QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA e FACTS
2.5 – CONFIGURAÇÃO BÁSICA DOS COMPONENTES DO D-STATCOM
Na sua configuração mais simples e básica, o D-STATCOM (Distribution Static Var
Compensator) é composto por quatro partes: inversor, transformador, capacitor do lado
de corrente contínua e um sistema de controle. Em outras palavras, este possui um inversor (VSI) associado a um circuito de controle, uma fonte de tensão CC (capacitor) e um transformador de acoplamento conectado em paralelo com o sistema CA, conforme mostrado na figura 2.5. Existem outras topologias utilizadas, porém o esquema de partes básicas e o funcionamento do D-STATCOM continuam o mesmo.
Barra de Distribuição
Circuito de
Controle Inversor(VSI)
Capacitor (Energia CC) Transformador de Acoplamento Carga Sensível Rede D-STATCOM
Figura 2.5 – Configuração básica do D-STATCOM
No D-STATCOM a fonte de tensão é controlada em amplitude e em fase através do circuito inversor. Para simular uma fonte de tensão CC, é colocado um capacitor (ou banco) no lado CC do inversor, o qual representa um sistema de armazenamento de energia. Já o transformador possui duas funções básicas: compatibilizar os níveis de impedância do compensador e do sistema CA e muitas vezes minimizar o conteúdo harmônico da tensão injetado pelo inversor (dependendo do arranjo adotado).
a) O inversor
O inversor é formado por um conjunto de chaves semicondutoras autocomutadas, como citado anteriormente, a evolução dos componentes de eletrônica de potência fez surgir chaves semicondutoras de potências elevadas, entre as mais modernas e atualmente utilizadas pode-se citar [13, 14, 15, 16]:
GTOs (Gate Turn Off Thyristors)
IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors)
HiGTs (High-Conductivity Insulated Gate Bipolar Transistors) IEGTs (Injection Enhancement Insulated Gate Bipolar Transistors) GCT (Gate Commuted Thyristors)
IGCTs (Integrated Gate Commuted Thyristors)
As chaves IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) possuem capacidades de tensão e corrente com níveis menores (quando comparadas às outras chaves citadas), em torno de 3,2kV de tensão de bloqueio e de 1,2kA de corrente de interrupção, e podem operar em freqüências da ordem de até 2kHz. Já os IGCTs (Integrated Gate Commuted
Thyristors) e GTOs (Gate Turn Off Thyristors) possuem capacidades de tensão e
corrente com níveis maiores, em torno de 6,6kV de tensão de bloqueio e de 3kA de corrente de interrupção, porém operam em freqüências menores, de até 1kHz, sendo que na maioria das vezes operam na freqüência da rede. Por sua vez os HiGTs (High-
Insulated Gate Bipolar Transistors) podem operar com níveis de potência ainda
maiores, com de tensão de bloqueio de 6,5kV e corrente de interrupção de 6kA.
Sua principal função é a geração de tensão alternada a partir da tensão de corrente contínua nos terminais do capacitor de seu lado CC.
De acordo com os arranjos dos inversores é possível a eliminação de algumas ordens harmônicas [4].
Como exemplo pode-se citar a topologia do inversor trifásico em ponte que trás consigo harmônicos na tensão fase-fase da ordem 6n ±1, onde n = número inteiro (1, 2, 3, … ,), sendo que, este design, por sua vez elimina harmônicos múltiplos de 3, existentes na tensão fase-neutro; possui também a vantagem utilizar apenas 6 chaves (duas chaves para cada fase) menos do que as outras topologias (inversores monofásicos).
Para o controle deste tipo de inversor podem-se utilizar as técnicas P.W.M. (Pulse
Width Modulation) caracterizadas pelo funcionamento em altas freqüências, podendo
chegar até a ordem de alguns kHz. Estas técnicas de controle também auxiliam na diminuição das distorções harmônica de tensão, já que harmônicos produzidos por estas técnicas estão em ordens mais altas e podem ser mais facilmente filtrados.
b) O capacitor
O capacitor do lado de corrente contínua no D-STATCOM funciona como uma forma de armazenamento interno de energia a qual fornece as condições necessárias para o funcionamento do inversor. É uma de fonte de tensão contínua que permite trocas entre o sistema elétrico e o D-STATCOM. Nas topologias mais freqüentes do D-STATCOM apenas um capacitor é conectado do lado CC de um ou de mais conversores, entretanto para se obter maiores níveis de tensão, os capacitores podem ser colocados em série ou em paralelo.
c) O transformador
Este, como citado anteriormente, possui duas funções principais. Primeiramente, é responsável pela ligação do D-STATCOM ao sistema CA, compatibilizando os níveis de impedância do compensador e o sistema, combinando os limites de tensões nos inversores, com a rede. Em segundo lugar, dependendo da formas de ligação, o transformador é capaz de eliminar algumas ordens harmônicas injetadas pelo inversor, reduzindo assim o conteúdo harmônico.
No compensador podem ser utilizados dois grupos de transformadores: Transformador de acoplamento,
O transformador de acoplamento possui ligações do tipo estrela-estrela ou estrela-delta e relações simples entre primário e secundário. Já os transformadores da estrutura magnética têm com função principal reduzir as ordens harmônicas geradas e podem ter relações com ligações mais complexas: zigue-zague.
Existe a possibilidade de se fazer transformadores que possuam ambas as funções, porém, este tipo de arranjo não é comum.
c) O circuito de controle
De uma maneira simplificada pode-se dizer que os componentes básicos do circuito de controle do D-STATCOM são: o controle de magnitude e o controle do ângulo de fase do vetor de tensão nos terminais trifásicos do inversor.
O controle da potência reativa está relacionado às amplitudes das tensões geradas no D-STATCOM e à tensão no capacitor do lado CC. Assim, um controle atuando sobre a tensão no capacitor CC faz o ajuste da potência reativa gerada pelo D-STATCOM, já o controle de potência ativa está relacionado ao ângulo de fase entre estas mesmas tensões.
Para completar o bloco de controle, é necessária uma lógica de disparo das chaves. Este bloco recebe o sinal de sincronismo e o sinal de controle de reativos, e a partir destes faz o acionamento das chaves dos inversores do D-STATCOM.
O sincronismo entre as tensões do sistema e as tensões geradas pelo conjunto inversor e transformadores é realizado por um oscilador bloqueado em fase, ou PLL (phase
locked loop).
O dispositivo D-STATCOM é conectado em paralelo a barra a ser controlada (ponto de acoplamento comum PAC), através de um transformador de acoplamento. Ele é capaz de injetar uma corrente elétrica no sistema sempre que o controle perceber uma variação no nível de tensão na barra e, portanto, realizar uma compensação.
A figura 2.6 abaixo nos permite observar a corrente (id) do D-STATCOM capaz de
compensar o nível de tensão na barra acoplada, através do ajuste da queda de tensão na impedância do sistema. O valor da corrente elétrica do equipamento (id) pode ser
jXs Vs Rs Vl Pl + jQl id is i l Circuito de
Controle Inversor(VSI)
Capacitor (Energia CC) Transformador de Acoplamento
Figura 2.6 – Conexão do D-STATCOM evidenciando as corrente envolvidas
O circuito de controle é baseado na teoria vetorial, sendo que no próximo capítulo estes elementos serão detalhados.