Análise da área de vulnerabilidade e estabilidade de tensão em sistemas elétricos com a inserção de parques eólicos

A presente dissertação de mestrado avalia os afundamentos e a estabilidade de tensão de um sistema elétrico real com inserção de parques eólicos. Os estudos de afundamentos de tensão servem de base para a determinação das áreas de vulnerabilidade do sistema elétrico, nas quais, por sua vez, são investigados os aspectos referentes à instabilidade de tensão ocasionada pela integração de parques eólicos com geradores assíncronos. Para este fim, é utilizado o programa computacional ANAQUALI, desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). No estudo do comportamento dinâmico da tensão decorrente de curto-circuito, no qual o sistema eólico é inserido nas concepções de velocidade fixa e velocidade variável, utiliza-se um programa computacional desenvolvido no aplicativo MATLABTM. Os resultados dessas simulações evidenciam que o sistema eólico de velocidade variável proporciona uma maior margem de estabilidade de tensão ao sistema elétrico, devido à presença do controle de velocidade e de tensão. Estes estudos não são comumente aplicados aos sistemas de geração distribuída, e por isso, esta dissertação contribui também neste aspecto, podendo seus resultados servir de base para o planejamento de centrais cólicas inseridas em sistemas elétricos convencionais.

Avaliação de estratégias de controle de potência reativa de aerogeradores síncronos em redes elétricas

No presente trabalho é avaliada uma metodologia de injeção de potência reativa em redes elétricas durante afundamentos de tensão provocados por curto-circuito, em parques eólicos interligados, adotada em alguns países com maturidade tecnológica na produção de energia eólica. Nos estudos desenvolvidos, foi utilizado o aerogerador síncrono a imã permanente com conversor pleno em função da grande controlabilidade do conversor interligado à rede e por possuir elevada capacidade de fornecimento de potência reativa, comparada a outras tecnologias de aerogeradores. No Brasil, os requisitos de interligação de parques eólicos as redes elétricas, definido pelo Operador Nacional do Sistema, ainda não estipula a necessidade de adoção de tal metodologia durante defeitos na rede elétrica, apenas especifica a curva de capacidade de afundamentos de tensão que os aerogeradores devem seguir para evitar o desligamento frente a afundamentos de tensão. Os critérios de proteção do aerogerador síncrono são avaliados a partir de simulações de curto-circuito em uma rede de teste adotando-se os requisitos do Brasil, sem injeção de potência reativa, sendo comparados com o de outros países que adotam curvas de injeção de potência reativa.

Otimização de controladores utilizando algoritmos genéticos para melhoria da capacidade de sobrevivência a afundamentos de tensão de aerogeradores de indução duplamente excitados

Na presente tese propõe-se uma metodologia de ajuste ótimo dos controladores do conversor interligado ao rotor de aerogeradores de indução duplamente excitados (DFIG), utilizando algoritmos genéticos (AG), com o objetivo de melhorar a segurança e a robustez do sistema elétrico de potência, permitindo que os aerogeradores DFIG participem da gestão técnica do sistema. Para garantir este objetivo, é utilizada uma estratégia de proteção do tipo “crow-bar” durante a falta, mantendo o conversor interligado ao rotor conectado à máquina. Imediatamente após a eliminação da falta, o “crow-bar” é desativado, e simultaneamente os controladores ótimos do conversor interligado ao rotor são acionados, previamente ajustados pelo AG, a fim de melhorar a capacidade de sobrevivência a afundamentos de tensão “ridethrough capability” e a margem de estabilidade global do sistema elétrico. Para validação da metodologia ótima desenvolvida foram realizadas simulações computacionais utilizando uma rede elétrica real, em três condições operacionais distintas.

A sucessão siliciclástica-carbonática neocarbonífera da bacia do Amazonas, regiões de Monte Alegre e Itaituba (PA)

Registros sedimentares do Neocarbonífero, particularmente do Moscoviano, na Bacia do Amazonas, Norte do Brasil, caracterizam a zona de contato entre as formações Monte Alegre (rochas siliciclásticas) e Itaituba (rochas carbonáticas). A análise faciológica da sucessão Moscoviana de até 40 m de espessura, exposta na região de Monte Alegre e Itaituba, Estado do Pará, permitiu identificar 5 associações de fácies (AF), que correspondem a depósitos estabelecidos no ambiente costeiro, representados por dunas/intedunas eólicas (AF1), lençóis de areia/wadi (AF2), laguna/washover (AF3), praia/planície de maré (AF4) e laguna/delta de maré (AF5). A associação de campo de dunas/interdunas (AF1) é constituída por arenitos finos a médios, bimodais com estratificação cruzada de médio porte, laminação cavalgante transladante subcrítica e arenitos com gradação inversa. Arenitos finos com acamamento maciço, marcas de raízes e, subordinadamente, verrugas de aderência (adhesion warts), ocorrem nos limites dos sets de estratificação cruzada e indicam, respectivamente, paleossolos e migração de grãos por ação eólica sobre interduna úmida. Depósitos de lençóis de areia/wadi (AF2) são compostos de arenitos finos a médios com estratificação plano-paralela e laminação cavalgante transladante subcrítica, relacionados a superfícies de deflação (lençóis de areia), enquanto arenitos finos a médios com estratificações cruzadas tangencial e recumbente, e acamamento convoluto, caracterizam rios efêmeros com alta energia. Pelitos laminados e arenitos finos com laminação cruzada cavalgante, contendo o icnofóssil Palaeophycus, representam sedimentação em ambiente de baixa energia e foram agrupados na associação de laguna/washover (AF3). Os depósitos de praia/planície de maré (AF4) consistem em arenitos finos a médios, com estratificação plano-paralela a cruzada de baixo ângulo, intercalados com lentes de dolomito fino maciço, localmente truncados por arenitos finos a médios. Estas fácies foram formadas pelo fluxo-refluxo em ambiente de praia, localmente retrabalhadas por pequenos canais, enquanto o carbonato é interpretado como precipitado em poças (ponds). Na AF4 encontram-se também pelitos laminados com gretas de contração, lâminas curvadas de argila e arenitos com estratificação cruzada tabular de pequeno a médio porte, contendo filmes de argila sobre foresets e superfícies de reativação, sugerindo a migração de sandwaves na intermaré. A associação de laguna/delta de maré (AF5) é constituída por calcários dolomitizados (mudstones, wackestones, packstones e grainstones) com poros do tipo vug e móldicos e bioclastos de braquiópodes, equinodermas, foraminíferos, ostracodes, briozoários, trilobitas, moluscos e coral isolado não fragmentado, além do ichnofóssil Thalassinoides. Conglomerados com seixos de calcário dolomitizado, arenitos finos com estratificação cruzada de baixo ângulo e superfícies de reativação, localmente sobrepostos por arenitos finos com estratificação cruzada sigmoidal e laminação cruzada cavalgante, foram interpretados como depósitos de tidal inlet e delta de maré. As associações de fácies/microfácies e os dados paleontológicos descritos neste trabalho corroboram a predominância de ambientes lagunares, em parte, conectados a um ambiente desértico costeiro para o intervalo de transição entre as formações Monte Alegre e Itaituba. A abundância de grãos arredondados de areia fina nas fácies carbonáticas corrobora influxo siliciclástico advindo do ambiente desértico adjacente ao ambiente costeiro. Condições mais quentes e tropicais para a sucessão estudada são também indicadas pela presença de carbonatos e argilominerais como illita e, principalmente, esmectita, bem como uma fauna diversificada. Os litotipos siliciclásticos e carbonáticos intercalados que caracterizam a fase final da deposição Monte Alegre e o início da sedimentação Itaituba, justificam sua representação em um mesmo sistema deposicional costeiro.

Bancada experimental para ensaios em geradores elétricos utilizados em aerogeradores de pequeno porte

Este trabalho apresenta uma bancada para testes em geradores elétricos, utilizados em aerogeradores de pequeno porte. O sistema é composto basicamente por um motor de indução trifásico, que simula um rotor eólico, acoplado mecanicamente ao gerador elétrico submetido ao ensaio; um inversor de frequência, usado para variação da velocidade do motor; transdutores de grandezas elétricas, que efetuam a medição dos parâmetros de interesse (tensões e correntes instantâneas) na saída do gerador; um sensor de velocidade angular, para medição da rotação que é fornecida ao eixo do motor; um microcomputador, para monitoração e armazenamento dos parâmetros medidos, e controle do inversor de frequência, por meio de um programa computacional desenvolvido; e uma placa de aquisição de dados, que serve como interface entre os transdutores/sensores e o microcomputador. A velocidade angular fornecida ao gerador em ensaio pode ser variada conforme valores fornecidos de velocidades de vento, as quais são associadas a valores correspondentes de rotação, a fim de simular o comportamento de um rotor eólico. Dessa forma, é possível traçar a curva de potência (potência versus velocidade de vento) do gerador ensaiado e analisar seu desempenho. Apresenta-se também neste trabalho os resultados de medições realizadas na bancada, referentes aos ensaios de um gerador comercial de pequena potência (1 kW) e de outro desenvolvido em projeto de pesquisa, ambos do tipo de imã permanente com fluxo axial.

Avaliação tecnológica, operacional e de gestão de sistemas híbridos para geração de eletricidade na Região Amazônica

O objetivo deste trabalho consiste em contribuir com o conhecimento sobre os sistemas híbridos de energia implantados na Região Amazônica e baseados no aproveitamento das fontes de energia solar, eólica e diesel-elétrica. O trabalho apresenta primeiramente o estado-da-arte dos sistemas híbridos, caracterizando sua evolução histórica, os principais tipos e classificações, a composição básica e os prós e contras da eletrificação usando esses tipos de sistemas. Em seguida, é feita a identificação e a descrição dos sistemas regionais através das referências bibliográficas existentes e de informações coletadas em pesquisas de campo. As características técnicas, operacionais, econômicas e de gerenciamento desses sistemas são analisadas sucintamente, servindo de base às proposições de modelos para sistemas híbridos, que influenciam diretamente sobre a estratégia de operação e gestão dos sistemas híbridos regionais. Esses modelos, depois de implementados, permitirão a otimização da operação dos sistemas e sua sustentabilidade.

Ferramenta computacional para análise do potencial de bombeamento de água utilizando aerogeradores de pequeno porte acoplados a motobombas por meio de inversores de frequência

O objetivo desta dissertação é desenvolver uma ferramenta computacional para a análise do potencial de bombeamento de água com base nos valores de velocidades de vento de uma localidade, utilizando um aerogerador de pequeno porte acoplado a um conjunto motobomba convencional, por intermédio de um inversor de frequência. No trabalho são apresentados dois métodos para o cálculo da vazão. O método 1 utiliza um modelo teórico, enquanto que no método 2 o modelamento é feito a partir de dados de bombeamento obtidos em laboratório. Os dois métodos descrevem o funcionamento de um sistema de bombeamento de água envolvendo os equipamentos citados. Utilizando os modelos matemáticos descritos, foi criado um programa em linguagem Delphi®, para a obtenção dos valores de vazão e volume de água bombeada, além do número de pessoas que podem ser atendidas, com base nos dados de velocidade de vento do local, para com isso, ser possível analisar a viabilidade ou não de instalação do sistema. O funcionamento do programa é descrito através de um exemplo, que contém valores reais de velocidade de vento, e cujos resultados são analisados de forma a possibilitar seu entendimento.

Modelos equivalentes de parques eólicos usando algoritmos genéticos

Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em algoritmo genético (AG) para determinar modelos dinâmicos equivalentes de parques eólicos com geradores de indução em gaiola de esquilo ( GIGE) e geradores de indução duplamente alimentados ( GIDA), apresentando parâmetros elétricos e mecânicos distintos. A técnica se baseia em uma formulação multiobjetiva solucionada por um AG para minimizar os erros quadráticos das potências ativa e reativa entre modelo de um único gerador equivalente e o modelo do parque eólico investigado. A influência do modelo equivalente do parque eólico no comportamento dinâmico dos geradores síncronos é também investigada por meio do método proposto. A abordagem é testada em um parque eólico de 10MW composto por quatro turbinas eólicas ( 2x2MW e 2x3MW), consistindo alternadamente de geradores GIGE e GIDA interligados a uma barra infinita e posteriormente a rede elétrica do IEEE 14 barras. Os resultados obtidos pelo uso do modelo dinâmico detalhado para a representação do parque eólico são comparados aos do modelo equivalente proposto para avaliar a precisão e o custo computacional do modelo proposto.

Estudo de vibrações eólicas em linhas de transmissão de energia elétrica de alta tensão

O crescente aumento da demanda de energia elétrica tem forçado o avanço tecnológico dos equipamentos responsáveis pelo transporte desta energia fazendo com que estes trabalhem sob tensões cada vez maiores, principalmente por razões econômicas. Mas este fato implica diretamente no incremento do diâmetro do condutor, o que acarreta elevação de seus custos, bem como das estruturas que devem suportá-lo. Para atender a esta necessidade sem aumentar o custo de projeto da linha de transmissão, surgiu a idéia de utilizar mais de um condutor por fase, montados paralelamente entre si a pequenas distâncias, o que é conseguido através da inserção de espaçadores montados a intervalos regulares ao longo dos vãos das linhas. Por outro lado, problemas mecânicos de ordem operacional das linhas podem ocorrer, como, por exemplo, a ruptura total ou parcial dos cabos e/ou espaçadores, proveniente de excitações dinâmicas devidas ao vento. Assim, este trabalho consiste no estudo do comportamento dinâmico de feixe de cabos de linhas aéreas de transmissão, através de um modelo de elementos finitos. O modelo reproduz o acoplamento dos cabos aos espaçadoresamortecedores da linha de transmissão e às estruturas de ancoragem, considerando o efeito de não-linearidade geométrica, decorrente dos grandes deslocamentos dos cabos, bem como a continuidade da linha, ou seja, os vãos adjacentes, que são representados por rigidez equivalente no modelo. O carregamento de vento é modelado através de um processo não deterministico a partir de suas propriedades estatísticas, tal que fica subdividido em duas partes: uma parte média, analisada de forma estática; e uma parte variável, analisada de forma dinâmica. Os resultados obtidos ao longo desse estudo mostram que a parcela variável do carregamento leva a uma resposta dinâmica do modelo que pode ser determinante no seu comportamento. Assim, o procedimento tradicional de assumir o carregamento do vento como uma excitação estática pode levar, em alguns casos a conseqüências desastrosas.

Desenvolvimento de monitoramento remoto em um sistema híbrido isolado de pequeno porte

Este trabalho visa avaliar as dificuldades e utilidades do monitoramento remoto de um sistema para o atendimento de cargas isoladas da rede elétrica, envolvendo sistemas reais em operação que podem ajudar a identificar os principais fatores que influenciam na vida útil desses dispositivos, tornando possível propor estratégias e tecnologias que melhorem a confiabilidade do sistema, possibilitem uma configuração mais adequada e reduzam os custos globais do sistema ao longo de sua vida útil. Para isso foi incorporado um sistema de monitoramento remoto via LabVIEW a um sistema híbrido isolado insta-lado em flutuante localizada as margens do lago da cidade de Tefé-AM. O sistema de geração foi composto inicialmente por um gerador fotovoltaico (FV) com potência de 2,08 kWp, dois subgeradores 1,04 kWp cada, e depois ampliado para 2,6 Wp mais 350 Wp de geração eólica. Além disso, um banco de acumuladores eletroquímicos com tensão nominal de 24 V e composto por 20 baterias de 150 Ah cada, Dois controladores de carga 24 V / 40 A e um inversor de onda senoidal de 1.500 VA. Resultados de operacionais apresentados neste trabalho ajudam a entender melhor o funcionamento desses sistemas e avaliar as barreiras encontradas no monitoramento remoto dessas unidades. Esse expe-rimento foi realizado em parceria do laboratório do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas na Universidade Federal do Pará com o Núcleo de Inovação tecnológica do Instituto de Desenvolvimento Sustentável Mamirauá.

Evolução de um sistema lacustre árido Permiano, parte superior da Formação Pedra de Fogo, borda oeste da Bacia do Parnaíba

Análise faciológica e estratigráfica realizada na região de Filadélfia, TO, borda oeste da Bacia do Parnaíba, permitiu redefinir o paleoambiente da parte superior da Formação Pedra de Fogo, de idade permiana. Os depósitos estudados constituem uma sucessão de aproximadamente 100 m de espessura, predominantemente siliciclástica, com carbonatos e evaporitos subordinados, onde foram definidas 21 fácies sedimentares agrupadas em seis associações de fácies (AF): AF1) Lacustre com rios efêmeros; AF2) Lago influenciado por ondas de tempestade; AF3) Sabkha continental; AF4) Lago central; AF5) Dunas eólicas; e AF6) Lago/oásis com inundito. Estas associações indicam que durante o Permiano, um extenso sistema lacustre de clima árido, desenvolveu-se adjacente a campos de dunas eólicas e sabkha continental, com contribuições de rios efêmeros. Incursões fluviais nos lagos propiciavam a formação de lobos de suspensão e fluxos em lençol (AF1). Planícies de sabkha (AF3) formaram-se nas porções marginais do lago que, eventualmente eram influenciados por ondas de tempestades (AF2), enquanto zonas centrais eram sítios de intensa deposição pelítica (AF4). O baixo suprimento de areia eólica neste sistema propiciou a formação de um campo de dunas restrito (AF5), com desenvolvimento de lagos de interdunas (oásis), onde proliferavam núcleos de samambaias gigantes, inundados esporadicamente por rios efêmeros (AF6). Os dados faciológicos, corroborados pela paleogeografia da região durante o Permiano Superior, indicam que a sedimentação da parte superior da Formação Pedra de Fogo ocorreu sob condições climáticas quentes e áridas.