Compreendendo a Estabilidade de Tensão em Sistemas de Energia: Grandes vs. Pequenas Perturbações e Limites de Estabilidade

Definição de Estabilidade de Tensão

A estabilidade de tensão em um sistema de energia é definida como a capacidade de manter tensões aceitáveis em todos os barramentos tanto sob condições normais de operação quanto após ser submetido a uma perturbação. Em operação normal, as tensões do sistema permanecem estáveis; no entanto, quando ocorre uma falha ou perturbação, pode surgir instabilidade de tensão, levando a uma queda progressiva e incontrolável da tensão. A estabilidade de tensão às vezes é referida como "estabilidade de carga".

A instabilidade de tensão pode desencadear o colapso de tensão se a tensão de equilíbrio pós-perturbação próxima às cargas cair abaixo dos limites aceitáveis. O colapso de tensão é um processo no qual a instabilidade de tensão resulta em um perfil de tensão extremamente baixo em partes críticas do sistema, potencialmente causando um blecaute total ou parcial. Notavelmente, os termos "instabilidade de tensão" e "colapso de tensão" são frequentemente usados de forma intercambiável.

Classificação da Estabilidade de Tensão

A estabilidade de tensão é categorizada em dois tipos principais:

• Estabilidade de Tensão com Grandes Perturbações: Refere-se à capacidade do sistema de manter o controle de tensão após perturbações significativas, como falhas no sistema, perda súbita de carga ou geração. Avaliar este tipo de estabilidade requer a análise do desempenho dinâmico do sistema ao longo de um período de tempo suficientemente longo para levar em conta o comportamento de dispositivos como transformadores com ajuste de tensão sob carga, controles de campo de geradores e limitadores de corrente. A estabilidade de tensão com grandes perturbações é geralmente estudada usando simulações não lineares no domínio do tempo com modelagem precisa do sistema.

• Estabilidade de Tensão com Pequenas Perturbações: Um estado operacional de um sistema de energia exibe estabilidade de tensão com pequenas perturbações se, após perturbações menores, as tensões próximas às cargas permanecem inalteradas ou ficam próximas aos seus valores pré-perturbação. Este conceito está intimamente ligado a condições de estado estacionário e pode ser analisado usando modelos de sistema de pequenos sinais.

Limite de Estabilidade de Tensão

O limite de estabilidade de tensão é o limiar crítico em um sistema de energia além do qual nenhuma quantidade de injeção de potência reativa pode restaurar as tensões aos seus níveis nominais. Até este limite, as tensões do sistema podem ser ajustadas através de injeções de potência reativa, mantendo a estabilidade.A transferência de potência por uma linha sem perdas é dada por:

• onde P = potência transferida por fase

• Vs = tensão de fase na extremidade de envio

• Vr = tensão de fase na extremidade de recepção

• X = reatância de transferência por fase

• δ = ângulo de fase entre Vs e Vr.

Como a linha é sem perdas

Assumindo que a geração de potência seja constante,

Para a transferência máxima de potência: δ = 90º, de modo que à medida que δ→∞

A equação acima determina a posição do ponto crítico na curva de δ versus Vs, com a suposição de que a tensão na extremidade de recepção permanece constante.Um resultado similar pode ser derivado assumindo que a tensão na extremidade de envio seja constante e tratando Vr como um parâmetro variável ao analisar o sistema. Neste cenário, a equação resultante é

A expressão de potência reativa no barramento de recepção pode ser escrita como

A equação acima representa o limite de estabilidade de tensão em estado estacionário. Indica que, no limite de estabilidade em estado estacionário, a potência reativa se aproxima do infinito. Isso implica que a derivada dQ/dVr se torna zero. Portanto, o limite de estabilidade do ângulo do rotor em condições de estado estacionário coincide com o limite de estabilidade de tensão em estado estacionário. Além disso, a estabilidade de tensão em estado estacionário também é influenciada pela carga.