GAT 30 - Reivax

GAT 30
Grupo de Estudo de Análise e Técnicas
de Sistemas de Potência (GAT)
Importância da Validação dos Modelos dos
Sistemas de Excitação com Ensaios de Campo
para Estudos de Transitórios Eletromecânicos
Cristiano Bühler (*) – REIVAX
Rafael Bertolini de Paiva – REIVAX
Paulo Marcos P. Paiva – REIVAX
João Marcos Soares – REIVAX
Lucas Manso da Silva – REIVAX
GGG30
NN
GAT
Sumário
- Introdução
- Saturação Magnética – Efeitos da parametrização incorreta
- Modelagem do Conversor Estático
• Diferentes modelos
• Tensão de Teto – Efeitos de ajustes incorretos
- Modelagem de Não-Linearidades – Caso do Estabilizador (ESP)
• Lógica de bloqueio e reconexão
• Comutação do ganho de saída
• Comutação do bloco wash-out (Reset Não-Linear)
- Conclusões
GGG30
NN
GAT
Introdução
- A correta modelagem do Sistema de Excitação da máquina
síncrona é fundamental para estudos de estabilidade;
- A representação incorreta da saturação magnética da máquina,
do conversor de potência ou das não-lineares poderá levar a
resultados incorretos.
GGG30
NN
GAT
Saturação Magnética da Máquina Síncrona
- Os limites operacionais da máquina síncrona devem ser
respeitados, conforme a Curva de Capabilidade;
- Limites da corrente no campo são enfocados:
• Limite térmico do rotor (OEL): corrente de campo em regime
permanente (dados de placa da máquina/excitatriz);
• Limite máximo do rotor (OEL_pk): Sobrecorrente temporária
suportada pelo enrolamento de campo da máquina;
• Limite mínimo do rotor (MEL): Aquecimento de partes da
máquina em função do fluxo disperso.
GGG30
NN
GAT
Saturação Magnética da Máquina Síncrona
- O ajuste aplicado nos referidos limitadores sofrem influência da
saturação magnética e dos parâmetros da máquina síncrona;
- A saturação magnética afeta as indutâncias do gerador
síncrono;
- Em simuladores, diferentes funções matemáticas modelam a
saturação magnética; no ANATEM é normalmente utilizada a
função exponencial:
Valores típicos:
Ag=0,01 ; Bg=9,0 ; C=0,8
y  Ag e
Bg ( xC )
GGG30
NN
GAT
Saturação Magnética – Parâmetros Incorretos
GGG30
NN
GAT
Saturação Magnética – Parâmetros Incorretos
GGG30
NN
GAT
Modelagem do Conversor de Potência
- A parte de potência de um sistema de excitação é comumente
chamada de excitatriz (rotativa, estática ou mista);
- Em sistemas totalmente estáticos, baseados em pontes de
tiristores, a excitatriz é chamada de conversor de potência;
- É comum encontrar diferentes
topologias para representação
do sistema de excitação do tipo
bus-fed.
GGG30
NN
GAT
Modelagem do Conversor de Potência
- Três modelos do conversor de potência, que dependem da
tecnologia aplicada:
Modelo
1:
Conversor
de
potência baseado em tiristores
(representação simplificada).
Modelo
2:
Conversor
de
potência baseado em tiristores
(rampa-pedestal)
Modelo
3:
Conversor
de
potência baseado em tiristores
utilizando
polarização
cossenoidal.
GGG30
NN
GAT
Modelagem do Conversor de Potência
- Sistema bus-fed possui vantagem em relação a outros sistemas:
depende somente do próprio gerador para sua excitação;
- No entanto, em caso de curto na barra de alta do gerador: tensão
na entrada das pontes é reduzida
alteração no disparo;
- Caso tal efeito não seja representado no modelo, resultados
incorretos poderão ser obtidos;
- Simulação: curto-circuito trifásico (CC3F) na barra de alta do
gerador, com duração de 0,2s; o conversor de potência foi
representado por diferentes modelos:
GGG30
NN
GAT
Modelagem do Conversor de Potência
TENSÃO TERMINAL
TENSÃO DE CAMPO
1.4
CORRENTE DE CAMPO
4
3.5
1.2
Modelo 1
(simplificado)
[pu]
0.6
[pu]
2.5
0.8
[pu]
3
2
1
0
2
0.4
-2
1.5
0.2
0
0
1
2
3
4
5
-4
0
1
2
[s]
POTÊNCIA
ATIVA
TENSÃO
TERMINAL
1.2
4
0
1
2
3
4
5
[s]
POTÊNCIA
REATIVA
TENSÃO DE
CAMPO
1
3
SINAL DO
CORRENTE
DEPSS
CAMPO
1
2.5
0.5
0.83
1
0.6
[pu]
[pu]
0.6
0.5
2
0.4
0.4
0
Modelo 3
(polarização
cossenoidal)
2
0
1.5
0.2
1
0
-0.5
0.2
-0.5
1
P
-1
00
0
1
5
[s]
1.5
0.8
[pu]
[pu]
4
[pu]
[pu]
2
1
3
1
1
2
2
[s]
[s]
3
3
4
4
Q
5
5
-0.2
00
0
1
1
2
2
[s]
[s]
3
3
4
4
PSS
5
5
-1
0.50
0
1
1
2
2
[s]
[s]
3
3
4
4
5
5
GGG30
NN
GAT
Modelagem do Conversor de Potência
Questão da Tensão de Teto (Ceiling Voltage)
- Tensão de Teto: máxima tensão retificada na saída do conversor;
- Ajuste errado no modelo
resultados incorretos.
TENSÃO TERMINAL
1.4
1.2
1
[pu]
0.8
0.6
0.4
VCP = 10
VCP = 8
VCP = 6
0.2
VCP = 4
0
0
0.5
1
1.5
2
[s]
2.5
3
3.5
4
GGG30
NN
GAT
Exemplo de Modelagem do Sistema de Excitação
GGG30
NN
GAT
Modelagem de Não-Linearidades – Caso do ESP
Identificação da Parte Linear
GGG30
NN
GAT
Modelagem de Não-Linearidades – Caso do ESP
Lógicas de Bloqueio e Reconexão
GGG30
NN
GAT
TENSÃO TERMINAL
1.04
Modelagem de Não-Linearidades – Caso do ESP
1.02
[pu]
Comutação do Ganho de Saída do ESP por nível de Potência Ativa
1
0.98
0.96
TENSÃO TERMINAL
1.04
4
0.9
2
0.8
[pu]
[pu]
4
[s]
0
8
0.7
Com chav. de ganho
Sem chav. de ganho
0.6
-2
0.5
0.98
-4
0.96
6
1
1.02
[pu]
2
TENSÃO DE CAMPO POTÊNCIA ATIVA
6
1
0
0
2
4
[s]
6
POTÊNCIA ATIVA
8
-6
0.4
0
2
4
[s]
0
6
POTÊNCIA REATIVA
2
8
4
[s]
6
8
SINAL D
GGG30
NN
GAT
Modelagem de Não-Linearidades – Caso do ESP
Simulação da comutação do bloco de Wash-out (Reset Não-Linear)
GGG30
NN
GAT
Conclusões
- A saturação magnética das máquinas elétricas deve ser
adequadamente representada em programas para estudos de
estabilidade eletromecânica, sob pena de:
- Erros de atuação dos Limitadores de Máxima Excitação (OEL) e
Mínima Excitação (MEL);
- Resultados incorretos por não-limitação da máquina conforme
características construtivas ou por restrições desnecessárias;
- Os conversores de potência precisam ser adequadamente
representados, considerando sua topologia (bus-fed ou outra);
- A tensão de teto (ceiling voltage) do sistema de excitação deve
ser adequadamente representada;
GGG30
NN
GAT
Conclusões
- As não-linearidades do ESP (e outras) devem ser corretamente
modeladas;
- Sugere-se que a construção de modelos para estudos seja
sempre validada por ensaios de campo.
Sugestões/Recomendações ao ONS:
- Alguns modelos de controladores e parâmetros de máquinas
presentes no Banco de Dados para Estudos de Estabilidade
devem ser revisados;
- Inclusão nos Procedimentos de Rede de maiores orientações
quanto a ensaios para validação de modelos dos controladores.
CONTROLE, EXCITAÇÃO
E AUTOMAÇÃO DE
GERADORES E TURBINAS
Obrigado pela
Atenção!
Cristiano Bühler
[email protected]
REIVAX S/A AUTOMAÇÃO E CONTROLE
Florianópolis – Brasil
REIVAX of SWITZERLAND AG
Baden – Suíça
REIVAX NORTH AMERICA, INC
Montreal – Canada
[email protected]
[email protected]
[email protected]
www.reivax.com
GGG NN
REP – Respostas (1)
Usando a máxima de que \"tempo é dinheiro\", cada vez fica mais difícil parar máquinas para realização de testes e
ensaios. Os autores acreditam na possibilidade de testes para levantamento de parâmetros de máquinas e controles
associados com a máquina em operação? Dos testes apresentados no artigo quais poderiam e quais não poderiam ser
realizados com a máquina em operação?
Sim, é possível a partir dos sinais monitorados/registrados, por osciloperturbógrafos ou sistemas PMUs, das próprias
contingências periódicas pelas quais o sistema elétrico passa, obter modelos aproximados (modelos de ordem reduzida)
dos elementos do sistema de potência.
Porém, os modelos de ordem elevada, e com grau de confiança maior, só poderão ser obtidos através da realização de
ensaios que exigem disponibilidade de máquina. Os principais ensaios são rejeições de carga, saturação e ensaios de
injeção de perturbação na referência de tensão com a máquina em vazio e em carga em diferentes níveis de operação.
Esse conjunto de ensaios costumam demorar de 2 a 4 dias.
Em países da América do Norte (EUA, Canadá) e América do Sul (Colômbia, Chile, Peru), são realizados
ensaios periódicos (tipicamente 5 anos) para a validação e levantamento dos modelos de ordem elevada, ensaios esses
que exigem disponibilidade de máquina. Outro ponto importante é que, a cada perturbação sistêmica, os modelos são
confrontados, e os pontos de divergência são investigados, exigindo-se que os agentes responsáveis por estes modelos
verifiquem e apresentem as devidas correções dos modelos.
GGG NN
REP – Respostas (2)
Uma possível solução em sistemas de excitação \"bus-fed\" é a utilização do transformador de \"compoudagem\"
(transformador de corrente) para manter a tensão do gerador alta o suficiente mesmo para defeitos próximos aos
terminais da máquina. Os autores tem experiência com esse tipo de sistema de excitação? Os autores tem ciência se
existe este tipo de excitação nas máquinas do SIN? Em que sistemas os mesmos são encontrados?
O Sistema de excitação com compound é uma estratégia usada para máquinas síncronas quando sujeitas a curtoscircuitos muito próximos a seus terminais, para garantir o suprimento de energia a conversores do tipo bus-fed. A
função do compound é de alimentar o curto circuito até que o sistema de proteção, tipicamente do tipo 50/51, atue.
Sistemas de excitação com compound são típicos em indústrias. A REIVAX já instalou Sistemas de Excitação utilizando
sistema compound em refinarias. Em estudos de estabilidade dos parques industriais, deve-se modelar adequadamente
o conversor de potencia com compound.
Acrescenta-se aqui que o ONS (CIGRE e IEEE também) recomenda que o sistema de excitação tenha uma tensão de teto
elevada, de forma que durante o afundamento de tensão, sustente a corrente de curto circuito por um tempo maior.
Não temos conhecimento sobre utilização de sistema compound em máquinas de grande porte conectadas à rede
básica.
REP – Respostas (3)
GGG NN
De acordo com os resultados apresentados na curva de capacidade (Figura 2) mostrada no artigo, a não representação
da saturação da máquina leva a resultados pessimistas quando a máquina está sobre-excitada e a resultados otimistas
quando a máquina está sub-excitada. Vamos considerar que o levantamento da curva de saturação de máquinas seja
uma tarefa economicamente não atraente e de fraca argumentação para parada de máquinas. Neste contexto, lançar
mão dos resultados apresentados no artigo, e utilizar um fator de correção nas curvas obtidas sem a saturação, não
seria uma solução aproximada aceitável?
A corrente de campo nominal de placa de um gerador síncrono é um dado que garante a operação do gerador no ponto
de operação nominal dele. Nos modelos de simulação, esse parâmetro de placa equivale um valor percentual em
relação a corrente de campo nominal do modelo simulado, onde a corrente de campo nominal do modelo simulado
(Eq = Tensão equivalente a corrente de campo) é dada em relação à linha do entreferro, e não em relação ao ponto de
operação nominal da máquina obtida pela placa do gerado síncrono.
A conversão da corrente de campo nominal de placa para o valor de corrente de campo em pu para a simulação é um
ponto que depende dos parâmetros de máquina síncrona e da curva de saturação do modelo. Quando há erros nesses
parâmetros, o valor em pu da corrente de campo da simulação será diferente do valor real obtido em campo.
A solução mais adequada para contornar esse problema é realizar provas de campo para validar o parâmetros e curva
de saturação da máquina. Todavia, é aceitável a aplicação de compensações somente nas referencias dos limitadores
simulados que utilizam como entrada a variável corrente de campo (OEL e MEL), de tal forma que o ponto de operação
das simulações fique o mais próximo do ponto real que seria obtido em campo quando o limitador atue. Essa
compensação implicará em erro na variável da corrente e tensão de campo simulada quando comparada com as
mesmas variáveis obtidas de ensaios de campo.