I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica

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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.