GTD - Clube da Eletrônica

Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica

GTD – Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

2009

Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

APRESENTAÇÃO

Esta apostila sobre aspectos da geração, transmissão e distribuição de energia elétrica é o resultado de uma coletânea de notas de aula em atendimento à disciplina de Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica – GTD, do curso de graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará. A preparação deste compêndio tem por objetivo contribuir de estudantes de Engenharia Elétrica abordando assuntos aos sistemas de potência. A apostila agrega conhecimento segmentos dos sistemas elétricos de potência desde a utilização da energia elétrica.

na formação relacionados dos diversos geração até

Os assuntos abordados foram pesquisados em diversos livros e revistas técnicas, não tendo a pretensão de esgotar todo o conhecimento dos assuntos aqui tratados. Aos alunos, a iniciativa pretende contribuir de forma efetiva no processo ensino-aprendizagem não prescindindo da leitura de outras fontes literárias especializadas.

Profa Ruth Leão Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

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Capítulo 1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

1.6

1.7

1.8

Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência

Introdução Objetivos da disciplina História dos Sistemas Elétricos de Potência Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência 1.5.1 Geração de Energia Elétrica 1.5.2 Rede de Transmissão 1.5.3 Rede de Sub-transmissão 1.5.4 Rede de Distribuição Características do Sistema Elétrico Brasileiro 1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil 1.6.2 Sistema Interligado Nacional 1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil 1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil Representação Esquemática de Sistemas de Potência 1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de Potência 1.7.2 Representação do Sistema Elétrico Tendências para o Mercado de Energia Elétrica

Profa Ruth P.S. Leão

Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

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1.1 Introdução Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência. Energia Elétrica

Qualidade de Serviço e do Produto

Qualidade de Vida

Desenvolvimento Econômico

Figura 1.1 Importância da eletricidade para a sociedade.

A energia elétrica proporciona à sociedade trabalho, produtividade e desenvolvimento, e aos seus cidadãos conforto, comodidade, bem-estar e praticidade, o que torna a sociedade moderna cada vez mais dependente de seu fornecimento e mais suscetível às falhas do sistema elétrico. Em contrapartida esta dependência dos usuários vem se traduzindo em exigências por melhor qualidade de serviço e do produto. A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária. A sua facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as conseqüentes transformações em outras formas de energia, atribuem à eletricidade uma característica de universalização, disseminando o seu uso pela humanidade. No mundo de hoje, eletricidade, como alimento e moradia, é um direito humano básico. Eletricidade é a dominante forma



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de energia moderna para telecomunicações, tecnologia da informação, e produção de bens e serviços. Os crescimentos da população mundial e da economia nos países em desenvolvimento implicam, necessariamente, no aumento do consumo de energia, porém a produção de energia deve seguir os conceitos de desenvolvimento sustentável e de responsabilidade ambiental. O gráfico da Figura 1.2 apresenta o crescimento da geração mundial de eletricidade por combustível, sendo estimado para os próximos 20 anos um crescimento superior a 50% na produção mundial de eletricidade. A eletricidade é a forma de energia de uso final que mais cresce no período analisado (2006-2030). 35,0 Trillion Kilowatthours

31,8

30,0

28,9 26,0

25,0 20,0

23,2

Renewables

20,6

Coal Natural Gas

18,0

15,0

Nuclear

10,0

Liquids

5,0 0,0 2006

2010

2015

2020

2025

Fonte: International

2030

Energy Outlook 2009

Figura 1.2 Geração mundial de energia elétrica.

Segundo resultados preliminares do Balanço Energético Nacional – BEN1 2009, ano base 2008, o consumo final energético por fonte está mostrado na Figura 1.3 onde se observa que a eletricidade representa 17,4% do consumo final ficando atrás apenas do óleo diesel – 17,7%, sendo, portanto a segunda forma de energia mais consumida no país.

1

O BEN apresenta a contabilidade relativa à oferta e ao consumo de todas as formas energia no Brasil, contemplando as atividades de extração de recursos energéticos primários, sua conversão em formas secundárias, a importação e a exportação, a distribuição e o uso final da energia.



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¹ Inclui apenas gasolina A (automotiva) 2 Outras Fontes Inclui lixívia, óleo combustível, gás de refinaria, coque de carvão mineral e carvão vegetal, dentre outros Fonte: Balanço Energético Nacional – BEN 2009 – Resultados Preliminares.

Figura 1.3 Consumo final energético por fonte no Brasil em 2009.

No Brasil, dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fonte hidráulica é a que mais contribui para produção de energia elétrica (73,1%) estando os locais produtores em regiões quase sempre distantes dos centros consumidores (Figura1.4). Com isso são necessárias grandes extensões de linhas de transmissão e instalações para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo.



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(*) Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações. Fonte: Balanço Energético Nacional 2009 – Resultados Preliminares.

Figura 1.4 Estrutura da oferta de energia elétrica no Brasil em 2008.

A eletricidade apresenta uma combinação de atributos que a torna distinta de outros produtos, como: − dificuldade de armazenamento em termos econômicos; − variações em tempo real na demanda, e na produção em caso de fontes renováveis; − falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição; e − necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e segura da rede elétrica. As condições de não armazenamento e de não violação das restrições operativas impõem à eletricidade sua produção no momento exato em que é requerida ou consumida fazendo com que o dimensionamento do sistema elétrico seja determinado pelo nível máximo de energia demandada, resultando em ociosidade dessas instalações durante o período de menor demanda. O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo, exigindo instalações dimensionadas para a ponta de carga, e a longa distância entre os locais de geração e os centros consumidores pode ser traduzido pela necessária existência de um sistema de transmissão e de distribuição longos e complexos, apoiados por uma estrutura de Profa Ruth P.S. Leão


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instalações e equipamentos que, além de representar importantes investimentos, exigem ações permanentes de planejamento, operação e manutenção, e estão como qualquer produto tecnológico sujeito à falhas. Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão, distribuição, utilização e comercialização. A oferta da energia elétrica aos seus usuários é realizada através da prestação de serviço público concedido para exploração à entidade privada ou governamental. As empresas que prestam serviço público de energia elétrica o fazem por meio da concessão ou permissão concedidos pelo poder público. A disciplina de sistemas de energia elétrica apresenta uma visão panorâmica da estrutura organizacional do setor elétrico nacional e de cada um dos segmentos dos sistemas de potência.

1.2

Objetivos da disciplina

a) Apresentar a estrutura organizacional do setor elétrico brasileiro, seus agentes e funções. b) Apresentar os principais componentes de um sistema elétrico de potência, suas funções e princípio de operação dos elementos. c) Apresentar modelos de representação do sistema elétrico e de seus componentes: circuito equivalente, representação unifilar, sistema por unidade. d) Apresentar modelos típicos de: − Usinas de Geração: tipos, componentes, operação. − Subestações: equipamentos, arranjos. − Sistemas de Transmissão: parâmetros elétricos, modelos de linha, capacidade de transporte. − Sistemas de Distribuição: equipamentos de rede, característica da carga, medição, tarifa.



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d) Apresentar a automação dos sistemas elétricos de potência: hierarquia organizacional dos sistemas elétricos, arquitetura do sistema de automação, funções de supervisão e controle. 1.3

História dos Sistemas Elétricos de Potência

Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande constribuição. James Watt 1736 – 1819 (Escocês) − Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. − A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt). Alessandro Volta 1745 - 1827 (Italiano) − Em 1800 anunciou a invenção da bateria. − A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt). André Marie Ampère 1775 - 1836 (Francês) − Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos a partir do anunciado de Oersted (Oe – intensidade de campo magnético). − Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes. − Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as bases do eletromagnetismo. − A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem (ampère). Georg Simon Ohm 1789-1854 (Alemão) − Em 1827 enunciou a lei de Ohm. − Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em 1927. − As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm). Profa Ruth P.S. Leão


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Michael Faraday 1791-1867 (Inglês) − Físico e químico, em 1831 descobriu a indução eletromagnética. − Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor. − Estabeleceu o princípio do motor elétrico. − Considerado um dos maiores experimentalistas de todos os tempos. − A unidade de capacitância é em sua homenagem (F). Joseph Henry 1797-1878 (Americano) − Descobriu a indutância de uma bobina. − Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).

Gustav Robert Kirchhoff 1824–1887 (Alemão) − Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões.

Thomas Alva Edison 1847-1931 (Americano) − Em 1879 inventou a lâmpada elétrica. − Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc. − Criou a Edison General Electric Company. − Foi sócio da ‘General Electric Company’. − Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiro projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado no mesmo ano em Londres, com capacidade de



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geração para 1000 lâmpadas2.

William Stanley 1858-1968 (Americano) – Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o transformador.

Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano) − Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono. − Inventor do sistema polifásico. − Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA. − A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T). George Westinghouse 1846-1914 (Americano) − Inventor do disjuntor a ar. − Comprou a patente do recém inventado transformador dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs. − Comprou a patente do motor elétrico de Tesla. − Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company. − Venceu a batalha das correntes contra Edison.

1.4

Estrutura Organizacional do Setor Elétrico Brasileiro

O setor elétrico mundial tem passado por amplo processo de reestruturação organizacional. No modelo atual os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão, distribuição, e comercialização. No Brasil, este processo de re-estruturação foi desencadeado com a criação de um novo marco regulatório, a desestatização das empresas do setor elétrico, e a abertura do mercado de energia elétrica.

2

War of Currents (http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents) Profa Ruth P.S. Leão


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Para gerenciar este novo modelo do setor elétrico, o Governo Federal criou a estrutura organizacional apresentada na Figura 1.5 e definida a seguir.

Fonte: ANEEL

Figura 1.5 Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro.

a) Conselho Nacional de Política Energética – CNPE Órgão de assessoramento do Presidente da República para formulação de políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, o aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas específicos. b) Ministério de Minas e Energia – MME Encarregado de formulação, do planejamento e da implementação de ações do Governo Federal no âmbito da política energética nacional. O MME detém o poder concedente. c) Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico – CMSE Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta, com a função precípua de acompanhar e avaliar permanentemente a Profa Ruth P.S. Leão


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continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em todo o território. d) Empresa de Pesquisa Energética - EPE Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético. e) Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia, em conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal. A ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador. f) Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da ANEEL, tem por objetivo executar as atividades de coordenação e controle da operação de geração e transmissão, no âmbito do SIN (Sistema Interligado Nacional). O ONS é responsável pela operação física do sistema e pelo despacho energético centralizado. g) Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE Pessoa jurídica de direito privado, sem fins lucrativos, sob regulação e fiscalização da ANEEL, com finalidade de viabilizar a comercialização de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional - SIN. Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e liquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema. A comercialização de energia elétrica é atualmente realizada em dois ambientes diferentes: - Ambiente de Contratação Livre (ACL): destinado ao atendimento de consumidores livres3 por meio de contratos bilaterais firmados com produtores independentes de energia, agentes comercializadores ou geradores estatais. Estes últimos só podem fazer suas ofertas por meio de leilões públicos. 3

Consumidor livre: consumidor que pode optar pela compra de energia elétrica junto a qualquer fornecedor, que é atendido em qualquer tensão e com demanda contratada mínima de 3MW. (Resolução ANEEL No. 264 e 456). Profa Ruth P.S. Leão


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- Ambiente de Contratação Regulada (ACR): destinado ao atendimento de consumidores cativos por meio das distribuidoras, sendo estas supridas por geradores estatais ou independentes que vendem energia em leilões públicos anuais. h) Agências Estaduais de Energia Elétrica Nos estados foram criadas as Agências Reguladoras Estaduais com a finalidade de descentralizar as atividades da ANEEL. A Figura 1.6 apresenta as agências reguladoras estaduais.

Figura 1.6 Agências reguladoras nacionais.

i) Eletrobrás A Eletrobrás controla grande parte dos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica do Brasil por intermédio de seis subsidiárias: Chesf, Furnas, Eletrosul, Eletronorte, CGTEE (Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica) e Eletronuclear. A empresa possui ainda 50% da Itaipu Binancional e também controla o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), o maior de seu gênero no Hemisfério Sul. A Eletrobrás dá suporte a programas estratégicos do governo federal, como o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa), o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica (Luz para Todos) e o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel). Profa Ruth P.S. Leão


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j) Agentes Setoriais Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Tabela 1.1). Tabela 1.1. Associações Setoriais de Energia Elétrica.

ABRAGE

Associação Brasileira das Empresas Geradoras de Energia Elétrica. Empresas associadas: AES TIETÊ, CDSA, CEMIG, CESP, CEEE, DUKE-GP, CHESF, COPEL, ELETRONORTE, EMAE, FURNAS, LIGHT, TRACTEBEL ENERGIA

ABRATE

Associação Brasileira de Grandes Empresas de Transmissão de Energia Elétrica. Empresas associadas: CEMIG, CTEEP, CHESF, COPEL Transmissão S.A, ELETRONORTE, Furnas Centrais Elétricas AS, Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica - CEEE GT, ELETROSUL Centrais Elétricas S.A.

ABRADEE

Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica. Empresas associadas (48 dentre as 67 concessionárias de distribuição): AES SUL DISTRIBUIDORA GAÚCHA DE ENERGIA S.A.; AMPLA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO; BANDEIRANTE ENERGIA S.A.; BOA VISTA ENERGIA S.A.; COMPANHIA DE ELETRICIDADE DA BORBOREMA; EMPRESA ELÉTRICA BRAGANTINA; CAIUA SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; COMPANHIA FORÇA E LUZ CATAGUAZES LEOPOLDINA; CEAL - COMPANHIA ENERGÉTICA DE ALAGOAS; CEAM - COMPANHIA ENERGÉTICA DO AMAZONAS (incorporada pela Manaus Energia S.A. (MASA); CEB - COMPANHIA ENERGÉTICA DE BRASÍLIA; CEEE - COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELÉTRICA; CELESC - CENTRAIS ELÉTRICAS DE SANTA CATARINA S.A.; CELG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE GOIÁS; CELPA - CENTRAIS ELÉTRICAS DO PARÁ S.A.; CELPE - COMPANHIA ENERGÉTICA DE PERNAMBUCO; CELTINS COMPANHIA DE ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DO TOCANTINS; CEMAR COMPANHIA ENERGÉTICA DO MARANHÃO; CEMAT - CENTRAIS ELÉTRICAS MATOGROSSENSES S.A.; CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS; CENF - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DE NOVA FRIBURGO; CEPISA - COMPANHIA ENERGÉTICA DO PIAUÍ; CERON - CENTRAIS ELÉTRICAS DE RONDÔNIA S.A; CFLO - COMPANHIA FORÇA E LUZ DO OESTE; CHESP - COMPANHIA HIDROELÉTRICA SÃO PATRÍCIO; COELBA COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA; COELCE COMPANHIA ENERGÉTICA DO CEARÁ; COPEL - COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA; COSERN - COMPANHIA ENERGÉTICA DO RIO GRANDE DO NORTE; CPEE - COMPANHIA PAULISTA DE ENERGIA ELÉTRICA; CPFL COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ; DEM – P.CALDAS DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ELETRICIDADE DE POÇOS DE CALDAS; ELEKTRO - ELEKTRO ELETRICIDADE E SERVIÇOS S.A; ELETROACRE COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ACRE; ELETROCAR - CENTRAIS ELÉTRICAS DE CARAZINHO S.A.; ELETROPAULO - ELETROPAULO METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A.; ENERGIPE EMPRESA ENERGÉTICA DE SERGIPE S.A.; ENERSUL - EMPRESA ENERGÉTICA DE MATO GROSSO DO SUL S.A.; ESCELSA - ESPÍRITO SANTO CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.; IGUAÇU DISTRIBUIDORA DE ENERGIA ELÉTRICA LTDA.; LIGHT SERVIÇOS DE ELETRICIDADE S.A.; MANAUS



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ENERGIA S.A.; COMPANHIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA; HIDROELÉTRICA PANAMBI S. A.; EMPRESA DE ELETRICIDADE VALE PARANAPANEMA S.A.; COMPANHIA PIRATININGA DE FORÇA E LUZ; RGE RIO GRANDE ENERGIA S.A.; SAELPA - SOCIEDADE ANÔNIMA DE ELETRIFICAÇÃO DA PARAÍBA; EMPRESA LUZ E FORÇA SANTA MARIA S.A.; SULGIPE - COMPANHIA SUL SERGIPANA DE ELETRICIDADE.

ABEER Associação Brasileira das Empresas de Energia Renovável ABRACEEL Associação Brasileira dos Agentes Comercializadores de Energia Elétrica ABRACEE Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres APINE Associação Brasileira dos Produtores Independentes de Energia Elétrica - Os produtores independentes (PIEs) são empresas ou grupo de empresas reunidas em consórcio, com autorização ou concessão para produzir energia destinada ao comércio de toda ou parte da produção por sua conta e risco. Os PIs têm como garantia o livre acesso aos sistemas elétricos, além disso, têm autonomia para fechar contratos bilaterais de compra e venda de energia elétrica.

1.5

Estrutura de um Sistema Elétrico de Potência

O objetivo de um sistema elétrico de potência (SEP) é gerar, transmitir e distribuir energia elétrica atendendo a determinados padrões de confiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal.

– Confiabilidade e disponibilidade são duas importantes e distintas características que os SEPs devem apresentar. Ambos são expressos em %. o Confiabilidade representa a probabilidade de componentes, partes e sistemas realizarem suas funções requeridas por um dado período de tempo sem falhar. Confiabilidade representa o tempo que o componente, parte ou sistema levará para falhar. A confiabilidade não reflete o tempo necessário para a unidade em reparo retornar à condição de trabalho. o Disponibilidade é definida como a probabilidade que o sistema esteja operando adequadamente quando Profa Ruth P.S. Leão


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requisitado para uso. Em outras palavras, é a probabilidade de um sistema não estar com falha ou em reparo quando requisitado para uso. A expressão abaixo quantifica a disponibilidade: A=

MTBF MTBF + MTTR

(1)

A – availability (disponibilidade) MTBF – tempo médio entre falhas ou MTTF MTTR – tempo médio para reparo - inclui desde a detecção até a retificação da falha. A disponibilidade é função da confiabilidade e da manutenabilidade – exercício da manutenção. Se um sistema tem uma alta disponibilidade não necessariamente terá uma alta confiabilidade. Tabela 1.2 Relação entre confiabilidade, manutenabilidade e disponibilidade. [Fonte: http://www.weibull.com/hotwire/issue26/relbasics26.htm]

Confiabilidade Constante Constante Aumentar Diminuir

Manutenabilidade Diminuir Aumentar Constante Constante

Disponibilidade Diminuir Aumentar Aumentar Diminuir

Como pode ser visto na Tabela 1.2, se a confiabilidade é mantida constante, mesmo em um valor alto, isto não implica diretamente uma alta disponibilidade. Quando o tempo para reparo aumenta, a disponibilidade diminui. Mesmo um sistema com uma baixa confiabilidade poderia ter uma alta disponibilidade se o tempo para reparo é curto.

– Qualidade da energia é a condição de compatibilidade entre sistema supridor e carga atendendo critérios de conformidade senoidal.

– Segurança está relacionado com a habilidade do sistema de responder a distúrbios que possam ocorrer no sistema. Em geral Profa Ruth P.S. Leão


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os sistemas elétricos são construídos para continuar operando após ser submetido a uma contingência. A estrutura do sistema elétrico de potência compreende os sistemas de geração, transmissão, distribuição e subestações de energia elétrica, em geral cobrindo uma grande área geográfica.

Figura 1.7 Estrutura básica de um sistema elétrico.

O sistema atual de energia elétrica é baseado em grandes usinas de geração que transmitem energia através de sistemas de transmissão de alta tensão, que é então distribuída para sistemas de distribuição de média e baixa tensão. Em geral o fluxo de energia é unidirecional e a energia é despachada e controlada por centro(s) de despacho com base em requisitos pré-definidos. Normalmente os sistemas de distribuição são gerenciados por monopólios empresariais, enquanto o setor de geração e de transmissão apresenta certa competitividade em um sistema desverticalizado. A Figura 1.8 ilustra os três segmentos tradicionais de redes de energia elétrica.



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Figura 1.8 Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica. [Fonte: Aneel].

1.5.1 Geração de Energia Elétrica Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual é expressa por uma onda senoidal, com freqüência fixa e amplitude que varia conforme a modalidade do atendimento em baixa, média ou alta tensão. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo a freqüência constante e modificando a amplitude à medida que trafegue por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétrico e recebem o produto e o serviço de energia elétrica. 1.5.2 Rede de Transmissão A rede de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas de grande consumo. Em geral apenas poucos consumidores com um alto consumo de energia elétrica são conectados às redes de transmissão onde predomina a estrutura de linhas aéreas. A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão. Qualquer falta neste nível pode levar a descontinuidade de suprimento para um grande número de consumidores. A energia elétrica é permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. O nível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensão estabelecido está entre 220 kV e 765 kV.



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1.5.3 Rede de Sub-Transmissão A rede de sub-transmissão recebe energia da rede de transmissão com objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV. Em geral, o arranjo das redes de sub-transmissão é em anel para aumentar a segurança do sistema. A estrutura dessas redes é em geral em linhas aéreas, por vezes cabos subterrâneos próximos a centros urbanos fazem parte da rede. A permissão para novas linhas aéreas está cada vez mais demorada devido ao grande número de estudos de impacto ambiental e oposição social. Como resultado, é cada vez mais difícil e caro para as redes de sub-transmissão alcançar áreas de alta densidade populacional. Os sistemas de proteção são do mesmo tipo daqueles usados para as redes de transmissão e o controle é regional. 1.5.4 Redes de Distribuição As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores residenciais. Os níveis de tensão de distribuição são assim classificados segundo o Prodist: − Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV. − Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV. − Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1kV. De acordo com a Resolução No456/2000 da ANEEL e o módulo 3 do Prodist, a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará de acordo com a potência instalada: − Tensão secundária de distribuição inferior a 2,3kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;



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− Tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW; − Tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: quando a demanda contratada ou estimada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW. As tensões de conexão padronizadas para AT e MT são: 138 kV (AT), 69 kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). O setor terciário, tais como hospitais, edifícios administrativos, pequenas indústrias, etc, são os principais usuários da rede MT. A rede BT representa o nível final na estrutura de um sistema de potência. Um grande número de consumidores, setor residencial, é atendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadas manualmente. Tabela 1.3 Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão – Prodist Módulo 3

A Figura 1.9 mostra um diagrama com a representação dos vários segmentos de um sistema de potência com seus respectivos níveis de tensão.



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Classificação: Acima de 765 kV 230kV
(UAT) (EAT) (AT) (MT) (BT)

Figura 1.9 Faixas de tensão de sistemas elétricos.

Os níveis de tensões praticados no Brasil são: 765 kV, 525 kV, 500 kV, 440 kV, 345 kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138 kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV, 69 kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440 V, 380 V, 220 V, 110 V. 1.6

Características do Sistema Elétrico Brasileiro

1.6.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São os casos das bacias dos rios Tocantins, Paranaíba, São Francisco, Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai e Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.



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[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.10 Integração eletroenergética no Brasil.

Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas, que não têm nenhuma ligação física entre si, funcionam como se fossem vasos comunicantes interligados por linhas de transmissão. A capacidade de geração do Brasil em 2008 é de 104.851.356 kW de potência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação.

Figura 1.11 Participação de fontes de geração no Brasil4. [Fonte: Annel]



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Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são apresentados na Tabela 1.4.

Nº 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º

Tabela 1.4 Maiores agentes de capacidade instalada no Brasil (Usinas em Operação). Fonte: Aneel Potência Instalada Agentes do Setor (kW) Companhia Hidro Elétrica do São 10.618.327 Francisco CHESF Furnas Centrais Elétricas S/A. FURNAS 9.456.900 Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A. 9.256.933,10 ELETRONORTE Companhia Energética de São Paulo 7.455.300 CESP Itaipu Binacional ITAIPU 7.000.000 Tractebel Energia S/ATRACTEBEL 6.965.350 CEMIG Geração e Transmissão S/A 6.782.134 CEMIG-GT Petróleo Brasileiro S/APETROBRÁS 4.832.276,60 Copel Geração e Transmissão 4.544.914 S.A.COPEL-GT AES Tietê S/AAES TIETÊ 2.645.050

1.6.2 Sistema Interligado Nacional - SIN O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de centrais hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversas localidades do território nacional. Por outro lado, existe uma concentração de demanda em localidades industrializadas onde não se concentram as centrais geradoras. Estas características são imperativas para a implantação de um sistema de transmissão de longa distância. Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o que impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas regionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas geradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar os recursos energéticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema 4

Legenda: CGH Central Geradora Hidrelétrica (até 1MW); EOL Central Geradora Eolielétrica; PCH Pequena Central Hidrelétrica (de 1MW a 30MW); SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidrelétrica de Energia; UTE Usina Termelétrica de Energia; UTN Usina Termonuclear.



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interligado nacional - SIN, o qual é responsável por mais de 95% do fornecimento nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS. A Operação Nacional do Sistema Elétrico através do ONS concentra sua atuação sobre a Rede de Operação do Sistema Interligado Nacional. A Rede de Operação é constituída pela Rede Básica, Rede Complementar, e Usinas submetidas ao despacho centralizado, sendo a Rede Complementar aquela situada fora dos limites da Rede Básica e cujos fenômenos têm influência significativa nesta.

Figura 1.12 Redes de operação do sistema interligado nacional [Fonte: ONS].

O sistema interligado de eletrificação permite que as diferentes regiões permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nível dos reservatórios. Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul, Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão da mais alta tensão: 500 kV ou 750 kV) possibilitam que os pontos com produção insuficiente de energia sejam abastecidos por centros de geração em situação favorável.



1-25

Sistema B Sistema A

Sistema E

Sistema C

Sistema D

Figura 1.13 Exemplo de sistema elétrico interligado.

Vantagens dos sistemas interligados: Aumento da estabilidade – sistema torna-se mais robusto podendo absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos. Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço em decorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou ainda devido às alternativas de rotas para fluxo da energia. Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integrada acresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relação ao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente. Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar em economia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio de energia está baseado no pressuposto de que a demanda máxima dos sistemas envolvidos acontece em horários diferentes. O intercâmbio pode também ser motivado pela importação de energia de baixo custo de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroelétrica para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado. Desvantagens dos sistemas interligados: Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados. A operação e proteção tornam-se mais complexas.



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1.6.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil As linhas de transmissão no Brasil costumam ser extensas, porque as grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distâncias consideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país está quase que totalmente interligado, de norte a sul. As principais empresas investidoras em linhas de transmissão no país estão relacionadas na Tabela 1.5. Tabela 1.5 Maiores transmissores do país – Extensão de linhas (km) Fonte ABRATE Maio/2008 Nº Agentes do Setor km de linhas 1º FURNAS 19.082 2º CTEEP 18.495 3º CHESF 18.260 4º Eletrosul 10.693 5º Eletronorte 7.856 6º CEEE 6.008 7º CEMIG 4.875 8º COPEL 1.766

Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte dos Estados do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de eletrificação. Nestes Estados, o abastecimento é feito por pequenas usinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às suas capitais. No Brasil, a interligação do sistema elétrico liga as diferentes regiões do país como pode ser visto no mapa da Figura 1.14 que apresenta o Sistema de Transmissão Nacional.



1-27

[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx#]

Figura 1.14 Sistema de transmissão brasileiro [Fonte: Aneel].

ß Sistema norte – centro-oeste → o primeiro circuito de interligação, conhecido por Linhão Norte-Sul, foi construído em 500 kV, com 1.277 km de extensão, capacidade de transmissão de 1100MW e com transferência média de 600MW, o que representou o acréscimo de uma usina de 600MW para o sistema sul-sudeste brasileiro. Embora a interligação seja conhecida como ‘ligação norte-sul’ o circuito interliga o estado de Tocantins ao Distrito Federal. Em março de 2004 foi inaugurado o segundo circuito de interligação norte-sul II, com 1278 km de extensão, operando em 500 kV, passando pelas SE Imperatriz, no Maranhão, Colinas, Miracema e Gurupi, no Tocantins, Serra da Profa Ruth P.S. Leão


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Mesa em Goiás, e Samambaia em Brasília. Os circuitos em 500kV transmitem energia da UHE Luis Eduardo Magalhães – Lajeado, localizada no rio Tocantins, entre os municípios de Lajeado e Miracema do Tocantins com potência instalada de 902,5 MW. A UHE Lajeado é o maior empreendimento de geração realizado pela iniciativa privada no Brasil. ß Expansão da linha de transmissão Interligação Norte-Sul (Centrooeste-Sudeste) com tensão de 500 kV. Essa linha interliga as subestações de Samambaia (DF), Itumbiara (GO) e Emborcação (SP). A linha permitirá o escoamento, para a região Sudeste, da energia gerada pelas usinas de Lajeado (TO), Cana Brava (GO), e 2a etapa de Tucuruí (PA). ß Sistema interligado sudeste – centro-oeste → concentra pelo menos 60% da demanda de energia no Brasil. ß Sistema sul – sudeste → com energia transferida da usina de Itaipu (2 circuitos em CC em 600kV ligando a usina a São Roque (SP), 2 circuito 765kV ligando a usina a Tijuco Preto). ß Sistema nordeste → hoje a região Nordeste importa energia elétrica das hidrelétricas de Lajeado, em Tocantins, Cana Brava, em Goiás, e Tucuruí I e II, no Pará. Grande parte da região norte e uma parcela reduzida da região centrooeste, além de algumas pequenas localidades esparsas pelo território brasileiro, ainda não fazem parte do sistema interligado, sendo o suprimento de energia elétrica efetuado, quando existente, por meio de pequenos sistemas elétricos isolados. Nesses casos, a produção de eletricidade é normalmente efetuada por meio de unidades geradoras de pequeno porte, utilizando freqüentemente motores Diesel como equipamento motriz. A existência desses sistemas isolados, em algumas situações, como é o caso dos sistemas das cidades de Manaus, Boa Vista (Roraima) e Porto Velho (Rondônia), assumem proporções de relativa significância, com demandas superiores a 100MW, em grande parte responsáveis pela predominância da geração termelétrica a diesel.



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Para atender às políticas externa e energética, o Brasil está interligado aos países vizinhos como Venezuela (para fornecimento a Manaus e Boa Vista), Argentina, Uruguai, e Paraguai. 1.6.4 Sistemas de Distribuição no Brasil Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todas as redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a 230 kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão (AT). – Alta tensão (AT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalações em tensão igual ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL. – Média tensão (MT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1 kV e inferior a 69 kV. – Baixa tensão (BT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1 kV. Tabela 1.6 Dez Maiores agentes de distribuição do país (por consumo) Fonte ABRADEE Dez/2007 Consumo em Nº Empresa GWh 1º Eletropaulo 32.548 2º Cemig 20.693 3º CPFL 18.866 4º Copel 18.523 5º Light 18.235 6º Celesc 13.829 7º Coelba 11.403 8º Elektro 10.055 9º Celpe 8.171 10º Piratininga 8.015

1.7

Representação Esquemática de Sistemas de Potência

Os símbolos para representação dos componentes elétricos são apresentados na Figura 1.15.



1-30



1-31

Figura 1.15 Símbolos de componentes elétricos.

1.7.1 Características dos Sistemas Elétricos de Potência Os Sistemas Elétricos características:

de

Potência

apresentam

as

seguintes

Normalmente são trifásicos; Profa Ruth P.S. Leão


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Apresentam um grande número de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de diferentes níveis de tensão. 1.7.2 Representação do Sistema Elétrico Os sistemas elétricos podem ser representados graficamente através de: - Diagramas Unifilares - Diagramas Multifilares - Diagrama Equivalente por Fase a) Diagrama Unifilar - Representa os principais componentes por símbolos e suas interconexões com a máxima simplificação e omissão do condutor neutro. - Representa apenas uma fase do sistema. - Representam sistemas monofásicos ou trifásicos. Na Figura 1.16 é apresentado um diagrama unifilar simplificado de um sistema elétrico de potência. SE 1 SE 2

Sistema de Geração Sistema de Transmissão G ~

D

D

LT

D

D

Sistema de Distribuição

Figura 1.16 Diagrama unifilar simplificado de um SEP. LEGENDA: G – Geração D – Equipamento de Disjunção SE 1 – Subestação Elevadora SE 2 – Subestação Distribuidora LT – Linha de Transmissão C – Carga ou Consumidor



1-33

Conforme apresentado na Figura 1.17, cada elemento de um sistema elétrico deve ser protegido através de um sistema de proteção.

Figura 1.17 Proteção de um alimentador de subestação.

b) Diagrama Multifilar Os diagramas multifilares podem ser bifásicos ou trifásicos. As Figuras 1.18 e 1.19 ilustram um diagrama trifilar, representando um circuito de saída de linha e uma linha de transmissão interligando subestações, respectivamente.

Figura 1.18 Saída de um circuito de uma subestação de sub-trasmissão.



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Figura 1.19 Diagrama trifilar de uma LT interligando subestações com proteção sobrecorrente direcional função 67.

c) Diagrama Equivalente Por Fase Representa as grandezas normalizadas. à Simplifica a análise numérica. à Elimina o efeito particionador dos transformadores. à Usado para mostrar os dados de impedância de geradores, linhas, transformadores, capacitores, cabos, etc.

Figura 1.20 Diagrama unifilar de sistema elétrico de potência.



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Figura 1.21 Diagrama de impedâncias.

As impedâncias são usadas para cálculos de queda-de-tensão, curtocircuito, carregamento de circuitos, etc.

Figura 1.22 Diagrama unifilar, trifilar e de impedância.



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Aplicação: Um sistema trifásico é alimentado em 60 Hz por uma fonte ca em 2400 V tensão de linha, que supre duas cargas paralelas: Carga 1: 300kVA FPD= 0.8 atrasado Carga 2: 240kVA FPD= 0.6 adiantado Construa diagrama unifilar do sistema. Qual o valor da corrente nas outras duas fases? 1.8

Tendências para o Mercado de Energia Elétrica5

O desenvolvimento atual do modelo internacional de mercado de energia elétrica tem sido baseado em fluxo unidirecional de energia e, possivelmente, por razões tecnológicas, em alguns casos, e razões econômicas, em muitos outros, o mercado está baseado em tarifas fixas e limitações de informações em tempo real sobre gerenciamento de carga. O mercado de transmissão e distribuição de energia elétrica está caracterizado por monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A ausência de competição faz com que as tarifas sejam controladas por agentes reguladores. A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energia elétrica com o estabelecimento de comércio de energia on-line e de consumidores com o direito de escolher seu supridor de energia elétrica. Atualmente a maioria dos usuários da rede de energia elétrica são receptores passivos sem nenhuma participação no gerenciamento da operação da rede. Cada consumidor é simplesmente um absorvedor de eletricidade. As redes de energia elétrica deverão em um futuro não longínquo permitir que seus usuários exerçam um papel ativo na cadeia de suprimento de energia elétrica. Com a consolidação da geração distribuída em um mercado liberalizado de energia elétrica, um novo modelo de geração deverá surgir em que coexistirão geração centralizada e geração descentralizada. Um grande 5

M.S. Jimenez. Smart Electricity Network based on Large Integration of Renewable Sources and Distributed Generation. PhD Thesis presented at Kassel University. June of 2006. 158 pages. Profa Ruth P.S. Leão


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número de pequenos e médios produtores de energia elétrica com tecnologia baseada em fontes renováveis de energia deverá ser integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão geração própria tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. O mercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandes produtores centralizados e pequenos produtores distribuídos. Pequenos produtores quando operando interligados à rede de distribuição em baixa tensão dão origem a um novo tipo de sistema de potência denominado de Microredes. As microredes podem operar em modo autônomo ou como parte da rede principal de energia elétrica. Quando várias fontes são conectadas entre si e operam de forma conjunta e coordenada dá origem ao que se denomina de plantas de geração virtual.

Figura 1.23 Micro rede.

As Plantas Virtuais de Geração são operadas coletivamente por uma entidade de controle centralizado, pois assumem a grandeza de uma planta convencional podendo operar no mercado de energia elétrica.



GTD - Clube da Eletrônica

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