TRABALHO DE EEL033 SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ – CAMPUS ITABIRA

TRABALHO DE EEL033 SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS

COMPENSADORES ESTÁTICOS

Professor José Eugenio Lopes

Mário Francisco de Morais Júnior RA: 19626 EEL

Itabira

2014

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ – CAMPUS ITABIRA

TRABALHO DE EEL033 SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS

COMPENSADORES ESTÁTICOS

Relatório submetido ao professor José Eugenio Lopes , como critério de avaliação para aprovação na disciplina EEL033.

Itabira

2014

3 SUMÁRIO

OBJETIVO...4

1.0. INTRODUÇÃO ... 5

2.0. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO ... 7

2.1- Compensadores em Derivação...9

2.1.1- Modelo SVC (Static Var Compensator)...9

2.1.2-Reator Controlado a Tiristores (RCT)...10

2.1.3-Condensador Controlado a Tiristores (RCT)...11

2.2- Compensação Série...12

2.2.1-TSSC (Thyristor Switched Series Condensador)...12

2.2-TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation)...13

2.3-Composição do STATCOM...14

2.4.1-Modelos de UPFCs ("Unified Power Flow Controller")...17

2.4.2- Transformador Defasador Controlado a tiristor (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer – TCPST)...18

3.0 – ANÁLISE GERAL DOS COMPENSADORES...19

4.0. CONCLUSÃO ... 20

6.0.BIBLOGRAFIA ... 21

4 Objetivo

O objetivo desse trabalho é apresentar de forma sucinta o assunto sobre os controladores de potência reativa no sistema elétrico. O foco se volta para os FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), o qual propõe a aplicação de eletrônica de potência em sistemas de transmissão em corrente alternada, de forma a prover a estes sistemas a mesma capacidade de resposta frente a comandos de controle, ou seja, fornecer ao sistema de transmissão CA a mesma flexibilidade já conquistada nos sistemas em CC [1].

5 1-Introdução.

Com o constante crescimento e desenvolvimento da população a necessidade de consumo de energia elétrica vem aumentando. Com crescimento de cargas sensíveis conectadas ao sistema criou se a necessidade de métodos de controle para geração, transmissão e distribuição no intuito de que a energia entregue ao consumidor seja de qualidade. O controle de potência reativa é um dos métodos usados para solucionar problemas relacionados com a rede de transmissão, tais como: estabilidade, limites térmicos, segurança no intuito de garantir a eficiência na transmissão de grandes blocos de energia.

Esse controle hoje é feito através dispositivos de eletrônica. Graças ao surgimento da eletrônica de potência e a partir das aplicações desta nos processos de retificação em linhas de transmissão em corrente contínua foi que surgiu o conceito do termo FACTS vem do inglês Flexible AC Transmission Systems (Sistemas de Transmissão CA Flexíveis), onde são sistemas de controle de fluxos de potência, conseguindo controlar as restrições de transmissão e de potência relacionadas com a estabilidade devido a constante variação de cargas no sistema. São equipamentos baseados na eletrônica de potência que controlam rapidamente os fluxos de potência nas linhas de transmissão, mantém os mesmos em rotas estabelecidas e melhoram o problema de estabilidade, controlam além dos fluxos o ângulo de fase da carga, a impedância, corrente ou a tensão, nos sistemas CA. Com isso permitem maior flexibilidade de controle dos sistemas elétricos, que neste caso entende-se flexibilidade como a capacidade de rápida e contínua alteração dos parâmetros que controlam a dinâmica de funcionamento do sistema elétrico, além de permitirem a elevação no nível de transmissão das linhas, utilizando a máxima capacidade térmica da mesma [2].

Os FACTS atuam mitigando os problemas de instabilidade transitória e dinâmica do sistema em tempo real, de forma a alongar os limites de estabilidade. Também permitem aumento das cargas no sistema antes que ocorra uma instabilidade amortecendo as oscilações do sistema, evitando a perda de sincronismo dos geradores. Os dispositivos FACTS são divididos em tipos de conexão na rede, por geração e pelos tipos de comutação. O quatro topologias de conexão na rede são:

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 Controladores série;

 Controladores paralelo;

 Controladores combinados série-série;

 Controladores combinados paralelo-paralelo.

Já os quatros tipos de geração são [2]:

 1ª Geração: São FACTS produzidos utilizando tirístores equipamentos ligados em paralelo a rede são: o SVC (Static Var Compensator) composto por TCR (Thyristor Contolled Reactor) e/ou TSC (Thyristor Switched Condensador), temos também os equipamentos ligados em série à rede são o: TSSC (Thyristor Switched Series Condensador) e o TCSC (“Thyristor Controlled Series Condensador”). Equipamento que possui as características série e paralelo de forma integrada é o “Phase Shifter”.

 2ª Geração: É composta por equipamentos que utilizam tirístores tipo IGBT’s (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) ou GTO’s (“Gate Turn Off Thyristor”).

Utilizando estes tirístores temos o compensador paralelo, STATCOM (“Static Synchronous Shunt Compensator”) e o compensador série, SSSC (“Static Synchronous Series Compensator”).

 3ª Geração: A terceira geração de equipamentos FACTS é composta pela integração dos equipamentos série e paralelo numa mesma linha de transmissão.

Um resultado disto é o UPFC (“Unified Power Flow Controller”), o qual é um equipamento combinado do SSSC e do STATCOM.

 4ª Geração: São constituídos pela associação da compensação série e paralela em linhas de transmissão diferentes. Resultando em equipamentos com os nomes IPFC (“Interline Power Flow Controller”), CSC (“Convertible Static Compensator”) e outras possibilidades.

7 Os tipos de classificação por comutação de FACTS somente dois tipos:

 Comutados pela rede (baseado em tiristores).

 Autocomutáveis (baseado em semicondutores mais modernos, totalmente controlados).

2.0- Princípios de Funcionamento.

O seu funcionamento dos dispositivos FACTS se baseiam em uma conexão no sistema CA, onde os dispositivos são constituído por duas unidades ideais de geração interligadas através de uma linha de transmissão curta e sem perdas. Entretanto, de uma maneira global, o comportamento qualitativo do sistema com um dispositivo FACTS é mantido[4].

Quando este está conectado em série com o sistema elétrico, a impedância da linha de transmissão é alterada. Já conectado em paralelo, o dispositivo influenciará a tensão no ponto onde está conectado. Na associação série-paralela ou série-série é possível alterar tensão e ângulo de transmissão assumindo o controle do fluxo de potência. Em resultado o fluxo de potência ativa pode ser controlado entre uma linha sem perdas entre dois pontos. Isso fica claro quando equacionamos o sistema de transmissão como mostrado no exemplificado pela figura 1^[4].

Figura 1: Modelo de linhas sem perdas.

8 A equação 1 demostra matematicamente o a análise do sistema de transmissão sem perdas:

𝑃

=

𝑋_𝑘𝑙

∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜃

− 𝜃

)

Vk ∠θk é tensão na barra k;

Vl ∠θl é tensão na barra l;

Xkl é reatância série da linha.

Com o controle dos parâmetros, a capacidade de transmissão da linha é alterada dando assim uma flexibilidade para despacho de blocos de energia sem perdas ou instabilidade causados variações de cargas ou manobras no sistema.

Um dos métodos convencionais para controle de rede é a variação de tensão nos terminais das linhas feita para aumentar a capacidade de transmissão, mas tem limitações pois influência diretamente nas condições de operação das cargas. O controle de fluxo de potência através da variação de ângulo de abertura de linha (defasamento entre ângulo de fase do sistema) não é fácil pois é necessário medidas de potência no nível de transmissão. Com implementação dos FACTS no sistema, permite controlar diretamente a reatância da linha através da compensação série. Um compensador FACTS pode ser instalado em qualquer dos extremos da linha, onde já existe uma subestação não sendo necessário a instalação de controlador de tensão no meio da linha pois iria requerer a criação de uma subestação intermediária para a instalação desse regulador shunt. Na operação dos FACTS para a operação em regime permanente, controlar a reatância série significa que se poderá monitorar e direcionar o fluxo de potência através da rede, alterando as “distâncias elétricas” entre os nós da rede.

9 2.1- Compensadores em Derivação.

2.1.1- Modelo SVC (Static Var Compensator).

É ligado em paralelo em um ponto médio da linha de transmissão, onde a fonte é constantemente controlada para controlar o fluxo de potência nesta linha. O projeto dos módulos TCR e TSC é determinado pela característica tensão versus corrente desejada para o SVC. A especificação do SVC depende principalmente dos limites para as modalidades de operação capacitiva e indutiva e a inclinação da curva característica depende do nível de curto circuito e condições operativas do sistema no ponto de conexão como mostrado na figura 2^[2].

Figura 2: Curva da Condições de Operação do Sistema.

Os equipamentos principais (elementos reativos passivos) que compõem a configuração do compensador estático são o reator controlado por tiristores (TCR), o capacitor chaveado por tiristores (TSC), o transformador de acoplamento e os filtros de harmônicas onde a figura 3 e 4 mostra os sistema de compensadores em SE^[1].

10 Figura 3: TSC (Capacitor Chaveado por Tiristor).

Figura 4: Filtro de Harmônica.

2.1.2-Reator Controlado a Tiristores (RCT).

A principal função deste elemento é de fazer uma regulação continua e rápida da potência reativa através de uma bobina conectada a Tiristores. O RTC controla a componente da corrente à frequência fundamental através da indutância atrasando o fecho dos Tiristores, através do controle dos ângulos de disparo destes, respeitando as passagens da corrente por zero. A figura 3 mostra o diagrama básico de conexões no compensador RCT^[2].

11 Figura 3: Diagrama básico do RCT.

2.1.3-Condensador Controlado a Tiristores (RCT).

Quando a tensão de sistema é baixa, o SVC gera potência reativa capacitiva.

Quando a tensão de sistema é elevada, absorve potência reativa indutiva. A potência reativa é mudada ligando os bancos trifásicos capacitivos e reativos conectados ao lado secundário do transformador. Cada banco capacitivo é ligado ou desligado por válvulas tiristorizadas (TSC). Uma representação simples é mostrado na figura 4^[2].

Figura 4:Condensador controlado por Tiristores (TSC).

2.2- Compensação Série.

A compensação série atua diretamente na diminuição da impedância da linha, resultando, no aumento da capacidade de transferência de potência para valores próximos à capacidade térmica dos condutores. Os métodos usados para essas compensações são os TSSC (Thyristor Switched Series Condensador) e TCSC (Thyristor Controlled Series

12 Compensation). A compensação série pode fornecer os seguintes benefícios para redes de transmissão de longa distância:

 Reduz quedas de tensão nas linhas;

 Limita quedas de tensão sobre cargas dependentes da tensão;

 Controla a distribuição dos fluxos de potência entre linhas da transmissão paralelas;

 Aumenta a capacidade de transferência de potência de linhas existentes;

 Reduz o ângulo da transmissão de linhas existentes;

 Aumenta a estabilidade do sistema.

O sistema físico dos dispositivos compensadores de derivação são praticamente igual ao compensadores séries, mudando somente a conexão no sistema. São conectados em série com o sistema onde cada elemento é ligado por um conector Bypass composto por dois tiristores em paralelo.

2.2.1-TSSC (Thyristor Switched Series Condensador).

Se trata de condensadores com conjunto de tiristores em paralelo, onde são conectados em séries. O compensador é controlado pelo número de condensadores que estão ligados em série. A figura 5 exemplifica a montagem do TSSC^[2].

Figura 5: Esquema de um TSSC.

Estes entram em condução com disparo do tiristor onde a comutação é feita pela rede (passagem pelo zero). O condensador é carregado em meio ciclo da corrente da linha, na polaridade oposta do outro meio ciclo a corrente da linha vai ser descarregada. A inserção do condensador na corrente de zero, requerida pelo tempo de ligação do tiristor, resulta numa tensão offset d.C. que iguala a amplitude da tensão AC do condensador.

Para minimizar uma corrente inicial brusca, o tiristor é ligado apenas quando a tensão do

13 condensador for a zero. Com o offset d.C. a prevalecer pode causar um atraso até um ciclo completo o que limita teoricamente o tempo de atuação do TSSC.

O TSSC pode controlar o nível de série de compensação por introdução ou corte de condensadores em série, mas não pode alterar as características normais dos condensadores clássicos em série da linha compensada. Isto significa que um nível alto de compensação o TSSC pode causar uma ressonância subsíncrona tal como a de um condensador comum^[1;2].

2.2-TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation).

O TCSC consiste basicamente de um condensador convencional (fixo) em paralelo com um RTC. É considerado de suma importância, pois seus benefícios técnicos incluem o controlo da reatância equivalente da linha podendo ser utilizada para controle de fluxo de potência, amortecimento da variação de potência, redução de curto-circuito, estabilidade em regime transitório e a mitigação de ressonância sub síncrona (SSR). A figura 6 representa um esquema básico da montagem física do TCSC^[2].

Figura 6: Esquema de um TCSC.

Os TCSC podem operar em três regimes distintos de operação:

 O modo “Bypass”: caso em que α = 90º. Nesta situação, a indutância, que tem um valor muito pequeno está totalmente inserido e atrai toda a corrente da linha “bypassando” o condensador, ou seja, a total condução dos tiristores.

 Condensador fixo, que representa o valor mínimo de compensação do equipamento. Não há condução dos tiristores.

 Modo de controlo contínuo ou modo “Vernier”: caso em que o ângulo de disparo pode variar entre 90º e 180º, possibilitando que o TCSC apresente

14 uma reatância variável, tanto na região capacitiva quanto na região indutiva.

Para desempenhar as funções de limitador de corrente de curto-circuito, o TCSC deve ser dimensionado para suportar as correntes de defeito e apresentar uma alta impedância indutiva. Como consequência, torna-se necessário modificar algumas caraterísticas do TCSC, tais como os valores nominais dos componentes deste equipamento, principalmente o para-raios (MOV – Metal Oxid Varistor) e a frequência natural de ressonância do circuito LC. Devido ao seu alto custo, a utilização deste dispositivo só tem vantagens se agregar outro benefício para o sistema, além da limitação das correntes de curto-circuito.

2.3-Composição do STATCOM.

STATCOM sigla de Static Synchronous Compensator (Compensador Síncrono Estático), é formado basicamente por transformadores de acoplamento e redução de harmônicos e inversores e fontes de tensão C.C. é utilizado para o controle do fator de potência, regulando a tensão no ponto de conexão, permitindo uma melhoria de estabilidade dinâmica do sistema^[3].

O princípio de funcionamento básico se baseia em uma fonte de tensão com capacidade de controle de fase, pode direcionar o fluxo de potência ativa, e com o controle da amplitude da tensão podemos controlar a potência reativa naquele ponto o circuito.

Dessa forma, caso as tensões do STATCOM e do sistema estiverem sincronizadas e em fase (ângulo de defasamento igual a zero), não há fluxo de potência ativa em nenhum sentido. Contudo se a amplitude entre eles for diferente existirá um fluxo de potência reativa entre eles. Sendo considerada a tensão no sistema constante, se variarmos a tensão no STATCOM continuamente e com amplitude menor do que a tensão na rede, esse passa a operar como um banco trifásico de indutores na variáveis, gerando correntes defasadas em 90º em relação à tensão do sistema. Porém em contrapartida se variarmos continuamente a tensão no STATCOM, mas dessa vez com tensões de amplitudes maiores do que as da rede, pode-se obter potência reativa capacitiva, e o STATCOM atua como um banco trifásico de condensadores variáveis, gerando correntes adiantadas de 90º.

15 No STATCOM, a fonte de tensão controlada em amplitude e fase é implementada através de inversores (conversores CC/CA, CC/CC, CA/CC ou CA/CA). Estes inversores possuem, no lado de CC, condensadores de forma a simular uma fonte de tensão CC.

Este condensador funciona também como sistema de armazenamento de energia. Os transformadores são utilizados para compatibilizar os níveis de impedância do compensador e do sistema CA. Na maioria dos casos o transformador é utilizado também para minimizar o conteúdo dos harmônicos da tensão do inversor.

Assim, o STATCOM é composto por quatro partes básicas: inversores, transformadores, condensadores do lado de corrente contínua e um sistema de controle, podendo existir variações das topologias, porém o esquema de partes básicas continua o mesmo não alterando seu funcionamento básico, a figura 7^[2] mostra a topologia básica.

Figura 7: Esquema Básico do STATCOM.

Para o STATCOM funcionar como um controlador de potência reativa é necessário que existam o controle de sincronismo e o controle de amplitude de tensão onde há medições para um método de controle de malha fechada. Os componentes básicos para esse sistema de controle do STATCOM, são representados na figura 8^[2].

16 Figura 8: Esquema de Controle do STATCOM.

2.4-SSSC (Static Synchronous Series Compensator).

O SSSC é um compensador série baseado num conversor de tensão VSC que utiliza semicondutores autocomutados (IGBT). O conversor de tensão é inserido na linha de transmissão através de um transformador de acoplamento.

O SSSC baseia-se na inserção de uma fonte de tensão em série com a linha de transmissão. A tensão gerada pelo conversor deve estar em quadratura e atrasada em relação à corrente, de forma que apresente a mesma característica de um condensador, proporcionando um efeito capacitivo sobre o Sistema Elétrico de Energia. A característica indutiva também pode ser sintetizada e pode ser útil nos casos em que se deseja diminuir o fluxo de potência transmitida.

O SSSC proporciona o controle de fluxo de potência de forma rápida e precisa de uma linha de transmissão através da alteração de forma eletrônica da sua impedância. A figura 9^[1] representa a conexão do SSSC no sistema.

17 Figura 9:SSSC conectado ao sistema de transmissão CA.

2.4-Combinação Série-Shunt.

É formada pela combinação dos dispositivos FACTS conectados em série e shunt separados e controlados de maneira coordenada, ou por um controlador de fluxo de potência unificado com elementos em série e em shunt. A princípio, esses dispositivos injetam corrente no sistema com a parte shunt e tensão com a parte em série, contudo, quando os controladores estão unificados pode existir troca de potência ativa entre os dispositivos série e shunt.

2.4.1-Modelos de UPFCs ("Unified Power Flow Controller").

O Controlador Unificado de Fluxo de Potência (Unified Power Flow Controller - UPFC) O UPFC é formado basicamente pelo agrupamento do STATCOM com o SSSC

num único equipamento. Ou seja, é formado por dois conversores ligados “back-to- back”, pelo link DC, sendo que um deles é ligado em série com a linha de transmissão e

o outro, em derivação, pelo lado CA, conforme a figura 10^[2].

Figura 10:Diagrama ilustrativo de um UFPC.

18 UPFC é um compensador universal, capaz de controlar simultaneamente o fluxo de potência que passa por uma linha de transmissão e a tensão CA de um barramento controlada. Possuindo uma resposta rápida comparada aos outros sistemas, não existe nenhum substituto que possa realizar todas suas funções de compensação com o mesmo desempenho. O UPFC revolucionou a concepção de sistemas FACTS, oferecendo alternativas para o controle de sistemas de potência até então impossíveis com o uso de equipamentos tradicionais.

A capacidade de armazenar energia no link DC comum é geralmente pequena, pois a potência ativa absorvida pelo conversor em paralelo é igual à potência ativa gerada pelo conversor série e vice-versa. Se essa troca não é existir, a tensão DC pode aumentar ou diminuir dependendo da potência que está sendo absorvida ou gerada por ambos os conversores. Em contra partida, a potência reativa compensada pelos conversores em paralelo ou em série devem ser escolhidas independentemente uma da outra, dando assim uma grande flexibilidade no controle do fluxo de potência da linha. O UPFC pode ser controlado de maneira que possa gerar uma tensão de compensação série, com qualquer amplitude e fase sendo uma das principais vantagens do UPFC em relação ao transformador defasador controlado a tiristor. Suas aplicações são basicamente em controle de potência, controle de tensão, compensação de reativos, amortecimento de oscilações e estabilidade transitória.

2.4.2- Transformador Defasador Controlado a tiristor (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer – TCPST).

É um compensador formado por um transformador defasador controlado por chaves a tiristores, de modo a fornecer rápida variação do ângulo de fase. A Função básica de um dispositivo de mudança de fase é a de prover um meio de controlar o fluxo de potência em uma linha de transmissão. Isto é feito pela modificação do ângulo de fase da tensão através da inserção de uma tensão variável em quadratura com a tensão da linha de transmissão. A fase da tensão de saída pode então ser variada, com relação à tensão de entrada, pela simples variação da magnitude da tensão em quadratura. A figura 11^[2]

apresenta um diagrama Esquema de variação da tensão em quadratura feita pelo TCPST.

19 Figura 11: Esquema de variação da tensão em quadratura.

Os dispositivos para mudança de fase convencionais são empregados para alterar o fluxo de potência em regime permanente. Já em casos de contingências, é necessário que os dispositivos tenham capacidade de mudança rápida de ângulo de fase. Esta característica é obtida com a utilização de um TCPST. Sua aplicação são basicamente em controle de potência, controle de tensão, amortecimento de oscilações e estabilidade transitória.

3.0 – Analise Geral dos Compensadores.

Há vários topologias de compensadores estáticos mas são em geral ramificações das apresentadas onde a diferença pode ser de conexão no sistema, tempo de resposta ou o método de controle (malha aberta ou malha fechada). Deve se ter em mente os compensadores também podem trazer problemas ao sistema quando mal projetado como, alto conteúdo de harmônicos, ressonância, perdas. Uma das ferramentas para dimensionamento de compensadores é analise no domínio da frequência e análise de curva de variação de potência durante certos períodos de tempo.

20 4.0-Conclusão

Um dos grandes fatores preocupantes do setor elétrico brasileiro é estabilidade pois devido ao seu grande e complexo porte, e alto fluxo de potência produz uma instabilidade, devidos as variações de carga durante todo o tempo. Graças aos avanços dos semicondutores de potência, foi possível a otimização do sistema de geração, transmissão e distribuição pelos FACTS.

Com os sistemas apresentados, teve se ideia de como a atuação dos FACTS pode variar paramentos do sistema permitindo uma maior capacidade de transmissão das linhas, um maior controle e uma maior sensibilidade a qual provável distúrbios que possa causar danos ou prejuízos.

21 6.0-Bibliografia

[1] FRONTIN, S. De O. Equipamentos de alta tensão – Prospecção e Hierarquização de Inovações Tecnológicas. Brasília: Teixeira, 2013.

[2] Trabalho da Faculdade Federal do Paraná “CONTROLADORES FACTS”.

Disponível em:

<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAboEAC/controladores-facts>.

Acesso em 02/05/2014.

[3] Site ELEPOT Laboratório de Eletrônica de Potência.

Disponível em:

< http://www.coe.ufrj.br/bolsa98b.htm >. Acesso em 02/05/2014.

[4] “Eletrônica De Potência No Sistema De Transmissão: Dispositivos Facts”.

Disponível em:

<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/it744/CAP5.pdf>. Acesso em 02/05/2014

[5] “ Compensadores Estáticos de Potência Reactiva (SVC)”.

Disponível em:

< http://webs.uvigo.es/carrillo/publicaciones/SVC.pdf >. Acesso em 02/05/2014