Entendendo a Potência Reativa: Insights Essenciais para Confiabilidade do Sistema Elétrico

Análise da Potência Reativa no Sistema Elétrico

Potência reativa é uma potência imaginária, mas ainda assim é necessária no Sistema Elétrico. Se a potência reativa estiver em excesso no Sistema Elétrico, a tensão pode subir e, no caso de falta de potência reativa, a tensão pode ficar baixa. Neste artigo, explicaremos vários aspectos da potência reativa, qual seu papel no Sistema Elétrico e como pode ser injetada no Sistema Elétrico.

Fundamentos de Tensão e Potência Reativa no Sistema Elétrico:

É desejável que a Tensão no Sistema Elétrico seja 1 por unidade (pu) em todos os lugares (mas é altamente impossível mantê-la). Controle de potência reativa e magnitude da tensão são palavras quase correlacionadas; similarmente, controle de potência ativa e ângulo da tensão são palavras quase correlacionadas. Considere a Figura 1. Barra-1 está conectada com barra infinita com uma longa linha de transmissão. Geralmente, potência ativa flui de maior ângulo de tensão para menor ângulo de tensão e potência reativa flui de maior magnitude de tensão para menor magnitude de tensão. Então, na Figura 1, potência Ativa e Reativa fluirão da barra-1 para barra-2 (em alguns casos depende de outros fatores também).

Análise da Potência Reativa em Gerador Síncrono:

Considere um circuito equivalente simples de Gerador Síncrono (GS) como mostrado na Figura 2. Sua tensão de terminal é 1∠0, ou podemos dizer que GS está diretamente conectado à barra infinita.

Deve-se notar que a potência reativa é potência imaginária, então pode ser fornecida ou absorvida pelo GS. Se E_f for menor que '1' (ou seja, E_f < V_t), diremos que está operando em baixa excitação (ou seja, corrente CC em seu enrolamento de campo é baixa); nesse caso, GS pode consumir potência reativa. Se E_f for maior que '1' (ou seja, E_f > V_t), diremos que está operando em alta excitação (ou seja, corrente CC em seu enrolamento de campo é alta); nesse caso, GS pode fornecer potência reativa.

Potência ativa é chamada de potência real. GS sempre fornece potência ativa; então você pode entender por que o ângulo do rotor é positivo no caso de gerador síncrono e negativo no caso de motor síncrono.

A equação "Entrada = saída + perdas" é válida para qualquer máquina. Para GS, a equação é "Entrada Mecânica = Saída Elétrica (Potência ativa) + perdas".

Como escrito acima, se GS estiver operando em alta excitação, pode gerar potência reativa, ou seja, GS fornecerá a potência reativa ao sistema. Na verdade, o que acontece é apenas uma troca de energia entre gerador e carga. (Suponha que a carga seja Motor de Indução. Então, haverá uma troca de energia entre GS e Motor de Indução; ou podemos dizer que GS está gerando potência reativa e Motor de Indução está consumindo a potência reativa; mas são apenas convenções, potência reativa é potência imaginária, portanto não pode ser gerada ou consumida).

Nos livros de Sistema Elétrico, para calcular potência complexa, a fórmula S=VI* é mencionada. Se a fórmula S=V*I for usada, o mesmo resultado pode ser encontrado, exceto que o sinal da potência reativa será invertido. Então, estudiosos de Engenharia Elétrica finalizaram a fórmula S=VI* e descartaram a segunda fórmula. Por que escolheram a primeira fórmula em vez da segunda, tente analisar por si mesmo com base neste artigo.

Da Figura 3, você pode facilmente entender por que a potência ativa é chamada de potência real e a potência reativa é chamada de potência imaginária.

Um diagrama de GS é mostrado na Figura 4. Esta Figura também é autoexplicativa.

Em seu enrolamento de campo, se a tensão CC (ou corrente CC) for alta, o GS fornecerá mais potência reativa. Então, talvez você pense que a potência CC do enrolamento de campo é convertida em potência reativa. É um grande equívoco entre estudantes. Por favor, note: Mais tensão CC no enrolamento de campo significa mais corrente CC, e esta potência será consumida como perdas I²R na resistência 'R' do enrolamento de campo. Nenhuma potência CC no circuito de campo será convertida em potência reativa. À medida que a corrente CC aumenta, a potência reativa fornecida pelo GS aumenta, significa que a troca de energia do gerador é aumentada com a carga. No caso de alta corrente CC no enrolamento de campo, o fluxo na indutância do enrolamento de campo será alto, o que ajudará a gerar potência reativa pelo GS.

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Considere a Figura 1 novamente. Se a excitação do GS for aumentada, duas coisas acontecerão:

1. (i) Gerador fornecerá mais potência reativa
2. (ii) Sua tensão de terminal (magnitude) aumentará (como dito anteriormente, controle de potência reativa e magnitude da tensão são palavras quase correlacionadas).

Se houver excesso de potência reativa no sistema elétrico, a tensão aumenta, e vice-versa. Com base nisso, os leitores devem tentar entender o efeito Ferranti também. [No caso do efeito Ferranti, a tensão na extremidade receptora é maior que na extremidade de envio. Ocorre em vazio (ou carga muito baixa). A maior parte da carga no sistema elétrico é carga indutiva. Então, em condições de vazio, o efeito indutivo diminui e a capacitância shunt natural (capacitâncias shunt naturais no ar) domina. Capacitor gera potência reativa, portanto tenta aumentar a tensão]

Nos livros de Máquinas Elétricas, está escrito que em carga com FP adiantado (ou seja, carga capacitiva), um transformador pode ter regulação de tensão negativa; os leitores devem tentar entender esta linha também com a ajuda deste artigo. Note que a carga capacitiva tenta aumentar a tensão. Suponha que você tenha um transformador de relação de espiras 1:1, a tensão aplicada é 100 V, sua tensão de terminal é 102 V, então a regulação de tensão do transformador é simplesmente -2%. É possível no caso de carga capacitiva. Iniciantes podem se surpreender como a tensão de terminal do transformador pode ser maior que a tensão aplicada, devem tentar analisar.

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Compensação Shunt e Compensação Série:

Dois termos 'Compensação Shunt' e 'Compensação Série' são comumente usados em Sistema Elétrico. 'Compensação Shunt' controla potência reativa e 'Compensação Série' controla potência ativa. Compensação shunt pode ser um simples capacitor no shunt da linha de transmissão ou qualquer dispositivo FACTS shunt. Compensação série pode ser um simples capacitor em série com a linha de transmissão ou qualquer dispositivo FACTS série.

Considere a fórmula (É uma fórmula muito famosa, portanto não há explicação detalhada aqui). 'X' é a reatância da linha de transmissão. Esta fórmula é derivada assumindo que a resistência da linha de transmissão é desprezível. Se um capacitor série simples for inserido na linha de transmissão (ou entre a barra-1 e barra-2 na Figura 1), então podemos dizer que é compensação série. Controlando o valor do capacitor série, podemos controlar o 'X', logo 'P' pode ser controlado. Também você pode ver que 'P' está relacionado a 'δ'. (Como escrito anteriormente, controle de 'P' e 'ângulo de tensão' são palavras intimamente relacionadas).

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Métodos de Injeção de Potência Reativa no Sistema Elétrico:

Se a tensão no Sistema de Transmissão for menor que 1 pu, então a potência reativa deve ser injetada no sistema. Vários Métodos de Injeção/Absorção de Potência Reativa no Sistema Elétrico são dados abaixo:

1. Controle da excitação CC do GS, como explicado acima neste artigo,
2. Capacitores shunt (Para fornecer potência reativa e aumentar a tensão),
3. Indutores shunt (Para consumir a potência reativa e baixar a tensão), no caso do efeito Ferranti (ou seja, quando a carga é muito baixa e a tensão na extremidade receptora pode ser alta), é usado.
4. TCR-FC ou TCR-TSC (São dispositivos FACTS baseados em impedância),
5. STATCOM (É um dispositivo FACTS baseado em conversor de fonte de tensão). STATCOM ou Compensador Síncrono Estático é um dispositivo de eletrônica de potência usando dispositivos comutados por força como IGBT, GTO etc. para controlar o fluxo de potência reativa através de uma rede de energia e, assim, aumentar a estabilidade da rede de energia. STATCOM é um controlador FACTS shunt, ou seja, é conectado em shunt com a linha. Nos dias iniciais seu nome era STATCON em vez de STATCOM. É um membro da família de dispositivos do Sistema de Transmissão CA Flexível (FACTS) e tem grande potencial de pesquisa. Instalar um STATCOM em um ou mais pontos adequados em uma rede melhorará a estabilidade de tensão e manterá um perfil de tensão suave sob diferentes condições de rede. Sua capacidade de realizar filtragem ativa também é muito útil para melhorias na qualidade de energia.
6. Em parques eólicos, Gerador de Indução é usado, é uma máquina de excitação simples (ou seja, não tem enrolamento de campo). Então, controle de potência reativa em um Gerador de Indução não é possível; portanto, neste caso, para fornecer potência reativa, STATCOM é amplamente usado. STATCOM é instalado nos terminais do Gerador de Indução como controlador shunt. Este tópico também tem grande potencial de pesquisa.

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Como escrito neste artigo, 'compensação shunt' está relacionada ao controle de potência reativa, pode-se ver que nos métodos acima de 2 a 6, todos são controladores shunt.

Como dito anteriormente, potência reativa é potência imaginária, então linhas de transmissão são destinadas a fornecer potência ativa. É uma pergunta: por que estamos injetando potência reativa no Sistema Elétrico? A resposta é: geradores, linhas de transmissão, transformadores etc., têm resistência desprezível comparada à sua reatância indutiva, então podemos dizer que o sistema de transmissão é um circuito indutivo. Ele está consumindo potência reativa, portanto, para compensá-la, temos que fornecer potência reativa.

Em outras palavras, podemos dizer que, para manter perfil de tensão plano (ou seja, manter tensão 1 pu em todos os lugares), em um sistema de transmissão, controle adequado de potência reativa é necessário. Para evitar transmissão excessiva de potência reativa; geração e consumo de potência reativa devem ser o mais próximos possível um do outro; caso contrário, resultará em perfil de tensão inadequado.

Sobre o Autor

Dr. Vipin Jain obteve graduação em Engenharia em 1992 pela Universidade de Nagpur, Mestrado em Tecnologia em 2007, Doutorado em 2017 pela Universidade de Delhi. Tem longa experiência de ensino e industrial. É membro do corpo docente do Departamento de Engenharia Elétrica, Instituto de Tecnologia Bharat, Meerut (UP), Índia, desde dezembro de 2007. Mais de vinte artigos de pesquisa foram publicados por ele até agora. É auditor de energia certificado pelo Bureau of Energy Efficiency, Governo da Índia.

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