TEORIA DOS DISPOSITIVOS FACTS

Aumentar a eficiência, a confiabilidade e qualidade do fornecimento de energia, são pressupostos que tornam as interligações entre subsistemas regionais, nacionais e até mesmo internacionais cada vez mais comuns e necessárias (HINGORANI; GYUGYI, 1999). Por outro lado, SEPs interligados operam com equipamentos de diferentes características dinâmicas, tornando sua operação e análise uma tarefa cada vez mais complexa. A máxima utilização desses SEPs é afetada por alguns fatores, dentre eles as oscilações eletromecânicas entre áreas com grandes fluxos de potência.

Nas últimas décadas foi observado um aumento crescente na demanda de energia elétrica nos países emergentes, entre eles o Brasil. Em princípio a construção de novas usinas e linhas de transmissão resolveria o problema de atendimento. Porém, além de ser uma medida de custo mais elevado, existe uma série de restrições de ordem legal que dificulta e atrasa a concretização de novos empreendimentos neste setor. Isso exige a busca de novas alternativas de implementação mais rápidas e adequadas à filosofia de utilização mais racional da infraestrutura já existente, e também, que os SEPs operem cada vez mais próximos de seus limites.

Essas dificuldades ganham espaço nas pesquisas de estudiosos da área de sistemas elétricos de potência, em cujos trabalhos foram desenvolvidas novas propostas para flexibilização do sistema de transmissão e aumento da geração de energia elétrica. Em Hingorani (1988) o uso da tecnologia FACTS em sistemas elétricos de potência é sugerido

como uma ferramenta de grande potencial de aplicação nos atuais desafios do setor elétrico.

FACTS são dispositivos baseados na eletrônica de potência e constituem-se de chaves eletrônicas para altos níveis de tensão e com pequeno tempo de chaveamento quando comparado às oscilações eletromecânicas (PASERBA, 2003).

Os dispositivos FACTS podem otimizar a capacidade de transmissão das redes já existentes e contribuem para a estabilidade do sistema elétrico interligado por meio do controle de algumas grandezas elétricas como tensão, ângulo, impedância e corrente (SONG; JOHNS, 1999; HINGORANI; GYUGYI, 1999). Além disso, os FACTS são reconhecidos como uma alternativa eficiente para prover amortecimento às oscilações eletromecânicas de baixa frequência principalmente quando junto à malha de controle do dispositivo é instalado um controlador POD (Power Oscillation Damping) (NOROOZIAN; ANDERSSON, 1994; WANG; SWIFT, 1998; CASTRO, 2005; FURINI; ARAUJO, 2008; FORTES et al., 2015; MIOTTO et al., 2018).

As diferentes configurações existentes para os dispositivos FACTS podem ser classificadas de acordo com sua inserção no sistema elétrico de potência. Essas configurações dividem-se em quatro grupos: Controladores Série, Controladores Shunt, Controladores Combinados Série - Série e Controladores Combinados Série – Shunt (WATANABE et al., 1998). Esses dispositivos também estão divididos em duas gerações segundo a evolução tecnológica das chaves semicondutoras empregadas na sua construção. Assim, a primeira geração de dispositivos FACTS emprega tiristores convencionais, que apesar de muito confiáveis devido a sua longa história de utilização tem sua capacidade de controle limitada apenas ao processo de disparo das chaves.

A segunda geração de dispositivos FACTS utiliza chaves semicondutoras autocomutadas de alta potência, tais como GTO (Gate Turn-Off) e IGBT (Insulated Gate

Bipolar Transistor) que permitem o projeto de conversores tipo fonte de tensão (VSC). Outra

vantagem desses componentes é sua qualidade melhorada de chaveamento, o que possibilita a sua utilização em aplicações de alta frequência. Com relação aos conversores VSCs, esses permitem a partir de uma fonte de corrente contínua (CC) e de um inversor, a geração de tensões síncronas trifásicas senoidais na frequência fundamental, com magnitude e ângulo de fase controláveis, sem a necessidade de bancos de capacitores ou reatores, imprescindíveis num compensador estático convencional.

Os Controladores Série, basicamente, atuam alterando a reatância série efetiva da linha de transmissão e assim efetuam o controle do fluxo de potência. O TCSC atua pelo chaveamento de um banco de capacitores por meio de tiristores, enquanto que o SSSC,

pertencente à segunda geração, altera a impedância da linha de transmissão pela injeção de uma tensão série em quadratura com a corrente da linha. A magnitude desta tensão série influência diretamente a reatância série efetiva da linha de transmissão e consequentemente o fluxo de potência na linha (SONG; JOHNS, 1999; WATANABE, et al., 1998). Esta tensão série é injetada por um transformador que faz o acoplamento entre uma fonte de tensão síncrona quase senoidal de amplitude e ângulo de fase controlável e a linha de transmissão a ser compensada.

Os Controladores Shunt, por sua vez, têm sua atuação baseada na injeção ou absorção de potência reativa à barra a qual está conectado por meio de banco de capacitores ou indutores variáveis, e geralmente são usados para o controle da tensão dessa barra. No caso do dispositivo SVC (Static Var Compensator) o controle é feito por meio de tiristores. Já o STATCOM (Static Synchronous Compensator) não se utiliza de banco de capacitores ou indutores para a troca de potência reativa com o SEP, mas sim, de uma fonte de tensão CC que por meio de chaves GTO faz a conversão em tensão CA com a mesma frequência fundamental da linha de transmissão. Para que não haja troca de potência ativa, o ângulo de fase das tensões geradas coincide com os ângulos de fase das tensões da rede (CASTRO, 2005). Na Figura 1 são apresentados dois exemplos de dispositivos FACTS, o primeiro mostra lado a lado dois exemplos de dispositivo série TCSC (Figura 1(a)) enquanto na Figura 1(b) é mostrado dois exemplos (lado a lado) de dispositivos FACTS shunt SVC.

Figura 1 - Exemplos de dispositivos FACTS Série e Shunt em operação

(b) Dispositivo shunt SVC

Fonte: adaptado de Siemens (2018).

Controladores Série e Shunt também podem ser combinados, e com isso modificar todos os parâmetros que determinam o fluxo de potência. A principal vantagem destes dispositivos é oferecer um caminho para o fluxo de potência ativa entre os controladores, atuando dessa forma, sobre as potências ativa e reativa.

Um exemplo de Controlador Combinado Série – Série é o IPFC (Interline Power Flow

Controller) que pode ser visto como uma combinação de dois ou mais dispositivos SSSCs

independentes acoplados por um elo CC para possibilitar o fluxo bidirecional de potência ativa entre seus terminais. Esse dispositivo é extremamente eficiente no controle e gerenciamento de fluxos de potência nas linhas de transmissão onde está instalado, nas quais insere tensões síncronas controláveis em magnitude e ângulo de fase por meio de seus conversores VSCs. Apesar do IPFC não ter capacidade de fornecer potência ativa para o sistema, o dispositivo consegue gerenciar o seu fluxo desviando-o de uma linha para a outra por meio do elo de corrente contínua. O IPFC possui um banco armazenador de energia instalado entre seus conversores e este possibilita a realização de uma compensação série reativa nas linhas que o dispositivo gerencia (VALLE; ARAUJO, 2013; FORTES et al., 2015).

Como exemplo de Controlador Combinado Série – Shunt apresenta-se o UPFC (Unified Power Flow Controller), dispositivo que pode atuar sobre todos os parâmetros que determinam o fluxo de potência em uma linha de transmissão de maneira isolada ou combinada. O UPFC consiste na instalação de dois conversores fontes de tensão (VSC) ligados ao sistema CA por meio de transformadores de acoplamento. Um dos conversores está ligado em série e o outro em derivação com a linha de transmissão. Um elo de corrente continua faz a interligação entre estes dois conversores.

O conversor série 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 gerencia. É devido à diferença angular entre a tensão série injetada e a corrente da linha de transmissão, que o UPFC transfere potência ativa e também absorve ou injeta potência reativa no sistema de transmissão. Toda a potência ativa injetada na rede por meio do transformador de acoplamento do conversor série é disponibilizada pelo conversor em derivação. Já a potência reativa que é inserida no sistema é obtida por intermédio de um banco armazenador de energia instalado entre os dois conversores do UPFC (GYUGYI et al., 1995; MARTINS et al., 2017).

As próximas subseções deste Capítulo serão dedicadas à modelagem do dispositivo FACTS GUPFC, a apresentação de sua estrutura de controle baseada em controladores PI e sua inclusão no fluxo de potência utilizando a metodologia chamada de fluxo de potência expandido.