D-STATCOM conectado.

Observa-se na figura 5.4(a) que após a entrada do compensador D-STATCOM em operação, no instante t=300 ms, a tensão no PAC se eleva para a tensão de referência pré-estabelecida (1 pu), desta forma melhorando o perfil de tensão em regime permanente, que estava em torno de 0,95 pu. A figura 5.4(b) mostra, em zoom, a rápida resposta do D-STATCOM quando de sua entrada em funcionamento, no instante t=300 ms, enquanto que a figura 5.4(c) mostra a eficiente e rápida resposta deste equipamento à inserção da carga indutiva no instante t=1,0 s, com restabelecimento da tensão em um intervalo de tempo de aproximadamente 25 ms, ou seja, em torno de 1,5 ciclos.

Figura 5.4(a) – Tensão em pu do barramento de distribuição com a presença do compensador D-STATCOM

Figura 5.4(b) – Zoom na tensão em pu do barramento de distribuição, no instante inicial de funcionamento D-STATCOM

Figura 5.4(c) – Zoom na tensão em pu do barramento de distribuição, no instante de entrada da carga indutiva, com a presença D-STATCOM

A figura 5.5(a) mostra as mesmas características citadas anteriormente através do sinal senoidal de tensão fase-terra “a” (va), enquanto que na figura 5.5(b) tem-se em zoom o sinal senoidal de tensão trifásico do barrramento de acoplamento: fase-terra “a” (va), fase-terra “b” (vb) e fase-terra “c” (vc), destaca-se o instante de início de funcionamento do compensador D-STATCOM, enquanto que na figura 5.5(c) observa-se a entrada da carga indutiva no instante t=1,0 s, ou seja, na ocorrência do afundamento de tensão.

Figura 5.5(a) – Tensão fase-terra “a” do barramento de distribuição durante o afundamento de tensão, com a presença do D-STACOM

Figura 5.5(b) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, evidenciando o instante inicial de funcionamento do compensador D-STATCOM

Figura 5.5(c) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, evidenciando o instante da entrada da carga indutiva, com a presença do compensador D-

STATCOM

Como citado anteriormente, o D-STATCOM realiza a manutenção do nível de tensão no barramento de acoplamento, ou seja, no PAC, através da troca de potência reativa com o sistema elétrico de distribuição. Assim, no caso do efeito afundamento de tensão, o compensador é capaz de fornecer ao sistema elétrico potência reativa, eliminando o distúrbio causador do afundamento tensão no PAC.

Observa-se na figura 5.6 que o compensador D-STATCOM fornece potência reativa ao sistema elétrico. De acordo com a citação do capitulo IV, sempre que a potência reativa apresenta sinal positivo significa que o compensador está entregando potência reativa ao sistema elétrico. Logo, no inicio de seu funcionamento, no instante t=300 ms, o compensador fornece potência reativa, em torno de 10MVAr, pois a tensão no PAC era de 0,97 pu. Este valor refere-se à potência reativa necessária à planta industrial para a regulação de sua tensão em 1 pu.

Figura 5.6 – Potência reativa fornecida pelo D-STATCOM

No instante t=1,0 s, ou seja, no momento de entrada da carga indutiva causadora do afundamento de tensão, um adicional de 30 MVAr é fornecido pelo compensador, totalizando aproximadamente 40MVAr de potência reativa fornecida ao sistema elétrico pelo compensador D-STATCOM.

Analisando-se a potência ativa, figura 5.7(a), nota-se que, com a entrada do compensador D-STATCOM e com a entrada da carga indutiva, houve uma oscilação no sinal desta potência. O compensador, logo após os instantes t=300 ms e t=1,0 s, fornece e recebe potência ativa do sistema (potência ativa negativa implica D- STATCOM alimentando o sistema e positiva recebendo). Isto ocorre devido às oscilações que também ocorrem no sinal de potência reativa, já que nestes intervalos é função do compensador fornecer maior ou menor quantidade de reativos, conforme a necessidade do sistema elétrico. Esta característica pode ser observada na figura 5.7(b) onde se encontram os dois sinais de potência. Vale lembrar que o D-STATCOM consome potência ativa para recarregar o capacitor (durante o efeito afundamento de tensão isto fica evidenciado). Já que quando se torna necessário ao compensador

fornecer potência ativa ao sistema, este o faz através do capacitor. Isto porque o D- STATCOM não possui capacidade própria de geração de potência ativa.

Figura 5.7(a) – Potência ativa absorvida/fornecida pelo D-STATCOM

Figura 5.7(b) – Fluxo de potência ativa e reativa do D-STATCOM

Para que o D-STATCOM realize a operação de compensador de reativos no surgimento do efeito afundamento de tensão, o controlador faz com que a tensão de saída do inversor seja maior que a tensão do sistema CA, ainda em fase. Assim, o D- STATCOM fornece reativos ao sistema CA, e, como citado anteriormente, esta característica é chamada de modo capacitivo. Neste caso, corrente que circula pelo D-

STATCOM está 90° adiantada com relação à queda de tensão sobre a reatância indutiva de acoplamento. Isto pode ser observado nas figuras 5.8 (a) e (b) onde a corrente na fase “a” pelo compensador se encontra adiantada em relação à tensão da fase “a” do compensador. Na figura 5.8(a) tem-se, em zoom, a corrente da fase “a” pelo compensador e a tensão da fase “a” do barramento, no inicio de funcionamento do compensador. Esta possui um valor eficaz de aproximadamente de 1,4 kA, como já citado para elevar o nível de tensão inicial do barramento de 0,97 pu para 1 pu. Com relação à figura 5.8(b), o valor de corrente eficaz fase “a” aumenta para 5,5 kA uma vez que a potência reativa fornecida pelo compensador sofre um degrau de 30MVAr provocado pela compensação necessária ao distúrbio afundamento de tensão.

Figura 5.8(b) – Corrente pelo D-STATCOM no afundamento de tensão

A figura 5.9(a) ilustra o comportamento da tensão CC do capacitor. Como pode ser observado, em zoom, na figura 5.9(b) que no instante t = 300 ms quando o compensador entra em operação, ocorre um decréscimo na tensão do capacitor atingindo 0,96 pu, sendo que, na seqüência volta para o valor de referência (1 pu), já na figura 5.9(c) observa-se que no instante do afundamento de tensão, a tensão cai mais um pouco, atingindo 0,93 pu, devido à descarga do capacitor, pois o equipamento fornece potência ativa para o sistema conforme mencionado.

Figura 5.9(b) – Zoom da tensão CC do capacitor durante a entrada em funcionamento do D-STATCOM

Figura 5.9(c) – Zoom da tensão CC do capacitor durante o afundamento de tensão

5.3.2 – Análise da Elevação Instantânea de Tensão (Voltage Swell)

Nesta etapa do trabalho, o distúrbio analisado corresponde a uma elevação instantânea de tensão (Elevação de Tensão) de 31%. Este Swell é conseguido através da conexão no PAC, ou seja, na barra de distribuição, de uma carga capacitiva Q=30MVAr, tensão V=4,16KV e freqüência f=60Hz. A carga é conectada na planta industrial no instante 1,0 segundo.

A figura 5.10 destaca esta ocorrência. Além destas considerações, é importante ressaltar que, como a análise mais importante aqui é a elevação de tensão, nas simulações a seguir a planta industrial foi alterada com a entrada de uma outra carga com caráter capacitivo, para que a no PAC (regime permanente) fique mais próximo de 1 pu. Esta carga chamada de industrial 2 tem as características discriminadas na tabela abaixo.

Tabela 5.7 – Dados da carga industrial 2

Carga Potência Aparente ( MVA) Fator de Potência Freqüência nominal (Hz) Tensão nominal (kV) Carga Industrial 2 Caráter Capacitivo 15 0,80 60 4,16

Como citado anteriormente nas outras simulações o compensador D-STATCOM é inserido no sistema no instante t=300 ms.

BARRA DE DISTIBUIÇÃO (PAC) CARGA INDUSTRIAIS 1 e 2 CONCESSIONÁRIA TRAFO STATCOM TRAFODE ACOPLAMENTO CARGA CAPACITIVA t = 1,0 s t = 0,3 s

Caso 03: D-STATCOM não conectado.

Observa-se na figura 5.11(a) que a tensão do barramento de distribuição, sem a presença do D-STATCOM, em regime permanente é de 0,99 pu. Este valor deve-se às cargas industriais resistivas e capacitivas da planta industrial, o valor é destacado no instante t=0,56605 s. No instante de 1,0 s, momento da entrada da carga capacitiva, a tensão do barramento de distribuição eleva-se, atingindo o valor de 1,3118 pu, caracterizando o efeito elevação de tensão [2] de 31,18%, valor destacado no instante t=1,549 s. A figura 5.11(b) mostra estas mesmas características citadas anteriormente através do sinal senoidal de tensão fase-terra “a” (va), enquanto que na figura 5.11(c) tem-se, em zoom, o sinal senoidal de tensão trifásico do barrramento de acoplamento: fase-terra “a” (va), fase-terra “b” (vb) e fase-terra “c” (vc).

Figura 5.11(a) – Tensão em pu no barramento de distribuição apresentando a elevação de tensão, sem a presença do D-STATCOM

Figura 5.11(b) – Tensão fase-terra “a” do barramento de distribuição durante a elevação de tensão, sem a presença do D-STACOM

Figura 5.11(c) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, no instante de entrada da carga capacitiva, sem a presença do compensador D-STATCOM

Caso 04: D-STATCOM conectado.

Observa-se na figura 5.12(a) que após a entrada do compensador D-STATCOM em operação, no instante t=300 ms, a tensão no PAC sofre uma pequena variação, devido à energização do equipamento sendo que esta queda é justificada pela oscilação natural do sistema devido à entrada do dispositivo de compensação e rapidamente se mantém no valor de referência pré-estabelecido (1 pu). A figura 5.12(b) mostra a eficiência do equipamento através de uma comparação do nível de tensão no PAC sem o compensador e com a presença do D-STATCOM acoplado. Já a figura 5.12(c) mostra,

no instante t=1,0 s. O restabelecimento ocorre em um intervalo de tempo de aproximadamente 25 ms, ou seja, em torno de 1,5 ciclos, sendo este tempo de resposta idêntico àquele obtido na análise do afundamento de tensão.

Figura 5.12(a) – Tensão em pu do barramento de distribuição com a presença do compensador D-STATCOM

Figura 5.12(b) – Tensão no PAC com e sem o compensador D-STATCOM

A figura 5.13(a) mostra as mesmas características citadas anteriormente através do sinal senoidal de tensão fase-terra “a” (va). Observa-se que ocorrem dois transientes oscilatórios: o primeiro na energização do equipamento no instante t=300ms e o segundo no chaveamento da carga capacitiva para efeito de simulação do distúrbio elevação de tensão. Na figura 5.13(b) tem-se, em zoom, o sinal senoidal de tensão trifásico do barrramento de acoplamento: fase-terra “a” (va), fase-terra “b” (vb) e fase- terra “c” (vc), destaca-se a entrada carga indutiva no instante t=1,0 s, ou seja, na ocorrência do distúrbio.

Figura 5.13(a) – Tensão fase-terra “a” do barramento de distribuição durante a elevação de tensão, com a presença do D-STACOM

Figura 5.13(b) – Zoom da tensão senoidal trifásica no PAC, no instante de entrada da carga capacitiva, com a presença do compensador D-STATCOM

Como citado anteriormente, o D-STATCOM realiza a manutenção do nível de tensão no barramento de acoplamento, ou seja, no PAC através da troca de potência reativa com o sistema elétrico de distribuição. No caso do efeito elevação de tensão, o compensador é capaz de absorver do sistema elétrico potência reativa, eliminando o distúrbio causador da elevação de tensão no PAC.

Observa-se na figura 5.14 que o compensador D-STATCOM absorve potência reativa do sistema elétrico durante o distúrbio. De acordo com a citação do capítulo IV, sempre que a potência reativa apresenta sinal negativo, significa que o compensador está absorvendo potência reativa do sistema elétrico. Logo no inicio de seu funcionamento, após a estabilização de sinal de seu controle, o compensador fornece potência reativa (sinal positivo), em torno de 1,0 MVAr, pois a tensão no PAC era de 0,99 pu. Este valor de potência reativa fornecida inicialmente refere-se aquela necessária à planta industrial para a regulação de sua tensão em 1,0 pu. No instante t=1,0 s, ou seja, no momento de entrada da carga indutiva causadora da elevação de tensão, o D-STATCOM passa a absorver potência reativa em torno de 30 MVAr, esta potência reativa absorvida refere-se à carga capacitiva introduzida na planta industrial causadora do distúrbio.

Na análise da potência ativa, figura 5.15(a) nota-se que, com a entrada do compensador D-STATCOM e com a entrada da carga capacitiva, houve uma oscilação no sinal de potência ativa. O compensador, nos instantes t=300 ms e t=1,0 s, fornece e recebe potência ativa do sistema (potência ativa negativa implica D-STATCOM alimentando o sistema e positiva recebendo). Isto ocorre devido às oscilações que também ocorrem no sinal de potência reativa, já que neste intervalo é função do compensador fornecer maior ou menor quantidade de reativos conforme necessita o sistema elétrico. Esta característica pode ser observada na figura 5.15(b) onde se encontram os dois sinais de potência. Vale lembrar que o D-STATCOM consome menor quantidade de potência ativa durante o efeito elevação de tensão, para recarregar o capacitor, se comparada com a quantidade de potência ativa consumida durante o afundamento de tensão, pois na elevação de tensão o D-STATCOM absorve potência reativa e durante o afundamento instantâneo de tensão (citado anteriormente) o compensador fornece potência. Deve-se sempre destacar a ausência de capacidade própria de geração de potência ativa do equipamento.

Figura 5.15(b) – Fluxo de potência ativa e reativa do D-STATCOM

Para que o D-STATCOM realize a operação de compensador de reativos, no inicio de seu funcionamento, instante t=300ms, o compensador fornece pequena quantidade de reativos para que o nível de tensão do barramento suba de 0,99 pu para 1,0 pu. Da mesma forma anterior o controlador faz com que a tensão de saída do inversor seja maior que a tensão do sistema CA, ainda em fase, o D-STATCOM fornece reativos ao sistema CA. A corrente que circula pelo D-STATCOM está 90° adiantada com relação à queda de tensão sobre a reatância indutiva de acoplamento, caracterizando a operação do D-STATCOM fornecendo potência reativa. Isto pode ser observado na figura 5.16 onde a corrente na fase “a” pelo compensador encontra-se adiantada em relação à tensão da fase “a”. Nesta tem-se em zoom a corrente fase “a” do compensador e a tensão fase “a” do barramento, a corrente apresenta um valor eficaz de aproximadamente de 400 A.

Figura 5.16 – Corrente pelo D-STATCOM no início de seu funcionamento, fornecendo reativos

Para que o D-STATCOM realize a operação de compensador de reativos no surgimento do efeito elevação de tensão, o controlador faz com que a tensão de saída do inversor seja menor que a tensão do sistema CA, ainda em fase, o D-STATCOM absorve reativos do sistema CA, e, como citado anteriormente, esta característica é chamada de modo indutivo. A corrente que circula pelo D-STATCOM está 90° atrasada com relação à queda de tensão sobre a reatância indutiva de acoplamento, caracterizando a operação do D-STATCOM absorvendo potência reativa. Isto pode ser observado na figura 5.17 abaixo, onde a corrente na fase “a” pelo compensador se encontra atrasada em relação à tensão da fase “a” do compensador. Nesta tem-se em zoom a corrente fase “a” do compensador e a tensão fase “a” do barramento, seu valor eficaz aumenta para 3,7 kA uma vez que a potência reativa absorvida pelo compensador é de 30MVAr responsável pelo distúrbio elevação de tensão.

Figura 5.17 – Corrente pelo D-STATCOM durante a elevação de tensão, absorvendo reativos

A figura 5.18(a) ilustra o comportamento da tensão CC do capacitor. Como pode ser observado, em zoom, na figura 5.18(b) que no instante t = 300 ms, quando o compensador entra em operação, ocorre um decréscimo na tensão do capacitor atingindo 0,975 pu. Esta queda é justificada pela oscilação natural do sistema devido à entrada do dispositivo de compensação e também pelo fornecimento de reativos, sendo que, em seguida, esta tensão volta para o valor de referência (1 pu). Já na figura 5.18(c) observa-se que no instante da elevação de tensão, a tensão cai um pouco menos, atingindo 0,978 pu, devido à descarga do capacitor, pois o equipamento fornece potência ativa para o sistema, potência esta devido à oscilação de potência reativa, conforme mencionado anteriormente.

Figura 5.18(b) – Zoom da tensão CC do capacitor durante a entrada em funcionamento do D-STATCOM

Figura 5.18(c) – Zoom da tensão CC do capacitor durante o Swell

5.3.3 – Análise da Interrupção

O distúrbio analisado nesta simulação corresponde a uma interrupção instantânea com duração de 250 ms, desta forma dentro de suas características apontadas em [2]. O efeito é aplicado ao circuito através de uma chave seccionadora trifásica situada entre o sistema de alimentação ou concessionária e o transformador de distribuição, caso mais comum de interrupção [2]. As medidas realizadas ocorrem na barra de

distribuição do sistema onde está conectado o D-STATCOM, como indicado pela figura 5.19. BARRA DE DISTIBUIÇÃO (PAC) CARGA INDUSTRIAL 3 CONCESSIONÁRIA TRAFO STATCOM TRAFODE ACOPLAMENTO t = 1,0 s CHAVE SECCIONADORA t = 0,3 s Figura 5.19 – Diagrama unifilar do sistema simulado com interrupção através da chave

seccionadora

Como citado anteriormente, nesta etapa do trabalho, o distúrbio analisado corresponde a uma interrupção instantânea de tensão. A interrupção inicia-se no instante t=1,00 s e encerra-se no instante t=1,25 s, ou seja, com duração de 250 ms. Outro fato importante e relevante nas análises que se segue é que o D-STATCOM é inserido no sistema no instante t= 300 ms. Além destas considerações, é importante ressaltar que o como a estudo mais importante aqui é a interrupção, nas simulações a seguir a planta industrial fica alterada sendo constituída por uma carga chamada industrial 3 com suas características descriminadas na tabela 5.8 abaixo.

Tabela 5.8 – Dados da carga industrial 3 Carga Potência Aparente ( MVA) Fator de Potência Freqüência nominal (Hz) Tensão nominal (kV) Carga Industrial 3 Caráter Indutivo 5 0,90 60 4,16

Caso 05: D-STATCOM não conectado.

Observa-se na figura 5.20(a) que a tensão do barramento de distribuição, sem a presença do D-STATCOM, em regime permanente é de 0,99 pu, este valor deve-se a carga industrial indutiva representante da planta industrial, o valor é destacado no instante t=0,5677 s. No instante de 1,0 s, momento da interrupção, a tensão do barramento de distribuição cai, atingindo o valor de zero caracterizando o efeito de interrupção [2]. A figura 5.20(b) mostra estas características citadas anteriormente através do sinal senoidal de tensão fase-terra “a” (va) enquanto que na figura 5.20(c) temos um zoom no sinal senoidal de tensão trifásico do barrramento de acoplamento: fase-terra “a” (va), fase-terra “b” (vb) e fase-terra “c” (vc).

Figura 5.20(a) – Tensão em pu no barramento de distribuição apresentando a Interrupção, sem a presença do D-STATCOM

Figura 5.20(b) – Tensão fase-terra “a” do barramento de distribuição durante a interrupção, sem a presença do D-STACOM

Figura 5.20(c) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, durante a interrupção, sem a presença do compensador D-STATCOM

Caso 06: D-STATCOM conectado.

Observa-se na figura 5.21(a), onde temos uma comparação da tensão no ponto de acoplamento, sem e com a presença do D-STATCOM, que após a entrada em operação deste compensador, no instante t=300 ms, a tensão no PAC sofre uma pequena variação (queda), devido a sua desenergização, e rapidamente retorna ao no valor de referência pré-estabelecido (1 pu). Da mesma forma, este equipamento responde após o instante inicial de interrupção, instante t=1,0 s, e na situação de retomada de fornecimento de energia ao sistema de distribuição, instante t=1,25 s.

D-STATCOM, conforme pode ser observado através das oscilações transitórias. A figura 5.21(b) mostra, em zoom, esta rápida resposta do D-STATCOM quando de sua entrada em funcionamento, no instante t=300 ms, enquanto que a figura 5.21(c) mostra, em zoom, a eficiente e rápida resposta do equipamento após o início do distúrbio, instante t=1,0 s. Já a figura 5.21(d) mostra, também em zoom, a retomada da tensão no barramento de acoplamento, instante t=1,25 s. Estas respostas do D- STATCOM, com o restabelecimento do nível de tensão no PAC, ocorrem em intervalos de tempo não superiores a 25 ms, ou seja, em torno de 1,5 ciclos, sendo que a tensão nem sequer atinge valores inferiores a 0,95 pu.

Figura 5.21(a) – Tensão em pu do barramento de distribuição sem e com a presença do compensador D-STATCOM

Figura 5.21(c) – Zoom na tensão em pu do barramento de distribuição, no instante inicial da interrupção, com a presença do D-STATCOM

Figura 5.21(d) – Zoom na tensão em pu do barramento de distribuição, no instante final da interrupção, com a presença do D-STATCOM

A figura 5.22(a) mostra as mesmas características citadas anteriormente através do sinal senoidal de tensão fase-terra “a” (va), enquanto que na figura 5.22(b) temos um zoom no sinal senoidal de tensão trifásico do barrramento de acoplamento: fase-terra “a” (va), fase-terra “b” (vb) e fase-terra “c” (vc), destacando o instante inicial da interrupção, instante t=1,0 s, enquanto que na figura 5.22(c) observa-se a retomada de tensão no PAC, instante t=1,25 s marco final do distúrbio.

Figura 5.22(a) – Tensão fase-terra “a” do barramento de distribuição durante a interrupção, com a presença do D-STACOM

Figura 5.22(b) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, no instante inicial da interrupção, com a presença do compensador D-STATCOM

Figura 5.22(c) – Zoom na tensão senoidal trifásica no PAC, no instante final da interrupção, com a presença do compensador D-STATCOM

Como citado anteriormente, o D-STATCOM realiza a manutenção do nível de tensão no barramento de acoplamento, ou seja, no PAC, através de troca de potência com o sistema elétrico de distribuição; no caso do efeito de Interrupção, o compensador é capaz de fornecer potência ativa ao sistema, compensando desta forma, o distúrbio causador do afundamento total de tensão no PAC.

Observam-se, na figura 5.23(a), os fluxos de potência ativa e reativa entre o equipamento e o sistema elétrico. Através da figura 5.23(b), constata-se que o compensador D-STATCOM opera inicialmente consumindo potência ativa do sistema