AAnnáálliissee ddee SSiisstteemmaass ddee PPoottêênncciiaa
Profª. Carmen Lucia Tancredo Borges
Edição: Prof. Sergio Sami H...
PROGRAMA
1. Modelos de Redes de Potência em Regime Permanente
1.1.Modelos dos Componentes de Redes.
1.2.Equações nodais.
1...
Índice
Capítulo 1 – Modelo dos Componentes de um Sistema Elétrico de Potência......................................... 5
1...
Análise de Sistemas de Potência
2
2.8.2 – Obtenção da diferença entre duas colunas da matriz impedância de barra.............
Análise de Sistemas de Potência
3
3.6.4.1 – Artifício da compensação ........................................................
Análise de Sistemas de Potência
4
4.12 – Estudo de estabilidade multi-máquinas ..............................................
Análise de Sistemas de Potência
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Capítulo 1
Modelo dos Componentes de um Sistema Elétrico de Potência
1.1 – Elementos de ...
Análise de Sistemas de Potência
6
Da Figura 1.2 pode-se tirar as seguintes equações:
Ljrz ×+= ω
RS II && = , (1.1)
RRS IzV...
Análise de Sistemas de Potência
7
SS
S
S
V IbVd
dI
bV
R
&&
&
&
& ×−×==δ ,
SS
S
S
I VcIa
Ic
Va
R
&&
&
&
& ×−×==δ .
Substitu...
Análise de Sistemas de Potência
8
1.3 – Modelo do transformador
1.3.1 – Transformador monofásico de dois enrolamentos
A Fi...
Análise de Sistemas de Potência
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1.3.2 – Transformador monofásico de três enrolamentos
A Figura 1.8 mostra o esquema de u...
Análise de Sistemas de Potência
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Solução:
Na base de 30 MVA e 132 kV vem:
08,0)08,009,015,0(5,0)(5,0 =−+×=−+×= STPTPSP x...
Análise de Sistemas de Potência
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Outro método de solução: O potencial do ponto M é:
2IxVV SSM
&&& ×+= ,
04,003,136,203,1...
Análise de Sistemas de Potência
12
A Figura 1.11 mostra que as tensões ANV& , BNV& , CNV& do lado Y estão em fase com as t...
Análise de Sistemas de Potência
13
tV
V
j
i 1
=
&
&
, ij VtV && ×= .
)()( kikjk VVtyVVyI &&&&& −××=−×= ,
kik VyVytI &&& ×−...
Análise de Sistemas de Potência
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1.4 – Modelo do gerador
A Figura 1.17 mostra o modelo do gerador síncrono de rotor cilí...
Análise de Sistemas de Potência
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1.5.3 – Representação da carga para estudo de curto-circuito
Cargas estáticas e pequena...
Análise de Sistemas de Potência
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Capítulo 2
Equações da Rede Elétrica em Regime Permanente
2.1 – Objetivo
Determinação d...
Análise de Sistemas de Potência
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2.3.2 – Equações nodais da rede quando modelada por admitâncias
Seja o sistema da Figur...
Análise de Sistemas de Potência
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Figura 2.4 – Diagrama unifilar do sistema exemplo com admitâncias
11
1
11
1
1
tg zz
E
z...
Análise de Sistemas de Potência
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2.3.3 – Características de YBARRA
1) Simétrica;
2) Complexa;
3) Quadrada de dimensão n,...
Análise de Sistemas de Potência
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Figura 2.6 – Diagrama unifilar de impedâncias do circuito da Figura 2.5
A Figura 2.7 mo...
Análise de Sistemas de Potência
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2,1902,1
25,1
05,1 0
0
1 j
jzz
E
I
tg
a
−=−∠=
∠
=
+
=
&
& ,
96,072,087,1262,1
25,1
7,36...
Análise de Sistemas de Potência
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2.3.5.1 – Elementos de YBARRA
Seja a equação que descreve o circuito da Figura 2.8 pela...
Análise de Sistemas de Potência
23
Ensaio de circuito aberto na barra 1 da Figura 2.8: fontes de corrente inoperantes ou m...
Análise de Sistemas de Potência
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Figura 2.9 – Equivalente de Thèvenin por elemento de BARRAZ
Solução:
0
0
44
4
03,783163...
Análise de Sistemas de Potência
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2.4 – Redução da rede
2.4.1 – Objetivo
As matrizes impedância de barra e admitância de ...
Análise de Sistemas de Potência
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⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
×
−
×
−
×
−
×
−
=
33
3223
22
33
3123
21
33
3213
12
33
3113
11
Y...
Análise de Sistemas de Potência
27
VYI BARRA
&& ×=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−
−
=
0,180,80,50,5
0,85,145,20,4
0,55,23,8...
Análise de Sistemas de Potência
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Figura 2.12 – Circuito equivalente após a eliminação das barras, sem fonte, 4 e 3
Para ...
Análise de Sistemas de Potência
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Potência injetada na linha a partir da barra 1:
)37,183460,0()73,1642,1( 00*
12112 ∠×−∠...
Análise de Sistemas de Potência
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b) Eliminação da variável pivotada 3V& nas demais equações.
Basta fazer a operação assi...
Análise de Sistemas de Potência
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39,1
0,18
0,50,5
0,0'' 2112 j
j
jj
YY =
−
×
−== ,
22,6
0,18
0,80,5
0,4'' 3113 j
j
jj
jY...
Análise de Sistemas de Potência
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2.4.3 – Equivalentes de rede
Usa-se o equivalente de rede para substituir parte de um c...
Análise de Sistemas de Potência
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⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
×⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
lk
ji
klm
mij
kl
ij
VV
VV
yy
yy
I
I
&&
&&
&
&...
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34
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
×⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
34
12
43
21
25,015,0
15,025,0
I
I
jj
jj
VV
VV...
Análise de Sistemas de Potência
35
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
++−=−−=−=
−=−+
−=+−
=
75,375,35,120,575,325,65,275,325,65,2
75,325,...
Análise de Sistemas de Potência
36
Figura 2.21 - Sistema a ser modificado
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
nnnn
n
n
ORIGINAL
ZZZ
...
Análise de Sistemas de Potência
37
2.7.1.2 – O elemento é ligado entre a barra nova p e a barra existente k
Modificação da...
Análise de Sistemas de Potência
38
1) O elemento novo é incluído entre uma barra k existente e uma barra nova (n+1) fictíc...
Análise de Sistemas de Potência
39
Figura 2.27 - Procedimento para a inclusão de um elemento entre barras existentes
Etapa...
Análise de Sistemas de Potência
40
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+×
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+−−+−−
−
−
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
3
32
1
2112...
Análise de Sistemas de Potência
41
Elemento 3 ligado entre a barra 1 existente e a barra nova 2. Caso 2.4.7.2.
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢...
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42
Aplicando-se a redução de Kron na barra 4 vem:
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
1188,01141,01014,0...
Análise de Sistemas de Potência
43
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
×
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢...
Análise de Sistemas de Potência
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)54()44()45()44( BARRABARRABARRABARRA ZZZZ −=− , logo só é preciso calcular a coluna 4 ...
Análise de Sistemas de Potência
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Capítulo 3
Fluxo de Potência
3.1 – Introdução
É o mais freqüente estudo feito nos siste...
Análise de Sistemas de Potência
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3.1.6 – Aplicações
a) Ferramenta para análise da adequação de uma topologia do sistema ...
Apostila completa analise_de_sistemas_de_potencia
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  1. 1. AAnnáálliissee ddee SSiisstteemmaass ddee PPoottêênncciiaa Profª. Carmen Lucia Tancredo Borges Edição: Prof. Sergio Sami Hazan Leonardo Ney de A. Guerra EE - UFRJ Departamento de Eletrotécnica Março 2005
  2. 2. PROGRAMA 1. Modelos de Redes de Potência em Regime Permanente 1.1.Modelos dos Componentes de Redes. 1.2.Equações nodais. 1.3.Matrizes de admitância e impedância nodal. 1.4.Métodos de modificação e redução dos modelos das redes. 2. Estudos de Fluxo de Potência 2.1.Formulação do problema. 2.2.Métodos de solução: Gauss-Seidel, Newton-Raphson, Desacoplado Rápido e Linearizado. 2.3.Utilização do fluxo de potência: controle do fluxo de potência ativa, controle de tensão, etc. 3. Estudos de Estabilidade 3.1.Tipos de estudos de estabilidade. 3.2.Modelos de geradores e cargas; equações de oscilação. 3.3.Estabilidade em regime permanente: coeficiente de sincronização. 3.4.Estabilidade transitória: critério de áreas iguais; solução numérica da equação de oscilação; introdução ao estudo de sistemas multimáquinas. 4. Programação da Geração 4.1.Operação ótima de geradores ligados a uma barra. 4.2.Programação ótima da geração em sistemas térmicos; fórmula de perdas. 4.3.Introdução à programação ótima de geração em sistemas hidrotérmicos. Bibliografia 1. John J. Grainger e William D. Stevenson, Power System Analysis, Mc Graw-Hill Ed., 1994. 2. W.D. Stevenson Jr., Elements of Power System Analysis, 4th Edition, McGraw-Hill, 1982 [Tradução, 2º edição] (Cap. 7, 8, 9 e 14). 3. O. Elgerd, Electric Energy System Theory: An Introduction, McGraw-Hill, 1971 (Cap. 7, 8 e 12). 4. A. Monticelli, Fluxo de Carga em Redes de Energia Elétrica, Edgar Blucher, 1983 (Cap. 1-6).
  3. 3. Índice Capítulo 1 – Modelo dos Componentes de um Sistema Elétrico de Potência......................................... 5 1.1 – Elementos de um sistema elétrico de potência......................................................................... 5 1.2 – Modelos da linha de transmissão............................................................................................. 5 1.2.1 – Modelo da linha curta (até 80 km)...................................................................................................5 1.2.2 – Modelo de linha média (entre 80 km e 240 km)..............................................................................6 1.2.3 – Modelo da linha longa (acima de 240 km) ......................................................................................7 1.3 – Modelo do transformador ....................................................................................................... 8 1.3.1 – Transformador monofásico de dois enrolamentos...........................................................................8 1.3.2 – Transformador monofásico de três enrolamentos............................................................................9 1.3.3 – Transformador trifásico ou banco de três transformadores monofásicos. ..................................... 11 1.3.4 – Transformador com comutação automática de tape - modelo pi ..................................................12 1.4 – Modelo do gerador ................................................................................................................14 1.5 – Modelo da carga ....................................................................................................................14 1.5.1 – Representação da carga para fluxo de potência.............................................................................14 1.5.2 – Representação da carga para estudo de estabilidade .....................................................................14 1.5.3 – Representação da carga para estudo de curto-circuito................................................................... 15 1.5.4 – Representação da carga pelo modelo ZIP......................................................................................15 Capítulo 2 – Equações da Rede Elétrica em Regime Permanente.........................................................16 2.1 – Objetivo ................................................................................................................................16 2.2 – Tipos de representação ..........................................................................................................16 2.3 –Equações nodais .....................................................................................................................16 2.3.1 – Equivalência de fontes...................................................................................................................16 2.3.2 – Equações nodais da rede quando modelada por admitâncias ........................................................17 2.3.3 – Características de YBARRA ..............................................................................................................19 2.3.4 – Características de ZBARRA...............................................................................................................19 2.3.5 – Interpretação física dos elementos de YBARRA e ZBARRA ................................................................21 2.3.5.1 – Elementos de YBARRA...............................................................................................22 2.3.5.2 – Elementos de ZBARRA ...............................................................................................22 2.4 – Redução da rede ....................................................................................................................25 2.4.1 – Objetivo.........................................................................................................................................25 2.4.2 – Eliminação de barra.......................................................................................................................25 2.4.2.1 – Eliminação da barra onde não existe fonte de corrente.............................................25 2.4.2.2 – Eliminação de barra onde existe fonte de corrente independente ..............................29 2.4.3 – Equivalentes de rede......................................................................................................................32 2.5 – Montagem da matriz YBARRA com elementos acoplados ..........................................................32 2.6 – Modificação da matriz admitância de barra ............................................................................35 2.7 – Montagem e Modificação da matriz impedância de barra .......................................................35 2.7.1 – Modificação direta da matriz impedância de barra........................................................................35 2.7.1.1 – O elemento é ligado entre a barra nova p e a referência ...........................................36 2.7.1.2 – O elemento é ligado entre a barra nova p e a barra existente k .................................37 2.7.1.3 – O elemento é ligado entre a barra existente k e a referência .....................................37 2.7.1.4 – O elemento é ligado entre a barra existente k e a barra existente j............................38 2.7.2 – Montagem direta da matriz impedância de barra...........................................................................40 2.7.3 – Exclusão de um elemento de impedância zb da matriz ZBARRA......................................................42 2.7.4 – Modificação do valor da impedância que liga duas barras............................................................42 2.8 – Obtenção dos elementos da coluna da matriz impedância de barra a partir da matriz admitância de barra..........................................................................................................................................42 2.8.1 – Obtenção de uma coluna da matriz impedância de barra ..............................................................42
  4. 4. Análise de Sistemas de Potência 2 2.8.2 – Obtenção da diferença entre duas colunas da matriz impedância de barra....................................43 Capítulo 3 – Fluxo de Potência ...........................................................................................................45 3.1 – Introdução.............................................................................................................................45 3.1.1 – Dados de entrada ...........................................................................................................................45 3.1.2 – Condição de geração e carga .........................................................................................................45 3.1.2.1 – Geração...................................................................................................................45 3.1.2.2 – Carga ......................................................................................................................45 3.1.3 – Restrições operativas.....................................................................................................................45 3.1.4 – Dispositivos de controle ................................................................................................................45 3.1.5 – Solução da rede..............................................................................................................................45 3.1.6 – Aplicações......................................................................................................................................46 3.1.7 – Modelo da rede..............................................................................................................................46 3.1.8 – Modelo matemático do fluxo de potência......................................................................................46 3.1.9 – Métodos de solução .......................................................................................................................46 3.1.9.1 – Métodos baseados em YBARRA..................................................................................46 3.1.9.2 – Métodos baseados em ZBARRA ..................................................................................47 3.1.9.3 – Método de Newton-Raphson ...................................................................................47 3.1.9.4 – Métodos desacoplados.............................................................................................47 3.1.9.5 – Fluxo de potência linear ..........................................................................................47 3.2 – Formulação do problema de fluxo de potência em variáveis complexas..................................47 3.2.1 – Equações do fluxo de potência em variáveis reais e na forma polar .............................................48 3.2.2 – Conceito de barra flutuante ou swing ou slack..............................................................................51 3.2.3 – Tipos de barras...............................................................................................................................51 3.2.3.1 – Barra flutuante ou swing ou slack ou Vθ .................................................................51 3.2.3.2 – Barra de carga ou PQ ..............................................................................................51 3.2.3.3 – Barra de tensão controlada ou PV............................................................................51 3.2.4 – Sistema de equações do fluxo de potência ....................................................................................51 3.2.4.1 – Subsistema 1 ...........................................................................................................52 3.2.4.2 – Subsistema 2 ...........................................................................................................52 3.3 – Fluxo de Potência pelo Método de Gauss-Seidel ....................................................................53 3.3.1 – Revisão do método de Jacobi ........................................................................................................53 3.3.2 – O método de Gauss-Seidel ............................................................................................................54 3.3.3 – Critério de convergência do método de Gauss-seidel....................................................................55 3.3.4 – Fórmula geral do método de Gauss-Seidel aplicado ao fluxo de potência....................................55 3.3.5 – Melhoria do método de Gauss-Seidel............................................................................................55 3.3.6 – Tratamento no caso de existir barra PV.........................................................................................55 3.4 – Fluxo de potência pelo Método de Newton-Raphson..............................................................58 3.4.1 – Revisão do método no caso monovariável, f(x) = 0 ......................................................................58 3.4.2 – Revisão do método no caso multivariável, F(x) = [0] ...................................................................59 3.4.3 – Aplicação do método de Newton-Raphson na solução do fluxo de potência................................59 3.4.4 – Matriz jacobiana geral ...................................................................................................................60 3.4.5 – Matriz Jacobiana aplicada à solução do fluxo de potência............................................................60 3.4.6 – Algoritmo da Solução do Fluxo de Potência pelo Método de Newton-Raphson: .........................61 3.4.7 – Elementos das submatrizes H, N, M, L do Jacobiano ...................................................................63 3.4.8 – Estrutura do jacobiano...................................................................................................................63 3.5 – Expressões do fluxo de potência ativa e reativa nos diversos ramos e shunts..........................67 3.5.1 – Linha de transmissão média ou longa............................................................................................67 3.5.2 – Linha de transmissão curta ............................................................................................................69 3.5.3 – Transformador ...............................................................................................................................70 3.5.4 – Elementos shunt.............................................................................................................................71 3.6 – Fluxo de potência pelo Método Desacoplado Rápido .............................................................76 3.6.1 – Fluxo de potência pelo Método de Newton desacoplado ..............................................................76 3.6.2 – Considerações sobre as matrizes H e L do método de Newton desacoplado.................................76 3.6.3 – Formulação final do método Desacoplado Rápido........................................................................77 3.6.4 – Artifícios matemáticos para melhorar o desempenho do método desacoplado rápido na presença de ramos com elevada relação r/x..............................................................................................................83
  5. 5. Análise de Sistemas de Potência 3 3.6.4.1 – Artifício da compensação ........................................................................................83 3.6.4.1.1 – Compensação série...........................................................................................83 3.6.4.1.2 – Compensação paralela......................................................................................83 3.6.4.2 – Método BX de van Amerongen................................................................................83 3.6.4.3 – Esquema iterativo flexível.......................................................................................83 3.7 – Fluxo de potência linearizado ou fluxo de potência DC..........................................................84 3.7.1 – Simplificações propostas ...............................................................................................................84 3.7.2 – Desprezando as perdas do sistema.................................................................................................84 3.7.2.1 – Formulação matricial...............................................................................................85 3.7.3 – Considerando as perdas do sistema ...............................................................................................86 3.7.3.1 – Formulação matricial...............................................................................................88 3.7.3.2 – Metodologia de solução...........................................................................................88 3.7.4 – Resumo do método linearizado .....................................................................................................88 3.8 – Utilização do estudo de fluxo de potência. .............................................................................91 3.9 – Controles e Limites ...............................................................................................................94 3.9.1 – Modos de representação ................................................................................................................94 3.9.2 – Ajustes alternados..........................................................................................................................94 3.9.3 – Controle de tensão em barras PV ..................................................................................................95 3.9.4 – Limites de tensão em barras PQ ....................................................................................................95 3.9.5 – Transformadores em-fase com controle automático de tap ...........................................................96 3.9.6 – Transformadores defasadores com controle automático de fase....................................................97 3.9.7 – Controle de intercâmbio entre áreas ..............................................................................................98 3.9.8 – Controle de tensão em barras remotas...........................................................................................99 3.9.9 – Cargas variáveis com a tensão.......................................................................................................99 Capítulo 4 – Estabilidade de Sistemas de Potência ............................................................................100 4.1 – Introdução...........................................................................................................................100 4.2 – Tipos de instabilidade..........................................................................................................100 4.3 – Tipos de perturbação ...........................................................................................................100 4.4 – Tipos de estudos de estabilidade ..........................................................................................100 4.5 – Conceitos básicos da máquina síncrona................................................................................101 4.5.1 – Princípio de funcionamento.........................................................................................................101 4.6 – Dinâmica do rotor da máquina síncrona ...............................................................................102 4.6.1 – Equação de oscilação da máquina síncrona.................................................................................102 4.6.2 – Tipos de estudos ..........................................................................................................................105 4.7 – Equivalente de máquina ou máquina equivalente .................................................................105 4.7.1 – Valor da constante H na base do sistema.....................................................................................105 4.7.2 – Máquinas coerentes .....................................................................................................................105 4.7.3 – Máquinas não coerentes...............................................................................................................106 4.8 – Equação potência-ângulo.....................................................................................................107 4.9 – Conceitos sobre o regime transitório da máquina síncrona ...................................................112 4.10 – Critério das áreas iguais.....................................................................................................113 4.10.1 – Potência elétrica transmitida igual a zero durante o curto......................................................... 113 4.10.2 – Ângulo crítico de eliminação da falta para potência elétrica nula transmitida durante a falta ................................................................................................................................................................. 114 4.10.3 – Tempo crítico de eliminação de falta......................................................................................... 115 4.10.4 – Análise de casos......................................................................................................................... 116 4.10.5 – Ângulo crítico de eliminação da falta com transmissão de potência elétrica diferente de zero durante a falta .......................................................................................................................................... 117 4.11 – Coeficiente de potência sincronizante ................................................................................119 4.11.1 – Análise da equação de oscilação linearizada ............................................................................. 119 4.11.2 – Análise gráfica da potência elétrica para pequenas oscilações ..................................................121
  6. 6. Análise de Sistemas de Potência 4 4.12 – Estudo de estabilidade multi-máquinas ..............................................................................122 4.12.1 – Modelo clássico de estabilidade ................................................................................................122 4.12.2 – Etapas do estudo........................................................................................................................123 4.13 – Fatores que afetam a estabilidade do sistema......................................................................125 Capítulo 5 – Operação Econômica de Sistemas de Potência ..............................................................126 5.1 – Introdução...........................................................................................................................126 5.2 – Características das unidades geradoras.................................................................................126 5.3 – Operação Econômica de Sistemas de Potência - problema da programação da geração .........127 5.3.1 – Sistema térmico ...........................................................................................................................127 5.3.2 – Sistema hidro-térmico..................................................................................................................127 5.4 – Despacho econômico em sistemas térmicos..........................................................................127 5.4.1 – Característica das unidades térmicas convencionais....................................................................127 5.4.2 – Caso particular de 2 geradores sem perda na transmissão...........................................................128 5.4.2.1 – Método dos multiplicadores de Lagrange...............................................................129 5.4.3 – Extensão para o caso de n geradores ...........................................................................................132 5.4.4 – Consideração de limite na capacidade de geração, sem se considerar as perdas na transmissão 132 5.4.5 – Inclusão das perdas na transmissão .............................................................................................137
  7. 7. Análise de Sistemas de Potência 5 Capítulo 1 Modelo dos Componentes de um Sistema Elétrico de Potência 1.1 – Elementos de um sistema elétrico de potência a) Linha de transmissão; b) Transformador de potência; c) Gerador; d) Carga. Existe mais de um modelo para cada um dos elementos listados. Para cada tipo de estudo existe um modelo específico do elemento. Os modelos apresentados a seguir consideram: a) A rede em regime permanente; b) O sistema elétrico simétrico e equilibrado, logo somente componentes de seqüência positiva; c) Valores em por unidade. A Figura 1.1 mostra um pequeno sistema elétrico de potência onde T1 e T2 são transformadores. Figura 1.1 – Sistema elétrico de potência 1.2 – Modelos da linha de transmissão O modelo da linha de transmissão depende do comprimento da mesma. A seguir a modelagem de cada um dos três comprimentos típicos. 1.2.1 – Modelo da linha curta (até 80 km) Neste caso a capacitância da linha, por ser pequena, é desprezada, sendo a linha representada pelos parâmetros série, ou seja, a resistência e a indutância. A Figura 1.2 mostra o modelo da linha curta. Figura 1.2 – Modelo da linha curta G Linha de transmissão T1 T2 Gerador Cargas jω×L SI& RI&r SV& RV&
  8. 8. Análise de Sistemas de Potência 6 Da Figura 1.2 pode-se tirar as seguintes equações: Ljrz ×+= ω RS II && = , (1.1) RRS IzVV &&& ×+= . (1.2) Explicitando-se as variáveis da receptora vem: SR II && = , SSR IzVV &&& ×−= . 1.2.2 – Modelo de linha média (entre 80 km e 240 km) Neste caso considera-se a capacitância da linha concentrada em ambas as extremidades da mesma. A linha é representada pelo modelo pi-nominal, mostrado na Figura 1.3. Figura 1.3 – Modelo da linha de comprimento médio Da Figura 1.3 pode-se tirar as seguintes equações: 1IzVV RS &&& ×+= , RR V y II &&& ×+= 2 1 . Substituindo-se a corrente 1I& na equação acima e agrupando termos vem: RRS IzV y zV &&& ×+×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+= 2 1 . (1.3) SS V y II &&& ×+= 2 1 . Substituindo-se na equação de SI& a corrente 1I& e a tensão SV& e agrupando termos vem: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×+×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+×+×+= RRRRS IzV y z y V y II &&&&& 2 1 22 , RRS I y zV yy zI &&& ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×++× ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×= 2 1 2 2 2 2 . (1.4) Explicitando-se as variáveis da receptora, considere o sistema formado pelas Equações 1.3 e 1.4.: RRS IbVaV &&& ×+×= , RRS IdVcI &&& ×+×= . cbda dc ba ×−×==Δ , SV& 1I& z SI& RI& RV& y/2y/2
  9. 9. Análise de Sistemas de Potência 7 SS S S V IbVd dI bV R && & & & ×−×==δ , SS S S I VcIa Ic Va R && & & & ×−×==δ . Substituindo-se valores vem: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +××−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+ ×−×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+ = ×−× ×−× = y y zz y z y z IzV y z cbda IbVd V SS SS R 42 1 2 1 2 1 2 && && & , SSR IzV y zV &&& ×−×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+= 2 1 . ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +××−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+ × ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ×+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×−×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×+ = ×−× ×−× = y y zz y z y z V yy zI y z cbda VcIa I SS SS R 42 1 2 1 2 2 22 1 2 2 && && & , SSR I y zV yy zI &&& ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×++× ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ×+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ×−= 2 1 2 2 2 2 . Observação: 1=×−× cbda . 1.2.3 – Modelo da linha longa (acima de 240 km) O modelo da linha longa é determinado considerando-se os parâmetros da linha distribuídos, o que resulta em equações diferenciais parciais, as quais são ajustadas a um modelo pi-equivalente, mostrado na Figura 1.4. Figura 1.4 – Modelo da linha longa Os valores dos parâmetros da Figura 1.4 estão mostrados a seguir. l lsenh Zz eequivalent × × ×= γ γ )( 2 )2tanh( l l Yy eequivalent × × ×= γ γ yz×=γ , constante de propagação, lzZ ×= e lyY ×= , onde l é o comprimento da linha. RI& SI& 1I& SV& RV& yequivalente/2 zequivalente yequivalente/2
  10. 10. Análise de Sistemas de Potência 8 1.3 – Modelo do transformador 1.3.1 – Transformador monofásico de dois enrolamentos A Figura 1.5 mostra o modelo completo de um transformador monofásico de dois enrolamentos. Figura 1.5 – Modelo completo do transformador monofásico de dois enrolamentos A Figura 1.6 mostra o modelo completo do transformador monofásico de dois enrolamentos com todos os parâmetros referidos ao primário, onde a grandeza com primo designa grandeza refletida. Figura 1.6 – Modelo completo do transformador com parâmetros referidos ao primário Considerando-se que a corrente de magnetização do transformador é muito menor que a corrente de carga, e também considerando-se que o transformador é um equipamento de rendimento elevado, maior que 98%, pode-se, sem perda de exatidão, desprezar o ramo paralelo e a resistência série do transformador, resultando no modelo da Figura 1.7, onde 21 'xxxeq += . Figura 1.7 – Modelo do transformador monofásico desprezando-se o ramo paralelo e a resistência dos enrolamentos 1I& r1 x1 1V& 2V& 2I&r2 x2 rf xm 1I& r1 x1 1V& 2'V& 2I&r'2 x'2 rf xm 2V& 2I& 1V& 1I& xeq 2'V& 2V&
  11. 11. Análise de Sistemas de Potência 9 1.3.2 – Transformador monofásico de três enrolamentos A Figura 1.8 mostra o esquema de um transformador monofásico de três enrolamentos. Figura 1.8 – Construção do transformador monofásico de três enrolamentos Dos ensaios de curto-circuito tem-se: SPPS xxx '+= , as grandezas base são do enrolamento primário, TPPT xxx '+= , as grandezas base são do enrolamento primário, TSST xxx '+= , as grandezas base são do enrolamento secundário. Referindo-se todos os parâmetros ensaiados a uma mesma base tem-se PSx , PTx , STx e, resolvendo-se o sistema de três equações vem que: )(5,0 STPTPSP xxxx −+×= )(5,0 PTSTPSS xxxx −+×= )(5,0 PSSTPTT xxxx −+×= A Figura 1.9 mostra o circuito equivalente do transformador de três enrolamentos, onde o ponto de encontro dos três enrolamentos é fictício e não tem qualquer relação com o neutro do sistema. Figura 1.9 – Circuito equivalente de um transformador de três enrolamentos Exemplo 1.1. Um transformador trifásico de três enrolamentos com tensões 132/33/6,6 kV tem as seguintes reatâncias em pu, medidas entre enrolamentos e referidas a 30 MVA, 132 kV: 15,0=PSx , 09,0=PTx , 08,0=STx . O enrolamento secundário de 6,6 kV alimenta uma carga balanceada com corrente de 2.000,0 A com fator de potência em atraso de 0,8 e o enrolamento terciário de 33 kV alimenta um reator de 0,50j Ω/fase conectado em estrela. Calcular a tensão no enrolamento primário de 132 kV para que a tensão no enrolamento secundário seja de 6,6 kV. TV& PV& SV& SV& PV& xP xS xT TV& P S T
  12. 12. Análise de Sistemas de Potência 10 Solução: Na base de 30 MVA e 132 kV vem: 08,0)08,009,015,0(5,0)(5,0 =−+×=−+×= STPTPSP xxxx pu, 07,0)09,008,015,0(5,0)(5,0 =−+×=−+×= PTSTPSS xxxx pu, 01,0)15,008,009,0(5,0)(5,0 =−+×=−+×= PSSTPTT xxxx pu. Valores base do enrolamento terciário: VB3 = 33 kV, SB3 = 30 MVA, 3,36/ 3 2 33 == BBB SVZ Ω, 86,524)3( 333 =×= BBB VSI A. Valores base do enrolamento secundário: VB2 = 6,6 kV, SB2 = 30 MVA, 45,1/ 2 2 22 == BBB SVZ Ω, 32,624.2)3( 222 =×= BBB VSI A. Valores base do enrolamento primário: VB1 = 132 kV, SB1 = 30 MVA, 8,580/ 1 2 11 == BBB SVZ Ω, 22,131)3( 111 =×= BBB VSI A. Corrente secundária em pu: I2 = 2.000/IB2 = 2.000/2.624,32 = 0,76 pu. O fator de potência é 0,8 em atraso, 0 2 87,3676,0 −∠=I& e 0 00,1 ∠=SV& . Reatância terciária em pu: x3 = 50,0/36,3 = 1,38 pu. Para se encontrar a solução do exemplo basta agora resolver o circuito equivalente da Figura 1.10 onde todos os valores estão em pu. Figura 1.10 – Circuito equivalente do transformador de três enrolamentos do Exemplo 1.1 Tomando-se as correntes de malha 1I& e 2I& monta-se o seguinte sistema de equações: PVIjjIj &&& =−∠−×++× )87,3676,0()38,101,0(08,0 0 11 , 0)87,3676,0()38,101,0(0,00,187,3676,007,0 1 000 =−−∠×++∠+−∠× Ijjj & . Agrupando termos vem: 0 1 13,5306,147,1 ∠=−× PVIj && , 1 000 39,113,5306,10,00,113,5305,0 Ij &×=∠+∠+∠ . 000 1 93,6136,19039,1/07,2889,1 −∠=∠∠=I& , 00 1 76,413,113,5306,147,1 ∠=∠−×= IjVP && . j1,38 TV& j0,08 j0,07 j0,01 PV& P S T zL 2I& mV& 1I& 3I& SV&
  13. 13. Análise de Sistemas de Potência 11 Outro método de solução: O potencial do ponto M é: 2IxVV SSM &&& ×+= , 04,003,136,203,113,5305,00,187,3676,007,000,1 0000 jjVM +=∠=∠+=−∠×+∠=& . Corrente no enrolamento terciário: 0 0 00 3 63,8774,0 9039,1 37,203,1 38,101,0 36,203,1 −∠= ∠ ∠ = + ∠ = + = jjxx V I LT P & & . A corrente no enrolamento primário é: 000 321 93,6136,120,164,063,8774,087,3676,0 −∠=−=−∠+−∠=+= jIII &&& . Tensão na reatância de dispersão do enrolamento primário: 00 1 07,2811,093,6136,108,0 ∠=−∠×=×= jIxV PXP && . Tensão nos terminais do enrolamento primário: °∠=+=∠+∠=+= 76,413,109,013,137,203,107,2811,0 00 jVVV MXPP &&& , logo a tensão primária deve ser de 4,14913,1132 =× kV. 1.3.3 – Transformador trifásico ou banco de três transformadores monofásicos. A modelagem do transformador trifásico em estudos de curto-circuito é, em geral, diferente da modelagem de três transformadores monofásicos. Na construção do transformador trifásico tipo núcleo envolvido, diferentemente do transformador tipo núcleo envolvente, é suposto que a soma dos fluxos das três fases é instantaneamente nulo, não havendo, portanto caminho de retorno para estes fluxos. Para regime permanente simétrico e equilibrado os modelos são iguais. Atenção deve ser dispensada com relação à defasagem entre as tensões de linha primária e secundária. Sob condições balanceadas não existe corrente de neutro, logo os elementos de circuito que por ventura estão conectados ao neutro não são representados no diagrama de impedâncias. Se o transformador estiver ligado em delta-delta (Δ-Δ) ou estrela-estrela (Y-Y), a modelagem é idêntica ao modelo monofásico. Se o transformador estiver ligado em estrela-delta (Y-Δ) ou delta-estrela (Δ-Y), existe defasagem de 300 entre as tensões terminais primárias e secundárias. A norma brasileira diz que, independentemente do tipo da ligação ser Y-Δ ou Δ-Y, as tensões de linha secundárias devem estar atrasadas de 300 em relação às tensões de linha primárias. A Figura 1.11 mostra um transformador trifásico Y-Δ com relação de transformação monofásica N1:N2. Determinação do ângulo das tensões de linha na ligação Y-Δ, seqüência de fase abc. É suposto que o lado estrela seja o enrolamento primário. Figura 1.11 – Transformador Y-Δ e diagramas fasoriais das tensões terminais abV& bcV& caV& ANV& CNV& BNV& ABV& A B C a b c N N1:N2 N1:N2 N1:N2
  14. 14. Análise de Sistemas de Potência 12 A Figura 1.11 mostra que as tensões ANV& , BNV& , CNV& do lado Y estão em fase com as tensões abV& , bcV& , caV& do lado delta, respectivamente. Relação de transformação monofásica: N1:N2. Relação de transformação das tensões de linha N1 Y-Δ N2; 0 2 0 1 0:303 ∠+∠× NN . Se ANV& está em fase com abV& , 0 303 +∠×= ANAB VV && , 1 2 N N VV ANab ×= && , 0 2 1 30 3 +∠ × ×= N N VV abAB && , 0 1 2 30 3 −∠ × ×= N N VV ABab && . A Figura 1.12 mostra o modelo do transformador em pu escolhendo-se as bases de tensão com a mesma relação de transformação das tensões de linha. Figura 1.12 – Transformador trifásico Y-Δ e seu modelo equivalente em pu Da Figura 1.12 vem: 0 21 30∠=VV && , 2 1 )( 2 )( 1 3 N N V V base base × = , eqx do modelo do transformador trifásico em pu não muda com o tipo de ligação do transformador trifásico, pois esta reatância vem do ensaio em curto. 1.3.4 – Transformador com comutação automática de tape - modelo pi LTC: load tap change ou TCAT: transformador com comutação automática de tape. O tape passa a ser uma variável do modelo. A admitância do modelo pode ser colocada do lado unitário ou do lado do tape. Assume-se que o valor da admitância não varia com a posição do tape. A Figura 1.13 representa um transformador com comutação automática de tape com relação 1:t. A seguir a dedução do modelo equivalente do TCAT a partir da Figura 1.13, que será igualado ao circuito pi da Figura 1.14, onde A, B e C são admitâncias. Figura 1.13 – Diagrama esquemático de um transformador com tape 1:t iV& jV& iI& kI& y jI& kV& 1V& Y-Δ 2V& xeq 2V& 1V&
  15. 15. Análise de Sistemas de Potência 13 tV V j i 1 = & & , ij VtV && ×= . )()( kikjk VVtyVVyI &&&&& −××=−×= , kik VyVytI &&& ×−××= . (1.5) t I I j i = & & , kj II && = , logo ki ItI && ×= . Substituindo-se nesta equação o valor de kI& da Equação 1.5 vem: kii VytVytI &&& ××−××= 2 . (1.6) Figura 1.14 – Modelo pi de um circuito elétrico genérico Equações do modelo pi da Figura 1.14. )(1 ki VVAI &&& −×= , kk VCII &&& ×−= 1 , kkik VCVAVAI &&&& ×−×−×= , kik VCAVAI &&& ×+−×= )( . (1.7) 1IVBI ii &&& +×= , kiii VAVAVBI &&&& ×−×+×= , kii VAVBAI &&& ×−×+= )( . (1.8) Igualando-se as equações (1.5, 1.7) e (1.6, 1.8) vem: Ayt =× , ytCCytyCAy ×−=⇒+×=→+= )1( , yttBytytBAytBBAyt ×−=⇒×−×=→−×=→+=× )( 2222 . O modelo pi do transformador com tape está mostrado na Figura 1.15. Figura 1.15 – Modelo pi do transformador com tape 1:t Se 1=t , ou seja, se o transformador está operando na relação nominal, o circuito equivalente se reduz ao modelo conhecido, como mostrado na Figura 1.16, onde zy 1= . Figura 1.16 – Circuito equivalente do transformador com tape para 1=t 1I& CB A iV& kV& kI& iI& 1I& iI& (1–t)×y(t2 –t)×y t×y iV& kV& kI& SV& y SI& RI& RV&
  16. 16. Análise de Sistemas de Potência 14 1.4 – Modelo do gerador A Figura 1.17 mostra o modelo do gerador síncrono de rotor cilíndrico (pólos lisos). Figura 1.17 – Modelo do gerador de rotor cilíndrico ra = resistência da armadura, XS = reatância síncrona, que é a soma da reatância Xa , devido a reação da armadura e da reatância Xl devido a dispersão. Pode-se desprezar a resistência da armadura nas máquinas em que a resistência da armadura é muito menor que XS. Regime permanente: SX , Regime transitório ou dinâmico: reatância transitória (x'd) ou sub-transitória (x''d). 1.5 – Modelo da carga A representação da carga depende muito do tipo de estudo realizado. A carga pode ser representada por potência constante, corrente constante ou impedância constante. É importante que se conheça a variação das potências ativas e reativas com a variação da tensão. Em uma barra típica a carga é composta de motores de indução (50 a 70%), aquecimento e iluminação (20 a 30%) e motores síncronos (5 a 10%). Embora seja exato considerar as características PV e QV de cada tipo de carga para simulação de fluxo de carga e estabilidade, o tratamento analítico é muito complicado. Para os cálculos envolvidos existem três maneiras de se representar a carga. 1.5.1 – Representação da carga para fluxo de potência A Figura 1.18 mostra a representação da carga como potência ativa e reativa constantes. Figura 1.18 – Representação da carga com potência constante para estudo de fluxo de potência 1.5.2 – Representação da carga para estudo de estabilidade Neste caso a atenção não é com a dinâmica da carga, mas sim com a dinâmica do sistema. Por esta razão a carga é representada por impedância constante como mostra a Figura 1.19. Figura 1.19 – Representação da carga para estudo de estabilidade com impedância constante PL + jQL k z k tV&E& jXSra ∼
  17. 17. Análise de Sistemas de Potência 15 1.5.3 – Representação da carga para estudo de curto-circuito Cargas estáticas e pequenas máquinas são desprezadas. Somente as máquinas de grande porte contribuem para o curto, logo apenas estas máquinas são consideradas. 1.5.4 – Representação da carga pelo modelo ZIP Neste modelo parte da carga é representada por impedância constante, parte da carga é representada por corrente constante e parte da carga é representada por potência constante. Carga = ctectecte PIZ ++ , )min(2 )( alno piz PpVpVpP ×+×+×= , 0,1=++ piz ppp , onde: pz é a parcela da carga representada como Z constante, pi é a parcela da carga representada como I constante, pp é a parcela da carga representada como P constante. )min(2 )( alno piz QqVqVqQ ×+×+×= , 0,1=++ piz qqq , onde: qz é a parcela da carga representada como Z constante, qi é a parcela da carga representada como I constante, qp é a parcela da carga representada como P constante.
  18. 18. Análise de Sistemas de Potência 16 Capítulo 2 Equações da Rede Elétrica em Regime Permanente 2.1 – Objetivo Determinação das matrizes que representam a rede elétrica de corrente alternada em regime permanente senoidal para uso computacional. 2.2 – Tipos de representação a) Modelo com parâmetros de admitância; b) Modelo com parâmetros de impedância. As equações da rede serão extraídas utilizando-se a análise nodal da rede, pois esta apresenta desempenho computacional mais eficiente. 2.3 –Equações nodais 2.3.1 – Equivalência de fontes As fontes da Figura 2.1 são equivalentes se IzE g && ×= , gg zy 1= . Figura 2.1 – Equivalência entre fonte de corrente e fonte de tensão A notação usada no presente texto é: • Letra maiúscula com índice duplo corresponde a um elemento da matriz; • Letra minúscula com índice simples ou duplo corresponde à impedância ou admitância de um elemento do sistema. E& ∼ zg R E D E V& 1I& 1I& R E D E V& zgI& R E D E V&yg I& 1I&
  19. 19. Análise de Sistemas de Potência 17 2.3.2 – Equações nodais da rede quando modelada por admitâncias Seja o sistema da Figura 2.2, onde E3 representa um motor. Figura 2.2 – Sistema exemplo para as equações nodais da rede Utilizando-se o modelo de cada elemento, o sistema fica como mostra a Figura 2.3. Figura 2.3 – Sistema exemplo com os modelos dos elementos da rede A Figura 2.4 mostra o diagrama da rede da Figura 2.3 em que cada fonte de tensão em série com impedância foi transformada em fonte de corrente em paralelo com a admitância e as impedâncias das linhas foram transformadas em admitâncias. 2E& ∼1E& zt1zg1 zg2zt2 ∼ ∼ 3E& z11 z22 z33 zt3 zm3 z13 z12 1 2 3 z23 3 2 T1 T2 ∼ 1E& ∼ 2E& ∼3E& 1 T3
  20. 20. Análise de Sistemas de Potência 18 Figura 2.4 – Diagrama unifilar do sistema exemplo com admitâncias 11 1 11 1 1 tg zz E z E I + == && & , 1111 1 11 tg zzz y + == , 22 2 22 2 2 tg zz E z E I + == && & , 2222 2 11 tg zzz y + == , 33 3 33 3 3 tm zz E z E I + == && & , 3333 3 11 tm zzz y + == , 12 4 1 z y = , 23 5 1 z y = , 13 6 1 z y = . Equações nodais do circuito da Figura 2.4. Barra 1: )()()( 0113162141 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= , Barra 2: )()()( 0221243252 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= , Barra 3: )()()( 0331362353 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= . Barra 0: )()()()( 303202101321 VVyVVyVVyIII &&&&&&&&& −×+−×+−×=−−− . A equação da barra 0 é linearmente dependente das outras três equações. Basta somar as equações das barras 1, 2, 3 para verificar. Agrupando-se termos das equações das barras 1, 2, 3 vem: 362416411 )( VyVyVyyyI &&&& ×−×−×++= , 352542142 )( VyVyyyVyI &&&& ×−×+++×−= , (2.1) 365325163 )( VyyyVyVyI &&&& ×+++×−×−= . Colocando-se as Equações 2.1 na forma matricial, tem-se para a matriz admitância nodal BARRAY : ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++−− −++− −−++ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 65356 55424 64641 3 2 1 V V V yyyyy yyyyy yyyyy I I I & & & & & & . (2.2) A Equação 2.2 é da forma VYI BARRA && ×= , onde: I& é o vetor de injeção de corrente na rede por fontes independentes, V& é o vetor de tensão nas barras em relação à referência e BARRAY é a matriz de admitância de barra ou matriz de admitância nodal. y1 1I& 3I& 2I& y2 y3 y4 y5 y6 0 1 2 3
  21. 21. Análise de Sistemas de Potência 19 2.3.3 – Características de YBARRA 1) Simétrica; 2) Complexa; 3) Quadrada de dimensão n, onde n é o número de barras do sistema sem contar a barra de referência; 4) Esparsa, mais de 95% dos elementos é nulo, o que é uma vantagem; 5) Os elementos da diagonal principal são positivos; 6) Os elementos fora da diagonal principal são negativos; 7) Os elementos da diagonal principal Ykk são o somatório das admitâncias diretamente ligadas à barra k; 8) Os elementos fora da diagonal principal Ykj são o simétrico da soma das admitâncias que ligam as barras k e j. As características 7 e 8 acima permitem a montagem direta da matriz YBARRA por inspeção da rede. Pode-se também escrever a equação VYI BARRA && ×= como IZV BARRA && ×= , onde 1− = BARRABARRA YZ . A matriz ZBARRA é conhecida como matriz de impedância de barra ou matriz de impedância nodal. 2.3.4 – Características de ZBARRA 1) Simétrica; 2) Complexa; 3) Quadrada de dimensão n, onde n é o número de barras do sistema sem contar a barra de referência; 4) Matriz cheia. Exemplo 2.1 Escrever as equações nodais da rede na forma matricial, ou seja, escrever VYI BARRA && ×= que corresponde ao diagrama unifilar da Figura 2.5, sabendo-se que 0 05,1 ∠=aE& , 0 7,365,1 −∠=bE& , 0 05,1 ∠=cE& , zg = j1,15, zt = j0,1, z13 = j0,25, z14 = j0,2, z24 = j0,2, z34 = j0,125, z23 = j0,4 em valores por unidade. Figura 2.5 – Diagrama unifilar do exemplo 2.1 A Figura 2.6 mostra o diagrama unifilar de impedâncias do circuito da Figura 2.5. 2 ∼ aE& 1 ∼ cE& ∼ bE& 4 3
  22. 22. Análise de Sistemas de Potência 20 Figura 2.6 – Diagrama unifilar de impedâncias do circuito da Figura 2.5 A Figura 2.7 mostra o diagrama unifilar de admitâncias onde todas as fontes de tensão foram transformadas em fontes de corrente. A seguir os cálculos para a determinação dos parâmetros do sistema da Figura 2.7 Figura 2.7 – Diagrama unifilar de admitâncias do circuito da Figura 2.5 ∼ 0 7,365,1 −∠=bE& ∼ 0 05,1 ∠=aE& 1 ∼ 0 05,1 ∠=cE& 4 3 2 j1,15+j0,1 j0,2 j1,15+j0,1 j1,15+j0,1 j0,2 j0,125 j0,25 j0,4 y8 = –j5,0 1 4 3 2 0 1 902,1 −∠=I& y5 = –j2,5 y7 = –j8,0 y4 = –j4,0 y1 = –j0,8 y2=–j0,8 y3 = –j0,8 y6 = –j5,0 0 2 87,1262,1 −∠=I& 0 3 902,1 −∠=I& 0
  23. 23. Análise de Sistemas de Potência 21 2,1902,1 25,1 05,1 0 0 1 j jzz E I tg a −=−∠= ∠ = + = & & , 96,072,087,1262,1 25,1 7,365,1 0 0 2 j jzz E I tg b −−=−∠= −∠ = + = & & , 2,1902,1 25,1 05,1 0 0 3 j jzz E I tg c −=−∠= ∠ = + = & & . 8,025,111 jjy −== , 8,025,112 jjy −== , 8,025,113 jjy −== , 0,425,014 jjy −== , 5,24,015 jjy −== , 0,52,016 jjy −== , 0,8125,017 jjy −== , 0,52,018 jjy −== . De acordo com a regra de montagem da matriz BARRAY pode-se escrever: 8,90,50,48,011 jjjjY −=−−−= , 3,80,55,28,022 jjjjY −=−−−= , 3,150,85,20,48,033 jjjjjY −=−−−−= , 0,180,50,80,544 jjjjY −=−−−= , 0,02112 == YY , 0,43113 jYY == , 0,54114 jYY == , 5,23223 jYY == , 0,54224 jYY == , 0,84334 jYY == . O sistema de equações com a matriz admitância de barra fica então: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ −∠ 4 3 2 1 0 0 0 0,180,80,50,5 0,83,155,20,4 0,55,23,80,0 0,50,40,08,9 0,0 902,1 87,1262,1 902,1 V V V V jjjj jjjj jjj jjj & & & & . O cálculo das admitâncias é simples quando as resistências são desprezadas. A diagonal principal é negativa e os elementos fora da diagonal principal são positivos. 2.3.5 – Interpretação física dos elementos de YBARRA e ZBARRA Seja o circuito da Figura 2.8. Figura 2.8 – Interpretação física dos elementos de BARRAY e BARRAZ y1 1I& 3I& 2I& y2 y3 y4 y5 y6 0 1 2 3
  24. 24. Análise de Sistemas de Potência 22 2.3.5.1 – Elementos de YBARRA Seja a equação que descreve o circuito da Figura 2.8 pela matriz admitância de barra: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 333231 232221 131211 3 2 1 V V V YYY YYY YYY I I I & & & & & & . Os elementos da matriz admitância de barra podem ser calculados pelo ensaio em curto-circuito onde: kkY : admitância própria de curto-circuito da barra k, ikY : admitância de transferência de curto-circuito entre as barras i e k. Ensaio de curto-circuito na barra 1 da Figura 2.8: curto-circuito em todas as barras a exceção da barra 1. Tem-se portanto 032 ==VV && . [ ]1 31 21 11 3 2 1 V Y Y Y I I I & & & & × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 01331 01221 01111 32 32 32 == == == =⇒ =⇒ =⇒ VV VV VV VIY VIY VIY && && && && && && . A expressão geral de cada elemento da matriz admitância de barra relaciona o efeito à causa e é: kjVk i ik j V I Y ≠= = ,0& & & . Verificação: ensaio de curto-circuito na barra 1 da Figura 2.8, ou seja, todas as tensões de barra, com exceção da barra 1 são zero. )()()( 3162140111 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= , ⇒×++= 16411 )( VyyyI && 11641 1 1 Yyyy V I =++= & & . )()()( 3251240222 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= , 214 1 2 142 Yy V I VyI =−=⇒×−= & & && . ),()()( 1362350333 VVyVVyVVyI &&&&&&& −×+−×+−×= 316 1 3 163 Yy V I VyI =−=⇒×−= & & && . 2.3.5.2 – Elementos de ZBARRA Seja a equação que descreve o circuito da Figura 2.8 pela matriz impedância de barra: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 333231 232221 131211 3 2 1 I I I ZZZ ZZZ ZZZ V V V & & & & & & . Os elementos da matriz impedância de barra podem ser calculados pelo ensaio em circuito aberto onde: kkZ : impedância própria de circuito aberto da barra k, ikZ : impedância mútua de circuito aberto entre as barras i e k.
  25. 25. Análise de Sistemas de Potência 23 Ensaio de circuito aberto na barra 1 da Figura 2.8: fontes de corrente inoperantes ou mortas em todas as barras com exceção da barra 1. Tem-se portanto 032 == II && . [ ]1 31 21 11 3 2 1 I Z Z Z V V V & & & & × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 01331 01221 01111 32 32 32 == == == =⇒ =⇒ =⇒ II II II IVZ IVZ IVZ && && && && && && . A expressão geral de cada elemento da matriz impedância de barra relaciona o efeito à causa e é: kjIk i ik j I V Z ≠= = ,0& & & . Observações: 1) se a corrente 1I& (corrente injetada na rede durante o ensaio) é de 1 pu, 111 VZ &= , 221 VZ &= , 331 VZ &= , ou seja, os elementos da coluna são numericamente iguais às tensões. 2) Zkk é a impedância equivalente da rede vista entre a barra k e a referência com as demais fontes de corrente inoperantes, ou seja, é a impedância do equivalente de Thèvenin, )(Th kkkk ZZ = . Pelo significado físico dos elementos de YBARRA e ZBARRA evidencia-se que não há reciprocidade entre estes elementos, ou seja, kmkm ZY 1≠ . Exemplo 2.2 Resolva as equações nodais do Exemplo 2.1 para encontrar a matriz impedância de barra pela inversão da matriz admitância de barra. Calcule então as tensões de barra. Solução: Invertendo-se a matriz BARRAY com auxílio da função inv( ) do MATLAB obtém-se: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− − × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 4 3 2 1 0 20,10 96,072,0 20,10 4733,04232,04126,04142,0 4232,04558,03922,04020,0 4126,03922,04872,03706,0 4142,04020,03706,04774,0 V V V V j j j jjjj jjjj jjjj jjjj & & & & . O vetor tensão de barra é encontrado efetuando-se a multiplicação indicada, ou seja: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ −∠ −∠ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 0 0 0 0 4 3 2 1 97,11432,1 36,11434,1 24,14427,1 71,10436,1 2971,04009,1 2824,04059,1 3508,03830,1 2668,04111,1 j j j j V V V V & & & & . Exemplo 2.3 Um capacitor com reatância de 5 pu nas bases do sistema é conectado entre a barra 4 e a referência do circuito da Figura 2.7. Calcular a corrente que passa pelo capacitor e a nova tensão da barra 4. A impedância do capacitor é: 0,5jzC −= pu. Z44 é a impedância equivalente da rede vista da barra 4. 4V& é a tensão da barra 4 antes do capacitor ser colocado. Z44 é obtido invertendo-se a matriz BARRAY . A matriz BARRAZ está mostrada acima, logo Z44 = j0,47 e 4V& , também mostrado acima vale 0 4 97,11432,1 −∠=V& . A Figura 2.9 mostra o circuito de Thèvenin em questão.
  26. 26. Análise de Sistemas de Potência 24 Figura 2.9 – Equivalente de Thèvenin por elemento de BARRAZ Solução: 0 0 44 4 03,783163,0 0,54733,0 97,11432,1 0,5 ∠= − −∠ = − = jjjZ V Icapacitor & & . A nova tensão da barra 4 passa a ser: 00 97,11582,10,503,783163,0 −∠=−×∠ j . Notar que a nova tensão na barra 4 aumentou de valor. Exemplo 2.4 Se uma corrente de 0 03,783163,0 ∠− pu é injetada na barra 4 do exemplo 2.2 (esta é a mesma corrente que passa pelo capacitor) com todas as outras fontes mantidas, encontre as tensões nas barras 1, 2, 3, 4. Notar que não existe capacitor neste exemplo. Considerando-se todas as fontes inoperantes, as tensões nodais somente devidas a esta corrente injetada pode ser calculada a partir da matriz ZBARRA. Basta multiplicar a matriz ZBARRA pelo vetor corrente, ou seja, basta multiplicar a coluna 4 da matriz ZBARRA pela corrente 0 03,783163,0 ∠− . Efetuando-se esta operação vem: 00 4141 97,111309,04142,003,783163,0 −∠=×∠−=×= jIZV && pu, 00 4242 97,111304,04126,003,783163,0 −∠=×∠−=×= jIZV && pu, 00 4343 97,111337,04232,003,783163,0 −∠=×∠−=×= jIZV && pu, 00 4444 97,111496,04733,003,783163,0 −∠=×∠−=×= jIZV && pu. Para se determinar as novas tensões nas barras pode-se utilizar a superposição, adicionando-se as tensões das barras somente devidas às fontes de corrente 1I& , 2I& , 3I& com as tensões das barras devidas à fonte de corrente de 0 03,783163,0 ∠− . 000 1 81,10567,197,111309,071,10436,1 −∠=−∠+−∠=V& pu, 000 2 04,14557,197,111304,024,14427,1 −∠=−∠+−∠=V& pu, 000 3 41,11568,197,111337,036,11434,1 −∠=−∠+−∠=V& pu, 000 4 97,11582,197,111496,097,11432,1 −∠=−∠+−∠=V& pu. Observar que a tensão da barra 4 é a mesma da do exemplo 2.3. capacitorI& 4V& ∼ Z44 –j5,0 0 4
  27. 27. Análise de Sistemas de Potência 25 2.4 – Redução da rede 2.4.1 – Objetivo As matrizes impedância de barra e admitância de barra de um sistema elétrico real são muito grandes, dimensão da ordem de milhares. Nos estudos não é necessário se conhecer a tensão em todas as barras do sistema, logo seguem técnicas para reduzir a dimensão da rede, eliminando-se trechos não prioritários da rede para o estudo em questão. 2.4.2 – Eliminação de barra Seja a rede elétrica representada pela matriz admitância de barra. A eliminação se processa para duas diferentes situações: a) não existe fonte de corrente na barra a ser eliminada, b) existe fonte de corrente na barra a ser eliminada. 2.4.2.1 – Eliminação da barra onde não existe fonte de corrente Particionamento da matriz. Ordenam-se as equações de tal forma que todas as barras sem fonte fiquem juntas e na parte inferior da matriz. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 V V V V V YYY YY I I I I I BB t ABBA ABAA & & & & & & & & & & . Supondo-se 0=BI& , ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ B A BB t AB ABAA B A V V YY YY I I & & & & , BABAAAA VYVYI &&& ×+×= , A t ABBBBBBBA t ABB VYYVVYVYI &&&&& ××−=→=×+×= −1 0 . Substituindo-se o valor de BV& na equação de AI& vem: A t ABBBABAAAA VYYYVYI &&& ×××−×= −1 . Agrupando-se termos vem: ( ) A Y t ABBBABAAA VYYYYI A & 4444 34444 21 & ×××−= −1 , que está na forma AAA VYI && ×= . A ordem da matriz YA neste exemplo é a do número de barras com fonte de corrente. Exemplo 2.5. Eliminação de apenas uma barra do sistema de três barras da Figura 2.8 com 03 =I& . ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 333231 232221 131211 2 1 0 V V V YYY YYY YYY I I & & & & & [ ] [ ]3231 1 33 23 13 2221 1211 YYY Y Y YY YY YA ××⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = − . AI& BI& BV& AV& AI& BI& BV& AV&
  28. 28. Análise de Sistemas de Potência 26 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × − × − × − × − = 33 3223 22 33 3123 21 33 3213 12 33 3113 11 Y YY Y Y YY Y Y YY Y Y YY Y YA . Esta matriz representa um sistema equivalente ao sistema de três barras, agora com dimensão 2×2. Colocando-se de forma escalar tem-se que a eliminação da barra n é: nn njin ijij Y YY YY × −=' , que é chamada de eliminação de Kron. Para maior eficiência computacional deve-se evitar a inversão da matriz YBB. O procedimento é então o de eliminar uma barra por vez, aplicando-se a eliminação de Kron tantas vezes quanto o número de barras a serem eliminadas. A partir de YA pode-se desenhar o circuito equivalente. No exemplo tem-se agora duas barras, mostradas na Figura 2.10 onde os elementos da nova matriz YBARRA 2 × 2 são: 3111 ''' yyY += , 3222 ''' yyY += , 32112 ''' yYY −== . Resolvendo-se o sistema acima determina-se y'1, y'2, y'3. Figura 2.10 – Sistema equivalente ao sistema de três barras Exemplo 2.6 Eliminar as barras 3 e 4 do sistema da Figura 2.11 sabendo-se que estas não têm fonte. Desenhar o circuito equivalente com estes nós eliminados e calcular as potências ativa e reativa injetadas ou absorvidas em cada barra. 0 1 902,1 −∠=I& , 0 2 87,1262,1 −∠=I& . Figura 2.11 – Sistema para a eliminação das barras 3 e 4 1I& y'1 2I& y'2 y'3 0 1 2 1 43 2 1I& y5 = –j2,5 y7=–j8,0 y4 = –j4,0 y1 = –j0,8 y2 = –j0,8 y6 = –j5,0 y8 = –j5,0 2I&
  29. 29. Análise de Sistemas de Potência 27 VYI BARRA && ×= ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − = 0,180,80,50,5 0,85,145,20,4 0,55,23,80,0 0,50,40,08,9 jjjj jjjj jjj jjj YBARRA . Eliminação da barra 4. 41,8 0,18 0,50,5 8,9'11 j j jj jY −= − × −−= , 39,1 0,18 0,50,5 0,0'' 2112 j j jj YY = − × −== , 22,6 0,18 0,80,5 0,4'' 3113 j j jj jYY = − × −== , 91,6 0,18 0,50,5 3,8'22 j j jj jY −= − × −−= , 72,4 0,18 0,80,5 5,2'' 3223 j j jj jYY = − × −== , 94,10 0,18 0,80,8 5,14'33 j j jj jY −= − × −−= . Após a eliminação da barra 4 a matriz YBARRA fica: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = 94,1072,422,6 72,492,639,1 22,639,141,8 ' jjj jjj jjj Y BARRA . Eliminando-se agora a barra 3 vem: 87,4 94,10 22,622,6 41,8'' 11 j j jj jY −= − × −−= , 07,4 94,10 72,422,6 39,1'''' 2112 j j jj jYY = − × −== , 87,4 94,10 72,472,4 91,6'' 22 j j jj jY −= − × −−= . Após a eliminação das barras 4 e 3 a matriz YBARRA fica: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 87,407,4 07,487,4 '' jj jj Y BARRA . A Figura 2.12 mostra o sistema de duas barras, que tem a matriz YBARRA como acima, equivalente ao sistema da Figura 2.11 de quatro barras. 2 431 2 31
  30. 30. Análise de Sistemas de Potência 28 Figura 2.12 – Circuito equivalente após a eliminação das barras, sem fonte, 4 e 3 Para se calcular os valores dos elementos do circuito da Figura 2.12 basta aplicar as regras da construção da matriz YBARRA e resolver o sistema. Tem-se então: 87,4'''''' 31)11( jyyY BARRA −=+= , 87,4'''''' 32)22( jyyY BARRA −=+= , 07,4'''''' 3)21()12( jyYY BARRABARRA =−== . Resolvendo-se o sistema vem: 07,4'' 3 jy −= , 80,007,487,4'''' 21 jjjyy −=+−== . Para se calcular a potência injetada em cada barra, basta calcular primeiramente as tensões nas barras. Tem-se que: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 2 1 2 1 87,407,4 07,487,4 V V jj jj I I & & & & , onde o vetor corrente é conhecido. Utilizando-se o programa MATLAB para inverter a matriz YBARRA com a função inv(YBARRA) vem: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 2 1 2 1 68,057,0 57,068,0 I I jj jj V V & & & & , ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 0 0 2 1 87,1262,1 902,1 68,057,0 57,068,0 jj jj V V & & , ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 0 0 2 1 14,2042,1 73,1642,1 49,034,1 41,036,1 j j V V & & . 000* 111 27,7371,1902,173,1642,1 ∠=∠×−∠=×= IVS &&& , 64,149,01 jS +=& , 000* 222 73,10671,187,1262,114,2042,1 ∠=∠×−∠=×= IVS &&& , 64,149,02 jS +−=& . Perdas na linha de transmissão: 0 21 63,710849,00806,00268,0 ∠=+=− jVV && , 00 21312 37,183460,0)63,710849,0()07,4()('' −∠=∠×−=−×= jVVyI &&& . y''10 1 902,1 −∠=I& 0 2 87,1262,1 −∠=I&y''2 y''3 0 1 2
  31. 31. Análise de Sistemas de Potência 29 Potência injetada na linha a partir da barra 1: )37,183460,0()73,1642,1( 00* 12112 ∠×−∠=×= IVS &&& , 014,049,064,149,0 0 12 jS +=∠=& . Potência injetada na linha a partir da barra 2: )37,1835,0()14,2042,1( 00* 21221 ∠−×−∠=×= IVS &&& , 015,049,022,17849,0 0 21 jS +−=∠=& . 029,02112 jSS =+ && . A potência reativa consumida na linha também pode ser calculada por: 029,007,434,0'' 2 3 2 12 ==yI . Perda reativa na admitância do gerador 1: 621,18,042,1'' 2 1 2 11 =×=×= yVQ . Perda reativa na admitância do gerador 2: 621,18,042,1'' 2 2 2 22 =×=×= yVQ . Perda reativa total: Qtotal = 0,029 + 1,621 + 1,621 = 3,271. Potência total injetada no sistema: 64,149,064,149,021 jjSSStotal +−+=+= &&& , 27,3jStotal =& . 2.4.2.2 – Eliminação de barra onde existe fonte de corrente independente A eliminação de barra onde existe fonte de corrente é semelhante a eliminação de Gauss. Este método também vale quando não existe fonte de corrente na barra eliminada, sendo a fonte de corrente nula um caso particular. A eliminação de Gauss consiste em transformar a matriz do sistema em uma matriz triangular superior. Com isto encontra-se o valor de uma variável e, por substituição todas as demais variáveis. Quando da eliminação de barra com fonte pode ocorrer que uma barra, originalmente sem fonte, fique com fonte. A eliminação de Gauss consiste de duas etapas: a) normalização da primeira equação, b) eliminação da variável pivotada nas outras equações. Seja o sistema VYI BARRA && ×= de dimensão três por três, escrito na forma estendida a seguir. 3232131333 IVYVYVY &&&& =×+×+× , 1212111313 IVYVYVY &&&& =×+×+× , 2222121323 IVYVYVY &&&& =×+×+× . a) Normalização da primeira equação. Dividindo-se a primeira linha por 33Y e mantendo-se as outras linhas inalteradas vem: 33 3 2 33 32 1 33 31 31 Y I V Y Y V Y Y V & &&& =×+×+× , 1212111313 IVYVYVY &&&& =×+×+× , 2222121323 IVYVYVY &&&& =×+×+× .
  32. 32. Análise de Sistemas de Potência 30 b) Eliminação da variável pivotada 3V& nas demais equações. Basta fazer a operação assinalada a seguir, onde o termo primo substitui a linha original. 11322' LYLL ×−= 12333' LYLL ×−= 33 3 2 33 32 1 33 31 31 Y I V Y Y V Y Y V & &&& =×+×+× , 1 33 313 12 33 3213 121 33 3113 113 '0 I Y IY IV Y YY YV Y YY YV & & &&&& = × −=×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × −+×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × −+× , 2 33 323 22 33 3223 221 33 3123 213 '0 I Y IY IV Y YY YV Y YY YV & & &&&& = × −=×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × −+×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × −+× . O sistema ficou então reduzido a: 1212111 ''' IVYVY &&& =×+× , 2222121 ''' IVYVY &&& =×+× . A formação do termo ijY' é a mesma da redução de Kron para a eliminação da barra n, ou seja, nn njin ijij Y YY YY × −=' . A formação das novas correntes injetadas é nn nin ii Y IY II & && × −=' para a eliminação da barra n. A Figura 2.13 mostra o circuito equivalente sem a barra 3. Figura 2.13 – Redução de sistema de três barras com fonte de corrente na barra eliminada Exemplo 2.7. Eliminar as barras 4 e 3 do sistema da Figura 2.7, cuja equação VYI BARRA && ×= está repetido a seguir. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ −∠ 4 3 2 1 0 0 0 0,180,80,50,5 0,83,155,20,4 0,55,23,80,0 0,50,40,08,9 0,0 902,1 87,1262,1 902,1 V V V V jjjj jjjj jjj jjj & & & & . Eliminação da barra 4 do sistema da Figura 2.7. 41,8 0,18 0,50,5 8,9'11 j j jj jY −= − × −−= , y'11'I& 2'I& y'2 y'3 0 1 2
  33. 33. Análise de Sistemas de Potência 31 39,1 0,18 0,50,5 0,0'' 2112 j j jj YY = − × −== , 22,6 0,18 0,80,5 0,4'' 3113 j j jj jYY = − × −== , 91,6 0,18 0,50,5 3,8'22 j j jj jY −= − × −−= , 72,4 0,18 0,80,5 5,2'' 3223 j j jj jYY = − × −== , 74,11 0,18 0,80,8 3,15'33 j j jj jY −= − × −−= . Após a eliminação da barra 4 o sistema fica: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ −∠ 3 2 1 0 0 0 74,1172,422,6 72,491,639,1 22,639,141,8 902,1 87,1262,1 902,1 V V V jjj jjj jjj & & & . Eliminação da barra 3. 11,5 74,11 22,622,6 41,8'' 11 j j jj jY −= − × −−= , 89,3 74,11 72,422,6 39,1'''' 2112 j j jj jYY = − × −== , 01,5 74,11 72,472,4 91,6'' 22 j j jj jY −= − × −−= . 00 0 0 1 9084,184,164,0902,1 74,11 902,122,6 902,1' −∠=−=−−∠= − −∠× −−∠= jj j j I& , 00 0 0 2 53,11661,148,087,1262,1 74,11 902,172,4 87,1262,1' −∠=−−∠= − −∠× −−∠= j j j I& . Após a eliminação da barra 3 o sistema fica: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −∠ −∠ 2 1 0 0 01,589,3 89,311,5 53,11661,1 9084,1 V V jj jj & & . A Figura 2.14 mostra o circuito equivalente do sistema no qual foram eliminadas a barra 4, que não tinha fonte, e a barra 3, que tinha fonte. Figura 2.14 – Circuito equivalente com eliminação de barra que contém fonte 0 2 53,11661,1'' −∠=I&0 1 9084,1'' −∠=I& –j3,89 0 1 2 –j1,22 –j1,12 2 31
  34. 34. Análise de Sistemas de Potência 32 2.4.3 – Equivalentes de rede Usa-se o equivalente de rede para substituir parte de um circuito, no qual não existe interesse para determinado estudo, por seu equivalente. A Figura 2.15 mostra a rede original e a Figura 2.16 o equivalente da rede externa. Figura 2.15 – Circuito original Figura 2.16 – Rede externa substituída por equivalente 2.5 – Montagem da matriz YBARRA com elementos acoplados A Figura 2.17 mostra um trecho de circuito em que existe admitância ou impedância mútua entre alguns elementos do sistema elétrico. A polaridade da tensão induzida é importante. Figura 2.17 - Parte de circuito com impedância mútua Polaridade relativa da corrente. klmijijji IzIzVV &&&& ×+×=− , ijmklkllk IzIzVV &&&& ×+×=− . Em forma matricial vem: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − kl ij klm mij lk ji I I zz zz VV VV & & && && , onde a matriz Z é denominada de matriz impedância primitiva do elemento. Passando-se para admitância vem: Rede interna Rede externa 1 2 3 Rede interna 1'I& 2'I& 3'I& ya yb 2 1 3 zkl zm kI& lI& klI& lkI& zij iI& jI&ijI& jiI& lk ji
  35. 35. Análise de Sistemas de Potência 33 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ lk ji klm mij kl ij VV VV yy yy I I && && & & , onde a matriz Y é chamada de matriz admitância primitiva do elemento. Expandindo-se a equação acima vem: lmkmjijiijij VyVyVyVyI &&&&& ×−×+×−×= , lmkmjijiijji VyVyVyVyI &&&&& ×+×−×+×−= , lklkkljmimkl VyVyVyVyI &&&&& ×−×+×−×= , lklkkljmimlk VyVyVyVyI &&&&& ×+×−×+×−= . Sabendo-se que iij II && = , jji II && = , kkl II && = , llk II && = e colocando-se a equação acima em forma matricial tem-se: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −− −− −− = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ l k j i klklmm klklmm mmijij mmijij l k j i V V V V yyyy yyyy yyyy yyyy I I I I & & & & & & & & . Notar que os dois blocos com yij e ykl são termos da matriz YBARRA sem mútua. Regra prática para a montagem da matriz YBARRA com mútuas: 1) Determinar a matriz Z primitiva dos elementos com mútua; 2) Inverter a matriz Z primitiva do elemento para encontrar a matriz Y primitiva; 3) Montar a matriz YBARRA sem considerar a admitância mútua ym; 4) Incluir o efeito das mútuas somando-se ym aos elementos da matriz referentes aos terminais igualmente marcados e subtraindo-se ym dos elementos da matriz referentes aos terminais marcados diferentemente. A Figura 2.18 mostra o circuito equivalente do circuito da Figura 2.17 com mútuas. Figura 2.18 - Circuito equivalente com elementos acoplados Exemplo 2.8. Sejam z12 = z34 = j0,25 pu e zm = j0,15 pu como mostrados na Figura 2.19. Determinar a matriz YBARRA do sistema. Figura 2.19 - Circuito referente ao exemplo yij ykl ym ym –ym –ym lk ji z34 zm z121 3 2 4
  36. 36. Análise de Sistemas de Potência 34 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − 34 12 43 21 25,015,0 15,025,0 I I jj jj VV VV & & && && , onde a matriz acima é a matriz Z primitiva. A matriz Y primitiva é a inversa de Z primitiva. ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 25,675,3 75,325,6 jj jj YPRIMITIVA , 75,3jym = , 25,63412 jyy −== . i) Sem acoplamento. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − = 25,625,600 25,625,600 0025,625,6 0025,625,6 jj jj jj jj YBARRA ii) Considerando-se o acoplamento. Basta acrescentar +ym em (1,3), (2,4), (3,1), (4,2) e acrescentar –ym em (1,4), (2,3), (3,2), (4,1). ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −+− −−+ +−− −+− = 25,625,675,3075,30 25,625,675,3075,30 75,3075,3025,625,6 75,3075,3025,625,6 jjjj jjjj jjjj jjjj YBARRA . Exemplo 2.9. Sejam 25,02313 jzz == pu, 15,0jzm = pu. Determinar a matriz admitância de barra do circuito da Figura 2.20. Figura 2.20 - Exercício de cálculo da matriz admitância de barra com mútuas Inicialmente determina-se a matriz impedância primitiva, invertendo-se esta determina-se a matriz admitância primitiva, determina-se a matriz admitância de barra sem se considerar as mútuas e depois inclui-se as mútuas seguindo os passos do algoritmo. ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 25,015,0 15,025,0 jj jj ZPRIMITIVA , ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 25,675,3 75,325,6 jj jj YPRIMITIVA . i) matriz admitância de barra sem se considerar as admitâncias mútuas é: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−=− − − = 25,625,65,1225,625,6 25,625,60 25,6025,6 jjjjj jj jj YBARRA . ii) matriz admitância de barra com as admitâncias mútuas Com a polaridade indicada no enunciado do exercício, my+ deve ser adicionado aos elementos (3,3), (1,2), (3,3), (2,1) e my− deve ser adicionado aos elementos (3,2), (1,3), (3,1), (2,3). Incluindo-se as mútuas na matriz acima vem: z13 z23 zm 1I& 2I& 3I& 3 2 1
  37. 37. Análise de Sistemas de Potência 35 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++−=−−=−= −=−+ −=+− = 75,375,35,120,575,325,65,275,325,65,2 75,325,65,225,675,30 75,325,65,275,3025,6 jjjjjjjjjj jjjjj jjjjj YBARRA . A seguir os cálculos que comprovam a exatidão da matriz YBARRA encontrada com a utilização da regra acima. 211331 IzIzVV m &&&& ×+×=− , 223132 IzIzVV m &&&& ×+×=− . 321 III &&& −=+ , logo ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − 2 1 23 13 32 31 I I zz zz VV VV m m & & && && , ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − ×⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 32 31 23 13 2 1 VV VV yy yy I I m m && && & & , 31321131323131131 )( VyyVyVyIVyVyVyVyI mmmm &&&&&&&&& ×−−+×+×=⇒×−×+×−×= , 32322312323223312 )( VyyVyVyIVyVyVyVyI mmmm &&&&&&&&& ×−−+×+×=⇒×−×+×−×= , 3231322311321 )2()()( VyyyVyyVyyII mmm &&&&& ××−−−+×++×+=+ , 323132231133 )2()()( VyyyVyyVyyI mmm &&&& ××+++×−−+×−−= . Em forma matricial vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ×++−−−− −− −− = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 23132313 2323 1313 3 2 1 2 V V V yyyyyyy yyyy yyyy I I I mmm mm mm & & & & & & , que confere com o exercício. 2.6 – Modificação da matriz admitância de barra A inclusão ou retirada de um elemento da rede utiliza o mesmo procedimento já visto na montagem da matriz admitância de barra com ou sem mútuas. Para a eliminação da barra utiliza-se a redução de Kron. 2.7 – Montagem e Modificação da matriz impedância de barra A matriz impedância de barra pode ser modificada para refletir mudanças na rede elétrica. Estas mudanças podem ser a adição de elemento, retirada de elemento ou modificação no valor da impedância do elemento. Até o momento as maneiras de se calcular a matriz impedância de barra são: a) Inversão da matriz admitância de barra, b) Ensaio de circuito aberto. Nenhum destes métodos é utilizado na prática devido ao tempo necessário para o cálculo. 2.7.1 – Modificação direta da matriz impedância de barra Seja o sistema original da Figura 2.21 composto de n barras, cuja matriz impedância de barra é conhecida como ORIGINALZ .
  38. 38. Análise de Sistemas de Potência 36 Figura 2.21 - Sistema a ser modificado ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = nnnn n n ORIGINAL ZZZ ZZZ ZZZ Z L MMMM L L 21 22221 11211 A inclusão de um novo elemento denominado bz atende a uma das quatro possibilidades a seguir. 2.7.1.1 – O elemento é ligado entre a barra nova p e a referência Modificação da matriz impedância de barra pela inclusão de um elemento que possui impedância própria bz ligado entre uma barra nova p e a referência. Seja o sistema original composto de duas barras. A Figura 2.22 mostra este sistema acrescido de uma nova barra denominada p. Figura 2.22 - Sistema original acrescido de elemento entre barra nova p e a referência A matriz ORIGINALZ do sistema da Figura 2.22 é: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 2221 1211 ZZ ZZ ZORIGINAL Recordando o que foi explicado quando da interpretação física dos elementos da matriz impedância de barra, o valor dos elementos da coluna da matriz impedância de barra é a tensão da barra dividida pela corrente injetada em determinada barra, com todas as outras fontes mortas. Se esta corrente tiver o valor unitário, a tensão será numericamente igual à impedância. Ensaiando-se a barra 1 com corrente unitária, tem-se que a tensão na barra p =3 devido a esta corrente é nula, o mesmo acontecendo com a corrente injetada na barra 2. Quando a corrente injetada na barra p = 3 é unitária, a tensão que aparece na barra p = 3 é zb. ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = b BARRA z ZZ ZZ Z 00 0 0 2221 1211 Regra 1: inclui-se nova linha e nova coluna na matriz impedância de barra original, sendo nulos os elementos fora da diagonal principal. O elemento da diagonal principal é o valor da impedância zb do elemento. Os valores dos elementos da matriz impedância de barra original não sofrem alteração. Sistema original k m n z1 z2 zb z12 1 2 p = 3
  39. 39. Análise de Sistemas de Potência 37 2.7.1.2 – O elemento é ligado entre a barra nova p e a barra existente k Modificação da matriz impedância de barra pela inclusão de um elemento que possui impedância própria bz ligado entre uma barra nova p e uma barra existente k. Seja o sistema original composto de duas barras. A Figura 2.23 mostra este sistema acrescido de uma nova barra denominada p. Figura 2.23 - Sistema original acrescido de elemento entre uma barra nova p e uma barra existente k A matriz ORIGINALZ do sistema da Figura 2.23 é: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 2221 1211 ZZ ZZ ZORIGINAL Injetando-se corrente unitária na barra 1, a tensão na barra p = 3 é a mesma que a tensão da barra k = 2. Injetando-se corrente na barra k = 2 a tensão na barra p = 3 também é a mesma que a tensão da barra k = 2. Injetando-se corrente na barra p = 3, a tensão será a impedância vista da barra k = 2 adicionada de zb. ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = b BARRA zZZZ ZZZ ZZZ Z 222221 222221 121211 Regra 2: inclui-se nova linha e nova coluna na matriz impedância de barra original, onde os elementos fora da diagonal principal são iguais aos elementos da linha e da coluna k (barra onde o novo elemento é conectado) e o elemento da diagonal principal é )( bkk zZ + . Os valores dos elementos da matriz impedância de barra original ficam idênticos. 2.7.1.3 – O elemento é ligado entre a barra existente k e a referência Modificação da matriz impedância de barra pela inclusão de um elemento que possui impedância própria bz ligado entre uma barra existente k e a referência. Seja o sistema original composto de duas barras. A Figura 2.24 mostra este sistema acrescido da nova impedância. Figura 2.24 - Sistema original acrescido de elemento entre uma barra existente e a referência ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 2221 1211 ZZ ZZ ZORIGINAL Este caso é abordado em duas etapas, mostradas na Figura 2.25. z1 z2 zb z12 1 k = 2 p = 3 z1 z2 zb z12 1 k = 2
  40. 40. Análise de Sistemas de Potência 38 1) O elemento novo é incluído entre uma barra k existente e uma barra nova (n+1) fictícia, 2) curto circuita-se a barra fictícia para a terra pela redução de Kron. Figura 2.25 - Procedimento para a inclusão de um elemento entre uma barra existente k e a referência Etapa 1: inclusão do elemento entre uma barra existente k = 2 e uma barra nova fictícia (n+1) = 3. ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 222221 222221 121211 3 2 1 I I I zZZZ ZZZ ZZZ V V V b & & & & & & Etapa 2: curto circuita-se a barra fictícia (n+1) = 3 para a referência e procede-se à eliminação de Kron para eliminar a barra (n+1) = 3. A eliminação de Kron foi deduzida para a matriz admitância de barra e IB = 0. O mesmo se aplica à matriz impedância de barra e 0=BV& . Regra 3: é o caso 2 com eliminação de Kron. Inclui-se temporariamente uma nova linha e uma nova coluna na matriz impedância de barra original onde os elementos fora da diagonal principal são iguais aos elementos da linha e da coluna k, e o elemento da diagonal principal é )( bkk zZ + referente à barra fictícia (n+1). Elimina-se a barra fictícia aplicando-se a redução de Kron. 2.7.1.4 – O elemento é ligado entre a barra existente k e a barra existente j Modificação da matriz impedância de barra pela inclusão de um elemento que possui impedância própria bz ligado entre uma barra existente k e uma barra existente j. Seja o sistema original composto de duas barras. A Figura 2.26 mostra este sistema acrescido da nova impedância. Figura 2.26 - Sistema original acrescido de elemento entre uma barra existente k e uma barra existente j ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 2221 1211 ZZ ZZ ZORIGINAL Este caso é abordado nas duas etapas mostradas na Figura 2.27. 1) Inclusão do elemento entre barra existente k e entre barra fictícia (n + 1), 2) curto circuitam-se a barra fictícia (n + 1) e a barra j. + z1 z2 zb z12 1 k = 2 n+1=3 z1 z2 zb z12 1 k = 2 n+1=3 z1 z2 z12 zb k = 1 j = 2
  41. 41. Análise de Sistemas de Potência 39 Figura 2.27 - Procedimento para a inclusão de um elemento entre barras existentes Etapa 1: inclusão de elemento entre a barra k = 1 existente e uma barra fictícia 3)1( =+n . A matriz do sistema com a barra fictícia é: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 111211 212221 111211 3 2 1 I I I zZZZ ZZZ ZZZ V V V b & & & & & & Etapa 2: as tensões 2=jV& e 31=+nV& são iguais logo, fazendo-se a linha (n + 1) = 3 menos a linha j = 2 e colocando-se o resultado na linha (n + 1) = 3 vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−− = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 211122122111 212221 111211 2 1 0 I I I zZZZZZZ ZZZ ZZZ V V b & & & & & . (2.1) Para tornar a matriz acima simétrica efetua-se a coluna (n + 1) = 3 menos a coluna j = 2 no lugar da coluna (n + 1) = 3. ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−+−− − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 2 1 2112221122122111 22212221 12111211 2 1 0 I I I zZZZZZZZZ ZZZZ ZZZZ V V b & & & & & . (2.2) Expandindo-se as três linhas das Equações 2.1 vem: 3112121111 IZIZIZV &&&& ×+×+×= , (2.3) 3212221212 IZIZIZV &&&& ×+×+×= , (2.4) 321112221212111 )()()(0 IzZZIZZIZZ b &&& ×+−+×−+×−= . (2.5) Expandindo-se as três linhas das Equações 2.2 vem: 3123112121111 IZIZIZIZV &&&&& ×−×+×+×= , (2.6) 3223212221212 IZIZIZIZV &&&&& ×−×+×+×= , (2.7) 3211222112221212111 )()()(0 IzZZZZIZZIZZ b &&& ×+−−++×−+×−= . (2.8) Para que as Equações 2.3, 2.4 e 2.5 fiquem iguais, respectivamente, às Equações 2.6, 2.7 e 2.8, basta somar 312 IZ &× na Equação 2.6, 322 IZ &× na Equação 2.7 e 32212 )( IZZ &×− na Equação 2.8, ou seja, basta somar 3I& ao 2I& do vetor corrente da Equação 2.2. A barra (n + 1) = 3 é fictícia, sem fonte de corrente, logo pode-se aplicar a redução de Kron. A equação fica então: z1 z2 z12 zb + n+1=3 k = 1 j = 2 z1 z2 z12 zb k = 1 j = 2
  42. 42. Análise de Sistemas de Potência 40 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +× ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−+−− − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3 32 1 2112221122122111 22212221 12111211 2 1 0 I II I zZZZZZZZZ ZZZZ ZZZZ V V b & && & & & . Regra 4: inclui-se temporariamente nova linha e nova coluna na matriz impedância de barra original, onde os elementos fora da diagonal principal são iguais à diferença entre os elementos das colunas/linhas k e j e o elemento da diagonal principal vale bjkkjjjkk zZZZZ +−−+ . Elimina-se a linha e a coluna da barra fictícia aplicando-se a redução de Kron. 2.7.2 – Montagem direta da matriz impedância de barra a) É um processo mais rápido que montar a matriz admitância de barra e depois inverter; b) Trabalha-se diretamente com a lista dos componentes da rede; c) A matriz impedância de barra é montada passo a passo, incluindo-se um componente de cada vez, recaindo em um dos quatro casos de modificação da matriz impedância de barra já vistos; d) Restrição: a matriz impedância de barra deve ser iniciada por componente ligado à referência. Quando não existir tal elemento, uma barra é tomada como referência. Exemplo 2.10. Montar a matriz impedância de barra passo a passo para o sistema da Figura 2.28. Figura 2.28 - Sistema exemplo para a montagem da matriz impedância de barra Dados dos ramos em pu. Barras Impedância AdmitânciaNúmero do elemento de para (pu) (pu) 1 0 1 j0,25 –j4,00 2 0 3 j0,20 –j5,00 3 1 2 j0,08 –j12,50 4 2 3 j0,06 –j16,67 5 2 3 j0,06 –j16,67 6 1 3 j0,07 –j14,29 Elemento 1 ligado entre a referência e a barra nova 1. Caso 2.4.7.1. [ ]25,0jZBARRA = Elemento 2 ligado entre a referência e a barra nova 3. Caso 2.4.7.1. ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 20,000,0 00,025,0 j j ZBARRA ~ ~ 1 2 3 6 5 4 3 21 1 1 1 3 1 3
  43. 43. Análise de Sistemas de Potência 41 Elemento 3 ligado entre a barra 1 existente e a barra nova 2. Caso 2.4.7.2. ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +=+= = b BARRA zZjjjj j jj Z 1108,025,033,000,025,0 00,020,000,0 25,000,025,0 Rearrumando-se a matriz BARRAZ para que a ordem das colunas corresponda ao número das barras vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 20,000,000,0 033,025,0 00,025,025,0 j jj jj ZBARRA Elemento 4 ligado entre a barra 2 existente e a barra 3 existente. Caso 2.4.7.4. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−+=− − = b BARRA zZZZZjjjj jj jjj jjj Z 3223332259,020,033,025,0 20,020,000,000,0 33,000,033,025,0 25,000,025,025,0 Após a aplicação da redução de Kron na barra 4 vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 1322,01119,00847,0 1119,01454,01102,0 0847,01102,01441,0 jjj jjj jjj ZBARRA . Elemento 5 ligado entre a barra 2 existente e a barra 3 existente. Caso 2.4.7.4. Ao invés de se inserir um a um os elementos, pode-se inserir o paralelo dos elementos 4 e 5, no caso 03,0j . ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−+=− − 06,01119,01119,01322,01454,01138,00203,00335,00255,0 0203,01322,01119,008477,0 0335,01119,01454,01102,0 0255,00847,01102,01441,0 jjjjjjjjj jjjj jjjj jjjj Aplicando-se a redução de Kron na barra 4 vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 1286,01179,00892,0 1179,01355,01027,0 0892,01027,01384,0 jjj jjj jjj Elemento 6 ligado entre a barra 1 existente e a barra 3 existente. Caso 2.4.7.4. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−−+=−− − − 07,00892,00892,01286,01384,01286,00394,00152,00492,0 0394,01286,01179,00892,0 0152,01179,01355,01027,0 0492,00892,01027,01384,0 jjjjjjjjj jjjj jjjj jjjj 3 2 1 1 3 2 321 1 2 3 42 3 1 1 2 3 4
  44. 44. Análise de Sistemas de Potência 42 Aplicando-se a redução de Kron na barra 4 vem: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 1188,01141,01014,0 1141,01340,01074,0 1014,01074,01231,0 jjj jjj jjj ZBARRA Utilizando-se o programa MATLAB para inverter diretamente a matriz YBARRA encontra-se para BARRAZ : ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = 63,5234,3329,14 34,3384,4550,12 29,1450,1279,30 jjj jjj jjj YBARRA ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 1188,01141,01015,0 1141,01341,01074,0 1015,01074,01232,0 jjj jjj jjj ZBARRA . Observação: Para maior eficiência do processo, fecha-se o laço o mais cedo possível para se aplicar a redução de Kron em matriz de dimensão menor. 2.7.3 – Exclusão de um elemento de impedância zb da matriz ZBARRA Basta incluir um elemento de impedância própria de valor bz− , pois o paralelo de bz com bz− é um circuito aberto, com a aplicação de dois dos quatro casos de modificação da matriz impedância de barra. 2.7.4 – Modificação do valor da impedância que liga duas barras Basta inserir um elemento que em paralelo com o valor já existente forneça o valor desejado. Para se transformar o valor de zx no valor zy entre as barras k e m, como mostra a Figura 2.29, basta inserir o elemento zb de tal forma que ybx zzz =// . Figura 2.29 - Modificação do valor original zx da matriz impedância de barra, zx//zb=zy 2.8 – Obtenção dos elementos da coluna da matriz impedância de barra a partir da matriz admitância de barra a) Utilizado quando não é necessária toda a matriz impedância de barra, b) É necessária uma coluna da matriz impedância de barra, alguns elementos de uma coluna da matriz impedância de barra, diferença entre duas colunas da matriz impedância de barra, etc. Em estudos de curto-circuito calcula-se, a partir da matriz YBARRA, apenas uma coluna da matriz ZBARRA, a de interesse, não sendo necessário determinar toda a matriz ZBARRA. 2.8.1 – Obtenção de uma coluna da matriz impedância de barra Se a matriz impedância de barra for multiplicada pelo vetor que contém 1 na linha k e zero no resto vem: zx k m zy k m ⇒
  45. 45. Análise de Sistemas de Potência 43 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Nk k k NNNkN Nk Nk Z Z Z ZZZ ZZZ ZZZ M M M M LL MMMMM MMMMM LL LL 2 1 1 2221 1111 0 1 0 ou seja, )(k BARRAkBARRA ZlZ =× , coluna k da matriz impedância de barra. Pré multiplicando-se a equação acima pela matriz admitância de barra vem: )(k BARRABARRAk I BARRABARRA ZYlZY ×=×× 44 344 21 , K K BARRABARRA lZY =× )( , sistema de equações lineares com incógnita )(K BARRAZ . Procedimento para solução da equação acima: a) montar a matriz BARRAY , b) fatorar a matriz BARRAY em LU , ou seja, BARRAYUL =× , c) solucionar o sistema k H k BARRA lZUL =×× 43421 )( em duas etapas, primeira etapa: solucionar klHL =× , segunda etapa: solucionar HZU k BARRA =× )( . O custo computacional do processo está em calcular as matrizes L e U. 2.8.2 – Obtenção da diferença entre duas colunas da matriz impedância de barra Seja ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − =− 0 1 1 0 M jkl )( jk BARRAjkBARRA ZlZ − − =× , )( jk BARRABARRAjkBARRABARRA ZYlZY − − ×=×× , jk jk BARRABARRA lZY − − =× )( , resolvido por decomposição LU da matriz YBARRA, mostrado anteriormente, jk jk BARRA lZUL − − =×× )( . Exemplo 2.11. Calcular a diferença dos elementos (ZBARRA(44) – ZBARRA(45)) da matriz ZBARRA, conhecendo-se a matriz YBARRA. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − − = 0,200,00,200,00,0 0,00,200,00,00,20 0,200,00,360,160,0 0,00,00,162,260,10 0,00,200,00,100,30 jj jj jjj jjj jjj YBARRA Coluna k Coluna j
  46. 46. Análise de Sistemas de Potência 44 )54()44()45()44( BARRABARRABARRABARRA ZZZZ −=− , logo só é preciso calcular a coluna 4 da matriz ZBARRA. a) fatoração LU. Basta fazer no programa MATLAB o comando [L, U] = lu(ybarra) que o programa retorna as matrizes L e U. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ =×× 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 )4( 43421 H BARRAZUL . Primeira etapa: 4lHL =× , ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −−− − − 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,198,081,00,00,0 0,00,119,029,067,0 0,00,00,170,00,0 0,00,00,00,133,0 0,00,00,00,00,1 5 4 3 2 1 H H H H H . Solução: 0,0321 === HHH , 0,10,10,1)0,1(0,1 4445454545444 ==⇒×−=→=×+× HLHLHHLHL , 98,00,10,198,00,0 554545555454 =×=×−=→=×+× LHLHHLHL . Segunda etapa: HZU BARRA =× )4( , ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − − 98,0 00,1 00,0 00,0 00,0 20,000,000,000,000,0 76,385,300,000,000,0 00,2067,480,2400,000,0 00,067,600,1687,2200,0 00,000,2000,000,1000,30 )54( )44( )34( )24( )14( BARRA BARRA BARRA BARRA BARRA Z Z Z Z Z j jj jjj jjj jjj 00,5)20,0(98,0555)54(5)54(55 jjUHZHZU BARRABARRA =−==→=× , 44 )54(454 )44(4)54(45)44(44 U ZUH ZHZUZU BARRA BARRABARRABARRA ×− =→=×+× , 15,5 85,3 0,576,30,1 )44( j j jj ZBARRA = − ×− = , 15,05444 jZZ =− . Por inversão direta da matriz YBARRA com auxílio do programa MATLAB obtém-se: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 11,500,506,500,500,5 00,515,500,500,510,5 06,500,506,500,500,5 00,500,500,500,500,5 00,510,500,500,510,5 jjjjj jjjjj jjjjj jjjjj jjjjj ZBARRA . Pode-se verificar da matriz ZBARRA que Z44 – Z45 = j5,1500–j5,0000 = j0,1500, que confere com o cálculo anterior.
  47. 47. Análise de Sistemas de Potência 45 Capítulo 3 Fluxo de Potência 3.1 – Introdução É o mais freqüente estudo feito nos sistemas elétricos de potência. É o estudo que fornece a solução de uma rede elétrica, em regime permanente, para uma dada condição de operação, isto é, para uma dada condição de carga e geração, sujeitas a restrições operativas e à ação de dispositivos de controle. 3.1.1 – Dados de entrada • Dados da rede elétrica, resistência e reatância dos elementos, • Geração ativa e reativa nas barras do sistema, • Carga ativa e reativa nas barras do sistema. 3.1.2 – Condição de geração e carga 3.1.2.1 – Geração São os valores da potência ativa (PG) e da potência reativa (QG) geradas nas barras ou o valor da potência ativa (PG) e módulo da tensão gerada (V), no caso de barras de tensão controlada. 3.1.2.2 – Carga São os valores de potência ativa (PL) e potência reativa (QL) consumidas em cada barra do sistema onde a carga existir, consideradas constantes. 3.1.3 – Restrições operativas São, entre outros, os limites para o fluxo de potência nas linhas e transformadores, o módulo das tensões nas barras, a capacidade de geração das máquinas. 3.1.4 – Dispositivos de controle Ajudam a controlar algumas grandezas tais como: a) A tensão ou fluxo de reativo, modelado por transformadores com tap, injeção de reativo etc; b) Controle do fluxo de potência ativa (transformador defasador, intercâmbio entre áreas etc.) para atender potência comprada/vendida contratada. 3.1.5 – Solução da rede a) Calculam-se as tensões nas barras em módulo e ângulo; b) Calculam-se os fluxos de potência ativa e potência reativa nos elementos da rede.
  48. 48. Análise de Sistemas de Potência 46 3.1.6 – Aplicações a) Ferramenta para análise da adequação de uma topologia do sistema para uma dada condição de geração e carga. Utilizado no planejamento, operação e controle do sistema de potência; b) Utilizado como parte integrante de outros estudos, tais como: • Curto-circuito: cálculo das tensões pré falta; • Estabilidade: calcula a condição inicial e também calcula a solução da rede em cada passo de integração; • Confiabilidade: conhecendo-se os dados probabilísticos de falha dos diversos componentes da rede, estimar a probabilidade de falha de suprimento ao consumidor, a fim de torná-la menor que um percentual especificado através de investimento no sistema. O fluxo de potência serve para a verificação da adequação de cada estado com falha; • Análise de contingência estática: o fluxo de potência é usado para analisar cada contingência (saída de equipamento por exemplo) da rede elétrica; • Fluxo de potência ótimo: este estudo fornece a melhor topologia/configuração para minimizar o custo de operação ou minimizar as perdas. É um fluxo de potência com as restrições de um problema de otimização. 3.1.7 – Modelo da rede Para o estudo de fluxo de potência, supõe-se o sistema equilibrado, logo só se usa a rede de seqüência positiva. Este estudo é baseado em modelo nodal e matriz admitância de barra, VYI BARRA && ×= . Observação: em sistemas de distribuição usa-se a modelagem trifásica para o cálculo do fluxo de potência, pois o sistema de distribuição é essencialmente desequilibrado. 3.1.8 – Modelo matemático do fluxo de potência a) Sistema de equações algébricas não lineares para representar a rede; b) Conjunto de inequações para representar as restrições; c) Conjunto de equações/inequações para representar o controle. O esforço computacional está quase que todo na solução do sistema de equações, daí o uso de método eficiente de solução. 3.1.9 – Métodos de solução O primeiro método computacional utilizado para a solução do fluxo de potência, foi o de J. B. Ward e H. W. Hale e surgiu em junho de 1956 com o artigo ''Digital computer solution of power-flow problems''. 3.1.9.1 – Métodos baseados em YBARRA Estes métodos têm como vantagem a formulação simples e pouca necessidade de memória devido a esparsidade de YBARRA ser maior que 95%. Como exemplo o método de Gauss-Seidel. A desvantagem destes métodos é a convergência lenta devido ao fraco acoplamento entre variáveis (influência pequena entre barras), sendo necessárias cerca de 200 iterações para se chegar na solução do problema.

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