Aula 08 - Universidade Federal Fluminense

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Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE POTÊNCIA TEE-04091 Aula 08 Prof. Vitor Hugo Ferreira Operação em tempo real e planejamento da operação Modelo do sistema elétrico Status de chaves/ disjuntores Remotas em SE’s Configurador de rede Telemetria (SCADA) Atualização do modelo da rede Estimador de Estado Medidas analógicas Sinais para as unidades geradoras Previsão de carga para curto prazo Gerações de potência ativa Controle automático de geração Níveis de geração, posição de tap, corte de carga Programação da geração Despacho econômico Fluxo de potência ótimo Fluxo de potência ótimo considerando contingências Análise de contingências Violações de limites Supervisório: - fluxos - tensões - alarmes - medidas portadoras de erros grosseiros Possíveis violações de limites (fluxos, níveis de tensão) Seleção de contingências Alarmes UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Operação econômica de sistemas de potência  Estratégia de operação do sistema visando garantir o fornecimento seguro de energia elétrica a custo mínimo  Segurança  Análise de contingências  Fluxo de potência ótimo considerando segurança  Economia  Planejamento da geração  Comissionamento de unidades geradoras  Coordenação hidrotérmica  Despacho econômico Despacho econômico   Determinar a geração a ser alocada a cada máquina visando minimizar o custo de operação Custos envolvidos na produção de energia  Custos fixos  Investimento inicial  Operação e manutenção (O&M)  Impostos  Custos variáveis  Térmicas  custo de combustível  Hidrelétricas  valor futuro da água  Coordenação hidrotérmica Características de unidades geradoras  Unidades térmicas a vapor  Fonte de calor gera vapor sob pressão que alimenta a turbina UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Unidades térmicas a vapor  Fonte de calor  Combustão UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Unidades térmicas a vapor  Serviços auxiliares  2 a 6 % da potência de saída do gerador UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Curva típica entrada-saída  Insumo de combustível x potência elétrica gerada  Entrada    Quantidade de combustível por hora  Toneladas de carvão  m3 de gás natural Unidades monetárias por hora Saída  Potência elétrica entregue (MW) UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Curva típica entrada-saída  Definições:  H  energia entregue na entrada da unidade por hora    1 [Btu] = 252,2 [cal]  1 [Btu] = 1.055,06 [J]  1 [Btu]  2,93x10-4 [kWh] F  custo variável da usina por hora [$/h]   Unidade  [Btu/h] (British Thermal Unit/hora) Custo operacional  Combustível e O&M P  potência elétrica entregue pelo gerador [MW] UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Curva típica entrada-saída  H ou F x P  Pmin  estabilidade do ciclo de combustão  Potência mínima para resfriamento da caldeira UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Curva típica de taxa incremental de calor ou de custo  H/P ou F/P x P UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Curva típica de taxa líquida de calor    H/P x P UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Taxa líquida de calor     Recíproco da eficiência  Rendimento típico de unidades térmicas a vapor 30%   %  35%  Considerando que 1 [kWh]  3412 [Btu],  varia na faixa: 3412  max  0,3  1   0,35  3412  min  min     max  9800    11400  Btu kWh  UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Modelagem da curva entrada-saída  Contínua ou linear por partes UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Modelagem da curva entrada-saída  Curva da taxa incremental UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Poder calorífico de combustíveis   Quantidade de energia por unidade de massa ou de volume libertada na oxidação de um determinado combustível  Sistema internacional de unidades  [J/kg] ou [J/ m3]  Sistema inglês  [Btu/lb] Conversão da quantidade (kg) ou volume de combustível (m3) em energia térmica (Btu) UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Poder calorífico de combustíveis  Poder calorífico superior  HHV (higher heating value)   Poder calorífico inferior  LHV (lower heating value)   Energia liberada na forma de calor mais a energia gasta na vaporização da água no processo de combustão Energia liberada na forma de calor A diferença entre o HHV e o LHV depende da quantidade de hidrogênio existente no combustível UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Poder calorífico de combustíveis  Exemplo:   Carvão betuminoso  HHV = 14800 [Btu/lb]  LLV = 14400 [Btu/lb] Gás natural  HHV = 40743,26 [Btu/m3]  LHV = 35905,14 [Btu/m3] UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Poder calorífico de combustíveis  HHV  geralmente utilizado em usinas térmicas a vapor  LHV  utilizado em usinas com câmaras de combustão  Turbinas a gás  Utilizada na Europa para cálculo de eficiências UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Variações da curva entrada-saída  Geradores de grande porte  Diversas válvulas de admissão de vapor  Abertura das válvulas em sequência  Curva não-convexa  Métodos de otimização nãoconvexa UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás ou turbo-geradores  Compressor, câmara de combustão e turbina  Ciclo aberto  Ar é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape retornados à atmosfera  Fluido de trabalho  gases resultantes da combustão  Combustíveis utilizados  Gás natural, gás liquefeito do petróleo (GLP), óleo diesel, etc. UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás ou turbo-geradores  Ciclo Brayton   Passagem do ar pelo compressor  Aumento da pressão e da temperatura  Taxa de compressão entre 10 e 12 Mistura ar e combustível  Queima e aquecimento a pressão constante  Gases a alta temperatura e pressão UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás ou turbo-geradores  Ciclo Brayton  Entrada na turbina   Trabalho exercido pelo fluido sobre as palhetas  Potência mecânica responsável pelo acionamento do compressor e do gerador  Redução de pressão e temperatura dos gases Rendimento variando entre 25 e 30% UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás de ciclo combinado  Aproveitamento dos gases aquecidos liberados no canal de exaustão de turbo-geradores  Sistema de regeneração de gases e geração de vapor (HRSG)  heat-recovery steam generator  Combinação de turbo-geradores e turbinas a vapor  Aumento da eficiência  38 a 52 %  Dependente do número de turbo-geradores em operação UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás de ciclo combinado UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Turbina a gás de ciclo combinado  Curva da taxa líquida de calor (H/P x P) UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Cogeração   Unidades que geram energia elétrica e energia térmica  Vapor  plantas industriais  Água quente  edifícios Indústrias que necessitam de vapor nos seus processos podem gerar também energia elétrica para consumo interno e até mesmo comercialização  Indústria química  Indústria de papel e celulose  Refinarias UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Cogeração UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Usinas hidrelétricas  Curva entrada-saída  Q x P  Q  volume de água turbinada por hora [m3/h]  Sistema inglês  [acre-ft]   1 acre de água (seção reta) com 1 pé de profundidade P  potência elétrica entregue pelo gerador [MW] UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Usinas hidrelétricas  Curva entrada-saída  Q x P Altura de queda constante UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Usinas hidrelétricas  Curva de taxa de água UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Características de unidades geradoras  Usinas hidrelétricas  Curva entrada-saída  variação da altura de queda UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Despacho econômico  Dadas N unidades geradoras disponíveis para operação, determinar a geração a ser alocada a cada máquina visando atender a demanda Pload e minimizar o custo de operação UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Despacho econômico  Matematicamente, o custo total de operação é dado por: FT  P1 , P2 , FT  P1 , P2 ,  , PN   F1  P1   F2  P2    FN  PN  N , PN    Fi  Pi  i 1 Além disso, a demanda deve ser atendida, ou seja, Pload  P1  P2  N  PN   Pi i 1 UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Despacho econômico  Dessa forma, para o sistema em estudo, o problema de despacho econômico pode ser formulado como o seguinte problema de otimização: min FT  P1 , P2 , P1 , , PN N , PN    Fi  Pi  i 1 sujeito a (s.a.) N Pload   Pi  0 i 1  Problemas de otimização com restrições  Quais as condições de otimalidade?  FT = 0 ? UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Próximos capítulos  Otimização com restrições  Método dos multiplicadores de Lagrange  Condições de otimalidade  Condições de Karush-Kuhn-Tucker UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência Dúvidas?  Sala 403 – Bloco D  Horário de atendimento  Segundas e quartas das 14 às 16 horas  Após a aula UFF – TCE/TEE – Operação de Sistemas de Potência