Compensadores Estáticos

COMPENSADORES ESTÁTICOS
André Reis
Felipe Bastos
Henrique Borges
Reginaldo Miranda
Thales Moran
quantidade de potência reativa vinda do ramo do
sistema com a intenção de manter a mesma
constante.
Resumo
Compensação estática é o gerenciamento da
potencia reativa para melhorar a qualidade
de suprimento em sistemas de potencia em
corrente alternada. Essa compensação é
utilizada
para
compensar
cargas
desequilibradas.
Palavras Chaves: Compensadores estáticos,
CCT, RCT, MISTAS, RNS, qualidade de
energia elétrica, Flutuações de tensão,
Condicionamento de energia.
Fig 1- CERNS conectado junto a carga para compensação de
reativo
A seguir, tem-se o arranjo básico de um
RNS, observa-se que este é constituído de dois
elementos básicos, um capacitor e um reator de
núcleo saturado.
Introdução
Compensadores estáticos são amplamente
usados para resolver diferentes problemas de
transmissão e distribuição de energia elétrica,
relacionados com ondulações grandes e rápidas
da potência reativa.
A importância da compensação da
potencia reativa da carga reduz os gastos da
energia elétrica dos centros da sua geração aos
consumidores.
A aplicação dos Compensadores de
potencia reativa nos sistemas de energia permite
aumentar a estabilidade e capacidade de
passagem das linhas de transmissão, estabilizar
a tensão nas barras da subestação, reduzir o
nível das sobretensões internas, bem como
reduzir as perdas de energia elétrica nas linhas
de transmissão.
Desta forma, igual com a preservação
do meio ambiente, os Compensadores estático
de reativos são de certa forma “sistemas de
purificação” para o meio ambiente energético,
restaurando a qualidade da energia elétrica,
estragada pelos consumidores e baixando os
danos ativos de transmissão de energia elétrica.
Fig2-Arranjo básico de um CERNS
A
potência
demandada
pelo
compensador é determinada pela tensão em seus
terminais, ou seja, para um baixo nível de tensão
o mesmo funciona como um gerador de potência
reativa, prevalecendo o caráter capacitivo. Por
outro lado, para um nível alto de tensão, este
demanda potência reativa, funcionando como
um reator, prevalecendo, neste caso, o caráter
indutivo. A seguir, tem-se a figura que
representa a operação do dispositivo.
Compensador Estático a Reator a Núcleo
Saturado (CERNS)
Princípio de Funcionamento
O Reator a Núcleo Saturado (RNS)
funciona como um Regulador de Tensão,
controlando a demanda de potência reativa.
Conectado em paralelo com a carga, controla a
Fig3- Caracterítica (VxI) do compensador estático a reator a
núcleo saturado.
1
A característica do CE fica evidente com a
figura 3. Percebe-se nesta, que as linhas
pontilhadas representam o comportamento de
cada elemento do CERNS, sendo que, a curva
da direita representa o RNS enquanto a da
esquerda a do capacitor paralelo.
tensão do intervalo I
299,9kV(0,99pu)
e
respectivamente.
e II, ou seja,
240,9kV(1,047pu)
Aplicações
Os CERNS são empregados em
situações onde o controle de tensão não é
extremamente rigoroso. Suas
principais
características
são:
a
robustez,
e
consequentemente baixos níveis de manutenção,
e o baixo custo comparado aos compesadores
que utilizam da eletrônica de potência, tais como
os Reatores Controlados a Tiristores (RCT). A
seguir, tem-se um sistema de potência que será
considerado para estudo.
Fig6- Perfil de tensão fase-fase no barramento da SE-SINOP
para uma variação brusca e repentina da carga com o
CERNS
Finalmente, a tensão atingida com o corte de
carga
permanece
dentro
dos
limites
estabelecidos pelas normas, portanto o uso do
CERNS foi satisfatório.
RCT - Reator Controlado por Tiristor
Fig4-Sistema base considerado para estudo
Para análise, simulou-se a perda de
metade da carga do barramento da SE-SINOP
em duas situações distintas. Uma, onde o uso do
CERNS não é empregado e outra empregando o
equipamento de compensação. A seguir, tem-se
o perfil de tensão para a primeira
situação.
Com o desenvolvimento de dispositivos
semicondutores
controláveis
para
altas
potências, mais especificamente as válvulas de
tiristores, tornou-se possível obter virtualmente
o controle contínuo e independente da
susceptância em cada fase do compensador. Em
função dessa tecnologia resultaram, entre outros,
os Reatores Controlados por Tiristores (RCT). A
inserção dos elementos reativos só ocorre
quando os tiristores são disparados pelo sinal de
controle. No RCT o controle do disparo pode
variar continuamente na faixa de condução do
par tiristor-reator, isto é, para ângulos entre 90º
e 180º, relativos à onda de tensão. Durante o
bloqueio do tiristor a corrente é nula resultando
uma corrente descontínua no RCT, o que
introduz um significativo conteúdo harmônico,
que necessita ser filtrado. Quando o disparo do
tiristor está entre 0 ≤ α ≤ π/2 a tensão e a
corrente no tiristor pode ser escrita da seguinte
forma.
Fig5-Perfil de tensão fase-fase no barramento da SE-SINOP
para uma variação brusca e repentina da carga
Os valores das tensões nos intervalos I e II, ou
seja, na condição normal e de perda de carga são
respectivamente 235,1 kV (1,02pu) e 254,6kV
(1,10pu). A situação de carga leve viola os
limites de tensão estabelecidos pelos órgãos
regulamentadores, portanto a compensação se
faz necessária. Agora, verifica-se o perfil de
tensão utilizando da CERNS, representado pela
fig6. Percebe-se que o perfil de tensão não sofre
tanto com a perda repentina de carga, para
confirmar tal situação, mostram-se os valores de
É evidente que a magnitude da corrente
no reator pode variar continuamente controlando
o ângulo de disparo do tiristor entre o seu valor
máximo (α = 0) e zero (α = π/2). Assim, em
virtude do fato do reator ser controlado
continuamente, gera-se muitos harmônicos na
rede em virtude desse chaveamento, logo é
necessário a instalação de filtros harmônicos na
rede, para mitigar esse problema. Segue a
equação do comportamente da corrente
harmônica no RCT.
tensão nas fases, balanceando a tensão do
sistema.
4. Redução de Flicker
Variações rápidas da potência reativa do
sistema causam flutuações de tensões, o que
gera um incomodo aos olhos humanos. Assim, o
TCR atua mitigando esse efeito.
Aplicação:
Abaixo se tem um esquema de como é
feita a ligação entre a rede, os reatores e as
válvulas de tiristores.
A
B
C
L/2
L/2
L/2
L/2
Fig7: TCR a 6 Pulsos
Uma das principais funções do RCT é
para a compensação de flicker devido a fornos
elétricos a arco. Além dessa, pode aplicar para o
equilíbrio da potência, estabilização da tensão
nas barras da subestação, regularização da
potência reativa e amortecimento de oscilações
da potência ativa na linha.
É importante ressaltar que cada sistema
de potencia possui a sua própria necessidade
para a compensação. Para sistemas de alta
tensão, a compensação reativa pode ser o
principal objetivo, já para sistemas de baixa
tensão, os componentes harmônicos da rede e as
flutuações de tensão são as principais
aplicações.
Aplicações:
1. Redução de Harmônicos
As correntes harmônicas são geradas
basicamente por cargas não lineares. Essas
correntes levam as distorções na tensão da rede,
o que leva a danificar equipamentos e distorcer
processo que necessite de um alto controle da
tensão.
2. Aumento
da
capacidade
de
Transmissão
Os compensadores de reativos maximizam
a capacidade de transmissão do sistema,
aumentando assim a demanda de energia
transmitida sem fazer investimentos na rede de
transmissão.
3. Estabilização de Tensão
Cargas em linhas não transpostas criam
uma tensão desbalanceada, reduzindo a
eficiência do sistema. O TCR pode controlar a
Uma das principais aplicações da utilização
do TCR é para mitigar problemas de flutuação
de tensão devido a fornos elétricos a arco.
A estratégia para a mitigação da cintilação
luminosa causada por FEA baseia-se na
compensação de toda a corrente de seqüência
negativa e da parte imaginária da corrente de
seqüência positiva geradas pelo forno. As
susceptâncias de compensação desejadas são
obtidas da admitância da carga (FEA), a qual
pode ser encontrada a partir das correntes e
tensões de linha medidas.
Considerando que a compensação é
composta pelo conjunto reator controlado mais
filtros (considerando toda a compensação
capacitiva constituída por filtros), subtraindo da
susceptância do SVC a susceptância do filtro,
obtem-se as susceptâncias fase-fase exigidas
para o RCT.
Usando a relação entre o ângulo de
disparo α e a susceptância do, o valor adequado
de α pode ser calculado, e então repassado ao
circuito de disparo para efetivar a ação de
controle. O valor de α deve ser obtido de forma
iterativa, uma vez que não é possível estabelecer
uma expressão analítica que permita seu cálculo
diretamente.
Fig8: Diagrama em Blocos dos Circuitos de Controle do
SVC
Fig 9: Diagrama unifilar do estudo
Para o sistema não compensado o valor
indicado pelo flickermerter, no ponto de
acoplamento comum, é Pst(95%)=2,853.
Com o uso da compensação o Pst
calculado é reduzido para Pst(95%) = 1,652,
indicando uma redução de 42% do nível de
flicker em relação ao nível obtido com o sistema
não compensado.
Porém em sistemas com grande número
de cargas dinâmicas e com demandas variáveis
rápidas de potência reativa onde há operação das
cargas de grande porte, não-lineares, variáveis e
desequilibradas, o sistema de correção através
de bancos fixos não é eficiente.
Nestes sistemas, o alto número de
manobras diárias necessárias e as variações
dinâmicas
de
demanda
de
reativos
impossibilitam a utilização dos sistemas
convencionais, baseados em contatores e
resistores de pré-inserção, ficando as indústrias
sujeitas ao pagamento de altas multas por fator
de potência, mesmo com a instalação de bancos
de capacitores capazes de atender à máxima
demanda de reativos da planta.
Figura. 10. Detalhe da forma de onda da tensão (fase a –
neutro), no PAC. – Não Compensado
Fig12-Capacitor Controlado à Tiristor aplicado ao Sistema
elétrico de potência
Figura 11. Forma de onda da tensão e corrente da fase A,
no PAC. – Compensado
O modelo de forno a arco compensado
implementado mostrou–se adequado para a
simulação dos distúrbios causados por fornos
elétricos a arco em sistemas de potência, bem
como de seus efeitos sobre o ser humano
(flicker). O modelo é suficientemente flexível
para estudos do impacto de novas instalações de
fornos a arco sobre o sistema, permitindo
inclusive o dimensionamento (em nível de
estudos de planejamento) da compensação
necessária para mitigar o problema do flicker.
Capacitor Chaveado à Tiristor - CCT
A correção do fator de potência através
de bancos de capacitores fixos tem sido
amplamente utilizada em sistemas industriais.
Nestes sistemas, as variações de demanda por
compensação de reativos são, na maioria dos
casos, lentas, o que implica em um pequeno
número de manobras diárias dos bancos de
capacitores, tipicamente realizadas através de
contatores e resistores de pré-inserção.
Entre as vantagens deste sistema
podemos citar:
• Possibilidade de um grande número de
operações;
• Eliminação das correntes de inrush;
• Aumento da vida útil dos elementos do banco;
• Conexão rápida, sem a necessidade de atraso
para descarga dos capacitores;
• Eliminação dos resistores de pré-carga e
descarga do banco;
• Tempo de manobra máximo inferior a 1 ciclo;
• Menores custos de manutenção, embora com
maiores custos de implantação;
• Possibilidade de incorporação de funções de
monitoração e proteção do banco, como
proteção contra ressonância, detecção de falhas
em elementos do banco (capacitância fora da
faixa especificada); entre outros;
• Utilização plena dos bancos de capacitores,
maximizando os benefícios do investimento
realizado.
Podemos citar como principais
aplicações dos CCTs,
•fornos a arco,
• pontes retificadoras,
• conversores estáticos,
• sistemas de acionamento por chaveamento
Aplicação:
Nesta etapa visamos ressaltar os efeitos
causados pela utilização do compensador
estático (CE) 500/17,5 [kV], -250/250 [MVAr]
na subestação de Bom Jesus da Lapa II, na
interligação das regiões sudeste e nordeste. O
CE de Bom Jesus da Lapa II desempenha papel
de regulação de tensão bem como atua em casos
de rejeição de carga. No que se refere a
transitórios
eletromagnéticos,
podemos
representar o CE da referida subestação por um
modelo simplificado (transformador + capacitor
concentrado), ou por um modelo detalhado
(transformador + filtros + TCRs + TSCs +
sistema de controle e medição).
Figura 15: Modelo Detalhado do CE de Bom Jesus da Lapa
II (transformador + filtros + TCRs + TSCs + sistema de
medição e controle)
Utilizando o modelo detalhado do CE
foi possível realizar uma simulação com ajuda
do software ATP [1], autorizada pela empresa e
certificado pelos fabricantes como modelo
seguro de simulação de características de
equipamentos
frente
a
transitórios
eletromagnéticos.
Foi realizada a simulação de um curtocircuito, fase-terra (no caso, fase A) com
abertura da linha Bom Jesus da Lapa II –
Ibicoara 500[kV], com transfer trip para
Ibicoara e abertura da LT Ibicoara – Sapeaçu
500[kV] (vide Figura 2), visando avaliar as
características de compensação reativa e
variações de tensões transitórias.
Dos resultados (Gráficos 16 e 17)
observa-se uma oscilação significativa de
tensão, após a abertura da linha sob falta.
Figura 13: Modelo detalhado do CE da SE de Bom Jesus da
Lapa II
A escolha do modelo depende
unicamente da necessidade do estudo, podendo
ser aplicado o modelo simplificado para estudos
que não exijam características específicas do
comportamento do CE em relação a outros
sistemas. No estudo em questão a utilização do
modelo simplificado descarta a característica
dinâmica do CE (resposta rápida e mudança
para o modo de operação indutivo), o que faz
com que não haja absorção de reativos,
aumentando assim a tensão do sistema. É
possível observar a comparação dos modelos
nas figuras 14 e 15.
Figura 16: Variação de tensão transitória na SE Bom Jesus
da Lapa II - Valores RMS no barramento 500[kV].
FIgura 17: Potencia Reativa fornecida/absorvida
Figuras 14: Modelo Simplificado do CE de Bom Jesus da
Lapa II (Transformador + Capacitor concentrado).
Nomenclatura:
TCRs – Reatores controlados por tiristores;
TSCs – Capacitores comutados por tiristor
SE – Subestação;
CE – compensador estático.
LT – Linha de transmissão.
Conclusão
Como apresentado neste trabalho,
pode-se observar como a compensação estática
atua para mitigar problemas relativos a
qualidade da energia elétrica. Um dos problemas
analisados foram as flutuações de tensões
ocasionadas pelo forno elétrico a arco, que no
caso, são um dos principais causadores desse
efeito, onde o mesmo está instalado.
Além disso, tem-se que a melhor opção
para utilizar os compensadores estáticos, são
soluções onde todos os objetos de estudos são
utilizados em conjunto. Assim, os RCT, CCT e
filtros têm que atuar em conjunto para se ter a
melhor solução para o problema.
Portando, foi possível desenvolver um
trabalho que permitiu adquirir conhecimentos
relativos a um sistema muito eficaz de
condicionamento de energia elétrica, que são os
compensadores estáticos.
Referencias e bibliografia:
[1] Leuven EMTP Center, ATP - Alternative
Transient Program - Rule Book, Herverlee,
Belgium, July
1987.
[2] ANDESA Consultoria em Sistemas de
Energia Elétrica, “Modelagem do CE Bom Jesus
da Lapa para Simulação de Transitórios
Eletromagnéticos com o ATP”, Relatório
ANDESA - RT-05-05-06, Versão 02, Novembro
de 2006.
[3] ONS - Operador Nacional do Sistema
Elétrico,
“Estudo
de
Transitórios
Eletromagnéticos: Rejeição de Carga e
Manobras de Fechamento na Interligação
Sudeste/Nordeste”, RE ONS 3/102/2007,
Recife, PE, 2007.