Análise e otimização de linhas de transmissão com elevada capacidade de transmissão de energia usando o método adjunto
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Analysis and optimization of transmission lines with high power transmission capacity using the adjoint method
Primeiro orientador
Membros da banca
José Roberto Cardoso
Marco Aurélio de Oliveira Schroeder
Elson José da Silva
João Antônio de Vasconcelos
Marco Aurélio de Oliveira Schroeder
Elson José da Silva
João Antônio de Vasconcelos
Resumo
As linhas de transmissão (LT's) aéreas trifásicas são elementos fundamentais do sistema elétrico de potência. Diante da demanda pela transmissão de blocos de energia cada vez maiores é iminente a necessidade de construção de LT's com elevada capacidade de transmissão. Empreendimentos de transmissão enfrentam dificuldades ambientais e econômicas para a construção de novos corredores de energia. Alternativamente, tem-se o desenvolvimento de metodologias para a obtenção de LT's com elevada capacidade de transmissão a partir de corredores de energia já existentes alterando-se as geometrias envolvidas de maneira não convencional. Diante disso, concessionárias de energia e centros de pesquisa têm se dedicado ao desenvolvimento destas metodologias nas últimas décadas. Neste trabalho, é desenvolvido, uma metodologia para a obtenção de novas concepções de feixes por meio de mudanças mínimas nas geometrias de corredores de energia já existentes e com desequilíbrios eletromagnéticos mínimos envolvendo a compactação das fases, a expansão dos feixes e os conceitos das linhas de potência natural elevada (LPNE's). Para isso um modelo analítico e numérico da LT é desenvolvido para a determinação dos campos elétricos superficiais e ao nível do solo e do campo magnético envolvido, e para a obtenção da potência natural (SIL) da LT. Uma otimização determinística é realizada por meio do método elipsoidal com cortes múltiplos e do algoritmo do gradiente descendente. Ambos utilizam a sensibilidade da posição dos condutores em relação ao aumento da capacidade de transmissão obtida por meio do método adjunto. A sensibilidade adjunta fornece a análise de sensibilidade (derivada da função objetivo em relação ao parâmetro de interesse) do problema resolvendo apenas mais um sistema linear de equações de maneira rápida e eficiente, e que independe do número de variáveis consideradas. Devido a complexidade do sistema envolvido na modelagem numérica da LT, esta sensibilidade pode ser proibitiva se realizada por meio de métodos tradicionais, como o método das diferenças finitas. Os resultados mostram que a otimização baseada na derivada adjunta obtém ganhos da ordem de 20 % na capacidade de transmissão ao se empregar as novas concepções geométricas de feixes resultantes da metodologia proposta.
Abstract
Three-phase overhead transmission lines (TL's) are fundamental elements of the electrical power system. Because of the demand for the transmission of increasingly large energy blocks, the need to build TL's with high transmission capacity is imminent. Transmission undertakings have faced environmental and economic difficulties in the construction of new energy corridors. Alternatively, there is the development of methodologies for obtaining TL's with high transmission capacity from existing energy corridors. Therefore, energy concessionaires and research centers have been dedicated to the development of these methodologies in the last decades. In this work, a methodology is developed to obtain new conceptions of conductor bundles obtained from minimal changes in the geometries of existing energy corridors and with low electromagnetic imbalances involving the combination of phase compaction, bundle expansion, and high surge impedance loading (HSIL) concepts. For this purpose, an analytical and numerical model of the TL understudy is developed for the determination of the surface and at ground-level electric fields, and the magnetic field involved, and to calcultate the surge impedance loading (SIL) of the LT. Deterministic optimization is performed using the multiple cuts ellipsoid method and the gradient descent algorithm. These methods use the sensitivity of the positions cables concerning the increase in the transmission capacity obtained through the adjoint method. The adjoint sensitivity provides the sensitivity analysis (derived from the objective function concerning the parameter of interest) of the problem, solving only one more linear system of equations quickly and efficiently and regardless of the number of variables considered. Due to the complexity of the analyzed system, this sensitivity can become prohibitive if it is performed using traditional methods, such as the finite difference method. The results show that the optimization based on the adjoint method rise the transmission capacity 20 % using the new bundle geometries suggested by the proposed methodology.
Assunto
Engenharia elétrica, Campos elétricos, Campos magnéticos, Linhas de telecomunicação
Palavras-chave
Análise de sensibilidade, Campo elétrico, Campo magnético, Linhas de transmissão, Método adjunto, Método elipsoidal, Método do gradiente descendente