Terna e o Usuário ao nível do Regulamento Operacional para compensar parcialmente as perdas indutivas residuais conforme indicado pela área preenchida em azul na figura.

É necessário que através desta compensação seja garantido um valor de potência reativa capacitiva produzida de 35% Pnd para valores de potência ativa Pnd, com precisão mínima de ±2% Pnd em Vn.

Com o que foi definido, o software Ampère Evolution permite definir usuários do tipo Banco de Capacitores e usuários do tipo Reator Shunt com um valor fixo de inserção ou desconexão em relação à potência ativa medida no ponto de conexão.

Gráfico: Electro Graphics
Gráfico: Electro Graphics/Reprodução

Vejamos abaixo um caso de aplicação: a figura a seguir representa um projeto elaborado com três elementos de compensação reativa, um Reator Shunt e dois Bancos de Capacitores.

A potência fornecida na fonte é de aproximadamente 2.030 kW, e consequentemente o projeto está trabalhando com o Reator Shunt desligado, pois a potência de desconexão de 700 kW já foi ultrapassada.

Está ativo o primeiro Banco de Capacitores, com potência de inserção de 1.800 kW. O segundo Banco de Capacitores ainda está desligado e será acionado caso a potência ativa fornecida ultrapasse o limite de 2.400 kW.

Para simplificar, os três usuários colocam em jogo potências reativas Q de 100 kVAR, fornecendo as etapas necessárias para conter a potência reativa dentro dos limites de 20% e 35% exigidos pela distribuidora de energia.

Imagem: Electro Graphics
Imagem: Electro Graphics/Reprodução

Banco de Capacitores

Os Bancos de Capacitores são gerenciados pelo software Ampère Evolution como uma variante de usuários capacitivos.

Em particular, para atender aos requisitos dos anexos descritos anteriormente, os Bancos de Capacitores possuem uma Potência de inserção ativa, que comanda o fechamento da proteção do banco quando este limite for ultrapassado e a desconexão caso a potência ativa absorvida no nível de alimentação retorne a um valor mais baixo.

Além disso, essas capacidades não podem ter ajuste, pois são um único banco com potência reativa fixa. O projetista pode criar vários usuários semelhantes com valores de potência reativa e potência de inserção diferentes, mas independentes.

No caso real procederemos da seguinte forma.

  1. Abra ou crie um usuário capacitivo.
  2. Acesse a caixa de diálogo Propriedades do usuário usando o botão […] próximo a capacidade.
  3. Selecione Banco de capacitores Capability na lista suspensa Tipo.

Nos componentes elétricos, defina o tamanho dos capacitores, e em paralelo quantos microfarads são necessários para a tensão nominal de trabalho.

Em seguida, defina a Potência de inserção BC, valor que é comparado com a potência ativa fornecida pela distribuidora.

O software simula a presença de um medidor de energia posicionado no ponto de entrega (alimentação à qual o banco de capacitores está conectado eletricamente), cuja lógica de funcionamento ativa ou desativa o usuário.

Para desativar o banco de capacitores, insira um valor alto (maior que a potência máxima de saída): só assim é possível congelar o usuário e desativá-lo completamente.

Entre os dados configuráveis ​​está também a Histerese de potência do BC, cujo efeito só é visto em nível gráfico na representação da Curva de Capability.

Imagem: Electro Graphics
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução

Nota. Os usuários do tipo Banco de Capacitores são destacados na grade usando o símbolo da Curva de Capability, que ajuda a identificar sua funcionalidade específica. Deve-se ressaltar também que estes usuários só podem ser ativados ou desativados pelo software, o projetista deve impor um limite alto para nunca ter os capacitores conectados à rede.

Além disso, lembramos que a modalidade de trabalho que considera os elementos da rede deve estar ativa, o que é fundamental para ativar todas as funcionalidades avançadas dedicadas ao estudo dos sistemas eólicos e fotovoltaicos fornecidos pelo Ampère Evolution (ver a aba Elementos da Rede da janela Propriedades).

Reatores Shunt

Os Reatores shunt são gerenciados pelo software Ampère Evolution como uma variante dos usuários indutivos.

Em particular, para atender aos requisitos dos anexos descritos anteriormente, possuem uma Potência ativa de desconexão, que comanda a abertura da proteção do reator quando este limite é ultrapassado e a ativação se a potência ativa absorvida no nível de alimentação retornar a um valor inferior.

Além disso, esses indutores não podem ter ajustes, portanto são um único reator shunt com potência reativa fixa. O projetista pode criar vários usuários semelhantes com valores de potência reativa e potência de inserção diferentes, mas independentes.

No caso real procederemos da seguinte forma.

  1. Abra ou crie um usuário do tipo Reator Shunt.
  2. Acesse a caixa de diálogo Propriedades do usuário usando o botão […] próximo a Indutância.
  3. Selecione Reator Shunt Capability na lista suspensa Tipo.
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução

Nos componentes elétricos, define o tamanho do reator, e paralelamente quantos milihenrys são necessários para a tensão nominal de trabalho.

Em seguida, defina a Potência de desconexão RS, valor que é comparado com a potência ativa fornecida pela distribuidora.

O software simula a presença de um medidor de energia posicionado no ponto de entrega (alimentação à qual o reator shunt está conectado eletricamente), cuja lógica de funcionamento ativa ou desativa o usuário.

Para desabilitar o reator shunt, insira um valor zero; esta é a única forma de “congelar” o usuário e desativá-lo completamente. Entre os dados está também a Histerese de potência RS, cujo efeito só é visto a nível gráfico na representação da Curva de Capability.

Nota. Os usuários do tipo Reator Shunt são destacados em malha com o símbolo da Curva de Capability, que ajuda a identificar sua funcionalidade específica. Deve-se sublinhar que estes usuários só podem ser ativados ou desativados pelo software; o projetista deve impor um limite zero para nunca conectar os reatores à rede.

Além disso, lembramos que a modalidade de trabalho que considera os elementos da rede deve estar ativa, o que é fundamental para ativar todas as funcionalidades avançadas dedicadas ao estudo dos sistemas eólicos e fotovoltaicos fornecidos pelo Ampère Evolution (ver a aba Elementos da Rede da janela Propriedades).

Geradores eólicos

O software permite a criação de três tipos de geradores eólicos tendo como modelo elétrico as definições reportadas na norma CEI EN 60909-0. Os modelos permitem o cálculo das correntes de curto-circuito de geradores assíncronos, assíncronos com alimentação doubly fed, e geradores com conversores full size.

Para geradores doubly fed os valores de corrente referem-se aos terminais a montante do transformador, pois o gerador e o transformador são considerados uma única unidade.

Da mesma forma, para o gerador com conversor full size, os valores devem ser entendidos a montante do conversor.

Os geradores doubly fed e com converso full size permitem o ajuste da potência reativa e o suporte de correntes de falta, conforme frequentemente exigido pelas normas de ligação à rede elétrica. Os fatores de correção KT não são aplicados aos geradores eólicos.

Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução

Eólico assíncrono

A impedância ZG do gerador assíncrono é calcula com a fórmula:

Onde

  •     UrG é a tensão nominal do gerador;
  •      SrG é a potência aparente do gerador;
  •    ILR/IrG é a razão entre a corrente do rotor bloqueado e a corrente nominal do gerador.

O software permite atribuir RG com base no XG, e caso essa informação não seja conhecida, sim aplique RG/XG = 0,1.

Eólico doubly fed

A impedância total de sequência direta ZWD de uma estação com gerador eólico assíncrono com alimentação doubly fed é calculada com a fórmula:

Onde

  • UrTHV é a tensão nominal do primário do transformador;
  • kWD é o fator de cálculo da corrente de pico, fornecido pelo fabricante e referente ao lado primário da unidade;
  • iWDmax é corrente máxima de curto-circuito trifásico.

Se o kWD não for conhecido, pode utilizar o valor kWD = 1,7.

O software permite atribuir RWD como uma função de XWD e, se esta informação não for conhecida, aplica-se RWD/XWD = 0,1.

Eólico conversor full size

A impedância depende do tipo de conversor, e para o software presume-se que seja a mesma utilizada para sistemas de armazenamento. Então a fórmula é a que está ao lado:

O suporte da corrente de falta deve ser habilitado nos parâmetros do gerador na caixa de diálogo Propriedades do usuário.

Composição do sistema fotovoltaico

Ampère Evolution disponibiliza o dimensionamento guiado do Sistema Fotovoltaico na aba Ferramentas da barra de comandos para criação de um sistema fotovoltaico, definindo a composição do campo de módulos fotovoltaicos, inversores e cabos de conexão.

Para iniciar o comando de composição do sistema fotovoltaico, é necessário escolher um usuário de distribuição ao qual conectar o sistema.

A interface é composta por três páginas que devem ser preenchidas sequencialmente:

  • Componentes: definição da potência a ser instalada, escolha do módulo fotovoltaico e busca automática de inversores;
  • Verificações: reporta o resultado das verificações de coerência elétrica na configuração definida do sistema;
  • Cabos: definição de cabos e seções de conexão do sistema fotovoltaico em CC e CA.

Para mais detalhes, consulte o guia de referência Ampère no capítulo “Redes com sistemas fotovoltaicos”.

Nota. A função “Composição do sistema Fotovoltaico” não realiza cálculos de produtividade.

Imagem: Electro Graphics/Reprodução
Imagem: Electro Graphics/Reprodução

As opiniões e informações expressas são de exclusiva responsabilidade do autor e não obrigatoriamente representam a posição oficial do Canal Solar.

Imagem de Electro Graphics
Electro Graphics
Fundada em 1990, Electro Graphics desenvolve softwares para projetos de engenharia elétrica, fotovoltaica e automação industrial.

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