Impactos da geração distribuída na estabilidade a grandes perturbações em sistemas de geração e transmissão de energia elétrica

Abstract

Resumo: Esta dissertação apresenta um estudo dos possíveis impactos da inserção de geração distribuída (GD) baseada em geradores síncronos na estabilidade transitória angular de sistemas de geração e transmissão. Para a realização deste estudo é proposta uma metodologia de análise baseada em índices numéricos normalizados e gráficos em escala de cores através dos quais se pretende avaliar simultaneamente, de forma clara e objetiva, um conjunto elevado de resultados numéricos oriundos de um universo pré-determinado de respostas transitórias no domíinio do tempo. Estesresultados numéricos são obtidos através da solução de um conjunto de equações algébrico-diferenciais que descrevem o comportamento dinâmico do sistema elétrico de potência, sendo utilizados para tal os softwares ANAREDE e ANATEM, ambos desenvolvidos pelo CEPEL/Eletrobras. Por meio destes softwares são geradas as respostas numéricas das variáveis de interesse do sistema frente à aplicação de grandes perturbações (eventos). Para cada uma das perturbações simuladas é observado o comportamento do ângulo do rotor de cada grupo de geradores de grande porte, ligados aos sistemas de geração e transmissão, por um período aproximado de 10segundos. A partir desta gama de resultados são extraídos quatro índices de desempenho, através dos quais são avaliados diferentes aspectos do comportamento transitório do sistema elétrico de potência: o Máximo Desvio Angular absoluto do rotor em relação ao Centro de Inércia do sistema (índice MDACI), o Máximo Desvio Angular absoluto do ângulo do rotor em relação ao ponto de equilíbrio pré-falta Individual de cada gerador de grande porte (índice MDAID), a Integral do erro absoluto entre oângulo do rotor no tempo e seu valor em regime permanente pós-falta (índice ITAE-ts)e o Tempo Crítico de abertura dos dispositivos de proteção do sistema de transmiss ao (índice TC). Os valores dos índices de desempenho são por fim expostos de maneira a mapear, usando uma escala de cores, os resultados de cada centro de geração para cada contingência (perturbação) considerada. A metodologia proposta é então aplicada na avaliação dos possíveis impactos da inserção de GD sobre um sistema de geração e transmissão. Para isto, é utilizado como sistema-teste uma parte do sistema de geração e transmissão brasileiro referente a Região Sul, contendo 33 barras, 7 centros de geração, 9 centros de carga e 26 linhas de transmissão. Para a GD inserida junto a rede de distribuição é utilizado um modelo de gerador síncrono de pólos lisosacoplado a uma turbina a vapor. São considerados conjuntos de testes distintos considerando diferentes níveis de penetração e diferentes locais para a inserção de GD. Os resultados expostos em mapas de cores e seus índices normalizados permitiram umarápida identificação dos centros de geração mais afetados positiva e negativamente com a inserção de GD. O índice ITAE-ts mostrou-se o mais sensível entre todos os índices utilizados, sendo que a inserção de GD afetou, em geral, positivamente os resultados deste índice sugerindo uma melhora na atenuação de oscilações transitórias. A metodologia proposta se mostrou promissora, podendo facilmente ser utilizada pelas concessionárias de energia elétrica para estudos de planejamento e operação do sistema.

Abstract: This dissertation presents a study of the possible impacts of the inclusion of distributed generation (DG) based on synchronous generators at transient stability of power generation and transmission systems. For this study we propose an analysis methodology based on standard numerical indices and graphics in color scale by which it intends to simultaneously evaluate, clearly and objectively, a large set of numerical results from a predetermined universe of time domain transient responses. These numerical results are obtained by solving a set of differential-algebraic equations that describes the dynamic behavior of electric power system. ANAREDE and ANATEM softwares are used in this solution, both developed by CEPEL / Eletrobr 'as. These softwares generates numerical responses for the interest variables of the system by application of large disturbances (events). For each disturbance simulated we observe the behavior of rotor angle of each large generators set for approximately 10 seconds. From this range of results four performance indices are extracted, evaluating different aspects of the electric power system transient behavior: the Maximum Absolute rotor Angle Deviation relative to the system center of inertia (MDACI index), the Maximum Absolute rotor Angle Deviation relative to the Individual equilibrium point of each large generator before fault(MDAID index), the Integral time-multiplied Absolute Error of rotor angle relative to its value in steady state after fault (ITAE-ts index) and the Critical clearing Time for the transmission system protective devices (TC index). The performance indices values are finally exposed in a map using a color scales, using each generation center results for each considered contingency (disturbance). The proposed methodology is used to evaluate the possible impacts of DG inclusion over a generation and transmission system. Testing the metodology, a part of the generation and transmission system related to the Brazilian South Region is used, containing 33 buses, 7 generation centers, 9 load centers and 26 transmission lines. A model of flat pole synchronous generator connected to a steam turbine is used as DG inserted along the distribution system. Different sets of tests, considering different penetration levels and different locations for DG insertion are simulated. The results shown in color maps and their normalized indices allowed rapid identification of DG inserting most affected generation centers, both positively and negatively. The ITAE-ts index was found to be the most sensitive of all indices, where DG insertion in general positively affected the results of the index suggesting improvement in transient oscillations attenuation. The proposed methodology is promising and can easily be used by electric utilities for planning and system operation studies.