Os Dispositivos FACTS de Segunda Geração

Com o progresso da eletrônica de potência e com a necessidade de obter um sistema de transmissão de Corrente Alternada (CA) com alto nível de flexibilidade, Hingorani (1988) chefiando um grupo de trabalho que pesquisava o uso da eletrônica de potência em sistemas de energia elétrica, introduziu em 1988 o conceito da tecnologia FACTS (HINGORANI; GYUGYI, 1999; SONG; JOHNS, 1999; MATHUR; VARMA, 2002; ACHA et al., 2004). Atualmente com a instalação do mais versátil dispositivo FACTS, o CSC (UZUNOVIC et al., 2001; ARABI; HAMADANIZADEH; FARDANESH, 2002; SUN et al., 2004; SHPERLING; SUN; BHATTACHARYA, 2005), os controladores FACTS de segunda geração, como o Static Synchronous Series Compensator (SSSC), o Static

Synchronous Compensator(STATCOM), o Unified Power Flow Controller (UPFC), o Interline Power Flow Controller (IPFC) e o GUPFC, tomaram uma perspectiva mais realista, servindo de motivação para pesquisadores e engenheiros de sistemas elétricos de potência. O CSC instalado na substação de Marcy, em Nova York, fornece várias funções de regulação de tensão no barramento de instalação e controle dos fluxos de potência do sistema elétrico americano. Esse dispositivo é constituído por dois inversores (INV1 e INV2), dois transformadores de acoplamento série (TR-SE1 e TR-SE2) e um transformador shunt com dois enrolamentos secundários idênticos (TR-SH). Com o auxílio das chaves seccionadoras (CH1 a CH5) se permite a utilização dos dois inversores em várias configurações série e shunt, como é ilustrado na Figura 7.

Figura 7: Diagrama esquemático do CSC.

Fonte: Adaptada de Sun et al. (2004)

Dessa forma, o multicontrolador CSC apresentado na Figura 7 pode operar assumindo quatro configurações de dispositivos FACTS. Com as chaves CH1 a CH4 abertas e a chave CH5 fechada, por exemplo, o CSC assume a configuração de um independente SSSC, exercendo o controle sobre a linha de transmissão New Scotland. Com as chaves CH1, CH2, CH3 e CH5 abertas e com CH4 fechada, o dispositivo CSC assume a configuração de um SSSC, exercendo um controle independente sobre a linha de transmissão Coopers Corners. Com as chaves CH2 e CH3 abertas e com as chaves CH1, CH4 e CH5 fechadas, o multicontrolador CSC assume a configuração de um IPFC, atuando de forma simultânea sobre as duas linhas de transmissão que o dispositivo pode gerenciar. Com as chaves CH1, CH3, CH4 e CH5 abertas e CH2 fechada, o CSC atua como se fosse um STATCOM, exercendo o controle sobre a tensão do barramento da subestação. Essa

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mesma configuração é possível, porém com o dobro da potência, se as chaves CH1, CH2 e CH3 estiverem fechadas e as chaves CH4 e CH5 estiverem abertas. A atuação como UPFC pode ser obtida fechando-se as chaves CH1, CH2 e CH5 e abrindo as chaves CH3 e CH4. Nessa configuração, o UPFC exerce controle sobre a tensão do barramento comum de instalação do dispositivo e sobre os fluxos de potência ativa e reativa na linha New Scotland. Há ainda a possibilidade do CSC atuar como UPFC e controlar simultaneamente a tensão do barramento e os fluxos de potência ativa e reativa na linha de transmissão Coopers Corners. Há também a possibilidade de as chaves CH1, CH3 e CH4 estarem abertas e as chaves CH2 e CH5 estarem fechadas. Nesse caso, diz-se que o CSC está operando na configuração STATCOM & SSSC. A diferença dessa configuração para um UPFC, está no fato de não haver transferência de potência ativa entre os dois conversores e o sistema elétrico de potência. Considerando as quatro configurações de dispositivos FACTS e os diferentes níveis de potência que o CSC pode assumir, esse multicontrolador têm a possibilidade de operar em dez configurações diferentes, conforme apresentado em (ARABI; HAMADANIZADEH; FARDANESH, 2002). Para entender como cada dispositivo FACTS atua no sistema elétrico de potência, é apresentado a seguir uma breve revisão sobre os dispositivos de segunda geração.

Os dispositivos de segunda geração são baseados em Tiristores de Desligamento por Porta (GTOs) e Conversores Fonte de Tensão (VSCs). O GTO é semelhante a um Retificador Controlado de Silício (SCR) convencional, porém, além de ser ativado pela aplicação de um sinal positivo na porta e pela passagem da corrente por zero, o GTO pode ter a corrente interrompida quando um pulso de desligamento for aplicado na porta no sentido reverso. Uma segunda vantagem desse componente é sua qualidade melhorada de chaveamento, já que o tempo de ligação é similar ao do SCR, mas o de desligamento é muito menor, o que permite a utilização desses dispositivos em aplicação de alta velocidade. Já o VSC é um conversor que, a partir de uma fonte de Corrente Contínua (CC) e de um inversor, produz idealmente tensões trifásicas senoidais na frequência fundamental, com a amplitude e ângulo de fase controláveis (WATANABE et al., 1998; HINGORANI; GYUGYI, 1999).

3.2.1 O Dispositivo FACTS SSSC

O SSSC é um dos mais recentes dispositivos FACTS para a compensação série do sistema de transmissão de energia elétrica. Sua atuação consiste na inserção (por meio de um transformador de acoplamento) de uma fonte de tensão síncrona quase senoidal de amplitude e ângulo de fase controlável, em série com a linha de transmissão. A tensão injetada está praticamente em quadratura com a corrente da linha de transmissão. A pequena parcela que está em fase com a corrente da linha, corresponde as perdas no

inversor. Como a maior parte da tensão injetada está em quadratura com a corrente da linha, esta proporciona o efeito de inserir uma reatância indutiva ou capacitiva em série com a linha de transmissão em que o dispositivo está conectado. Essa reatância influencia no fluxo de potência da linha de transmissão. A teoria de operação do SSSC e seus fundamentos de controle são apresentados extensivamente em (HAQUE, 2006; CASTRO et al., 2007a; PUPIN, 2009).

3.2.2 O Dispositivo FACTS STATCOM

O STATCOM é um dispositivo conectado em derivação com a rede de transmissão de CA através de um transformador de acoplamento. Esse controlador gera ou absorve potência reativa através de um conversor fonte de tensão (VSC). No caso do STATCOM tem-se um capacitor atuando como uma fonte de CC e um conversor VSC, que gera tensões trifásicas de CA com a mesma frequência da rede. Através da variação da amplitude da tensão de saída, controla-se a troca de potência reativa entre o conversor e o sistema. Se a tensão gerada for maior que a tensão da rede, o conversor fornece potência reativa. Se a tensão gerada for menor que a tensão da rede, então potência reativa flui do sistema para o conversor. É importante observar que as fases das tensões geradas são controladas de modo a ter a mesma fase das tensões da rede, assegurando que apenas potência reativa seja trocada. Pode-se assim dizer que as principais atribuições do STATCOM são a de compensação de reativos e controle dinâmico da tensão do sistema elétrico de potência (NASSIF, 2004; HAQUE, 2006; PINA; ARAUJO, 2010).

3.2.3 O Dispositivo FACTS UPFC

O dispositivo UPFC envolve o conceito dos FACTS apresentados anteriormente, isto é, do SSSC e do STATCOM. Esse controlador possui dois conversores VSC ligados ao sistema de CA por meio de transformadores de acoplamento. Um desses conversores encontra-se em série com a linha de transmissão e realiza a função principal do UPFC, que é inserir uma tensão controlável em magnitude e ângulo de fase em série com a linha de transmissão que o dispositivo irá gerenciar. Dessa forma, de acordo com a diferença angular entre a tensão inserida e a corrente na linha de transmissão, esse controlador pode transferir potência ativa e também absorver ou injetar potência reativa no sistema de transmissão. Por outro lado, o conversor em derivação deve disponibilizar a potência ativa necessária para o conversor série injetar no sistema de transmissão. Isso é realizado através do link de corrente contínua que liga os dois conversores do dispositivo. Desconsiderando as perdas, toda a potência ativa fornecida pelo conversor shunt deve ser absorvida pelo conversor série e entregue a rede por meio do transformador de acoplamento. A potência reativa que é inserida no sistema é obtida pelo banco armazenador de energia instalado entre