HarmZs – Estudos de Comportamento Harmônico e Análise Modal de Redes Elétricas
Telas de Abertura e do Menu Principal do Programa HarmZs
Equipamentos e cargas não lineares podem provocar problemas relacionados à qualidade de energia e estão cada vez mais presentes no Sistema Interligado Nacional (SIN), com destaque para as fontes renováveis de energia eólica e solar fotovoltaica. Apesar de seu papel fundamental para o suprimento de energia, esses equipamentos podem contribuir para as distorções harmônicas de tensão no SIN.
Idealmente, as formas de ondas de tensão que alimentam os componentes do sistema devem ser senoides puras (ver Figura 1 (a)). Os harmônicos, provenientes de uma forma de onda distorcida (ver Figura 1 (b)), aumentam as perdas, modificam o comportamento desejado da operação e reduzem a vida útil dos componentes elétricos (projetados para operar com tensão senoidal) alimentados pelo sistema.
Figura 1 – Fomas de onda senoidais: (a) pura e (b) distorcida por harmônicos
Para reduzir estes problemas, existem limites toleráveis estabelecidos nos Procedimentos de Rede (PR) [1] pelo Operador Nacional do Sistema (ONS) para as distorções harmônicas de tensão no Ponto de Acoplamento Comum (PAC) entre uma nova instalação (novo acessante) e o SIN. Quando os limites são ultrapassados, há necessidade de introduzir uma solução de filtragem destes harmônicos, que pode ser realizada utilizando-se filtros passivos ou ativos.
O programa HarmZs é indicado pelo ONS como ferramenta de execução dos estudos de avaliação do impacto harmônico destas novas conexões. Estes estudos, que devem seguir os PR, exigem que o usuário realize um grande número de tarefas repetitivas, tanto para carregar/alterar os dados dos casos base (seja para a leitura dos dados dos diversos níveis de carregamento e topologias, seja para a consideração de contingências), utilizando as interfaces gráficas de entrada, quanto para exportação e armazenamento de resultados (gráficos e tabelas), utilizando as interfaces gráficas de saída.
Na Tabela 1 é apresentada a dimensão de um estudo típico de acesso de um Complexo Eólico à Rede Básica do SIN. A partir dela, pode-se ter uma ideia da dificuldade que se teria para executar este estudo sem as ferramentas adequadas para lidar com esta quantidade enorme de informações.
Tabela 1: Dimensões de um estudo típico de acesso à Rede Básica
O HarmZs possui uma série de métodos, ferramentas e facilidades necessárias para atender plenamente às necessidades dos agentes, destacando-se a leitura da base de dados dos programas ANAREDE (fluxo de potência) e ANATEM (estabilidade eletromecânica), a linguagem “batch” [2], o processamento em modo TURBO [3], o método para seleção automática de contingências [4] e as interfaces gráficas de traçados de Lugares Geométricos (LGs) de admitâncias [5], na forma de setores circulares e polígonos de “n” lados. Todas estas funcionalidades encontram-se completamente integradas, tornando a execução desses estudos uma tarefa bem menos custosa.
A leitura dos arquivos de entrada dos programas ANAREDE e ANATEM (Figura 2) objetiva o aproveitamento de dados de componentes de rede como elementos “shunts”, linhas de transmissão, transformadores, cargas e máquinas do sistema (resistências de armadura e reatâncias subtransitórias).
Figura 2 – Interface para importar as bases de dados dos programas ANAREDE e ANATEM
Além disto, estudos de comportamento harmônico, como os de acesso, que envolvem diversos horizontes, níveis e modelos de carga e contingências, podem ser agilizados e automatizados utilizando-se a ferramenta “batch” disponível no programa.
Com a ferramenta “batch”, é possível obter todas as impedâncias (admitâncias) harmônicas vistas do PAC para todos os casos base e suas respectivas contingências. Numa fase seguinte, estas impedâncias (admitâncias) serão utilizadas para alimentar as duas interfaces gráficas de traçados de LGs. Cabe lembrar que os PR indicam que deve ser avaliada a perda de cada um dos elementos até a terceira vizinhança elétrica do PAC, o que leva, na maioria das vezes, a um número muito grande de contingências.
A seleção destas contingências e sua inclusão no arquivo “batch” é, se feita manualmente, uma tarefa bastante trabalhosa. Este trabalho é minimizado no programa HarmZs através da ferramenta de seleção automática das contingências até uma vizinhança especificada a partir de uma barra piloto, como apresentado na Figura 3 (a). Essa ferramenta é baseada no conceito de vizinhanças elétricas [6].
Figura 3 – Interface que automatiza a seleção de contingências (a) e a geração do respectivo arquivo “batch” (b)
A execução de todos estes casos, definidos no arquivo “batch” (Figura 3 (b)), é feita utilizando-se um método de alto desempenho computacional denominado de Método Turbo ou de Ferramenta Turbo. Este método calcula todas as impedâncias harmônicas vistas do PAC das redes contingenciadas do SIN em função da impedância da rede íntegra, reduzindo, enormemente, o tempo de processamento. Conforme o exemplo indicado na Tabela 1, a redução do tempo de processamento foi de 9 vezes, ou seja, caiu de 6h14min para 41 min.
Após o processamento do arquivo “batch”, um arquivo de extensão PRX será criado contendo todas as impedâncias harmônicas de todos os casos base e de suas contingências, para todas as frequências harmônicas de interesse (do 2° ao 50° harmônico, com passo de 6 Hz). Este arquivo PRX alimentará duas interfaces gráficas para realizar os traçados dos LGs de admitâncias e o cálculo das distorções harmônicas de tensão individuais e total.
Na interface apresentada na Figura 4, os LGs são traçados individualmente por frequência. A vantagem desta interface é o usuário ter uma liberdade maior para escolher a faixa de frequências que deseja utilizar para cada LG.
Figura 4 – Interface gráfica para traçados de LGs individuais
Na interface apresentada na Figura 5, os LGs de todas as frequências são traçados de uma só vez de forma bastante automatizada, bem como são calculadas as distorções harmônicas totais para os setores e para os polígonos.
Ambas as interfaces são amigáveis e flexíveis.
Figura 5 – Interface gráfica para traçados de múltiplos LGs
Na Figura 6, são apresentados os traçados de setores e de polígonos para as frequências de 300 (a) e 360 (b) Hz. Estes traçados devem fazer parte dos relatórios exigidos pelo ONS para que o empreendimento possa entrar em operação.
Figura 6 – Traçado sobreposto do polígono e do setor circular para as frequências de 300 (a) e 360 Hz (b)
Além dos estudos de acesso, o HarmZs também pode ser utilizado para realizar a análise modal de redes elétricas. Esta análise propicia a obtenção de um conjunto de informações estruturais sobre o sistema que é difícil de ser obtido por outros métodos convencionais, como a simulação no tempo ou resposta em frequência. Estas informações compreendem os polos (frequências de ressonância paralela), zeros (frequências de ressonância série) e as sensibilidades destes polos (Figura 7) e zeros em relação aos elementos do sistema. Estas sensibilidades podem ser efetivamente utilizadas em soluções não convencionais de mitigação de distorções harmônicas, indicando quais elementos e quais alterações nos valores de seus parâmetros devem ser realizadas. Em geral, os elementos da rede elétrica mais fáceis de modificar seus parâmetros e que apresentam valores significativos de sensibilidades são os bancos de capacitores. Exemplos destas soluções, utilizando sensibilidades de polos e zeros em relação aos bancos de capacitores da rede elétrica, estão detalhadamente descritas em [7] e [8], respectivamente.
Figura 7 – Sensibilidades de um polo em relação às capacitâncias da rede
Finalmente, cabe destacar que o programa HarmZs é utilizado por instituições de ensino para o desenvolvimento de trabalhos de conclusão de curso, dissertações de mestrado e teses de doutorado sobre as metodologias implementadas no programa.
Bibliografia
[1] Instruções para Realização de Estudos e Medições de QEE Relacionados aos Novos Acessos à Rede Básica para Parques Eólicos, Solares e Consumidores Livres – REV.01 – ONS – Operador Nacional do Sistema – www.ons.org.br, abril de 2016.
[2] Cristiano de Oliveira Costa, Sergio Luis Varricchio e Franklin Clement Véliz, “Automatização Computacional de Estudos de Comportamento Harmônico”, XI SEPOPE – Simpósio de Especialistas em Planejamento da Operação e Expansão Elétrica, Belém, PA, Brasil, 16 a 20 de março de 2009.
[3] Sergio Luis Varricchio, Cristiano de Oliveira Costa e Franklin Clement Véliz, “Método de Alto Desempenho Computacional para Estudos de Impacto Harmônico de Novos Acessantes à Rede Básica”, XXIII SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 18 a 21 de outubro de 2015.
[4] Cristiano de Oliveira Costa, Sergio Luis Varricchio, Franklin Clement Véliz, “Métodos e Ferramentas para Aumento da Eficiência Computacional, Automatização de Procedimentos e Visualização de Resultados em Estudos de Comportamento Harmônico”, XXV SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 10 a 13 de novembro de 2019.
[5] Cristiano de Oliveira Costa, Sergio Luis Varricchio, Franklin Clement Véliz e Fabiano Andrade de Oliveira, “Desenvolvimento de Funcionalidades Computacionais para Atendimento dos Novos Procedimentos de Rede para Estudos de Desempenho Harmônico”, XXIV SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Curitiba, PR, Brasil, 22 a 25 de outubro de 2017.
[6] Cristiano de Oliveira Costa, Franklin Clement Véliz, Sergio Luis Varricchio, Sergio Gomes Junior e Glauco Nery Taranto, “Análises de Resposta em Frequência e de Vizinhanças Elétricas para Determinação de Modelos Reduzidos de Redes para Estudos de Transitórios Eletromagnéticos”, XIII SEPOPE – Simpósio de Especialistas em Planejamento da Operação e Expansão Elétrica, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 18 a 21 de maio de 2014.
[7] Sergio Luis Varricchio and Sergio Gomes Jr., “Electrical Network Dynamic Models with Application to Modal Analysis of Harmonics”, Electric Power Systems Research, v. 154, p. 433-443, 2018.
[8] Sergio Luis Varricchio, Nelson Martins, and L. T. G. Lima, “A Newton-Raphson Method Based on Eigenvalue Sensitivities to Improve Harmonic Voltage Performance”, IEEE Transactions on Power Delivery, v.18, pp. 334 – 342, 2003.
