Estabilidade de Estado Estacionário em Sistemas de Energia: Definição Causas e Métodos de Melhoria

Definição de Estabilidade em Estado Estacionário

A estabilidade em estado estacionário é definida como a capacidade de um sistema elétrico de manter sua condição operacional inicial após uma pequena perturbação, ou de convergir para um estado que se aproxima muito da condição inicial quando a perturbação persiste. Este conceito tem significado crítico no planejamento e design de sistemas de energia, no desenvolvimento de dispositivos automáticos de controle especializados, na comissionamento de novos componentes do sistema e no ajuste das condições de operação.

A avaliação do limite de estabilidade em estado estacionário é essencial para a análise de sistemas de energia, que abrange a verificação do desempenho do sistema sob condições específicas de estado estacionário, a determinação dos limites de estabilidade, a avaliação qualitativa de processos transitórios e a avaliação de fatores como o tipo de sistema de excitação e seus controles, modos de controle e parâmetros de sistemas de excitação e automação.

Os requisitos de estabilidade são determinados pelo limite de estabilidade, pela qualidade da energia elétrica sob condições de estado estacionário e pelo desempenho transitório. O limite de estabilidade em estado estacionário refere-se ao fluxo máximo de potência através de um ponto específico no sistema que pode ser mantido sem acionar a instabilidade quando a potência é aumentada gradualmente.

Na análise de sistemas de energia, todas as máquinas dentro de um segmento único são tratadas como uma única máquina grande conectada nesse ponto, mesmo que não estejam diretamente ligadas ao mesmo barramento e estejam separadas por reatâncias significativas. Sistemas de grande escala geralmente são assumidos como tendo tensão constante e são modelados como um barramento infinito.

Considere um sistema composto por um gerador (G), uma linha de transmissão e um motor síncrono (M) funcionando como carga.

A expressão mostrada abaixo fornece a potência desenvolvida por um gerador G e um motor síncrono M.

A expressão abaixo fornece a potência máxima gerada pelo gerador G e o motor síncrono M

Aqui, A, B e D representam as constantes generalizadas da máquina de dois terminais. A expressão acima fornece a potência em watts, calculada por fase, desde que as tensões utilizadas sejam tensões de fase em volts.

Razões para a Instabilidade do Sistema

Considere um motor síncrono conectado a uma barra infinita, operando a uma velocidade constante. Sua potência de entrada é igual à potência de saída mais as perdas. Se a menor parcela de carga no eixo for adicionada ao motor, a potência de saída do motor aumenta, enquanto sua potência de entrada permanece inalterada. Isso cria um torque de retardo líquido, fazendo com que a velocidade do motor diminua temporariamente.

À medida que o torque de retardo reduz a velocidade do motor, o ângulo de fase entre a tensão interna do motor e a tensão do sistema aumenta até que a potência elétrica de entrada seja igual à potência de saída mais as perdas.

Durante esse intervalo transitório, já que a potência elétrica de entrada do motor é menor que a carga mecânica, a potência excedente necessária é extraída da energia armazenada no sistema rotativo. O motor oscila em torno do ponto de equilíbrio e pode eventualmente parar ou perder a sincronização.

Um sistema também perde estabilidade quando uma carga grande é aplicada ou quando uma carga é aplicada de forma muito súbita à máquina.

A equação abaixo descreve a potência máxima que um motor pode desenvolver. Esta carga máxima é alcançável apenas quando o ângulo de potência (δ) é igual ao ângulo de carga (β). A carga pode aumentar até que essa condição seja atendida; além disso, qualquer aumento adicional de carga fará com que a máquina perca a sincronização devido à potência de saída insuficiente.

A potência deficitária será então fornecida pela energia armazenada do sistema rotativo, levando a uma queda na velocidade. À medida que o déficit de potência aumenta, o ângulo diminui gradualmente até que o motor pare.

Para qualquer δ dado, a diferença entre a potência desenvolvida pelo motor e pelo gerador é igual às perdas na linha. Se a resistência e a admitância shunt da linha forem desprezíveis, a potência transferida entre o alternador e o motor pode ser expressa da seguinte forma:

Onde, X – reatância da linha

• V_G – tensão do gerador

• V_M – tensão do motor

• δ – Ângulo de Carga

• P_M – Potência do motor

• P_G – Potência do gerador

• P_max – potência máxima

Métodos para Melhorar o Limite de Estabilidade em Estado Estacionário

A potência máxima transferida entre um alternador e um motor é diretamente proporcional ao produto de suas forças eletromotriz (EMFs) internas e inversamente proporcional à reatância da linha. O limite de estabilidade em estado estacionário pode ser aumentado através de duas abordagens principais:

• Aumento da excitação do gerador, do motor ou de ambos
  Aumentar a excitação eleva a EMF interna das máquinas, o que, por sua vez, aumenta a potência máxima transferida entre elas. Além disso, EMFs internas maiores reduzem o ângulo de carga (δ).

• Redução da reatância de transferência
  A reatância de transferência pode ser reduzida por:

• Adição de linhas de transmissão paralelas entre os pontos de conexão;

• Uso de condutores agrupados, que reduzem a reatância da linha;

• Incorporação de capacitores série na linha.

Capacitores série são principalmente usados em linhas de extra-alta-tensão (EAT) para aumentar a eficiência da transferência de potência e são economicamente viáveis para distâncias superiores a 350 km.