Sistemas de transmissão em VSC-HVDC

As topologias de conversão dos sistemas de transmissão VSC-HVDC são diferentes das utilizadas nos sistemas LCC-HVDC uma vez que, tal como o nome indica, realizam uma conversão de tensão e não de corrente. Estes conversores operam a níveis de frequência bastante elevados, podendo utilizar técnicas de modulação PWM. Desta forma, não é possível que a operação possa ser realizada utilizando os tirístores clássicos, devido às limitações na rapidez de comutação intrínsecas ao seu modo de funcionamento. Com o intuito de minimizar os efeitos da lentidão de comutação, seria necessária a instalação de indutâncias de valor elevado em série, as quais iriam permitir a geração de uma grande quantidade de potência reactiva e consequentemente custos adicionais adstritos à sua compensação. Assim sendo, os sistemas de conversão VSC-HVDC utilizam semicondutores de alta tensão e alta potência totalmente controlados que podem ser baseados na tecnologia transístor ou tirístor, tal como mostra a Tabela 2.2 [10, 14].

Tabela 2.2 – Resumo dos semicondutores de alta potência totalmente controlados (adaptado de [14]).

Acrónimo Tipo Nome completo

IGBT Transístor Insulated Gate Bipolar Transistor

IEGT Transístor Injection Enhanced Gate Transistor

GTO Tirístor Gate Turn-off Thyristor

IGCT Tirístor Integrated gate Commuted Thyristor

GCT Tirístor Gate Commutated Turn-off Thyristor

A capacidade de operar a frequências de valor bastante mais elevado que a frequência da linha consiste numa das grandes vantagens deste tipo de conversão, na medida em que possibilita, entre outros aspectos, a melhoria significativa da qualidade das formas de onda da tensão e corrente. Contudo a esta característica estão igualmente associadas algumas desvantagens verificadas principalmente nos conversores VSC de dois níveis, tais como a necessidade de utilização de transformadores com elevados níveis de isolamento devido à

elevada taxa de variação das tensões 𝑑𝑣/𝑑𝑡, a existência de elevadas perdas de comutação e a formação de significativas interferências electromagnéticas [10, 14].

Uma outra das grandes vantagens deste tipo de transmissão, resultante dos níveis de frequência a que opera, reside na capacidade de obtenção de uma tensão CA com amplitude e ângulo de fase dentro de certos limites. Esta capacidade permite o controlo das potências activas e reactivas de forma independente, conferindo capacidades ao sistema de operar nos quatro quadrantes do plano de potências PQ de uma forma bastante rápida e precisa em termos de nível de potência e direcção. Nos diagramas da Figura 2.43 encontra-se esquematizada a diferença no fluxo do trânsito de potência entre os dois tipos de sistemas HVDC [10, 14].

Figura 2.43 – Representação do fluxo do trânsito de potências num sistemas de conversão LCC-HVDC (em cima) e VSC-HVDC (em baixo) (Adaptado de [14]).

Esta capacidade atinge uma enorme utilidade quando aplicada à geração de energia eléctrica através de turbinas eólicas offshore, uma vez que torna possível, por um lado, gerar potência reactiva nas estações offshore com o objectivo de alimentar as turbinas eólicas e controlar a potência activa a transmitir ao sistema pela rede CC, e, por outro, actuar nas potências activa e reactiva nas estações conversoras CC/CA em terra, de forma a controlar a tensão e a frequência nas redes CA [10].

A capacidade de operação nos quatro quadrantes de potência permite a ligação do sistema de transmissão a redes frágeis, o que pode corresponder a uma solução para os efeitos da variação verificada na potência gerada pelos parques eólicos quando se encontram ligados a redes CA fracas. Esta capacidade permite que as estações conversoras funcionem como uma STATCOM, em caso de necessidade de estabilização da rede, permitindo manter a estabilidade da tensão e da potência activa disponibilizada, através da variação do trânsito de potência reactiva. Desta forma, os sistemas de compensação de potência reactiva, quer sejam

bancos de condensadores ou STATCOM, e a maioria dos filtros CA e CC utilizados nos sistemas LCC-HVDC, são dispensados nas estações conversoras devido a esta tecnologia [10].

Considerando o parque eólico com o sistema de transporte de tecnologia VSC-HVDC da Figura 2.44, este é composto por uma quantidade substancialmente menor de equipamentos que os clássicos sistemas de HVDC. A diminuição da quantidade de equipamentos reduz consideravelmente a dimensão das estações conversoras, o que poderá corresponder a uma enorme vantagem em termos de custo quando se trata de estações conversoras offshore [10].

Figura 2.44 - Configuração de um parque eólico offshore utilizando um sistema de transmissão VSC- HVDC (extraído de [6]).

Quanto aos equipamentos constituintes dos sistemas VSC-HVDC, para além dos transformadores conversores utilizados normalmente no transporte em alta tensão, dos cabos e sistemas de comando e protecção específicos para o transporte em HVDC, estes sistemas dispõem de modernas estações conversoras. Uma outra vantagem desta tecnologia está na capacidade de ser utilizada para sistemas multiterminais, desde que a polaridade do sistema CC seja igual em ambos os lados da linha. Para além das vantagens referidas, este sistema não necessita de um cabo de sinal entre as duas estações conversoras, para garantir o sincronismo [10].

As aplicações de transmissão para sistemas VSC-HVDC são imensas. À partida, esta tecnologia de sistemas de transmissão em HVDC pode ser aplicada na generalidade dos casos de aplicação de sistemas de transmissão em LCC-HVDC. As excepções são os casos de linhas de transmissão de potência e tensão superiores às possíveis de alcançar com IGBT. Todavia, são também adequados a um número considerável de outras aplicações. Uma dessas é a transmissão de pequena escala através de linhas aéreas, quer de alimentação a pequenas cargas isoladas localizadas remotamente, quer na transmissão de energia a partir de geração remota de pequenos centros produtores. Outra aplicação é a transmissão de maior escala através de cabos enterrados, por exemplo, de centros urbanos densamente povoados ou onde o custos financeiros ou culturais impedem a opção de transmissão aérea. Uma aplicação onde esta tecnologia se destaca é a transmissão de energia através de cabos submersos, tanto com o objectivo de alimentar ilhas ou transmitir energia entre pois pontos costeiros, como com o

objectivo de transmitir a energia gerada por parques eólicos offshore. Por último, há que referir a aplicação cada vez mais estudada dos sistemas de transmissão multiterminais, como é exemplo o diagrama da Figura 2.45. Nestes sistemas, ao invés de uma linha longitudinal existe uma linha que funciona como um barramento e que interliga todas as estações conversoras [14].

Figura 2.45 – Sistema de transmissão HVDC de quatro terminais, baseado na tecnologia VSC PWM para turbinas eólicas e parques eólicos (extraído de [14]).