13-DEBOISEMENT DU HAUT D'UNE COUPE DE ROC AVEC FOSSE DE DRAINAGE

O histórico de apagões totais ou interrupções generalizadas nos sistemas elétricos é quase tão longo quanto a própria história do setor de energia elétrica (ADIBI et al., 1987). Apesar dos sistemas de energia elétrica apresentarem elevado grau de confiabilidade, e estarem sujeitos ao monitoramento constante para manutenção de sua segurança, falhas podem ocorrer durante a operação, levando em casos extremos ao seu desligamento por completo (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008). Na ocorrência de um desligamento (no inglês, blackout) completo ou parcial do sistema os operadores inicializam a etapa de restabelecimento (no inglês, black-start), a qual é dividida em três fases principais: preparação, reconfiguração da rede e restauração da carga (ADIBI; FINK, 2006; FINK; LIOU; LIU, 1995).

A fase de preparação prioriza a identificação do status do sistema de modo a agir o mais rápido possível. Essa fase identifica as cargas críticas do sistema, as unidades de suporte ao black-start, a parcela do sistema que permaneceu energizada, quando aplicável, e os caminhos necessários para a energização das cargas críticas e demais unidades geradoras do sistema. A fase de reconfiguração energiza apenas as principais linhas de transmissão e subestações, o que é chamado de esqueleto do sistema de

73 Capítulo 3 – Controle de Frequência

Cap –

potência. Nessa etapa pequenas ilhas são formadas onde pequenos blocos de cargas são energizados para estabilizar a geração e controlar a tensão do sistema. Por fim, na fase de restauração da carga, todas as cargas do sistema são restauradas levando em consideração sua importância e prioridade em relação as demais cargas do sistema (SUN et al., 2019).

A maioria dos processos de restabelecimento do sistema são provocados por desligamentos parciais, onde o tempo de restabelecimento do sistema é reduzido em decorrência da participação da parcela do sistema que permaneceu energizada (JIANFENG DAI et al., 2017; SUN et al., 2019). No restabelecimento após um desligamento parcial do sistema, a parcela do sistema que permaneceu energizada viabiliza a restauração do tipo top-down. Nesse processo, inicialmente ocorre a energização das linhas de transmissão desligadas, as quais religam as redes de subtransmissão que restabelecem parte das cargas ao mesmo tempo que as unidades de black-start e demais unidades geradoras são religadas (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008). No entanto, após um desligamento completo do sistema o processo de restabelecimento costuma ser mais complexo e demorado, pois envolve uma série de ações de controle, executadas pelos operadores do sistema para restabelecer inicialmente a geração e a transmissão para posteriormente restaurar todas as cargas do sistema.

No caso do desligamento total do sistema, como não há uma parcela energizada do sistema, o processo de restabelecimento ocorre através das unidades formadoras de rede, também denominadas de unidades de black-start, que além de realizar a auto- partida (em inglês, self-start), fornecem a referência de tensão e frequência para as demais unidades do sistema (JIANFENG DAI et al., 2017; VERMA et al., 2011). Logo, nesta metodologia o procedimento de restabelecimento ocorre de baixo para cima (em inglês, bottom-up), onde as unidades de black-start localizadas em diferentes partes do sistema, energizam as cargas locais e inicializam as demais unidades geradoras de modo a formar pequenas ilhas de geração, as quais posteriormente se conectam entre si viabilizando o restabelecimento completo do sistema (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008).

74 Capítulo 3 – Controle de Frequência

Cap –

3.3.1 Unidades Responsáveis Pelo Início do Restabelecimento

No processo de restabelecimento de SEPs, devido ao desligamento total do sistema, inicialmente as unidades de black-start realizam a auto-partida, de forma a alimentar as cargas críticas do sistema (JIANFENG DAI et al., 2017), como instalações militares, policiais, hospitais e outras instalações de saúde pública, além de instalações de comunicação. Embora as unidades de black-start apresentem uma potência considerável, estas envolvem apenas algumas unidades de geração previamente escolhidas e, portanto, apresentam limitações quanto a parcela de carga alimentada. Desse modo, durante o restabelecimento do sistema as unidades de black-start fornecem energia para a inicialização das demais unidades do sistema, as quais auxiliam no restabelecimento do sistema (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008).

Em sistemas elétricos tradicionais as unidades de black-start são aquelas que não precisam de nenhum tipo de energização para realizar a auto-partida, sendo comumente classificadas em três grupos principais (SUN et al., 2019):

 Unidades hidrelétricas: estas unidades apresentam características de resposta rápida e necessitam de pouca energia para partir;

 Grupo de geradores a diesel: geralmente requerem apenas baterias para partir, apresentam partida relativamente rápida, e devido ao seu tamanho reduzido são empregados no suporte do restabelecimento de unidades maiores;

 Grupos geradores de turbinas a gás: os geradores de turbina a gás derivados de aeronaves podem ser iniciados remotamente e requerem apenas baterias para partir. Já os grandes geradores baseados em turbina a gás ou a vapor geralmente são acoplados a grupos de geradores a diesel devido a sua incapacidade de auto-partida. Além disso, estas unidades podem ser iniciadas e receber carga em pouco tempo, onde o tempo de inicialização e a capacidade de rampa disponível são definidos em função do tempo que a unidade permaneceu off-line.

Segundo Sun et al. (2019) as típicas unidades de black-start consistem de pequenas unidades de turbina a gás ou hidrelétricas de 10 à 50 MW e, em alguns casos,

75 Capítulo 3 – Controle de Frequência

Cap –

até unidades a vapor de 200 à 400 MW. Além disso é importante ressaltar que nem todas as unidades geradoras podem ser unidades de black-start, pois requisitos mínimos são necessários para tal funcionalidade, como a operação estável frente a alimentação de uma grande carga reativa, por exemplo.

3.3.2 Processos de Restabelecimento

O processo de restabelecimento é geralmente realizado seguindo as etapas de um plano de restabelecimento elaborado pelo operador do sistema. Esse plano de restabelecimento descreve todo o processo que contempla desde a auto-partida das unidades de black-start até a energização do último bloco de carga do sistema (SUN et al., 2019). Como o processo de restabelecimento envolve degraus de carga maiores quando comparado à operação normal, as excursões na tensão e frequência do sistema aumentam, de forma a atingir os limites operacionais mais rapidamente, o que provoca a atuação dos sistemas de proteção e, consequentemente, a interrupção do processo de restabelecimento do sistema.

Neste contexto, Feltes, Grande-Moran (2008) salientam a necessidade da validação do processo de restabelecimento através de testes práticos ou simulações computacionais. Segundo os autores, na prática somente as simulações computacionais costumam ser realizadas, pois apesar do teste da unidade de black-start ser relativamente simples, o mesmo envolve o desligamento de uma linha de transmissão e, consequentemente, a interrupção das cargas conectadas, o que não é aceito na prática.

Desta forma, normalmente as simulações computacionais são empregadas, onde a análise do estado estacionário geralmente considera as seguintes etapas (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008; SUN et al., 2019):

 Balanço de geração e carga;

 Controle de tensão e análise de sobretensão em estado estacionário;

 Capacidade das unidades de black-start para absorver a potência reativa produzida pelas correntes de carga do sistema de transmissão;

 Simulação passo a passo do plano de restabelecimento para garantir sua viabilidade e conformidade com os limites operacionais do sistema;

76 Capítulo 3 – Controle de Frequência

Cap –

 Verificação da robustez do plano de restabelecimento do sistema para garantir sua capacidade de compensar a indisponibilidade de componentes chaves empregados no processo;

Concluída a análise estacionária do processo de restabelecimento do sistema, é realizado a análise dinâmica do plano de restabelecimento do sistema. Nessa análise considera-se um ponto inicial de operação em estado estacionário, obtido da análise de estado estacionário do sistema, para se avaliar o comportamento dinâmico do sistema frente a energização de uma grande carga do sistema, como um motor de indução por exemplo. Tipicamente as análises dinâmicas envolvem um conjunto de funções avaliadas, sendo elas (FELTES; GRANDE-MORAN, 2008):

 Controle de carga e frequência;  Controle de tensão;

 Partida de um grande motor de indução;  Avaliação de auto excitação;

 Estabilidade do sistema;  Sobretensões transitórias.

O procedimento do restabelecimento do sistema somente é considerado confiável se apresentar bons resultados nas análises estáticas e dinâmicas descritas, as quais testam o funcionamento das unidades de black-start frente às piores condições operacionais, o que consequentemente proporciona confiabilidade e robustez ao processo.

Apesar de sistemas tradicionais empregarem somente as fontes de black-start salientadas, Thale e Agarwal (2011), comprovam através de um estudo prático realizado em laboratório, que outras fontes de energia podem participar do processo de restabelecimento do sistema, como as fontes renováveis de energia eólica e solar. Zhu e Liu (2012) e Aktarujjaman et al. (2006) abordam a participação de parques eólicos baseados em geradores de indução duplamente alimentados (DFIGs, do inglês, Doubly

Fed Induction Generators) no processo de restabelecimento do sistema. Bordignon, De

Oliveira e Lukasievicz (2015, 2018) abordam o restabelecimento de microrredes ilhadas e sistemas elétricos isolados com alto nível de inserção da geração eólica, no entanto, esses estudos também não empregam o GSV.

77 Capítulo 3 – Controle de Frequência

Cap –

Quanto à inserção da geração PV no processo do restabelecimento de sistemas elétricos de grande porte, até o momento não foram encontrados trabalhos que abordem esse tema. Desse modo, atualmente os operadores do sistema excluem do processo de restabelecimento o suporte das unidades de geração baseadas em energias renováveis, como as plantas PVs e eólicas, devido à falta de estratégias operacionais e de controle para a inserção destas unidades de geração no processo de restabelecimento dos SEPs (SUN et al., 2019).

Nesse contexto, a adição da malha do GSV ao inversor da unidade PV impõe a operação no modo Vf e, portanto, a unidade PV se torna uma unidade formadora de rede capaz de controlar a frequência e a tensão do sistema, o que viabiliza sua inserção como unidade de black-start do sistema (LI et al., 2011). O próximo capítulo apresenta maiores detalhes sobre a estratégia operacional e de controle proposta neste trabalho para a operação das unidades PVs no modo de controle Vf durante o processo de restabelecimento do sistema. Além disso, é importante mencionar que este trabalho foca apenas na proposição de uma estratégia operacional e de controle que permita que grandes plantas de geração PV possam participar do processo de restabelecimento como unidades de black-start. Portanto, procedimentos e planos para o restabelecimento de sistemas elétricos não serão propostos e nem avaliados neste trabalho.