análise transitória e dinâmica da operação de reguladores de

ANÁLISE TRANSITÓRIA E DINÂMICA DA OPERAÇÃO DE REGULADORES
DE TENSÃO A NÚCLEO SATURADO COM COMPENSAÇÃO DO ESTATISMO
DA CURVA DE MAGNETIZAÇÃO
João Areis F. Barbosa Jr., José Carlos de Oliveira, Fabrício. P. Santilio, Isaque N. Gondim
Universidade Federal de Uberlândia – UFU, Faculdade de Engenharia Elétrica, Campus Santa Mônica, Uberlândia-MG,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo - Este artigo apresenta resultados relacionados
aos estudos de desempenho de um complexo elétrico
representativo de um sistema real de 230 kV, sem e com a
inserção de um Compensador de Reativos a Núcleo
Saturado (CERNS) para fins da regularização da tensão
de operação. Os estudos são conduzidos utilizando uma
plataforma computacional que emprega técnicas de
modelagem no domínio do tempo, fato este que permite
estudos avaliativos sob condições transitórias, dinâmicas
e de regime permanente. As investigações aqui descritas
avançam no sentido de incorporar os efeitos atrelados
com a inserção de um capacitor em série com o reator
saturado para a correção do estatismo ou inclinação da
curva de compensação VxI do dispositivo.
Palavras-Chave – Compensador Estático de Reativos,
Regulação de Tensão, Reator Saturado, Distorções
Harmônicas, Qualidade de Energia.
TRANSIENT AND DYNAMIC OPERATION
ANALYSIS OF SATURATED CORE
VOLTAGE REGULATOR WITH SLOPE
COMPENSATION
Abstract - This paper presents results related to studies
performed to a typical electrical complex of 230 kV with
and without the insertion of a Saturated Core Reactor
Static VAr Compensator (SCR-SVC) to regulate the
operating busbar voltage. The studies are carried out
using a software that employs modeling techniques in the
time domain. This allows for transients, dynamics and
steady state investigations. The voltage compensation
device model here considered includes a series capacitor
to provide means of reaching a better slope for the
equipment.
1
Keywords - Static VAr Compensator, Voltage
Regulation, Saturated Reactor, Harmonics Distortions,
Power Quality.
I. INTRODUÇÃO
Na busca para se encontrar a conformidade dos padrões da
tensão, as soluções mais tradicionais encontram sustentação
no processo de compensação reativa, destacando, sobretudo,
a aplicação dos compensadores de reativos, que apresentam
por característica dinâmica, a capacidade de fornecer ou
consumir potência reativa de acordo com as exigências do
sistema, ao qual o mesmo encontra-se instalado.
Observando-se os recursos associados com o tema em
pauta, podendo-se destacar os bancos de capacitores
automáticos e compensadores síncronos, na atualidade, o uso
dos reatores controlados a tiristores com a presença de um
banco de capacitores paralelo ou chaveados eletronicamente,
tem se tornado muito comum. Embora as reconhecidas
vantagens oferecidas por este produto, deve-se ressaltar que
o mesmo apresenta uma complexa filosofia de operação
baseada no controle eletrônico, característica esta que pode
tornar o uso desta alternativa pouco favorável em situações
em que se queira empregar produtos com menores exigências
técnicas e, por conseguinte, valores inferiores para os
investimentos financeiros e custos operacionais.
À luz destes fatos, surge a necessidade da busca de
tecnologias confiáveis que conciliem uma eficácia técnica
apropriada e custo competitivo. Este é o caso do
equipamento conhecido por Compensador Estático a Reator
a Núcleo Saturado (CERNS), cuja tecnologia não é nova, e
foi amplamente utilizada, na década de 60 do século passado,
quando os recursos da eletrônica de potência ainda eram
embrionários [1], [2] e [3]. Dentre os atrativos apresentados
por este, o custo competitivo, simplicidade operacional,
baixa exigência de manutenção e a habilidade em promover
o controle da tensão baseada numa propriedade operativa
intrínseca do equipamento continuam a motivar alguns
investigadores a explorar esse assunto [3].
O CERNS é constituído basicamente de um reator a
núcleo saturado (RNS) e um banco de capacitores paralelo,
podendo este conjunto, ainda, contar com a presença de um
banco de capacitores série, destinado a correção do estatismo
da curva de operação do reator [1], [2], [3], [4]. A não
linearidade da curva BxH do reator saturado define uma das
propriedades mais importantes do funcionamento do
dispositivo, sendo tal característica responsável pela
produção de correntes harmônicas que serão injetadas no
sistema, como ressaltam as referências [3], [5], [6], [7], [8].
Tendo em vista que as questões associadas com a
modelagem computacional do produto em pauta já foram
exaustivamente contempladas em outras publicações [3], [5]
e [7], este assunto não será pormenorizado neste trabalho.
Em vista disto, este trabalho tem por foco principal os
estudos do desempenho de um complexo elétrico com uma
linha de transmissão de características radiais, e cargas
distribuídas ao longo de sua extensão, evidenciando grandes
variações dos consumos nas suas diversas subestações. Tais
características impõem a estas redes a necessidade de
medidas de controle de tensão, como será observado ao
longo do artigo. Assim, o cerne deste trabalho fica restrito ao
estudo do desempenho de um sistema de 230 kV, sem e com
a presença do dispositivo contemplado neste artigo,
destacando a contribuição de cada elemento do CERNS no
processo de compensação reativa, sobretudo a do banco de
capacitores série destinado para a modificação da inclinação
da curva de operação do conjunto, utilizando para a
realização de tais estudos um aplicativo computacional que
utiliza técnicas de modelagem no domínio do tempo. Os
estudos são conduzidos diante de súbitas variações de carga
no lado receptor da referida linha de transmissão, a fim de
destacar a eficácia do compensador em atender a legislação
no que diz respeito à regulação da tensão nos barramentos do
sistema.
Dentro deste cenário, além da caracterização do sistema e
casos avaliados, os respectivos resultados são apresentados e
discutidos, a fim de que se consiga realçar o desempenho do
equipamento sob condições transitórias e dinâmicas frente as
possíveis variações de carregamento as quais o sistema
elétrico encontra-se susceptível, e ainda, ressaltar os
impactos do compensador no que tange as questões das
distorções harmônicas.
Este comportamento não-linear da curva de operação do
RNS, que confere a dinamicidade operativa ao compensador,
implica na produção de correntes harmônicas, fato este que
norteou os pesquisadores a buscar arranjos especiais para as
conexões dos enrolamentos do reator a fim de se alcançar
uma compensação interna das correntes harmônicas
produzidas pelo mesmo. Tal objetivo foi alcançado através
dos arranjos conhecidos por twin-tripler (seis colunas
magnéticas) e treble-tripler (nove colunas magnéticas) [3]. A
Fig. 2, ilustra a composição construtiva básica do primeiro
arranjo e, através do uso dessa filosofia, apenas as correntes
harmônicas definidas pela expressão n=12k±1 são
produzidas, sendo k um número inteiro.
II. CARACTERIZAÇÃO BÁSICA DO COMPENSADOR
Fig. 2. Arranjo construtivo twin-tripler para o reator saturado.
A constituição básica do CERNS pode ser visualizada na
Fig. 1 (a), cujos equacionamentos matemáticos e detalhes
técnicos encontram-se em [3]. Este é constituído por um
reator a núcleo saturado e dois bancos de capacitores, um
conectado em paralelo e outro em série com o reator, sendo a
presença deste último, responsável pela correção do
estatismo ou inclinação da região de saturação da curva de
operação do compensador. O arranjo do compensador
determina que a potência reativa injetada ou absorvida pelo
equipamento dependerá das condições impostas pela tensão
do barramento de conexão do equipamento. A curva
característica (VxI) de operação do equipamento encontra-se
ilustrada na Fig. 1 (b), a qual mostra que, a esquerda do eixo
da ordenada, o equipamento produzirá potência reativa
capacitiva ao sistema, enquanto que à direita o reator
dominará o processo, absorvendo potência reativa. Abaixo
do eixo das abscissas encontra-se ilustrada a curva de
operação do capacitor série. Vale ressaltar que a curva
característica (VxI) de operação do equipamento, será
influenciada pela não-linearidade da curva (BxH) do material
magnético empregado na construção do núcleo do reator.
(a)
(b)
Fig. 1. Concepção física e característica básica de operação do
CERNS.
III. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA E CASOS ESTUDADOS
O sistema de transmissão radial utilizado nos estudos
computacionais desenvolvido neste trabalho pode ser
observado na Fig. 3. O mesmo consiste em um sistema de
transmissão de 230 kV, com a presença de cargas
relativamente pequenas ao longo da linha de transmissão e a
presença de um consumidor de maior porte na extremidade
desse sistema [9].
Fig. 3. Diagrama unifilar do sistema elétrico utilizado.
A figura ainda ilustra a instalação de um compensador
estático a reator a núcleo saturado no barramento terminal,
destinado a prover a regulação de tensão exigida pela
legislação. Para realizar a regulação de tensão esperada no
sistema, o compensador escolhido e instalado no sistema
apresenta um reator saturado de 25 MVAr com um banco de
capacitores paralelo de 15 MVAr. A definição e o pré-projeto
do reator e capacitor foram feitos através de um aplicativo
computacional [10], e, portanto, não serão abordados.
Quanto a reatância do banco de capacitores série, esta foi
determinada para uma compensação de 10% na reatância
original do reator para a região de saturação.
Os estudos realizados e explorados neste artigo foram
selecionados a partir de vários casos investigados, dos quais
quatro situações foram selecionadas para apresentação e
discussões em regime permanente. Uma primeira se refere a
avaliação em regime permanente do perfil das tensões no
barramento de 230 kV da SE 06, sem a presença de qualquer
dispositivo de compensação, durante a ocorrência de uma
redução repentina da carga, de aproximadamente 70% do
valor original. Posteriormente, repete-se a mesma avaliação,
porém, levando em consideração a inserção gradual da
compensação no referido barramento analisado, avaliando os
resultados para a inserção apenas do reator saturado, do
reator em conjunto com o capacitor paralelo, e, finalmente, a
presença do compensador na sua forma completa
apresentando o reator conectado ao sistema com a presença
dos capacitores paralelo e série, sendo avaliadas também, as
questões harmônicas e seus efeitos para cada uma das
condições estudadas. Além disso, também foi contemplada
uma situação para a análise transitória de energização do
compensador, na forma do reator saturado e banco de
capacitores paralelo.
IV. ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos para as quatro situações operativas
em regime permanente, para a situação operativa em regime
transitório, assim como as avaliações sobre as distorções
harmônicas produzidas pelo dispositivo de compensação,
encontram-se relatadas a seguir.
A. Redução súbita de carregamento sem a presença do
compensador
Esta situação corresponde ao estudo do comportamento do
sistema frente a uma súbita redução de 70% de carga no
consumidor final, sem a presença do compensador. A Fig. 4
ilustra o comportamento da tensão, no barramento do
consumidor final, antes, durante e após o fenômeno de alívio
de carga.
Fig. 4. Tensão instantânea no barramento de 230 kV da SE 06 sem a
inserção do compensador.
Conforme pode-se observar a partir dos resultados, para a
situação de plena carga ou carregamento normal, a tensão
encontrada no barramento sob estudo foi de 217,6 kV. Este
valor está cerca de 5,4% abaixo da tensão nominal (230 kV),
fato que implica que o sistema, em sua situação original,
violou os limites recomendados legislação. No intervalo
entre 1 e 1,5s, ocorre a referida redução de carga e,
consequentemente, um aumento de 6,89% da tensão em
relação a tensão nominal (230 kV), ou seja, durante este
período, o valor eficaz da tensão elevou para 245,7 kV.
A Fig. 5 (a) e (b) apresenta, de maneira detalhada, as
formas de onda das tensões para as regiões A (carregamento
normal) e B (alívio de carga).
(a) Detalhe região “A”.
(b) Detalhe região “B”.
Fig. 5. Detalhes da tensão instantânea do barramento de 230 kV
da SE 06 sem a inserção do compensador.
Os resultados demonstram que as tensões do barramento
de 230 kV, em ambas as situações, isto é, antes da redução
da carga e durante este evento, não atendem aos padrões
recomendados pela legislação. Os gráficos evidenciam ainda,
que o reator saturado apresentou um tempo de resposta de
2,2 ciclos, comprovando, desta forma, as expectativas
previstas pela teoria que rege o assunto.
B. Redução súbita de carregamento com a inserção apenas
do reator saturado
Para avaliar os efeitos associados com a inclusão do
compensador estático de reativos optou-se por um processo
sequencial de inserção das suas unidades. O primeiro
elemento do compensador inserido na SE 06 foi o reator
saturado. Portanto, não é de se esperar qualquer ganho
quando da ocorrência de afundamentos de tensão. Assim, a
Fig. 6, associada com a presença do reator saturado no
sistema, indica para a região A (carregamento normal) que a
tensão no barramento sob foco atingiu 213 kV,
aproximadamente 7,4% abaixo do nominal, fato este que
piorou a situação quanto à regulação de tensão. Para a região
B, ainda sob a rejeição de 70% da carga, para o intervalo de
1 a 1,5s, a tensão encontrada foi de 233,2 kV, ou seja, 1,4%
acima do valor nominal, portanto dentro das faixas
recomendadas.
Fig. 6. Tensão instantânea no barramento de 230 kV da SE 06
com a inserção do reator saturado.
Os resultados encontrados demonstram a eficácia do
reator saturado para a situação de alívio de carga. Porém, a
presença deste acabou comprometendo, ainda mais, as
tensões no barramento durante a situação de carregamento
normal, fato este também esperado, devido à propriedade do
reator de absorver reativos do sistema.
A Fig. 7 (a) e (b) fornece maiores detalhes sobre as novas
tensões para as regiões A e B.
(a) Detalhe região “A”.
(a) Detalhe região “A”.
(b) Detalhe região “B”.
Fig. 9. Detalhes da tensão instantânea do barramento de 230 kV
da SE 06 com a inserção do compensador (reator saturado e
capacitor paralelo).
(b) Detalhe região “B”.
Fig. 7. Detalhes da tensão instantânea do barramento de 230 kV
da SE 06 com a inserção do reator.
Quanto ao tempo de resposta, o dispositivo compensador
apresentou um resultado muito próximo aquele encontrado
para o caso anterior, com uma rapidez da ordem de 2,3
ciclos.
C. Redução súbita de carregamento com a presença do
compensador (reator saturado e capacitor paralelo)
O mesmo estudo realizado anteriormente foi repetido,
agora, levando em consideração a presença do compensador
formado pelo reator e capacitor paralelo. Na Fig. 8 é
possível observar as novas formas de onda das tensões para o
período de estudo compreendido entre 0,4 e 2,0s.
A eficácia do compensador estático em manter as tensões
do barramento terminal de 230 kV dentro dos limites
recomendados pela legislação pode ser facilmente observada
a partir das regiões A e B, detalhadas na Fig. 9 (a) e (b)
respectivamente.
Fig. 8. Tensão instantânea no barramento de 230 kV da SE 06
com a inserção do compensador (reator saturado e capacitor
paralelo).
Antes da redução da carga, o valor eficaz da tensão era de
222,4 kV, ou 3,3% abaixo da tensão nominal. Durante o
evento de rejeição de carga, o nível de tensão aumentou para
238 kV, isto é, 3,48% acima da nominal. Após o instante
t=1,5s a tensão retornou ao seu valor inicial de 222,4 kV.
Com relação ao tempo de resposta, neste caso, o
equipamento atuou com uma rapidez de 2,8 ciclos.
D. Redução súbita de carregamento com a presença do
compensador na sua forma completa (reator, capacitor
paralelo e capacitor série)
Desta feita as investigações contemplam o compensador
em sua forma mais completa, incluindo os efeitos advindos
da inclusão de um capacitor série e seus impactos sobre o
“estatismo” do equipamento, isto é, sobre sua característica
VxI (tensão versus corrente).
A Fig. 10 expressa às formas de onda das tensões do
barramento analisado, frente às variações de carga do sistema
já conhecidas, levando em consideração o compensador na
sua forma completa. Os resultados demonstram que para a
situação de carregamento normal, região A, o valor eficaz
das tensões entre fases foi de 222,3 kV, estando este 3,3%
abaixo do valor nominal, apresentando-se dentro do limite
mínimo adequado. Para a situação de alívio de carga, durante
o intervalo de 1 a 1,5s, o valor eficaz das tensões ficou em
torno de 236 kV, ou 2,6% acima do valor nominal, e,
portanto, dentro do limite máximo adequado. Estes
resultados foram ainda melhores que aqueles apresentados
pelo compensador formado apenas pelo reator saturado e
banco de capacitores paralelo, justificando assim a presença
e eficiência do capacitor série nesta configuração.
Fig. 10. Tensão instantânea no barramento de 230 kV da SE 06
com a inserção do compensador completo.
Maiores detalhes sobre as duas condições de carregamento
podem ser observadas a partir da Fig. 11 (a) e (b).
(a) Corrente solicitada pelo reator saturado durante sua
energização.
(a) Detalhe região “A”.
(b) Detalhe na região mais crítica.
Fig. 12. Fenômeno transitório de energização do reator saturado.
(b) Detalhe região “B”.
Fig. 11. Detalhes da tensão do barramento de 230 kV da SE 06
com a inserção do compensador (reator saturado, capacitores
paralelo e série).
E. Transitório causado pela energização do compensador
(reator saturado e capacitor paralelo)
Como o compensador estático aqui tratado apresenta-se,
nesta situação, constituído pela combinação de um
dispositivo eletromagnético com um banco de capacitores
paralelo, o comportamento transitório que envolve a
operação do equipamento sob esta situação deve ser
investigado para impedir os possíveis impactos causados no
sistema elétrico como um todo. Desta maneira, na Fig 12.a
pode-se verificar a corrente transitória de energização
individual do reator saturado, e ainda, na sequência, o
impacto da entrada em operação do banco de capacitores.
Assim, no instante t=0,5s ocorre a energização do reator
saturado e no instante t=1s, ocorre a inserção do banco de
capacitores, sendo esta realizada em dois estágios, com o
objetivo de atenuar o fenômeno transitório. A Fig. 12.b
fornece uma visão detalhada do efeito mais crítico, qual seja
o instante de energização do reator saturado.
Os resultados mostram que o pico máximo encontrado
para a corrente transitória de energização do reator, ocorreu
para a linha A. Esta atingiu o valor máximo de 933 A,
aproximadamente 10,5 vezes o valor da corrente de pico
nominal do reator saturado. O equipamento atingiu o regime
permanente aproximadamente 10 ciclos após sua
energização. Durante o instante em que o capacitor é
conectado ao sistema, pode-se observar um novo transitório
na corrente solicitada pelo reator, sendo que a corrente
máxima encontrada nessa condição ocorreu para a fase C,
atingindo cerca de, 402 A. Isto está em total consonância
com o fenômeno convencional de energização de
capacitores. O capacitor atingiu rapidamente o estado de
regime permanente, assim como acontece tipicamente
durante a energização de componentes dessa natureza.
F. Distorções Harmônicas de Corrente e Tensão produzidas
pelo Compensador
Reconhecendo-se o fato de que o reator saturado introduz
distorções harmônicas no sistema, através da injeção de
componentes de corrente que têm a mesma ordem que um
retificador de 12 pulsos, deve-se ter uma atenção especial
com relação a conexão deste tipo de equipamento ao sistema.
A Fig. 13 mostra maiores detalhes sobre as distorções
harmônicas de corrente produzidas pela conexão do
compensador no sistema na sua forma mais simples (reator
saturado e capacitor paralelo).
V. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Fig. 13. Corrente solicitada pelo reator saturado e respectivo
espectro harmônico – compensador (reator e capacitor paralelo).
De acordo com as informações contidas na Fig. 13, a
distorção harmônica total de corrente (DHTi) ficou em torno
de 27,5%, se mostrando, condizente com vários
equipamentos não-lineares de potência. Vale ressaltar que,
tais distorções referem-se ao conteúdo espectral das correntes
do reator, as quais não são as mesmas injetadas na rede de
suprimento (devido ao capacitor paralelo). As distorções
harmônicas totais de corrente, para as três configurações do
compensador podem ser observadas na Tabela I. Como seria
esperado, à medida que foram introduzidos os capacitores,
paralelo e série, junto ao reator saturado, houve uma
modificação do ponto de saturação do reator, fato este
responsável pelas alterações registradas.
TABELA I
Distorção Harmônica Total de Corrente
Inserção Gradativa do Compensador
Apenas Reator Saturado
Reator Saturado e Capacitor Paralelo
Compensador Completo
DHTi (%)
15
27,5
29,4
No que tange aos impactos causados nas tensões do
barramento sob estudo, devido as distorções harmônicas de
corrente, pode-se verificar, a partir da Fig. 14, uma das
formas de onda das tensões, entre as fases AB, e o seu
respectivo espectro harmônico.
Fig. 14. Tensão no barramento de 230 kV da SE 06 e respectivo
espectro harmônico – compensador (reator e capacitor paralelo).
Os valores das distorções harmônicas detectadas para o
barramento de 230 kV ficaram em torno de 2,7%, portanto,
dentro dos padrões esperados e recomendados. As distorções
harmônicas totais de tensão encontradas para todos os casos
estudados podem ser observadas na Tabela II. Os resultados
se mostraram concordantes com as distorções harmônicas
apresentadas nas correntes.
TABELA II
Distorção Harmônica Total de Tensão
Inserção Gradativa do Compensador
Apenas Reator Saturado
Reator Saturado e Capacitor Paralelo
Compensador Completo
DHTV (%)
2,87
2,7
3,1
Este artigo, direcionado a evidenciar a eficácia
operacional dos compensadores de reativos fundamentados
no princípio do reator saturado, mostrou resultados de
desempenho de um complexo elétrico diante de alívios
súbitos de carga, sem e com a presença de um compensador
de reativos fundamentado no princípio do reator saturado.
Tal dispositivo, já modelado anteriormente, e um sistema de
transmissão foram inseridos em um programa que utiliza
técnicas de modelagem no domínio do tempo, possibilitando
assim, a realização de avaliações do desempenho do conjunto
sob condições transitórias, dinâmicas e em regime
permanente de operação, buscando destacar principalmente a
eficiência do capacitor série na modificação da inclinação da
curva de operação do compensador. Os resultados obtidos
ressaltaram a eficácia operacional no compensador quanto ao
processo da regulação da tensão, sendo o melhor
desempenho obtido para o equipamento na sua forma mais
completa, e também, evidenciaram a preocupação com a
questão da geração de componentes harmônicas quando o
reator é solicitado. Embora os resultados demonstrem que o
uso do compensador estático de reativos, aqui tratado, seja
eficaz no que tange as suas atribuições técnicas, deve-se
salientar que o bom desempenho deste quando aplicado no
sistema avaliado nesta proposta, não pode ser estendido de
maneira generalizada a outras configurações. De fato, os
desempenhos transitórios, dinâmicos e de regime permanente
deverão ser cuidadosamente investigados antes da real
utilização desta ou de qualquer outra técnica de compensação
de reativos para a regulação da tensão em sistemas elétricos.
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[10] J. M. Pacheco, “Determinação dos Parâmetros de Compensadores
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