I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica USO DE UM DISPOSITIVO FACTS SVC EM SISTEMA DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA Lino Timóteo Conceição de Brito Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru Prof. Dr. André Christóvão Pio Martins Orientador – Depto de Engenharia Elétrica – Unesp – Bauru RESUMO A transmissão em corrente contínua possui uma vantagem de ser mais econômica para linhas de transmissão longas que a transmissão em corrente alternada. O HVDC (High Voltage Direct Current), também assim chamado, poder ter três configurações: monopolar, bipolar e tripolar. Também há economia de material, pois são necessários três cabos para a transmissão em corrente alternada (HVAC – High Voltage Alternating Current) e apenas um no caso de HVDC monopolar e dois cabos para o bipolar. Para uma melhor qualidade de energia, surgiram os dispositivos FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System). Esses dispositivos podem ser conectados em série, derivação ou ambos e acoplados à carga, ou sistema se geração. Além disso, podem ser classificados em chaveados, controlados ou avançados. A ferramenta usada para a simulação é o SIMULINK® do aplicativo MATLAB®. O SIMULINK® simula, matematicamente, sistemas mecânicos e elétricos e é muito útil em análise de sistemas de potência. O circuito elétrico em estudo é um híbrido (parte da energia é transmitida em corrente contínua e outra em corrente alternada) e compõem-se de um gerador trifásico, linha CC monopolar, linha CA e uma carga com transformador. Uma falta entre 700 e 750ms (com duração de 50ms) é aplicada no lado CC do retificador. O presente trabalho analisa o uso de um FACTS controlado SVC (Static Var Compensator), conectado à carga trifásica, e sua influência na melhoria da capacidade e estabilidade do suprimento de potência para a carga e sua influência na distorção harmônica (THD - Total Harmonic Distortion). PALAVRAS-CHAVE: Circuito híbrido, FACTS, HVDC, Static Var Compensator. 1 INTRODUÇÃO 1.1 Estrutura do trabalho O trabalho começa com as vantagens e características do HVDC, no item 1. No item 2 é feita uma abordagem sobre os tipos de configurações do HVDC. O item 3 expõem os principais equipamentos encontrados no sistema HVDC.O item 4 comenta sobre as vantagens do uso de dispositivos FACTS e características do dispositivo FACTS SVC para a simulação. A simulação e resultados estão no item 5 com a ajuda do simulador matemático SIMULINK®, já o item 6 faz uma conclusão sobre os resultados obtidos. 1.2 Características do HVDC I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica Na transmissão em corrente contínua, a corrente alternada passa por uma estação retificadora onde é transformada em corrente contínua e logo em seguida esta corrente passa por uma estação inversora retornando à corrente alternada. As figuras 1 e 2 mostram a diferença entre o HVDC e o HVCA. Figura 1 – Esquemas de linhas de transmissão para o HVDC e HVCA Adaptado de [1] Figura 2 – Esquema de torres para o HVCA e HVDC. Adaptado de [1] 1.3 Vantagens e desvantagens do HVDC O uso da transmissão em corrente contínua está se tornando muito difundido pelas principais vantagens: Os sistemas podem ser interligados e sendo possível o ajuste de freqüência e potência, situações impossíveis em sistemas síncronos. Restringe a potência de curto-circuito (rigidez de uma barra em manter suas variáveis elétricas. Evita fluxos indesejáveis que ocorrem em linhas de transmissão de corrente alternada paralelas. Supre potência reativa para linhas longas quando são usados CCC (Capacitor Commutated Converters) ou VSC (Voltage Source Converter) ou HVDC Light. Há vantagens ambientais (não há alagamento para se obter corrente alternada). Há baixos níveis de campos eletromagnéticos, uma vez que não há variação de corrente. Como desvantagem, não pode haver acoplamento de transformadores, uma vez que só tem sentido usá-los em corrente alternada. É necessário o uso de um TAP-HVDC. 2 CONFIGURAÇÕES DO HVDC 2.1 O HVDC monopolar Esse circuito possui apenas uma fase e o retorno da corrente é feito através do solo. A desvantagem dessa configuração é que é possível altas correntes circulando pelo solo e isso pode gerar corrosão de pé de torre, tubulações e outros equipamentos localizados ao longo da transmissão e outros efeitos desfavoráveis [2]. A figura 3 ilustra o circuito monopolar. I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica Figura 3 – Sistema HVDC monopolar. [2] 2.2 O HVDC bipolar Nesse caso, a condução de corrente é feita por dois condutores, e não há condução de corrente pelo solo, em hipótese alguma, quando em condições ideais e de regime permanente. Essa configuração é equivalente a dois pólos de transmissão. O ponto médio das válvulas conversoras é aterrado. A figura 4 ilustra o esquema. Figura 4 – Sistema HVDC bipolar. [2] 2.3 Equivalências entre as configurações A configuração bipolar é simétrica, assim ela pode ser representada por um circuito monopolar equivalente. Essa equivalência é a associação de dois circuitos monopolares. Com exceção da corrente, todas as grandezas elétricas são dobradas como mostrado na figura 5. Figura 5 – Monopolo equivalente do HVDC. [2] 2.4 O HVDC tripolar No caso tripolar, são usados duas linhas do sistema HVCA como HVDC bipolar e a terceira linha do sistema em corrente alternada é usada como HVDC monopolar. 3 EQUIPAMENTOS USADOS NO SISTEMA HVDC Existem alguns dispositivos usados no circuito a fim de melhorar seu desempenho elétrico. As barras CA conectadas aos conversores são chamadas de barras de interface ou simplesmente barras CA. I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica Os filtros “shunts” nos conversores servem para que os harmônicos gerados pelo chaveamento não se propaguem para o sistema CA e para fornecer potência reativa para a operação dos conversores. Os transformadores conversores ajustam a tensão CA/CA para o funcionamento adequado da ponte CA/CC. A tensão CC pode ser regulada por controle de tapes e ângulo de disparo das válvulas conversoras. [2] A válvula conversora é uma ponte de Graetz, ponte trifásica de onda completa e seis pulsos. A associação de duas dessas pontes em série (12 pulsos) reduz a injeção de harmônicos no sistema CA. Os transformadores conversores são tais que as ligações secundárias tenham uma defasagem de 30 graus da tensão CA entre uma ponte de seis pulsos e a outra. Os reatores de alisamento, em série com a linha CC, diminuem as oscilações e ondulações da corrente CC e consequentemente da tensão CC. [2] A figura 6 mostra esses equipamentos. Figura 6 - Sistema HVDC mostrando os reatores de alisamento, impedância da linha e válvulas conversoras. [2] 4 DISPOSITIVOS FACTS 4.1 Vantagens do uso dos FACTS Os dispositivos FACTS podem atuar no sistema elétrico fazendo com que as variáveis elétricas possam ser ajustadas para valores favoráveis mais rapidamente. Variáveis tais como tensão, corrente, potência, impedâncias e ângulos. Podem ser conectados no sistema de energia ou na carga. Dentre as vantagens se destacam, quando conectados ao sistema de transmissão [3]: Pode haver controle de tensão quando há muitas variações de tensão no sistema Melhora o suprimento de tensão Reduz as perdas do sistema Aumenta a capacidade de transmissão de potência Diminui as oscilações do sistema Aumenta o limite de estabilidade quando em regime transitório E na carga [3]: Reduz as assimetrias de corrente Reduz as oscilações e harmônicos Reduz o consumo de potência reativa Pode haver, nos terminais de linhas longas, melhor estabilização da tensão 4.2 O SVC I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica O Static Var Compensator é constituído de um banco de capacitores e reatores. Esses dispositivos são designados para que haja uma compensação de potência reativa favorável. A regulação de potência reativa é feita pelos tiristores que regulam o fluxo de corrente que flui pelo indutor. A figura 7 representa o esquema do SVC. Figura 7 – Esquema unifilar do SVC O SVC é constituído de TCR (Reator Controlado por Tiristor) e TSC (Capacitor Chaveado por Tiristor). A figura 8 mostra o circuito do TCR. Figura 8 – Circuito do TCR O TCR opera de acordo com o ângulo de disparo. O ângulo de disparo pode ocorrer entre 90º e 180º e para 90º ocorre a condução máxima. Para ângulos de disparo entre 0º e 90º não é viável, pois geram correntes assimétricas [4]. O disparo do tiristor acontece entre 90º e 180º para o tiristor direto e entre 270º e 360º para o tiristor reverso. O TSC é composto por um banco de capacitores que podem ser ligados ou desligados da rede por meio de tiristores. Ainda com respeito ao TSC, cada fase é composta de um capacitor em série junto com um tiristor e um pequeno indutor. O indutor tem o objetivo de limitar o transitório ocasionado pelo processo de chaveamento, diminuir correntes de magnetização e proteger a rede de efeitos de ressonância [4]. 5 SIMULAÇÃO E RESULTADOS O circuito consiste de dois geradores de 250kV rms fase-fase, um alimentando a linha CC e outro alimentando a linha CA, uma linha CA, uma linha CC, um transformador e uma carga. Na simulação foi usada uma carga trifásica com potência nominal de 100MW e tensão nominal de 69kV. 5.1 O DIAGRAMA DE BLOCOS DO SVC O transformador do diagrama de blocos do SVC possui uma relação nominal de tensão de 69/16kV. O TCR é composto de um indutor de 18.7mH. Cada um dos três TSC possuem um banco de capacitores de 308.4mF. A figura 9 representa o diagrama de blocos. I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica A a B b C c 69 /16 kV 3330 MVA aA bB cC Secondary (16 kV) P A B P C TCR 18.7mH Va_Ia Q(Mvar ) Vmeas Vref alpha TCR (deg) nTSC Va (pu) Ia (pu/100MVA) A B P C TSC1 308400 nF A B C TSC2 308400 nF P A B C TSC3 308400 nF TCR Q (Mvar ) [Vabc _Prim ] Vabc_prim Vabc_Sec Vabc_s ec TSC1 Vm eas Vref (pu) TSC2 alpha TCR (deg) TSC3 num ber of TSCs Signals & Scopes SVC Controller SVC ? The 'PreLoadFcn ' automatically sets sample time Ts =50 e-6 s (see 'Model Properties ') Double click here for info Figura 9 – Diagrama de blocos do SVC acoplado à carga 5.2 Simulação A falta foi aplicada no lado CC do retificador durante 50ms, entre 700ms e 750ms. As figuras 10 e 11 mostram a tensão na carga para a falta aplicada. O uso do SVC modificou muito pouco o THD da tensão, mas melhorou sua estabilidade entre 600ms e 1400ms e aumentou a tensão de 120kV para 200kV. 5 x 10 FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 1 0 -1 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Fundamental (60Hz) = 7.826e+004 , THD= 0.37% 50 )l at n e m a d n u F f o % ( g a M 40 30 20 10 0 0 10 20 30 Harmonic order 40 50 Figura 10 – Tensão na carga (100MW – 69kV) sem uso do SVC 5 x 10 FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 2 0 -2 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Fundamental (60Hz) = 1.413e+005 , THD= 0.42% 40 )l at n e m a d n u F f o % ( g a M 30 20 10 0 0 10 20 30 Harmonic order 40 50 Figura 11 – Tensão na carga (100MW – 69kV) com o uso do SVC Analisando as figuras 12 e 13, nota-se uma melhora na estabilidade da corrente após a falta com o uso do SVC. O THD pouco se modificou com a inserção do SVC. A capacidade de corrente também aumentou de 2200A para 4100A. I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 2000 0 -2000 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Fundamental (60Hz) = 1644 , THD= 0.37% 50 )l at n e m a d n u F f o % ( g a M 40 30 20 10 0 0 10 20 30 Harmonic order 40 50 Figura 12 – Corrente na carga (100MW – 69kV) sem o uso do SVC FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 4000 2000 0 -2000 -4000 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Fundamental (60Hz) = 2969 , THD= 0.42% 40 )l at n e m a d n u F f o % ( g a M 30 20 10 0 0 10 20 30 Harmonic order 40 50 Figura 13 – Corrente na carga (100MW – 69kV) com o uso do SVC As figuras 14 e 15 mostram a potência ativa na carga. A potência que antes era oscilante, após a falta, e com um valor de aproximadamente 150MW passou a ficar mais estável com o uso do SVC. A potência aumentou para aproximadamente 500MW com a inserção do SVC. 7 x 10 FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 15 10 5 0 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Figura 14 – Potência ativa na carga (100MW – 69kV) sem o uso do SVC 8 x 10 FFT window: 150 of 150 cycles of selected signal 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) Figura 15 – Potência ativa na carga (100MW – 69kV) com o uso do SVC 6 CONCLUSÃO Com o uso do SVC houve uma melhora da estabilidade da tensão e corrente após a falta. A tensão e corrente também aumentaram com o uso do FACTS. Quanto à potência, houve uma melhora na estabilidade e um aumento na capacidade de transmissão. I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica Os resultados mostram que o uso de dispositivos FACTS pode melhorar o suprimento de tensão, corrente e potência e também atuar de forma positiva na estabilidade, mesmo em caso de faltas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BORGES, W.M. Harmônicas em Conversores com Capacitores de Comutação. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual Paulista. Ilha Solteira: Universidade Estadual Paulista, 2005. Disponível em: <www.dee.feis.unesp.br/pos/.../140dissertacao_wilson_martins_borges.pdf>. Acesso em: 05 mar. 2010. [2] FERNANDES, B.S. Elos de Transmissão em Corrente Contínua em Programas de Estabilidade Transitória. Tese (Mestrado em Ciências em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2005. Disponível em: <www.pee.ufrj.br/teses/?Resumo=2005041401>. Acesso em: 15 de mar. 2010. [3] FILHO, S.A. Análise de Controladores Eletrônicos em Sistemas de Distribuição de Energia. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica). Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica. Sistemas de Energia Elétrica. 2005. Disponível em: <www.dee.feis.unesp.br/pos/teses/arquivos/156-dissertacao_sergio_alampi_filho.pdf>. Acesso em: 22 de mar. 2011. [4] SANTOS, C.H.R.R. Influência do STATCOM na Estabilidade de Sistemas Elétricos de Potência. Tese (Mestrado em Ciências de Engenharia Elétrica). Universidade Federal de Itajubá. Itajubá –MG. UNIFEI, 2003. Disponível em: <adm-neta.unifei.edu.br/phl/pdf/0031086.pdf>. Acesso em: 17 de jun. 2011.