Compensador Estático de Reativos Controlado a Tiristores

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Compensador Estático de Reativos Controlado a
Tiristores: Modelagem e Simulação
J. C. de Oliveira, PhD; A. B. de Vasconcellos, Dr.; R. Apolônio, Dr.; M. K. Kawaphara, Dr.; J. E.
Carvalho, Engo e E. Raupp Jr, Engo
Resumo - Este trabalho apresenta a modelagem do
compensador estático de reativos (CE), composto pelo reator
controlado a tiristores (RCT), do capacitor chaveado a tiristores
(CCT) e do filtro ressonante de 5a harmônica no programa ATP,
mais precisamente, utilizando os recursos do pré-processador
ATPDraw. O controle do compensador foi implementado através
dos recursos da sub-rotina TACS. Os resultados apresentados
foram obtidos através da inserção do CE no final de um sistema
elétrico de potência, com configuração tipicamente radial, no
qual foram simuladas várias ocorrências, tais como: inserção de
cargas, rejeição de cargas, energização de transformadores. Os
resultados encontrados buscam enfatizar a eficácia do dispositivo
no controle da tensão no barramento ao qual o dispositivo está
conectado e nos outros pontos do sistema elétrico.
de transmissão de 230 kV interligam a SE-Coxipó e Manso a
SE-Sinop, cuja extensão total é de 450 km (fig.1).
Palavras-Chave - Compensador estático, reator controlado a
tiristores, capacitor chaveado a tiristores, programa ATP,
controle de tensão.
O
I. INTRODUÇÃO
sistema elétrico de potência do Estado de Mato Grosso
participa do sistema elétrico interligado nacional, no qual
estão presentes linhas de transmissão de até 750 kV em
corrente alternada e o elo de corrente contínua de Itaipu.
Nesse sistema encontram diversas formas de produção de
energia elétrica, tais como: a geração hidráulica, a geração
térmica (Diesel, gás e nuclear). Em particular, no estado de
Mato Grosso, o atendimento às cargas distribuídas nas
diversas cidades e na área rural, dá-se, predominante, via um
sistema de transmissão radial, com tensão de 230 kV, que se
estende desde a cidade de Cuiabá, subestação (SE) Coxipó,
até a cidade de Sinop, SE-Sinop. Atualmente, há algumas
fontes geradoras de energia elétrica, tais como: a usina
hidroelétrica de Manso, a usina termoelétrica de Cuiabá (a
gás), a usina hidroelétrica de Canoa Quebrada, próxima à
cidade de Sinop, no norte do Estado. Essas fontes geradoras
atendem a demanda do Estado em determinados períodos do
ano e, adicionalmente, permitem fornecer energia elétrica ao
sistema nacional interligado. Dados recentes indicam uma
demanda máxima de 76 MVA na SE-Sinop, suprida em parte
pela usina de Manso e pela SE-Coxipó (Cuiabá). Uma linha
Este trabalho conta com o suporte financeiro da Eletronorte através do
programa de P&D com a participação da UFMT e UFU.
J. C. de Oliveira trabalha na Universidade Federal de Uberlândia (e-mail:
[email protected] ); A. B. de Vasconcellos, M. K. Kawaphara e R. Apolonio
trabalham na Universidade Federal de Mato Grosso (e-mails: [email protected]
[email protected] [email protected] ); J. E. Carvalho e E. Raupp Jr
trabalham na Eletronorte ([email protected] [email protected])
Fig. 1. Sistema elétrico simplificado de Mato Grosso.
A SE-Sinop tem um comportamento típico de um sistema
radial, e como tal, sofre as dificuldades inerentes a regulação
de tensão, nas condições de operação de carga leve e pesada.
A solução mais comum adotada pelas concessionárias
nacionais responsáveis pela geração e transmissão de energia
elétrica é a compensação de reativos. Dentre os mecanismos
utilizados para tanto se tem a utilização de compensadores
fixos e compensadores com características variáveis. No
contexto dos dispositivos dinâmicos, os reatores controlados a
tiristores operando em conjunto com um banco de capacitores
fixos ou chaveados têm sido largamente utilizados por muitas
empresas. Esta tecnologia, surgida nos anos 80 ainda se
destaca como uma alternativa altamente atrativa para muitas
aplicações. Atualmente, no sistema elétrico nacional,
encontram-se em operação unidades de CE nas seguintes
localidades: SE-Coxipó (Cuiabá) (-50/+70MVAr), SEBandeirantes (-75/+100 MVAr), SE-Campos (-60/+100
MVAr), SE-Barro Alto (-22/+33 MVAr) e uma proposta para
a implantação de uma unidade de -20/+25 MVAr com
controle contínuo e +30 MVAr com controle discreto, na SESinop (Sinop-MT) [1], [2].
2
Do exposto, este artigo tem por objetivo apresentar a
modelagem do compensador estático no ATP e os resultados
de estudos de desempenho deste tipo de compensador e seus
impactos num sistema de transmissão com característica
predominantemente radial, como é o caso do sistema do
Estado de Mato Grosso. As simulações irão avaliar o
desempenho do compensador estático no controle da tensão na
barra da SE-Sinop, sob diferentes condições operativas,
analisando a operação dinâmica do dispositivo.
II. MODELAGEM DO SISTEMA DE ENERGIA ELÉTRICA
A. Modelagem do Compensador Estático no ATP
Atualmente existem diversos programas computacionais
que permitem a simulação de redes elétricas no domínio do
tempo, dentre eles: O simulador SABER, o MathLab, o
PSCAD/EMTDC, ATP/ATPDraw, etc. A escolha do ATP
deve-se a ampla quantidade de modelos de dispositivos de
redes elétricas já disponibilizadas no programa, tais como:
transformadores, linhas de transmissão, elementos lineares e
não lineares, etc., além do fato de não se ter qualquer custo
para a sua aquisição, aliada a facilidade, graças a incorporação
do pré-processador ATPDraw, e a farta documentação para
consulta e utilização.
O compensador estático é basicamente constituído de um
reator controlado a tiristores (RCT), um capacitor controlado a
tiristores (CCT) e um filtro harmônico ressonante ajustado
para a 5ª harmônica (fig. 2), [3] e [4].
3).
Fig. 3. Diagrama esquemático do CE para uma das fases.
A unidade de potência compreende as válvulas a tiristores e
os elementos a parâmetros concentrados (R, L e C) (fig. 4),
todos já disponíveis na biblioteca de modelos do ATP.
(a)
(b)
Fig. 4. Unidade de Potência do CE: (a) Circuito elétrico equivalente do RCT;
(b) Circuito elétrico equivalente do CCT.
Fig. 2. Diagrama unifilar do Compensador Estático: RCT, CCT e Filtro
harmônico.
As potências reativas do CE, a ser inserido na SE-Sinop,
ficaram assim distribuídas: dos +25 MVAr capacitivos, 3,5
MVAr foram destinados ao filtro de 5a harmônica e 21,5
MVAr ao capacitor chaveado a tiristores e -24,0 MVAr ao
reator. Os valores das resistências, indutâncias e capacitâncias
do compensador estático foram estimados com base nos dados
do compensador estático da SE-Coxipó, mantidas a devidas
proporções.
Para efeito de modelagem, o compensador estático pode ser
dividido em quatro blocos distintos e inter-relacionados: a
unidade de potência, a unidade de medição, a unidade de
controle e a unidade de distribuição de pulsos de disparo (fig.
A fig. 5 mostra o RCT e CCT implementados no ATPDraw
utilizando os modelos de dispositivos já existentes no
programa. O filtro harmônico é modelado simplesmente como
uma carga trifásica ligada em Y. Os sinais de disparo dos
tiristores ficam acessíveis à unidade de controle, a qual foi
implementada utilizando os recursos da TACS.
A unidade de medição baseia-se em um circuito dedicado à
aquisição e ao processamento dos sinais de tensão da barra
controlada pelo CE (lado de 230kV), cujas saídas
intermediárias fornecem sinais proporcionais ao valor eficaz
da tensão da barra controlada (VCE) e a corrente reativa
intercambiada entre o sistema e o CE (ICE).
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(a)
Fig. 6. Modelo equivalente no ATPDraw da unidade de medição.
(b)
Fig. 5. Modelo equivalente da unidade de potência do CE no ATPDraw : a)
RCT, b) CCT.
Na unidade de medição está contido um medidor coletivo
da tensão eficaz das três fases e um medidor de potência
reativa trifásica, este implementado com o uso de PLL (Phase
Locked Loop), a partir dos quais obtém-se o sinal proporcional
à tensão na barra, levando-se em conta um dado estatismo
para o CE. A fig. 6 mostra a implementação no ATPDraw.
O controlador de tensão, cuja função e garantir o valor da
tensão desejada na barra controlada, é formado basicamente
por um controlador proporcional e integral (PI). O controlador
PI recebe informações da unidade de medição e emite um
sinal correspondente ao valor desejado para a susceptância do
compensador estático. A fig. 7 mostra o diagrama de blocos
do controlador proporcional e integral (PI), filtros, sinais de
subtensão e sobretensão e o seu modelo equivalente do
controlador PI no ATPDraw. Participam, também, da unidade
de controle, os seguintes blocos lógicos: bloco de detecção de
sobretensão e subtensão, bloco de distribuição de pulsos,
bloco de disparo do RCT, bloco de disparo do CCT, bloco de
detecção de polaridade do capacitor e sobrecorrente do CCT
[3], [4].
O sinal de saída do controlador PI, bref, é a susceptância de
referência para o CE. Um valor negativo para bref, indica a
necessidade de operar na região indutiva; ao contrário, se
positivo o compensador deverá operar na região capacitiva. A
saída (bref) fornece o sinal para o ângulo de disparo do RCT,
cuja relação é dada por:
α
2.α
susceptância = 2 − + seno(
) (1)
90
π
sendo α o ângulo de disparo em graus.
A estratégia para representar essa não linearidade é
4
aproximada pela relação [4]:
Nivel=9,2 – 0,92.bref
(2)
sendo o sinal Nível proporcional ao ângulo de disparo do
RCT.
A figura 8 mostra o diagrama de blocos, cuja saída é o sinal
para disparo do RCT, e o bloco lógico de disparo
propriamente dito. Para a implementação da unidade de
disparo do RCT, faz-se necessário à sincronização com os
sinais de tensão das fases VAB, VBC e VCA, os quais são
realizados por meio de dois PLL por fase.
(a)
(b)
(c)
Fig. 8. Disparo do RCT; a) Diagrama de bloco (fases C e A); b) e c)
Implementação no ATPDraw do detector de nível e bloco de disparo do RCT.
A fig. 9 mostra parte da lógica de disparo do CCT, em
particular, os sinais de disparo dos tiristores inseridos entre as
fases C e A.
(b)
Fig. 7. Controlador de tensão: a) Diagrama de blocos parcial do sistema de
controle, b) Implementação no ATPDraw do controlador PI.
Fig. 9. Implementação da lógica de disparo do CCT do capacitor ligado entre
as fases C e A (parcial).
(a)
B. Modelagem do sistema de transmissão e transformadores
O diagrama unifilar do sistema elétrico a ser simulado está
mostrado na fig. 10. A modelagem das linhas de transmissão,
dos transformadores, reatores, banco de capacitores, cargas
são facilmente realizáveis com o uso dos modelos préexistentes no ATPDraw.
5
Fig. 10 – Diagrama unifilar do sistema elétrico a ser simulado.
A fig. 11 mostra a implementação no ATPDraw dos
dispositivos existentes na SE-Sinop, quais sejam: os bancos de
capacitores (8x3,6MVAr), manobráveis, no terciário do
transformador de 100 MVA; o reator de linha de 20 MVAr, o
reator de 20 MVAr e o banco de capacitores de 30 MVAr,
estes manobráveis, e as cargas, que foram divididas em três
grupos, para simular as condições de carga leve, média e
pesada.
Fig. 12. Tensão na SE-de Sorriso, Sinop e de referência em função da
inserção de cargas, retirada de reator, inserção de bancos e retirada de
carga.
Fig. 11 – Implementação dos dispositivos da SE-Sinop no simulador.
As chaves colocadas em cada um dos dispositivos
permitirão a manobra de inserção e retirada do dispositivo
durante as simulações.
III. SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
A. Simulação sem a conexão do compensador estático
Na simulação procurou-se retratar a inserção e a retirada de
cargas e dispositivos para controle da tensão na SE-Sinop. A
potência das cargas conectadas nesse barramento referem-se a
situação de demanda máxima medida no mês de maio de
2007. A figura 12 mostra o gráfico para esta situação e a
tabela I resume os instantes de chaveamento dos dispositivos e
sua respectiva potência.
TABELA I
TIPO E POTÊNCIA DAS CARGAS E INSTANTE DE MANOBRA DURANTE A
SIMULAÇÃO DIGITAL; SE-SINOP; SE-COXIPÓ =1,02 PU
Carga
Potência
Instante de
Tensão fase-neutro
x106
manobra (s)
(pu)
Inserção Retirada Sorriso
Sinop
T < 0,6 s
0,9703
0,9492
carga RL
+42,5
0,6
0,9119
0,8782
Reator
20,0
0,8
0,9553
0,9321
Banco Cap
4x3,6
1,0
0,9986
0,9834
Carga RL
76,0
1,2
0,9453
0,9192
Banco Cap
4x3,6
1,4
0,9765
0,9585
Carga RL
-23,0
1,6
1,0179
1,0074
Banco Cap
1x3,6
1,8
1,0089
0,9960
Banco Cap
1x3,6
2,0
0,9998
0,9845
Carga RL
-27,0
2,2
1,0455
1,0393
Banco Cap
2x3,6
2,4
1,0261
1,0147
Banco Cap
1x3,6
2,6
1,0164
1,0028
Banco Cap
1x3,6
2,8
1,0067
0,9989
O controle de tensão é adicionalmente realizado através do
ajuste automático do tap do auto-transformador existente na
SE-Sinop. Caso seja necessária a geração de potência reativa
capacitiva, além daquela providenciada pelos 8 bancos de 3,6
MVAr, o banco de capacitores de 30 MVAr existente no lado
de 230 kV poderá ser inserido no sistema, ajustado pela
retirada parcial ou total dos bancos existentes em 13,8 kV
(8x3,6 MVAr). A carga resultante no final da simulação, isto
é, 26 MVA, é a condição de carga leve diária.
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B. Simulação com o compensador estático
Para a simulação com o compensador estático considerouse a retirada do reator manobrável de 20 MVAr na barra de
230 kV da SE-Sinop e, também, a retirada dos bancos de
capacitores (8x3,6 MVAr) do terciário do transformador de
100 MVA. A fig. 13 mostra os resultados da simulação com o
CE para as mesmas condições de inserção e retirada de cargas
da simulação anterior, e adicionalmente, a retirada total das
cargas em t=2,8 s.
deverá ser implementado, juntamente com a compensação
contínua (RCT + CCT), para realizar tal chaveamento.
IV. CONCLUSÕES
A modelagem do compensador estático no ATP permitiu a
simulação desse dispositivo inserido num sistema elétrico de
potência objetivando a regulação de tensão na barra a qual o
dispositivo está conectado. A disponibilidade do modelo
computacional permitirá a realização de simulações em
trabalhos futuros que avaliem aspectos relacionados à injeção
de correntes harmônicas no sistema elétrico provocadas pelo
compensador estático.
V. REFERÊNCIAS
Relatórios Técnicos:
[1]
[2]
ELETRONORTE – SETST-MT, "Especificação técnica do equipamento
controlador de tensão", parte I, documento interno.
ELETRONORTE – Relatório Técnico, "SVC Sinop – Network
Harmonic Study", documento interno.
Artigos:
(a)
[3]
C. S. Fonseca, J. Honda, H. Pessoa O. Jr. E Eduardo H. E. Filho,
"Desenvolvimento de modelo para representação da resposta transitória
do compensador estático de coxipó no programa ATP", X SNPTEE,
1989.
Dissertações:
[4]
M. Fandi, "Reator controlado a tiristores: modelagem para análises sob
condições de operação em regimes permanente e transitório",
Dissertação de mestrado, UFU, 1998.
VI. BIOGRAFIAS
(b)
(c)
Fig. 13. a) Tensões na SE-Sorriso, Sinop e referência; b) Corrente
no RCT; c) Corrente no CCT.
Dos resultados anteriores, observa-se que a partir da
inserção da carga em t=0,6s, o CCT foi chaveado e o reator
passa a absorver o excedente de reativo gerado pelo CCT.
Após a inserção da carga total, t=1,2s, o reator vai deixando
de absorver corrente do sistema. Esse transitório foi
interrompido pela retirada de carga em t=1,6s.
Nas situações de carga extrema, o banco de capacitores de
30 MVAr, na barra de 230 kV, poderá ser inserido
manualmente no sistema, porém um controle automático
Jose C. Oliveira nasceu em Itajuba–MG, Brazil.
Obteve os títulos de Bacharel e Mestre na
Universidade Federal de Itajubá-Brasil e PhD na
Universidade de Manchester – Reino Unido.
Atualmente é pesquisador na Universidade
Federal de Uberlândia-Brasil.
Arnulfo Barroso de Vasconcellos nasceu em
Corumbá-MT, Brasil. Obteve o título de Bacharel
em engenharia elétrica em 1980 na Universidade
Federal de Mato Grosso, Mestre em 1987 e
Doutor em 2004 na Universidade Federal de
Uberlândia.
Roberto Apolônio nasceu em Lucélia-SP, Brasil.
Bacharel em engenharia elétrica em 1981 na
Universidade Federal de Mato Grosso, Mestre em
1988 na Universidade Federal de Santa Catarina Brasil e Doutor em 2004 na Universidade de
Uberlândia – Brasil.
Mário Kiyoshi Kawaphara, Bacharel em
engenharia elétrica em 1980 na Universidade
Federal de Mato Grosso, Mestre em 1993 e
Doutor em 1997 na Universidade Estadual
Paulista–Brasil. Atualmente é professor na
Universidade Federal de Mato Grosso - Brasil.
José Eduardo de Carvalho nasceu em Monte
Aprazível-SP. Obteve o título de bacharel em
engenharia elétrica em 1981, pela Escola de
Engenharia de São Carlos-USP. Trabalha como
Engenheiro Eletricista na Eletronorte desde 1989.
Edson Raupp Junior nasceu em Joinville-SC.
Bacharel em engenharia elétrica na Universidade
Federal de Mato Grosso. Trabalha na Eletronorte
como Engenheiro Eletricista desde 2007, no setor
de Linhas de Transmissão.