Análise Espectral das Tensões e Correntes Durante a

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
ANÁLISE ESPECTRAL DAS TENSÕES E CORRENTES DURANTE A OCORRÊNCIA DE FALTAS
EM UMA LINHA HVDC
RUI B. JUNIOR*, RENATO M. MONARO†, DANIEL BARBOSA‡, JOSÉ C. M. V. JÚNIOR*, RICARDO C. SANTOS§, DENIS
V. COURY*
*
Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo
Av. Trabalhador São-carlense, 400, São Carlos, SP, Brasil
†
Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétrica, Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo
Av. Professor Luciano Gualberto, Travessa 3, 158, São Paulo, SP, Brasil
‡
Laboratório de Qualidade de Energia e Conversão Eletromecânica da Energia, Universidade Salvador
Alameda das Espatódeas, 915, Caminho das Árvores, Salvador, BA, Brasil
§
Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Universidade Federal do ABC
Rua Santa Adélia, 166, Santo Andre, SP, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract With the growing usage of direct current transmission systems, there is a need to adapt the protection systems to
work properly both in the direct current and alternating current portion of the system. This work aims a spectral analysis of voltages and currents during the occurrence of faults in a given transmission system in direct current, in order to identify frequency
components able to assist protection systems in the identification and/or classification of faults.
Keywords HVDC, FFT, Protection, Transmission, Protection, Frequency.
Resumo Com o crescimento da utilização de sistemas de transmissão em corrente contínua, existe a necessidade de se adequar
os sistemas de proteção para atuarem corretamente tanto na porção em corrente contínua quanto na porção em corrente alternada
do sistema. Este trabalho visa uma análise espectral das tensões e correntes durante a ocorrência de faltas em um dado sistema de
transmissão em corrente contínua, de modo a identificar componentes de frequência capazes de auxiliar sistemas de proteção na
identificação e/ou classificação das faltas.
Palavras-chave HVDC, FFT, VSC, Transmissão, Proteção, Frequência.
1
Alternativamente ao sistema CA, o sistema em
HVDC pode operar interligando sistemas não sincronizados, devido à utilização de conversores CC/CA,
onde não é necessário que emissor e receptor operem
na mesma frequência.
Em cabos submarinos, a alta capacitância observada no sistema CA torna a transmissão por distâncias acima de 30 km impraticável, além de requerer a
utilização de estações compensadoras (Kundur,
1994), tornando a utilização da corrente contínua
neste caso ainda mais vantajosa. Em (Mossadegh &
Aggarwal, 2010) foi realizado um estudo de viabilidade econômica da utilização de linhas de transmissão em HVDC interligando fazendas eólicas de geração de energia em alto mar. Os autores avaliaram a
utilização de redes HVDC com múltiplos terminais e
cabos submarinos e, comparativamente ao sistema
em CA, o sistema HVDC torna-se financeiramente
mais atrativo com o aumento da potência transmitida.
Uma vez que a distância entre os terminais a serem
conectados é fixa, o alto custo de implantação do
sistema CC justifica-se em potências elevadas devido
à redução nas perdas durante a transmissão da energia.
Introdução
Considerando o crescente aumento da demanda de
energia pelos grandes centros consumidores e a dificuldade para a instalação de fontes energéticas próximas a tais centros, torna-se cada vez mais importante a ampliação do sistema de transmissão em
longas distâncias. Desta forma, o desenvolvimento
de novas tecnologias de transmissão que permitam
uma redução nos custos e nas perdas durante o transporte tem se tornado um desafio para engenheiros e
pesquisadores.
Dentre as novas propostas, a transmissão de energia elétrica em altas tensões e corrente contínua,
da sigla em inglês HVDC (High Voltage Direct Current), apresenta-se como uma alternativa atrativa em
relação aos sistemas de transmissão de energia convencionais, em corrente alternada. Segundo o Comitê
de Transmissão e Distribuição de energia do IEEE
(IEEE/PES
Transmission
and
Distribution
Committee, 2012), é possível observar que existem
aproximadamente 60 projetos para implementação de
linhas de transmissão HVDC planejados para os
próximos anos em todo o mundo, e pelo menos 170
linhas de transmissão HVDC em operação.
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níveis resulta em reduções na geração de harmônicos
e nas perdas de chaveamento dos semicondutores.
Desenvolvimentos recentes apontam para a utilização de Conversores Modulares Multiníveis como
uma solução promissora, entre outros aspectos, pela
redução de harmônicos gerados, redução da necessidade de filtros CA e característica modular
(Gemmell, et al., 2008).
A transmissão em corrente contínua para grandes potências apresenta vantagens como a redução do
número de cabos: apenas um para o sistema monopolar ou dois para o sistema bipolar, possibilidade de
utilização de torres que ocupam uma menor área em
relação ao sistema em corrente alternada de mesma
potência (Fig. 1), além da redução nas perdas durante
a transmissão. Logo, em sistemas com elevada potência e/ou distância entre os pontos de conexão, as
vantagens supracitadas podem caracterizar benefícios
financeiros na utilização do sistema em corrente
contínua em detrimento da utilização da corrente
alternada.
A redução das perdas de transmissão em relação
ao sistema em corrente alternada torna-se ainda mais
expressiva em sistemas subterrâneos ou subaquáticos. Ademais, o sistema em corrente contínua apresenta vantagens por possibilitar a conexão de sistemas dessincronizados, podendo inclusive interligar
países que operam em frequências distintas, como
por exemplo, a conexão entre Brasil (60 Hz) e Paraguai (50 Hz).
Com relação aos conversores, dada a capacidade
de controlar a potência transmitida por uma linha
CC, é possível melhorar a estabilidade dinâmica nas
redes CA associadas, além de ser possível limitar a
corrente de falta nas linhas CC (Sood, 2004). Esta
capacidade de controlar a potência transmitida confere às redes de transmissão HVDC um papel importante no conceito de smart grids, estabelecendo uma
conexão totalmente controlável além de aumentar a
confiabilidade da rede (Saksvik, 2012).
Um estudo semelhante foi realizado em (Reed,
et al., 2013), que propõe um método para o cálculo
das perdas na transmissão de energia para sistemas
HVDC em alto mar, concluindo que o custo da
transmissão em corrente contínua é menor que o
apresentado pela transmissão em CA para longas
distâncias.
Com a propagação da utilização das linhas de
transmissão em corrente contínua, existe a necessidade da elaboração de métodos cada vez mais eficazes na identificação e eliminação de faltas na rede.
Neste sentido, este trabalho visa à realização de um
estudo sobre o espectro de frequência da tensão e
corrente nas linhas de transmissão HVDC durante a
ocorrência de diversos tipos de faltas, tanto na porção
CC, quanto na porção CA do sistema.
Com isto, espera-se identificar componentes de
frequência específicos para diferentes tipos de faltas,
capazes de auxiliar tanto na identificação de situações de curto-circuito quanto na melhoria de características funcionais como seletividade, e confiabilidade do sistema de proteção.
2
VSC-HVDC
Em termos dos conversores utilizados na transmissão
de energia em corrente contínua, a válvula de mercúrio foi a tecnologia utilizada até a década de 70, e
então substituída pelo tiristor. Segundo (Sood, 2004),
a tendência atual é a substituição da utilização de
tiristores por dispositivos auto comutáveis, constituídos por IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor),
por exemplo. A vantagem dos novos dispositivos é a
possibilidade de controle do momento de condução e
não condução, diferentemente dos tiristores, em que
o momento de não condução é definido pela corrente
na rede.
Neste sentido, das diferentes tecnologias empregadas nos conversores, o conversor de fonte de tensão, da sigla em inglês VSC (Voltage-Sourced Converter) constitui uma opção relativamente nova e
promissora com a utilização de dispositivos auto
comutáveis na transmissão em HVDC.
Em (Flourentzou, et al., 2009) é realizado um resumo das principais tecnologias e configurações
utilizadas em sistemas HVDC, enfatizando os VSCs
por possibilitarem uma série de aplicações, como a
conexão de redes CC em redes CA fracas e a implementação de redes com múltiplos terminais. Ademais, a utilização dos VSCs possibilita o controle
independente da transferência das potências ativa e
reativa na linha (Arrillaga, et al., 2010).
As características operativas de um VSC quanto
ao conteúdo harmônico gerado, forma de onda CA
sintetizada e perdas na conversão dependem do arranjo dos elementos semicondutores utilizados. Em
(Andersen, et al., 2002) é feita uma comparação entre
custo, formas de onda e conteúdo harmônico para
conversores VSC de dois, três e quatro níveis, onde
pode ser observado que o aumento no número de
Fig. 1: Comparativo entre a faixa de servidão para sistemas CC e
CA de mesma potência. Adaptado de (Sood, 2004).
Adicionalmente, linhas de transmissão em corrente contínua não necessitam de compensadores
para viabilizar a transmissão em longas distâncias, e
redes VSC-HVDC podem ser conectadas a sistemas
fracos, ou até mesmo que não apresentem geração de
energia (Flourentzou, et al., 2009). Estas proprieda-
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ção de redes HVDC de múltiplos terminais as metodologias de proteção devem ser cuidadosamente
elaboradas de modo a garantir velocidade e precisão
des apresentam vantagens principalmente no tocante
à geração de energia em ambientes remotos, como a
instalação de fazendas eólicas em alto mar. De modo
Fig. 2: Sistema utilizado nos testes.
na identificação de faltas, evitando danos aos equipamentos e isolando apenas a porção defeituosa da
rede.
No trabalho desenvolvido por (Deng, 2013) foi
proposta uma metodologia para a identificação de
faltas em um sistema HVDC com quatro terminais,
sendo que os valores da corrente e de seu respectivo
espectro de frequências foram utilizados como entradas no algoritmo de detecção da falta. Cabe ressaltar
que no trabalho citado os conversores foram modelados como fontes de corrente contínua, eliminando a
influência da operação do controle dos conversores
na resposta do sistema.
geral, as características intrínsecas de sistemas VSCHVDC configuram um ambiente propício para a
conexão de geração de energia por meio de fontes
alternativas, tais como parques eólicos ou fotovoltaicos.
No tocante à proteção em linhas HVDC, disjuntores específicos para a utilização em corrente contínua ainda estão em fase de desenvolvimento e apenas
recentemente, no ano de 2012, foi anunciado o primeiro disjuntor comercial para utilização em linhas
HVDC (ABB, 2013). Logo, para que seja feito o
isolamento de faltas na porção em corrente contínua
do sistema são acionados disjuntores na porção CA.
Em sistemas ponto a ponto este procedimento é eficaz, porém com os avanços nas pesquisas acerca de
sistemas com múltiplos terminais, este procedimento
levaria ao isolamento de porções sãs da rede, sendo
então necessários algoritmos específicos na detecção
de faltas e disjuntores em corrente contínua para a
correta operação do sistema de proteção.
3
Sistema teste
Para a realização das simulações computacionais, foi
utilizado o modelo de VSC-HVDC ponto a ponto
proposto por Silvano Casoria (Casoria, 2007) com
algumas modificações. O sistema modelado no software Mathworks Simulink® é mostrado na Fig. 2, e
é composto basicamente por dois sistemas CA equivalentes, e seus respectivos conversores, interconectados por uma linha de transmissão VSC-HVDC.
Foram utilizados no trabalho conversores de três
níveis compostos por IGBTs, e estão conectados à
rede CA por meio de um transformador, de modo a
compatibilizar os níveis de tensão entre a rede CC e
CA (Fig. 3). Além disso, foram utilizados no lado
CA um reator série e um filtro em derivação para
reduzir a quantidade de harmônicos injetados na
rede. No lado CC existe um filtro para terceira harmônica além de capacitores e indutores para a redução das oscilações presentes na retificação.
É fundamental salientar que uma parte importante da simulação executada é o controle dos pulsos
dos conversores. Para a definição da condição de
chaveamentos dos elementos semicondutores são
monitoradas as tensões e correntes tanto do lado CC
quanto do lado CA, sendo estes valores condiciona-
Fig. 3: Estrutura dos conversores utilizados.
Um dos principais métodos para a detecção de
faltas em linhas HVDC é a utilização do conceito de
ondas viajantes (Yixuan, et al., 2013) e adaptações da
proteção de distância (Zhang, et al., 2012), largamente utilizada em redes CA. Entretanto, com a introdu-
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Em termos operativos, o controle do sistema simulado foi configurado de modo que a estação retificadora opere controlando as potências ativa e reativa,
e a estação inversora controlando o nível da tensão
na linha CC e a potência reativa. É relevante destacar
que o sistema VSC-HVDC simulado não utiliza
comunicação entre as estações conversoras, ou seja, a
operação das mesmas é realizada de forma independente.
Finalmente, a linha de transmissão CC utilizada
foi subdividida em duas partes com 100 km de extensão cada, totalizando uma linha de 200 km. Cada
uma das partes foi simulada com a utilização do
modelo pi com 20 seções, de modo a garantir uma
boa representação dos transitórios na linha, conforme
evidenciado por (Khatir, et al., 2006).
dos com a utilização de um filtro anti-aliasing com
frequência de corte de 2000 Hz. Após o condicionamento, os sinais passam por um bloco do tipo sample
and hold, visando simular a aquisição do sinal como
em um caso real.
De modo geral, o controlador é composto por
quatro módulos: o Phase Locked Loop (PLL), o laço
externo de potência ativa/reativa e tensão, o laço
interno de corrente e o controle de balanço da tensão
CC, conforme ilustrado na Fig. 4. O bloco PLL é
responsável pela estimação da frequência que será
utilizada no sincronismo total do sistema de controle.
No laço externo de potência ativa/reativa e tensão é realizado o cálculo da corrente de referência
para o bloco subsequente, com base nos valores de
tensão e corrente obtidos do sistema. Resumidamente, nesta etapa é realizada a adequação do valor de
referência da corrente de modo a manter a tensão
tanto do lado CA quanto CC dentro de limites préestabelecidos para segurança operacional do sistema.
Em seguida o laço interno de corrente, que possui um
modelo do comportamento do controlador, computa
qual deve ser a tensão no lado CC, considerando as
quedas de tensão existentes no próprio controlador.
Esta tensão de referência é então enviada para o
módulo de controle de balanço da tensão CC, que
atua para a igualar em módulo a tensão apresentada
nos polos positivo e negativo, mantendo a tensão
balanceada na linha CC (Casoria, 2007). No lado
CA, o controle da magnitude e ângulo de fase da
onda de tensão sintetizada pelo conversor é realizado
de maneira a controlar o fluxo de potência ativa,
dada pelo ângulo de fase, e da potência reativa, dada
pela magnitude da tensão.
O sinal computado nas etapas anteriores é finalmente enviado ao modulador de largura de pulso
(PWM) senoidal, que realiza a geração dos pulsos
que irão acionar os elementos semicondutores.
3.1 Metodologia
Após a modelagem do sistema teste, diversas faltas
foram aplicadas com o intuito de analisar o conteúdo
do espectro de frequência dos sinais de tensão e de
corrente. As faltas foram aplicadas em cinco pontos
distintos: no lado CA do retificador, no lado CC do
retificador, na metade da linha CC, no lado CC do
inversor e finalmente no lado CA do inversor; sendo
que estes pontos estão identificados na Fig. 2 por
CA1, CC1, CC2, CC3 e CA2, respectivamente.
Na linha CA, foram aplicados curto-circuitos
monofásicos, bifásicos e trifásicos, com e sem envolvimento do terra, enquanto que na linha CC os curtocircuitos aplicados foram monopolares e bipolares,
com e sem envolvimento do terra. Em todos os casos
a serem apresentados nesse estudo foram aplicadas
faltas francas durante a operação normal do sistema,
e os valores de tensão e corrente de cada um dos
pontos do sistema foi adquirido para análise, como
será apresentado na seção de resultados.
Posteriormente, os dados adquiridos foram processados com a utilização da Transformada Rápida
de Fourier, da sigla em inglês FFT (Fast Fourier
Transform), com a aplicação do janelamento retangular. Cada uma das janelas é composta por 13500
amostras num período de 100 ms, o que representa
uma frequência de amostragem de 135 kHz. Vale
ressaltar que esta elevada frequência de amostragem
foi empregada no trabalho de modo a garantir uma
boa representação das formas de onda, visando obter
resultados precisos na aplicação da FFT. Destaca-se
ainda que a janela de pós-falta considerada no estudo
se inicia 100 amostras após a incidência do curto.
4
Resultados
A sucessiva aplicação de faltas em diferentes pontos
do sistema gerou uma extensa base de dados para
análise. Logo, apenas parte dos resultados será apresentada de modo a ilustrar as respostas obtidas.
Na Fig. 5 (a) é possível observar o comportamento da tensão na fase ‘a’ durante a aplicação de
um curto-circuito monofásico entre a fase ‘a’ e a
Fig. 4: Visão geral do controlador. Adaptado de (Casoria, 2007).
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gerar alterações nas leituras realizadas em CA1,
como mostrado na Fig. 8. Neste caso, a alteração
mais significativa no espectro de frequência ocorreu
em 150 Hz, evidenciando a introdução da componente de terceiro harmônico na tensão no ponto CA1.
terra no ponto CA1. O bloco destacado na curva da
tensão se refere à janela de dados utilizada na determinação do espectro de frequências do sinal, sendo
que o módulo da diferença entre os espectros de pré e
pós-falta é exibido na Fig. 5 (b). Particularmente para
este caso, o espectro de frequência de pós-falta é
nulo, uma vez que a janela de dados utilizada apresenta apenas valores nulos. Desta forma, a diferença
entre os espectros mostrada na Fig. 5 (b) reflete o
espectro de pré-falta falta.
Fig. 6: Curto-circuito entre polo positivo e a terra aplicado em
CC1, com medição de tensão em CA1.
Fig. 5: Curto-circuito entre fase ‘a’ e terra aplicado em CA1 com
medição de tensão em CA1.
Mantendo-se o ponto de medição da tensão e
corrente em AC1 e aplicando-se um curto-circuito
entre o polo positivo e a terra na linha CC em CC1,
são observados os sinais de tensão e corrente apresentados nas Fig. 6 e Fig. 7, respectivamente. Essas
figuras mostram as alterações nos espectros de tensão
e corrente no ponto AC1, devido à ocorrência de um
curto-circuito no início da linha CC, ou seja, no ponto CC1. É possível observar que houve uma sutil
alteração no espectro de frequências na tensão em
CA1, uma vez que a magnitude das diferenças apresentada na Fig. 6 é bastante reduzida. Entretanto,
destaca-se predominância da componente de 100 Hz,
evidenciando presença da segunda harmônica.
Na Fig. 7 as principais alterações evidenciadas
pelo espectro de frequência são relativas às frequências de 50 e 100 Hz, indicando o aparecimento da
componente de segunda harmônica da corrente em
CA1 com a aplicação da falta em CC1.
Fig. 7: Curto-circuito entre polo positivo e terra aplicado em CC1,
com medição de corrente em CA1.
Em todos os casos apresentados com a realização da medição de tensão e corrente em CA1 se
observa que as variações significativas no espectro
de frequência limitam-se a valores abaixo de aproximadamente 500 Hz, o que ocorre basicamente devido
à utilização de filtros na porção CA do sistema, absorvendo componentes de alta frequência.
Deslocando-se do ponto de medição para o início da linha CC, ou seja, ponto CC1, é possível observar o comportamento da tensão e corrente na linha
CC em função da aplicação de faltas ao longo do
As variações de tensão e corrente em CA1 com a
aplicação de faltas monopolares entre o polo positivo
e a terra na linha CC nos pontos CC2 e CC3 leva a
resultados similares aos apresentados para aplicação
em CC1, salvo pequenas variações de amplitude,
logo não serão aqui apresentados. Entretanto, a aplicação de uma falta monofásica na porção CA no
extremo oposto da linha, ponto CA2, é capaz de
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sistema. Com a aplicação de uma falta monofásica no
ponto CA1 a entrada do retificador é exposta a tensões de entrada fortemente desbalanceadas, afetando
diretamente a tensão na linha CC, como mostrado na
Fig. 9.
Este efeito ocorre basicamente devido à descarga dos
capacitores presentes na linha CC. Em termos da
variação de frequência, além da abrupta variação na
frequência zero, relativa à queda da tensão na linha
CC, pode ser observada uma variação em 600 e 1350
Hz.
Fig. 8: Curto-circuito entre fase ‘a’ e terra aplicado em CA2, com
medição de tensão em CA1
Fig. 9: Curto-circuito entre fase ‘a’ e a terra aplicado em CA1 com
medição em CC1.
Na Fig. 11 é ilustrado o efeito na linha CC de
um curto-circuito trifásico em CA2. A oscilação
causada na tensão da linha CC pode ser justificada
pela operação do inversor, configurado neste sistema
para controlar a potência reativa e a tensão na linha
CC. Com o curto-circuito trifásico na saída do inversor a estimação da frequência de operação da rede
CA realizada pelo PLL é comprometida, assim como
a medição da potência reativa, acarretando na operação irregular do controle devido à perda de referência
A análise da diferença entre os espectros de pré e
pós-falta da Fig. 9 (b) revela que a alteração abrupta
nos sinais de entrada do retificador resulta no aparecimento de diversas componentes de frequência na
linha CC, principalmente em 10, 50, 100, 170 e 250
Hz.
Ao realizar a aplicação de um curto-circuito entre os polos positivo e negativo no final da linha CC,
ou seja, no ponto CC3, a tensão observada em CC1é
reduzida gradativamente, como mostrado na Fig. 10.
Tabela I: Frequências exclusivas em cada ponto de medição
Medição Var
Va
CA 1
Ia
Va
CA 2
Ia
VdcP
CC 1
IdcP
VdcP
CC 3
IdcP
Falta
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Lado CA
Lado CC
Frequências Exclusivas [Hz]
80
100
260
220
60
40
240
180
130
110
590
190
220
170
230
590
180
240
150
110
270
230
150
100
250
190
140
180
600
200
230
180
240
600
190
260
260
200
270
240
250
240
350
360
200
260
200
330
270
210
210
610
1350
240
190
250
610
1350
270
350
360
370
340
410
300
350
360
370
380
390
330
340
350
360
370
260
620
270
630
280
700
300
710
310
1080
320
1090
330
340
350
360
440
260
200
260
620
270
300
360
370
580
590
600
610
620
700
270
630
290
700
300
710
310
720
320
730
330
1080
340 350 560
1090 1100
570
300
360
370
380
390
590
600
610
700
400
620
630
Onde: Va, Ia = Tensão e corrente na fase ‘a’ / VdcP, IdcP = Tensão e corrente no polo positivo da linha HVDC
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tanto da frequência quanto da potência transmitida.
No tocante ao espectro de frequências deste caso,
pode-se observar uma significativa variação nos
componentes de 160 e 170 Hz, além de uma pequena
variação em torno de 1350 Hz. Vale ressaltar que a
frequência de 1350 Hz é relativa à frequência da
onda portadora existente na modulação dos pulsos
dos elementos semicondutores, sendo assim a presença de componentes dessa frequência é esperada na
operação do sistema.
Para possibilitar a análise dos resultados obtidos
de maneira mais direta, de acordo com os objetivos
definidos, foram elencadas as frequências que apresentaram maior variação entre o espectro de pré e
pós-falta, organizadas de acordo com o local de aplicação da falta e o ponto de medição da tensão e corrente.
Fig. 11: Curto-circuito trifásico sem envolvimento do terra em
CA2 com medição em CC1.
Desta forma, utilizando-se as linhas Lado CA e
Lado CC da Tabela I, para uma dada grandeza de
interesse e ponto de medição, é possível encontrar as
alterações no espectro de frequência capazes de indicar se a falta é interna ou externa à porção selecionada do sistema, auxiliando no critério de seletividade.
Por exemplo, se a medição de tensão no ponto CA2
identificar uma situação faltosa no sistema, a observação da variação da componente de frequência de
150 Hz vai indicar se a falta é na porção CA ou na
porção CC do sistema. Ou seja, se for evidenciada
uma significativa alteração em componentes de frequência de 150 Hz isto indica a ocorrência de uma
falta na porção CA do sistema. Caso contrário, a
ocorrência da falta está associada à linha HVDC,
sendo a proteção localizada em CA2 caracterizada
como retaguarda. A Tabela I não apresenta uma linha
relativa a medições de tensão e corrente no ponto
CC2, uma vez que este se encontra no centro da LT
onde não existem medidores.
Ressalta-se ainda que o potencial de utilização
das frequências encontradas neste trabalho em algoritmos de proteção primária, que com a utilização,
por exemplo, da Transformada Discreta de Fourier,
podem identificar prontamente alterações significativas em frequências específicas, detectando a existências de uma situação de curto-circuito na linha.
Fig. 10: Curto-circuito entre os polos positivo e negativo aplicado
em CC2 com medição em CC1.
Para tanto, as mais significativas alterações no
espectro de frequência para cada combinação possível entre ponto de medição e aplicação de curtocircuito foram listadas e organizadas, como apresentado na Tabela I. Vale destacar que apenas as frequências onde foram observadas variações superiores
a dois por cento do valor da grandeza em regime
foram consideradas, visando a eliminação da influencia de ruídos no sinal.
De acordo com a organização dos dados, a interpretação dos valores na tabela é feita como segue:
Fixando-se o ponto de medição em CA1 e medindose a tensão na fase ‘a’ (Va), as frequências listadas
em “Lado CA” representam valores de frequências
com alterações significativas observadas apenas em
faltas aplicadas nos pontos de corrente alternada do
sistema, ou seja, CA1 ou CA2. Similarmente, as
frequências relativas à “Lado CC” indicam as frequências com alterações significativas observadas
apenas em faltas na linha HVDC, ou seja, faltas aplicadas em CC1, CC2 ou CC3.
5
Conclusões
O desenvolvimento de novas tecnologias e a
contínua necessidade de vencer grandes distâncias na
transmissão de energia trazem cada vez mais a utilização de linhas de transmissão de alta tensão em
corrente contínua como foco de interesse. Logo,
existe a necessidade de evolução não somente das
tecnologias para transmissão da energia, mas também
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Deng, Q., 2013. A Novel Protection Scheme for
Multi-terminal HVDC. Dissertação de Mestrado:
Department of Electronic & Electrical
Engineering, University of Bath, UK.
Flourentzou, N., Agelidis, V. & Demetriades, G.,
2009. VSC-Based HVDC Power Transmission
Systems: An Overview. IEEE Transactions on
Power Electronics, 24(3), pp. 592-602.
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dos métodos e equipamentos necessários para a correta proteção das redes em caso de faltas.
Neste trabalho foi realizada uma análise dos espectros de frequência dos sinais de tensão e corrente
em linhas de transmissão VSC-HVDC, além da rede
em corrente alternada a ela conectada. Com isto,
pode-se observar que existem componentes de frequências específicas, que sofrem alteração significativa entre a situação de pré e pós-falta. Desta forma,
este resultado contribui com as análises relativas à
proteção de sistemas HVDC, evidenciando que a
análise particular de um modelo pode revelar componentes de frequência capazes de auxiliar na identificação de curto-circuitos no sistema. Destaca-se
ainda que o conteúdo espectral da tensão e corrente
pode auxiliar no critério de seletividade da proteção,
uma vez que o monitoramento de frequências específicas pode indicar se uma situação de falta identificada pelo relé corresponde à sua zona primária de atuação, evitando a operação errônea da proteção isolando porções saudáveis da rede.
É importante observar que neste estudo foi utilizado um sistema de testes específico, e que os valores das frequências mencionados no decorrer do
mesmo podem mudar completamente para uma configuração alternativa, tanto da linha quanto dos controladores. Entretanto, os resultados obtidos proporcionam um importante indicativo de que com uma
metodologia de simulação de sistema e análise espectral das respostas é possível encontrar componentes
de frequência de grande valia para algoritmos de
proteção.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio do Conselho Nacional
de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
(CNPq) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de
Pessoal de Nível Superior (Capes) pelo suporte financeiro para a realização desta pesquisa, bem como
ao Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica
(LSEE) da Escola de Engenharia Elétrica de São
Carlos (EESC/USP) pela infraestrutura fornecida.
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