Dynamic security regions in power systems with active overexcitation limiters

Regiões de segurança dinâmicas em sistemas de energia com limitadores de sobreexcitação ativos

ABSTRACT

This paper analyzes the impact of active overexcitation limiters (OELs) on the dynamic security assessment of power systems, with focus on transient stability. The analysis is concentrated on dynamic security regions evaluation, considering different OELs types, including the takeover and summed ones. Initially, the importance of the OEL modelling is exemplified in a study carried out on the Brazilian Interconnected Power System, where the OEL activation results in a significant transfer capability limitation. After that, the work explores the development of dynamic security regions in the IEEE New England system, showing how these regions can be distorted depending on the OELs representation.

Keywords: Dynamic security assessment, Overexcitation limiters, Security regions, Transfer capability, Transient stability

RESUMO

Este artigo analisa o impacto de limitadores de sobreexcitação ativos (LEOs) na avaliação da segurança dinâmica de sistemas elétricos, com foco na estabilidade transitória. A análise concentra-se na avaliação de regiões de segurança dinâmica, considerando diferentes tipos de LEOs, incluindo os de aquisição e os somados. Inicialmente, a importância da modelagem de LEOs é exemplificada em um estudo realizado no Sistema Interligado Nacional (SIN), onde a ativação do LEO resulta em uma limitação significativa da capacidade de transferência. Em seguida, o trabalho explora o desenvolvimento de regiões de segurança dinâmica no sistema IEEE New England, mostrando como essas regiões podem ser distorcidas dependendo da representação dos LEOs.

Introdução

O crescimento da demanda associado à intermitência da geração renovável e aos menores investimentos na rede de transmissão trouxe maior complexidade à operação dos sistemas elétricos [1]. Nesse contexto, alguns cenários operacionais podem se tornar menos previsíveis e consideravelmente estressados, com alguns dispositivos operando próximos aos seus limites operacionais. É o caso, por exemplo, dos limitadores de sobreexcitação (LEOs) [2], fundamentais para proteger os enrolamentos de campo das máquinas síncronas contra superaquecimento [3].Com a crescente complexidade da operação de sistemas de energia, ferramentas de avaliação de segurança online tornaram-se muito importantes. Essas ferramentas indicam se o sistema está ou não em um ponto de operação seguro, auxiliando o operador na tomada de decisão. Entre as ferramentas relevantes de avaliação de segurança online, as regiões de segurança são muito úteis para os operadores, pois indicam direções de redespacho seguras com base em restrições de segurança estáticas e dinâmicas [3]. Na análise de segurança dinâmica, o principal critério de avaliação é a estabilidade transitória.Limitadores de sobreexcitação são dispositivos com comportamento dinâmico lento, comumente com característica de tempo inverso. Esses limitadores atuam nos reguladores automáticos de tensão (AVRs) para garantir que a corrente de campo das máquinas síncronas permaneça dentro dos limites térmicos. Os OELs mais empregados são classificados como somados ou de aquisição, dependendo de como seu sinal é introduzido no AVR. A ativação do OEL restringe a corrente de campo, diminuindo a capacidade do gerador de fornecer potência reativa ao sistema, o que pode levar a um colapso de tensão [4,5]. Portanto, as análises envolvendo a ativação de OELs concentram-se principalmente em estudos de estabilidade de longo prazo [2]. No entanto, a evolução de variáveis ​​de longo prazo pode resultar em uma redução nas margens de segurança associadas a instabilidades de curto prazo, especialmente quando os limites operacionais são violados. Nesse caso, um sistema com OELs ativos, que tem sua capacidade de controle de tensão reduzida, é mais propício a uma instabilidade transitória.Normalmente, as funções de controle dos limitadores de sobreexcitação não são consideradas no banco de dados para estudos de estabilidade transitória [6]. No banco de dados do Sistema Interligado Nacional (SIN), cerca de 50% das máquinas síncronas não possuem as funções de controle do LEO modeladas. No entanto, a importância da modelagem do LEO na análise de estabilidade transitória, especialmente em sistemas sob condições de estresse, já foi objeto de pesquisas anteriores [2].Neste artigo, o impacto de limitadores de sobreexcitação ativos na avaliação de segurança dinâmica é analisado com foco no cálculo de regiões de segurança. Inicialmente, a importância da modelagem do LEO é exemplificada em um estudo realizado no Sistema Interligado Nacional (SIN). O estudo mostra como a ativação do LEO de um condensador síncrono importante pode afetar a estabilidade transitória, limitando a capacidade de transferência de potência. Em seguida, o trabalho explora o desenvolvimento de regiões de segurança dinâmicas no sistema IEEE New England, mostrando como essas regiões podem ser influenciadas pela representação dos LEO.O restante deste artigo está organizado da seguinte forma. A Seção II descreve o princípio de operação dos limitadores de sobreexcitação, considerando diferentes modelos OEL. A Seção III apresenta os conceitos básicos relacionados ao desenvolvimento da região de segurança dinâmica. A Seção IV apresenta os resultados da avaliação de segurança dinâmica para o BIPS e o sistema New England. As considerações finais são discutidas na Seção V.

Trechos de seção

Limitadores de superexcitação

O limitador de sobreexcitação (OEL) é um dispositivo que protege o enrolamento de campo da máquina síncrona contra superaquecimento causado por altas correntes [7]. Sempre que a corrente de campo exceder níveis aceitáveis, o OEL deve atuar para trazer essa corrente de volta a um ponto de operação seguro. O princípio de ativação do OEL baseia-se na curva de capacidade térmica do enrolamento de campo do gerador, conforme definido pela norma IEEE C50.13 [8].Os limitadores de superexcitação geralmente trabalham com uma característica de tempo inverso [7] como

Regiões de segurança

Um conceito importante associado à avaliação da segurança do sistema elétrico é o desenvolvimento de regiões de segurança [3]. As regiões de segurança são gráficos tridimensionais que relacionam a geração de potência ativa em diferentes áreas do sistema, indicando configurações seguras de redespacho. Por meio dessas regiões, o operador do sistema pode identificar como a transferência de potência ativa pode ser alterada, preservando a integridade do sistema.O cálculo das regiões de segurança é baseado em análises estáticas e dinâmicas,

Resultados

Nesta seção, analisa-se o impacto dos limitadores de sobreexcitação ativos na avaliação da segurança dinâmica. Inicialmente, exemplifica-se a importância da modelagem OEL no Sistema Interligado Brasileiro (SIEB), onde os limites de transferência são explorados. Em seguida, o trabalho avalia regiões de segurança dinâmica no sistema IEEE New England na presença da modelagem OEL.

Conclusões

Limitadores de Sobreexcitação (OELs) são dispositivos fundamentais para garantir a operação segura de máquinas síncronas. Devido à sua característica temporizada, esses limitadores são comumente utilizados em estudos de estabilidade de longo prazo. No entanto, operar o sistema com limitadores de sobreexcitação ativos também pode influenciar a avaliação de segurança dinâmica de curto prazo.Este trabalho apresentou um estudo sobre o impacto de limitadores de sobreexcitação ativos na avaliação da segurança dinâmica do sistema elétrico. Este impacto foi

Financiamento

Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo 

INERGE, CNPq, FAPERJ, FAPEMIG e pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES ) Código Financeiro 001 .

Declaração de Interesse Concorrente

Os autores declaram não ter quaisquer interesses financeiros concorrentes ou relacionamentos pessoais que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo.

Referências (14)

• P. Panciatici e outros.Operando na névoa: gestão de segurança em situações de incertezaRevista IEEE Power Energy.(2012)
• G. Anagnostou e outros.Impacto dos limitadores de sobreexcitação na margem de estabilidade do sistema de potência em condições severasSistema de energia de transmissão IEEE(2016)
• K. Morison e outros.Avaliação de segurança do sistema de energiaRevista IEEE Power Energy.(2004)
• T. Van Cutsem e outros.Estabilidade de Tensão de Sistemas Elétricos de Potência , série Kluwer International Series em Engenharia e Ciência da Computação(1998)
• C. Vournas e outros.Efeito dos limitadores de sobreexcitação na modelagem de longo prazo do sistema de energiaIEEE Trans. Convers. de Energia.(1999)
• A. MurdochLimitadores de proteção do sistema de excitação e seu efeito no controle volt/var – projeto, modelagem computacional e testes de campoIEEE Trans. Convers. de Energia.(2000)
• Prática recomendada pelo IEEE para modelos de sistemas de excitação para estudos de estabilidade de sistemas de energia

Há mais referências disponíveis na versão completa deste artigo.