Controle de Tensão de um Compensador Estático de

Controle de Tensão de um Compensador Estático de
Reativos Conectado a uma Rede de Baixa Tensão
Felipe Augusto Ferreira de Almeida1, Flávio Alessandro Serrão Gonçalves2
Fernando Pinhabel Marafão2 e Eduardo Verri Liberado2
1
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo - IFSP
Câmpus Boituva
2
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP
Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba
[email protected] , [email protected]
Abstract. This paper aims to present the operation analysis of a Static Var
Compensator (SVC), which consists of a Thyristor Controlled Reactor (TCR)
and a Fixed Capacitor (FC), connected to a low voltage network in order to
assess its operating limits to the power quality disturbances and compliance
with regulations, such as voltage regulation. A new application of this
compensator is studied at low voltage for reactive power compensation in a
given point of common coupling (PCC), to aim the voltage profile control at the
connection point between the feeder and the network. The results were obtained
by software simulations.
Resumo. Este artigo tem como objetivo apresentar a análise de operação de
um Compensador Estático de Reativos (SVC), que consiste em um Reator
Controlado a Tiristor (TCR) e um capacitor fixo (FC), conectado a uma rede
de baixa tensão a fim de avaliar seus limites operacionais em relação aos
distúrbios de qualidade de energia e conformidade com os regulamentos, como
por exemplo, regulação de tensão. Uma nova aplicação desse compensador é
estudada em baixa tensão para compensação de potência reativa em um
determinado ponto de acoplamento comum (PAC), visando o controle do perfil
de tensão no ponto de conexão entre o alimentador e a rede. Os resultados
foram obtidos através das simulações em software.
1. Introdução
O SVC (Static Var Compensator) ou Compensador Estático de Reativos é uma
arquitetura de compensação estabelecida, usado principalmente para a regulação de
tensão por absorção de energia reativa em redes de alta/média tensão [1]. Tem como
principal função utilizar elementos passivos, tais como reatores e capacitores, que são
devidamente ajustados para controlar a tensão e a potência reativa nos sistemas de
transmissão. Para este tipo de compensação, é necessário um controle dinâmico com a
utilização de dispositivos eletrônicos de potência, como tiristores, que possibilitam o
controle da corrente que flui no reator, controlando as perdas reativas.
A potência necessária para um SVC dedicado à regulação de tensão depende da
quantidade de flutuação de tensão a ser compensada e da impedância de curto circuito da
rede [2]. A Figura 1 mostra o circuito equivalente de uma rede, contemplando a fonte de
energia, a impedância de linha e um SVC para estabilizar a tensão do lado da carga.
IS= IL + Iq
R
X
FONTE
VL
VF
Iq
IL
CARGAS
SVC
Figura 1 – Circuito equivalente da rede, SVC e carga.
O comportamento da regulação de tensão em função da corrente reativa injetada
Iq é dado pelas equações (1) e (2).
𝑉𝐿 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 𝑋 ∙ 𝐼𝑞
(1)
𝑉𝐿 = 𝑉𝐹 − 𝑋 ∙ (𝐼𝑞 + 𝐼𝐿 )
(2)
Onde X é a reatância, equivalente da linha, a qual o efeito pode ser avaliado pela
razão (∆VL / ∆Iq ).
Os diagramas de fasores apresentados nas Figuras 2 e 3 mostram que a tensão na
final da linha, VL, pode ser regulada através do controle da injeção de corrente reativa, Iq.
A Figura 2 demonstra que na ausência de corrente injetada pelo SVC a tensão resultante
na carga, VL, é menor que a tensão na fonte, VF.
VF
Iativa
VL < V F
X.IS
R.IS
IS=IL
Ireativa
Figura 2 – Diagrama de fasores de uma rede sem compensação.
Quando há injeção de corrente reativa, Iq, pelo SVC na quantidade suficiente para
compensar a corrente reativa drenada pela carga, a tensão no final da linha aumenta,
porém não alcança o valor na origem da linha VF. Para alcançar o valor nominal no final
da linha, uma corrente reativa Iq maior que Ireativa deve ser injetada, como observado na
Figura 3. Assim, o controle de tensão no lado da carga é baseado no controle da corrente
reativa injetada pelo SVC.
Iq
VF
IS
Iativa
Ireativa
VL = V F
X.IS
R.IS
IL
Figura 3 – Diagrama de fasores com VL = VF.
2. Estrutura do SVC
O Reator Controlado a Tiristor (Thyristor Controlled Reactor - RCT) consiste de um
circuito formado por uma indutância L e dois tiristores em antiparalelo, conforme pode
ser visto na Figura 4. Os tiristores são comandados para condução considerando o
emprego do mesmo ângulo de disparo, mas devido a existência de sincronismo com a
forma de onda tensão do ponto de conexão, para garantir a região de polarização direta,
ocorrendo em instantes defasados de meio período. De acordo com a variação do ângulo
de disparo dos tiristores, existe uma variação correspondente na corrente do indutor.
Figura 4 – Reator Controlado a Tiristor
O Compensador Estático de Reativos (Static Var Compensator – SVC) é formado
pelo arranjo de um RCT em paralelo com capacitores fixos. Através da ação de controle
dos ângulos de disparo apresentados aos tiristores a corrente é controlada de forma que o
arranjo se comporte como uma susceptância variável, com uma faixa abrangendo desde
valores capacitivos até indutivos.
O SVC é uma tecnologia estabelecida e utilizada em aplicações na transmissão de
energia elétrica com o objetivo principal de controle rápido da tensão nos pontos fracos
da rede [4].
Uma das vantagens do SVC comparado com tecnologias que utilizam PWM
consiste no fato de que no SVC o chaveamento dos interruptores semicondutores é
realizado em baixa frequência e com sistema de controle mais simples, que podem
contribuir de forma positiva na relação de custo da estrutura.
A topologia SVC em um arranjo trifásico é apresentada na Figura 5. O SVC
proposto possui três circuitos de Reatores Controlados por Tiristor (RCT), conectados em
delta e representados pelos pares de tiristores e pelas indutâncias (LTCR), cada um em
paralelo com um capacitor fixo (CSVC). Deste modo pode-se conseguir que a região de
trabalho do RCT inclua uma faixa capacitiva. Para monitoramento e controle devem ser
medidas três tensões de linha (u12, u32, u31) e três correntes de fase (i1, i2, i3).
i1C
u31
1
u12
CSVC
CSVC
LTCR
LTCR
LTCR
i3C
3
2
i2C
CSVC
u23
Figura
5 – Topologia do SVC [5].
2.1 Controle do SVC
O controle do ângulo de disparo dos tiristores causa um controle de corrente, fazendo com
que o SVC se comporte como uma susceptância variável, com uma faixa desde valores
capacitivos até indutivos.
α = 90°
α = 180°
A Figura 6A mostra a curva característica de operação V-I do SVC. O
comportamento da curva demonstra que quando o ângulo de disparo dos tiristores é
configurado para estar em 180°, capacitor fixo é responsável pela produção de corrente
reativa total, pois o RCT não está operando. Por outro lado, quando o ângulo de disparo
dos tiristores está em 90°, o indutor LTCR está totalmente inserido e o SVC se encontra no
limite de absorção de corrente reativa.
V
Vref
Limite de absorção
BSVC = BCsvc + BL
α = 90°
Limite de produção
BSVC = BCsvc
α = 180°
ISVC
Faixa de controle
Capacitivo
Figura
Indutivo
6 – Característica de operação do SVC
A susceptância equivalente fundamental do RCT é uma função do ângulo de disparo α,
determinada por (3), enquanto a reatância equivalente do SVC pode ser determinada por
(4).
BL   
 2  2  sin  2  
(3)
 XL
Onde: BL é a Susceptância do RCT e XL é a Reatância do indutor do RCT.
X SVC  , L, C  
 ..L
 2  sin  2    2 L.C 
(4)
Onde: L é a indutância do SVC do RCT, C é a capacitância do SVC e XSVC é a reatância
equivalente do SVC.
2.2 Harmônicos gerados pelo SVC
Uma das limitações do SVC são as correntes harmônicas de baixa ordem que surgem
através do controle do ângulo disparo dos tiristores. As amplitudes das correntes
harmônicas (ILn) em função do ângulo de disparo (α) podem determinadas por (5).
𝑉∙4
sin 𝛼 cos(𝑛𝛼)−𝑛 cos∝sin(𝑛𝛼)
𝐼𝐿𝑛 (∝) = 𝜔𝐿𝜋 {
𝑛(𝑛2 −1)
(5)
}
Onde: 𝑛 = 2𝑘 + 1, 𝑘 = 2, 3, 4, … , L é o valor da indutância do SVC e α é o Ângulo de
disparo dos tiristores.
A Figura 7 apresenta o comportamento das amplitudes de correntes harmônicas
de ordens ímpares, diferentes da fundamental, normalizadas por (L/V), em função do
ângulo de disparo (α). A obtenção destas curvas leva em consideração uma rede de tensão
senoidal.
Amplitude de Harmônica de Corrente Normalizada [%]
15
3a. ordem
5a. ordem
7a. ordem
9a. ordem
11a. ordem
13a. ordem
12
9
6
3
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ângulo de Disparo (Graus)
Figura 7 – Amplitude das ordens ímpares das componentes harmônicas de corrente
normalizadas em função do ângulo de disparo α.[1]
3. Metodologia e resultados obtidos
Para a simulação foi utilizado o software Matlab/Simulink. Na configuração demonstrada
na Figura 8, temos as medições de correntes no PAC (iPACa, iPACb, iPACc), as medições de
tensões no PAC (Va, Vb, Vc), as medições de correntes no SVC (iSVCa, iSVCb, iSVCc) e as
medições de correntes na carga (iCa, iCb, iCc).
Figura 8 – Circuito esquemático empregado para a simulação.
A malha de controle do SVC elaborada com o objetivo de compensação de tensão é
apresentada na Figura 9. A malha de controle emprega um compensador do tipo
Proporcional - Integral para cada uma das fases. Em situações operacionais em que o
sistema é equilibrado, a existência um laço de controle para cada fase poderia ser
simplificada. Entretanto, em simulações apresentando características de desequilíbrio de
tensão a existência destas é justificada.
Figura 9 – Malha de controle de tensão do SVC.
Os parâmetros de configuração dos blocos do sistema de controle da malha
relacionada com uma das fases são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros da malha de controle.
Tensão de referência Vref
Ganho Kp
Ganho Ki
380V
0,5
300
A Figura 10 apresenta o diagrama de blocos do circuito de geração dos sinais de
disparo dos tiristores para cada fase. Cada fase gera os sinais de disparo dos tiristores de
forma independente sincronizados com a tensão de linha ao qual estão conectados.
Figura 10 – Circuito de disparo e sincronismo dos tiristores do SVC.
Os capacitores foram dimensionados para compensar a energia reativa indutiva
da carga, e o indutor do RTC foi dimensionado para compensar a energia reativa
equivalente aos capacitores.
Os valores da capacitância total (Cbanco) e da indutância do RCT (L) podem ser
determinados através de (6) e (7), onde Q representa a potência reativa, V é o valor eficaz
da tensão de linha e f é a frequência da rede.
𝐶𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 =
𝐿=
𝑄
(6)
2𝜋𝑓𝑉 2 ×3
1
(7)
(𝜔)2 𝐶𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜
A susceptância fundamental equivalente do RCT em função do ângulo de disparo
é mostrada em (3), onde BL é a susceptância do RCT, α é o ângulo de disparo e XL é a
reatância indutiva.
A Tabela 2 apresenta os parâmetros de potência e de circuito empregados no
sistema de energia avaliado.
Tabela 2 – Configuração do sistema de energia.
Configuração do sistema
Carga
Balanceada
Impedância
de Linha
Tensão
de
Linha
Potência
Reativa
Carga
Potência
Ativa
Potência
Aparente
Capacitor
do SVC
Indutor SVC
L = 5,4mH,
R=3,268Ω
L=0,23mH;
R=0,115Ω
380 V
38,9
kVAr
63,75 kW
72,48
kVA
476,36 µF
295,4 mH
O capacitor do SVC foi dimensionado para compensar uma potência reativa de
77,8 kVAr, correspondente ao dobro da potência reativa da carga. A especificação
considerando esta relação garante que a possibilidade da compensação da queda de tensão
devido à carga e à impedância de linha. De forma análoga, o valor do indutor do SVC é
dimensionado para corresponder a uma compensação de um décimo da potência reativa
da carga, ou seja, igual a 3,89 kVAr.
A rede de energia foi simulada considerando que no instante 0,2 segundos a carga
sofre uma alteração, modificada para possuir o dobro do seu valor inicial, e no instante
0,7 segundos o SVC é conectado à rede para compensar a queda de tensão. Os valores do
ângulo de disparo do RCT da fase A, da tensão de linha Vab, da potência reativa (Q) e do
fator de potência podem ser vistos na Figura 11.
Figura 11 – Valores de ângulo alfa, tensão de linha Vab, potência reativa Q e Fator de
Potência.
É possível notar que o valor do ângulo se estabiliza após alguns segundos. A
tensão de linha também se estabiliza e é compensada, chegando ao valor de referência
adotado. O fator de potência, apesar de não ser o objetivo do controle, também tem seu
valor aumentado. A potência reativa no PAC diminui, pois o SVC está gerando potência
reativa capacitiva para a compensação da tensão. A tabela 3 contém os valores antes e
após a compensação.
Tabela 3 – Resultados obtidos.
Ângulo
alfa (º)
Tensão de linha
Vab
Potência Reativa
no PAC (kVAr)
Fator de
Potência
Sem compensação
180
358
35,15
0,84
Com compensação do SVC
135
380
37,71
0,85
Na figura 12 é possível observar o comportamento das correntes e tensões no PAC
antes e após a compensação.
Figura 12 –Correntes e Tensões no PAC.
A Tabela 4 apresenta os valores resultantes das distorções harmônicas totais de
tensão e de corrente após a realização da compensação pelo SVC. É possível notar que o
SVC insere no sistema distorção harmônica de corrente. Os limites de distorção
harmônica de tensão recomendado pelo IEEE e pela ANNEL [13], não foram
ultrapassados.
Tabela 4 – Configuração do sistema.
Grandeza
Valor
THDv (%)
0,12%
THDi (%)
0,41%
4. Conclusões
Este artigo apresentou análises da operação de um Compensador Estático de Reativos
(SVC), composto por um Reator Controlado a Tiristor (TCR) e um capacitor fixo (FC),
conectado a uma rede de baixa tensão, a fim de avaliar características operacionais
vantajosas deste sistema voltado para a regulação de tensão.
A operação do SVC insere harmônicos na rede, pois o disparo dos tiristores geram
correntes harmônicas de baixas ordens. Entretanto, de acordo com a relação de potências
envolvidas entre SVC e carga e impedância de linha, as componentes harmônicas
resultantes podem não afetar de forma severa a forma de onda de corrente, mantendo a
distorção harmônica total de corrente em níveis baixos. Caso contrário, com o efeito das
harmônicas de corrente distorcendo de forma severa a forma de onda de corrente, o
emprego de elementos compensadores de harmônicos, por exemplo, filtros passivos ou
ativos, poderiam ajudar a atenuar de forma parcial ou integral este efeito.
Por fim, conclui-se que o SVC, largamente utilizado em redes de alta e média
tensão, mantém suas propriedades em redes de baixa tensão, se mostrando eficiente no
controle de tensão, podendo representar uma solução de menor complexidade de
implementação e custo para a finalidade de compensação de perfil de tensão, quando
confrontada às soluções baseadas em chaveamento em elevadas frequências
convencionalmente empregadas para esta finalidade em redes de baixa tensão.
5. Referências
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Flexible AC Transmission Systems”, IEEE Series on Power Engineering Society;
Mohamed E. El-Hawary, Series Editor, 2000.
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[3] IEEE Special Stability Controls Working Group, "Static Var Compensator Models for
Power Flow and Dynamic Performance Simulation", IEEE Transactions on Power
Systems, vol. 9, no. 1, pp. 229-240, Feb. 1994.
[4] Liberado, E. V., “Metodologia de Projeto Cooperativo para Condicionadores de
Qualidade de Energia”. Dissertação de mestrado, Universidade Estadual Paulista.
Faculdade de Engenharia, Bauru, 2012.
[5] Almeida, F. A. F., Gonçalves, F. A. S., “Contribuições à Aplicação de Compensadores
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Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia de Bauru, Outubro de 2014.
[6] Bogonez-Franco, P.; Balcells, J.; Junyent, O.; Jorda, J., "SVC model for voltage
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Symposium on, vol., no., pp.1645-1649, 27-30 June 2011
[7] Chen Junling; Li Yaohua; Wang Ping; Gao Congzhe; Jiang Xinjian; Yin Zhizhu; Dong
Zuyi, "A novel control method for a combined system using active power filter and static
var compensator," in Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2010 International
Conference on , vol., no., pp.334-337, 10-13 Oct. 2010
[8] W. Juanjuan, F. Chuang and Z. Yao, "SVC Control System Based on Instantaneous
Reactive Power Theory and Fuzzy PID," Industrial Electronics, IEEE Transactions on ,
vol. 55, no. 4, pp.1658-1665, April, 2008
[9] Wang, D., Yang, C., Zhang, X., Wang, J.: ‘Research on application of TCR + FC
typed SVC in power quality integrated management for power traction system’. Int. Conf.
Sustainable Power Generation and Supply, Hangzhou, September 2012, pp. 1–5
[10] Lee, S.-Y., Wu, C.-J.: ‘Reactive power compensation and load balancing for
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active filter’, IEE Proc. Electr. Power Appl., 2000, 146, (6), pp. 563–571
[11] Dugan, R. C.; McGranaghan, M. F.; Santoso, S.; Beaty, H. W., “Electrical Power
System Quality”, McGraw-Hill, Third Edition, Jan. 2010.
[12] IEEE Special Stability Controls Working Group, "Static Var Compensator Models
for Power Flow and Dynamic Performance Simulation", IEEE Transactions on Power
Systems, vol. 9, no. 1, pp. 229-240, Feb. 1994.
[13] Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL: “Procedimentos de Distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, Módulo 8 – Qualidade de
Energia Elétrica”, Revisão 1, 2010