Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
LÓGICA CONTRA COLAPSO DE TENSÃO NO SISTEMA 50 HZ - SUBESTAÇÃO
CONVERSORA DE FOZ DO IGUAÇU
Daniel Cristiano Lunardi Dutra*
Rui Jovita G.C. da Silva**
Carlos Geovani Pivoto*
Sérgio do Espiríto Santo*
Christiano Lopes Rodrigues*
*Eletrobrás Furnas
**Itaipu Binacional
RESUMO
A Contribuição Técnica irá apresentar a Lógica contra Colapso de Tensão no Sistema 50 Hz,
implementada no sistema de controle do Elo de Corrente Contínua de Furnas (Itaipu) em Foz do
Iguaçu. Esta lógica foi preparada e implementada pela Eletrobras Furnas a partir da uma solicitação
do Grupo de Estudos GE-02 da Comissão Mista de Operação – CMO.
O GE-02 identificou que, para algumas condições críticas de operação, poderia haver colapso de
tensão no sistema 50 Hz. Este colapso poderia ser evitado através de ações de controle no Elo de
Corrente Contínua de Furnas (Itaipu). Solicitou, portanto, que Furnas desenvolvesse e implementasse
uma lógica no seu sistema de controle, contemplando as condições identificadas no estudo.
Posteriormente, a entrada em operação da décima unidade de geração em Itaipu acabou ocasionando a
necessidade de alteração da lógica. Uma nova versão da lógica foi desenvolvida, testada e
implementada por Furnas para atender esta nova condição.
Nesta Contribuição Técnica serão detalhadas as duas versões da lógica implementadas no sistema de
controle e os testes realizados para garantir o correto funcionamento da lógica, assim como as
condições nas quais poderia haver colapso de tensão no sistema de 50 Hz e as ações de controle
capazes de evitá-lo.
Estas informações permitirão que as pessoas envolvidas com estudos relacionados ao Elo de Corrente
tenham um conhecimento mais preciso sobre o funcionamento do sistema de controle do Elo de
Corrente Contínua de Furnas (Itaipu).
PALAVRAS-CHAVE
HVDC – CCAT – ELO CC DE FURNAS – ELO CC DE ITAIPU – TRANSMISSÃO EM
CORRENTE CONTÍNUA – TRANSMISSÃO CCAT –LINK DE CORRENTE CONTÍNUA –
CONTROLE CC – SISTEMAS DE CONTROLE – COLAPSO DE TENSÃO
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1.
INTRODUÇÃO
O Esquema de Colapso de Tensão 50 Hz surgiu com o objetivo de evitar que a interação entre
o controle do Elo de Corrente Contínua e das unidades geradoras de Itaipu iniciassem um processo de
instabilidade de tensão no sistema de 500kV/50Hz, o qual poderia repercurtir para o Sistema
Interligado Brasileiro [1].
Primeiramente, o grupo GE-02 da CMO (Comissão Mista de Operação de Itaipu-AndeEletrobras) definiu o esquema de colapso de tensão com base no evento que ocassionasse a perda do
maior elemento de compensação shunt (filtro de 349 Mvar) da Subestação de Foz do Iguaçu associada
a um valor de geração na usina de Itaipu. Este esquema foi definido quando a usina de Itaipu 50 Hz
tinha um total de 9 unidades geradoras.
Posteriormante, a usina de Itaipu ampliou seu parque gerador com a entrada em operação da
10ª unidade geradora, motivando já uma revisão do esquema de colapso de tensão. Além disso,
ocorrências internas na usina de Itaipu indicaram haver eventos que provocavam perda de suporte de
potência reativa mais drásticas do que a perda do maior filtro de Foz do Iguaçu. Desta forma houve
uma reavaliação do esquema de colapso de tensão, originando numa revisão do referido esquema.
Com o conhecimento adquirido pelos engenheiros e técnicos de Furnas e Itaipu esta
modificação seria de implementação simples devido a flexibilidade e programação dos sistemas de
Controle e Proteção que estão operando atualmente no Elo de Corrente Contínua de Furnas (Itaipu).
O diagrama unifilar do sistema elétrico associado à Usina de Itaipu 50 Hz está apresentado na
Figura 1.
Figura 1 – Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico Associado à Usina de Itaipu 50 Hz
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2.
PRIMEIRA IMPLEMENTAÇÃO DO ESQUEMA CONTRA COLAPSO DE
TENSÃO 50 HZ
O grupo de estudos GE-02 da CMO identificou que, para algumas condições críticas de operação,
poderia haver colapso de tensão no sistema 50 Hz. A partir desta identificação, foram realizados
estudos para determinar quais seriam as alternativas possíveis para permitir o máximo de geração
pelas nove (9) unidades de geradoras disponíveis na época e, ao mesmo tempo, eliminando o risco de
colapso de tensão no Sistema Interligado Paraguaio (SIP) e no Sistema 50 Hz do lado brasileiro.
Entre as opções estudadas para minimizar a ocorrência de Colapsos de Tensão no Sistema
Itaipu-Ande-Eletrobras estavam:
1) Sobrecarga temporária na Corrente de Excitação
2) Desligamento de 1 ou 2 máquinas em Itaipu
3) Mudança de tap dos transformadores elevadores de Itaipu
4) Controle de Comutação de Derivação dos Transformadores Conversores
5) Alteração da faixa operativa do ângulo de disparo dos conversores
6) Reajuste dos Controladores do Elo CC
7) Redução da Ordem de Potência do Elo CC
8) Corte de carga na Ande
9) Ilhamento de máquinas para a Ande
10) Compensação Reativa Adicional
Os estudos determinaram que o método mais economicamente viável era a implementação de
uma lógica adicional no sistema de controle do Elo CC. Esta lógica atuaria no Controle de Comutação
de Derivação, ou simplesmente controle dos TAP’s, dos Transformadores Conversores da Estação
Conversora de Foz do Iguaçu. Em condições de geração superior a 6400 MW em Itaipu, no caso de
perda do 4º ou 5º banco de filtros CA, haveria o chaveamento do Controle dos TAP’s para Manual.
Em [1] é descrito que o processo de colapso de tensão do sistema de 50Hz poderia se iniciar
ou pela atuação dos limitadores de corrente de excitação das unidades geradoras de Itaipu ou pela
atuação dos tapes dos transformadores das conversoras. Em resumo, a queda da tensão CA causaria a
imediata redução do ângulo alfa pelo controle do elo CC. Entretanto, os TAP´s dos transformadores
eram posteriormente chaveados, de modo a permitir o retorno do alfa para a faixa de operação,
resultando em aumento de consumo de potência reativa e nova redução da tensão CA. Este processo
em avalanche acabaria resultando no colapso da tensão CA.
Os estudos do GE-02 indicaram, para nove máquinas e potência superior a 6400 MW, que a
perda de um filtro poderia ocasionar o início do processo de colapso de tensão. A solução, definida na
época, para evitar o início desse processo, era bloquear a comutação automática dos TAP´s dos
transformadores das conversoras quando da perda de um dos filtros de Foz do Iguaçu, associado a um
valor de geração na usina de Itaipu.
De modo resumido, os parâmetros determinantes para a operação do Esquema de Colapso de
Tensão 50 Hz eram a Geração de Itaipu 50 Hz acima de 6400MW e o desligamento de um dos
Bancos de Filtros CA na Subestação Conversora. Esta subestação possui 5 Bancos de Filtros CA,
sendo 2 Bancos com capacidade 349 MVAr (ZRA e ZRB) e 3 Bancos (ZRC, ZRD e ZRE) com
capacidade de 280 MVAr. A perda de um Banco de Filtros de 349MVAr era a situação mais crítica.
A Figura 2 apresenta a lógica da primeira modificação para o Esquema contra Colapso de
Tensão 50 Hz. Esta lógica esteve em operação de 2001 a fevereiro de 2012.
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Figura 1 – Primeira Implementação da Lógica contra Colapso de Tensão 50 Hz
2.1
Implementação da Modificação
A modificação proposta para a lógica contra Colapso de Tensão 50 Hz consistia em
modificações em hardware e software. Serão apresentados os pontos principais das etapas.
2.1.1 Descrição da modificação
O Controle da Estação do Elo CC é constituído por dois paineis denominados GSC (Generator
Station Control ou Controle de Geradores), instalado na Usina de Itaipu, e STC (Station Control ou
Controle da Estação), na Estação de Foz do Iguaçu. Estes cubículos têm redundância e se comunicam
através de sistemas de comunicação também redundantes via micro-ondas e fibra óptica.
Em Itaipu foi criado o sinal “COLAPSO 50HZ”, que ficava em nível alto quando a potência
dos geradores era superior a 6400 MW, habilitando a atuação da lógica. Este sinal era enviado para
Eletrobras Furnas, chegando ao painel GSC. Caso ocorresse um desligamento de Filtro CA por
proteção nas situações de redução de 5 filtros para 4 e de 4 filtros para 3 dentro de uma janela de
tempo de 60 segundos, a lógica atuava. Os TAP’s eram então passados para controle “MANUAL",
evitando assim que houvesse uma exigência maior de reativos do Sistema Itaipu 50 Hz, conforme já
descrito anteriormente.
O sinal “COLAPSO 50HZ” era desativado quando a geração de Itaipu retornava para valores
inferiores a 6400MW. Nesta condição o TAP dos LTC’s dos transformadores conversores podiam
retornar para a condição “AUTOMÁTICO” através do comando do operador da Estação Conversora
de Foz do Iguaçu em uma botoeira instalada no Painel do STC.
A lógica em software foi implementada no sistema do Controle da Estação pela equipe técnica
de Eletrobras Furnas. Ela foi possível porque a empresa dispõe do pacote completo das ferramentas de
desenvolvimento do software de controle e experência adequada adquirida durante os quase trinta anos
de operação e manutenção do Elo CC de Furnas (Itaipu).
2.1.2
Sequência de Testes
Após a implementação da modificação, foram realizados testes envolvendo os Painéis do GSC
(Itaipu) e STC (Eletrobras Furnas).
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Estes testes foram realizados em conjunto com as equipes de Manutenção e Operação de
Itaipu Binacional e Eletrobras Furnas, com a simulação do sinal de Colapso de Tensão 50 Hz para
verificar a mudança do Controle do TAP dos LTC’s de todos os transformadores conversores para
Manual. Foram simuladas também as redundâncias e indisponibilidades no STC e GSC. Os testes
consistiram na simulação das diversas condições dos sinais de entrada e verificação da correta
operação da lógica. As condições de erro também foram simuladas.
Após a aprovação dos testes, foi alterada a Instrução de Operação do ONS para que a
modificação fosse formalizada e concluída.
2.1.3 Limitações e Problemas da Primeira Implementação
Esta lógica contemplava as situações em que poderia ocorrer colapso de tensão
considerando a condição de nove (9) unidades geradoras em Itaipu e funcionou adequadamente
durante todo este período. Entretanto, a partir da entrada em operação da décima unidade geradora de
50 Hz em Itaipu, este esquema começou a atuar indevidamente, apesar de corretamente: em diversas
ocasiões o desligamento de Filtros CA causou a sensibilização da lógica sem que o sistema 50 Hz
estivesse sob real risco de entrar em colapso de tensão.
3.
SEGUNDA IMPLEMENTAÇÃO DO ESQUEMA CONTRA COLAPSO DE
TENSÃO 50 HZ
A entrada em operação da décima unidade geradora de 50 Hz e ocorrências internas na usina
de Itaipu, as quais provocaram variações de potência reativa superiores a perda do filtro de 349Mvar,
forçaram a reavaliação dos ajustes utlizados nesta lógica pelo grupo de estudos GE-02. Por um lado, as
10 unidades geradoras de Itaipu possibilitavam a geração de potência superior a 6400 MW por longos
períodos de tempo, estabelecendo a condição de atuação do esquema no caso da saída de filtro CA em
Foz do Iguaçu. Por outro lado, o risco de colapso de tensão nesta condição não existia, já que os
valores utilizados tinham sido obtidos para a configuração de 9 unidades geradoras e, com 10
unidades, a situação era mais favorável.
Além disso, em novembro de 2010, a ocorrência de falhas em uma remota de uma unidade
geradora de Itaipu fez com que a sua tensão terminal fosse reduzida indevidamente, ocasionando uma
variação na potência reativa em torno de 700Mvar, colocando o Sistema Itaipu 50 Hz em iminente
risco de colapso de tensão.
Com a disponibilização do sinal de atuação do Limitador de Máxima Corrente de Excitação
das unidades geradoras por parte de Itaipu, o GE-02 vislumbrou a possibilidade de melhorar a lógica
através da utilização deste sinal como sinal de entrada do Esquema. Os estudos realizados
comprovaram que era eficiente a mudança do TAP dos transformadores conversores para manual
poderia ser efetuada quando houvesse a atuação do limitador. Para evitar atuações indevidas, por
falha, foi adotada a atuação do Limitador de Máxima Corrente de Excitação de duas ou mais unidades
Geradoras para a sensibilização do Esquema de Colapso de Tensão. O diagrama esquemático desta
nova lógica contra o colapso de tensão está apresentado na Figura 2
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Figura 2 – Segunda Implementação da Lógica contra Colapso de Tensão 50 Hz
3.1
Implementação da Modificação
A modificação proposta para a lógica contra Colapso de Tensão 50 Hz consistia de duas
etapas no Controle: modificação em hardware e software nos Sistemas GSC e STC.
3.1.2 Descriçao da Modificação
Em Itaipu o sinal digital “COLAPSO 50HZ” passou a ser gerado a partir da atuação do
Limitador de Máxima Corrente de Excitação das unidades geradoras. Este sinal fica em nível alto
quando ocorre a atuação dos limitadores de pelo menos duas máquinas por um período maior que 4
segundos
Para Furnas, a implementação desta nova lógica consistiu em uma simplificação da lógica
anterior, já que o sinal digital COLAPSO 50HZ passou a ser suficiente para a sensibilização do
esquema. Nesta nova lógica, resolveu-se automatizar o retorno do TAP para automático, devido a
facilidade de implementação. Complementarmente, foi decidida a instalação no painel STC de uma
chave para habilitar ou desabilitar o esquema, permitindo ao operador da Estação desativar a lógica em
caso de falha.
Em resumo, quando o limitador de duas ou mais geradores atuam por mais de 4 segundos, o
sinal COLAPSO 50HZ fica em nível alto e é transmitido até o STC, ocasionando o chaveamento
automático dos TAP’s dos transformadores para MANUAL. Após 60 segundos da normalização
(menos que dois limitadores atuados), o TAP dos LTC’s dos transformadores retorna para
AUTOMÁTICO, sem a intervenção dos operadores.
3.1.2
Sequência de Testes
Após a implementação da modificação, foram realizados novos testes envolvendo os painéis
do GSC e do STC. Estes testes foram realizados em conjunto com as equipes de Manutenção e
Operação de Itaipu Binacional e Eletrobras Furnas, com a simulação do sinal de Colapso de Tensão 50
Hz para verificar a mudança do Controle do TAP dos LTC’s de todos os transformadores conversores
para Manual.
Após a aprovação dos testes, a Instrução de Operação do ONS foi atualizada para que
a modificação fosse formalizada e concluída.
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4.
CONCLUSÃO
A ocorrência de falhas em remotas de Unidades Geradoras e a entrada em operação
de uma Unidade Geradora evidenciaram a necessidade de modificação na lógica contra
Colapso de Tensão 50 Hz.
Esta nova lógica apresenta uma abrangência maior das ocorrências sistêmicas, pois
utiliza a atuação do Limitador de Máxima de Corrente de Excitação, sendo mais eficiente e
atuando de forma independente do número de unidades geradoras em Itaipu. Com este novo
esquema, ampliou-se o limite de potência transmitida pelas unidades de 50 Hz de Itaipu com
total segurança para o Sistema 50 Hz.
Também é importante ressaltar a flexibilidade do Sistema de Controle do Elo CC,
facilitando a implementação uma modificação desse porte sem exigir a intervenção do
fabricante dos equipamentos.
BIBLIOGRAFIA
[1]
SILVA, Rui Jovita G.C. et al, XVII SNPTEE, “Análise do processo de Colapso de
Tensão no Sistema Interligado 50 Hz ITAIPU-ANDE-FURNAS”, Uberlândia, 2003.
[2]
CMO/GE-02, “Análisis de la pertubación de 4.11.2010 a lãs 15h29min em la CH de Itaipu 50
Hz – Relatório CMO/GE-02/192”, 2011 (disponível por solicitação).
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