Basic Design Technical Requirements for new HVDC links in Brazil From Madeira to Belo Monte

Basic Design Technical Requirements for

new HVDC links in Brazil

From Madeira to Belo Monte

Dalton O. C. Brasil

T. Minas

T. Rio

Belo Monte

Madeira

Araraquara

Madeira and Belo Monte Bipoles Configuration

Belo Monte

2 Bipoles ± 800 kV

Madeira

Relevant Differences: Belo Monte/Madeira

 Power Flow in both directions – Interconnection link (4,000

MW North-South; 3,200 MW South-North);

 Belo Monte power plant generators are large sized (700 MW

each);

 Strong AC systems (500 kV) at rectifier and inverter sides;

 Distinct receiving end substations – No bipole parallel

operation;

 Large number of receiving end inverters in the Southeastern

AC system - concern due to multiinfeed interactions (Itaipu,

Madeira and Belo Monte);

 Basic Reference: EPE’s R1 and R2 Reports;

 Take advantage of the Madeira HVDC Transmission System

Experience – Lessons learned (main issues):

• Improve the requirements that led to major discussions

and doubts, making them restrict and clear;

• Provide the main data to be used in the Basic Design

(AC system equivalents, short circuit levels, harmonic

impedance loci, maximum average ambient

temperatures, etc.);

• Specify in a clear basis the models and tools to be

 Set technical requirements in a clear and precise way,

avoiding misunderstanding;

 Consider the main guidelines recommendations of

Submodule 2.5 revision proposal, under ANEEL’s approval;

 Basic Design analysis and approval process should not impact

the project scheduling:

‒ Divide the Basic Design into two phases: Conceiving and

Detailing;

‒ Define Basic Design Reports framework and contents.

Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements

 Nominal Voltage: ± 800 kV

 Nominal Power: 4,000 MW (N-S)

3,270 MW (S-N)

 Long Duration Overloads: Available any time, within a pre defined number

per year:

‒ 33% of nominal power in each pole for 30 minutes;

‒ 33% of nominal power in bipole 1 for 30 minutes without the necessity of

dimensioning the reactive compensation due to this overload;

‒ 10% of 3,270 MW nominal power in bipole 1 for 4 hours, in the operating condition of South to North flow direction, without the necessity of

dimensioning the reactive compensation due to this overload;

‒ The equipment should be designed to allow long duration overload in each interval of 24 hours, limited to 20 events per year.

 Max. Ambient Temperature: 40

_{C – SBs Xingu and Estreito}

 No. of Converters per pole: Open

 Operation Modes:

Modos de Operação

Fluxo em qualquer sentido: Xingu – Estreito ou Estreito - Xingu

Requisitos Retificador e

Inversor

Bipolar com Tensão Nominal A Bipolar com Tensão Reduzida (de 70% a 95%) B Monopolar com Tensão Nominal (retorno metálico) A Monopolar com Tensão Nominal (retorno pelo solo) A Monopolar com Tensão Reduzida (retorno metálico) B Monopolar com Tensão Reduzida (retorno pelo solo) B Sobrecarga “Contínua” Low Ambient (operação bipolar ou monopolar) B Sobrecarga de Longa Duração

(operação bipolar ou monopolar com retorno metálico ou pelo solo)

B

Sobrecarga de Curta Duração

(operação bipolar ou monopolar com retorno metálico ou pelo solo)

B

A – Should meet reactive power interchange and dimensioning requirements B – Same as A, without meeting reactive power interchange requirements

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 Reactive Compensation:

– Allowed interchange of reactive power with the AC system:

• Xingu: 740 MVAr (N-S) and 395 MVAr (S-N)

• Estreito: 30 MVAr (precision margin)

– Filter banks redundancy: (n-1) of sub-bank

– AC voltage level range: 550 kV to 475 kV (at Xingu SB and for the

range 475 kV to 500 kV it is not necessary to consider the (n-1)

criteria)

 Losses: 0.75% per each converter SB calculated at 32.4

_{C (Xingu)}

and 29.8

_{C (Estreito)}

 Availability: 99% (forced and scheduled)

 Reliability: 5 total pole outages per year and 1 bipole outage per 5

years;

 AC Filters

:

‒ The methodology to be adopted for harmonic distortion calculation in the CCP should represent the converter station by means of its Norton equivalent and the external grid through circular sector harmonic impedances loci. Other

methodologies may be proposed if they lead to more severe;

‒ Supply of ZMAX, ZMIN, AngMAX and AngMIN parameters (harmonic impedance loci) for the AC system connected to Estreito and Xingu converter SBs.

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 Earth Electrodes:

– Bipolar Operation: 40 A permanently;

– Monopolar with earth return: 2,540 A for 250 hours per year

(220 own + 30 shared);

– Shared Bipolar: 80 A for 2 months along one year;

– Monopolar with earth return – Overload of one of the bipoles

and the other in nominal bipolar: 3,365 A for 300 minutes per

year.

 Controls: Clearly defined the interfaces and responsibilities

among the bipole and its station control, Belo Monte power

plant, Bipolo 2 as well as with other agents.

Purpose

AC/DC switchyards dimensioning equipment (kA)

63 50

Other purposes (MVA)

3Ø SC power level range Power flow N – S direction

15,282 to 19,752 17,907 to 21,426

Other purposes (MVA)

3Ø SC power level range Power flow S - N direction

18,381 to 42,181 17,042 to 19,566

 AC System equivalents included in the Technical Annex.

 ANAREDE, ANATEM and PSCAD files provided as well.

Belo Monte System – Reference AC System Data

Short Circuit Power Range (To be considered for dimensioning)

 Models Supply:

It should be provided the DC system computational models, including their block diagrams, transfer functions and main parameters with their respective adjustment ranges to be used in the system studies:

The models supplied will be incorporated to ONS’s database and will be available to all agents. The models for this purpose, if protected regarding confidentiality, should have the same functional detailing of those above.

Belo Monte System – Models, Tools and Training Requirements

Purpose Computational Program

Load Flow Study ANAREDE

Electromechanical and Transient Stability Studies ANATEM EMT Studies

AC equipment switching and AC/DC

System Interaction Studies ATP - Alternative Transients Program DC equipment switching and DPS

 Training Supply:

‒ Tutorial on the HVDC system proposed by the Transco;

‒ Training of ONS’s operations team, including the use of human

machine interface responsible for DC converters operation and

control;

‒ Specific training for electrical and simulator studies.

 Tools Supply:

‒ Real time simulator comprising processing modules, communication

and in/out digital/analogic interfaces;

‒ Control and Protection cubicles field replica;

‒ Dashboards and PCs used for monitoring, control and programing of

the referred devices.

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Belo Monte System – Basic Design Milestone

Basic Design:

a) Conceiving Phase

 120 days

 180 days

b) Detailing Phase

 30 months

7Feb2014 28Mar2014 Sep2014

Basic Design Presentation (Conceiving Phase) 180 days Sep2016 Jan2018 30 months 46 months Commercial Operation

16Jun 2014 _Dec2014 Dec2016

 Conceiving Phase

– Main Circuit components definition: valves, converter transformers, smoothing reactors, reactive compensation, AC and DC filters, surge arresters, PLC filters, HVDC TL, electrode line, SB grounding (criteria), AC/DC switchyard unifilar

diagrams, and protection, control and supervision systems philosophy;

– DC control levels and signal interchange definition;

– Maximum converter losses evaluation through analytical calculation; – Technical specifications for equipment acquisitions and manufacturing; – Basic Design conformity statement regarding the Technical Annex and Grid

Procedures.

 Detailing Phase

– DPS studies development to optimize controls and protection, as well as defining emergency schemes and operational procedures;

– Final approval of conceiving phase estimating elements;

– Phase ends 30 months after the Granting Contract is signed.

Belo Monte System – Basic Design Phases

 Technical Specification from “Potential Transco”: Auction

documentation (Technical Annex) should not be used for this

purpose;

 Data, Information and Models sharing among Transcos. HVDC

installations (Power Eletronics, Controls, etc.) require strong

interaction. It is expected partnership among agents. Issues

related to confidentiality should be mitigated;

 Consistent manufactures’ knowledge transfer aiming at

empowering Transcos technical teams in charge of

installations operating and maintaining;

 HVDC installations forced and scheduled outages evaluation;

 Relationship and responsibilities in all processes (granting,

design, commissioning and operation) taking into account the

Brazilian power system framework.

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New HVDC Links in Brazil – Main Challenges

APOIO

Marcos na Fase de Preparação do Edital do Sistema de Belo Monte

 Desenvolvimento e Montagem da Proposta do Anexo Técnico pelo ONS:

Maio a Agosto 2013

 Discussão e Consolidação da Proposta de Anexo Técnico:

– Reuniões com EPE: 19.08 e 28.08.13

– Reuniões com ANEEL: 21.08, 22.08 e 03.12.13

– Reuniões internas ONS: ao longo setembro de 2013

 Publicação Minuta do Edital e Período de Recebimento de Contribuições à

Audiência Pública (AP114): 23.10 a 22.11.13

 Consolidação e envio à ANEEL das respostas à AP 114: 11.12.14

 Publicação pela ANEEL do Edital de Licitação: 27.12.14

 Prazo para Pedido de Esclarecimentos ao Edital: 17.01.2014

 Envio a ANEEL dos Esclarecimentos pelo ONS: 27.01.14

 Diagrama unifilar geral (CA,CC)

 Diagrama de Proteção, Controle e Medição

 Planta e corte das subestações

 Especificações de transformadores conversores e de válvulas

 Relatórios de:

– Definição de parâmetros do circuito principal – Compensação Reativa

– Sobrecorrentes Transitórias em válvulas – Coordenação de isolamento

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Relatórios da Etapa de Concepção – 180 dias

Grupo: Relatórios de Estudos de Dimensionamento do Elo CC

R1 - Definição dos parâmetros do circuito principal (*)

R2 - Estudo de compensação reativa - balanço de potência reativa (*)

R3 - Estudo de sobrecorrentes transitórias em válvulas e outros equipamentos (*)

R4 – Estudos de desempenho dos filtros CA

R5 – Estudos de definição do rating dos filtros CA e da Compensação Reativa R6 - Estudos de desempenho dos filtros CC

R7 - Estudos de definição de rating dos filtros CC

R8 - Estudo de coordenação de isolamento - pátios CA e CC R9 – Sobretensões Transitórias no lado CC

R10 – Estudos de ressonâncias CA-CC em baixas harmônicas R11 – Dimensionamento dos reatores de alisamento

R12 - Dimensionamento das chaves CC: MRTB, GRTS, NGBS e NBS R13 – Sobretensões Transitórias no lado CA

R14 - Estudos de TRT - abertura de bancos e filtros no lado CA

R15 – Dimensionamento Teórico das Perdas (*)

Relatórios da Etapa de Concepção

Grupo: Estudos de Sistema

R17 - Fluxo de potência e curto-circuito na rede CA (*)

R18 - Estudos a frequência fundamental - sobretensões e estabilidade R19 - Estudos de desempenho dinâmico-DPS

Grupo: Controle de Conversores, Polo e Bipolo

R20 – Relatório de Concepção – Filosofia, atributos, sequenciamentos e linhas gerais de atuação (*)

Grupo: Eletrodo e Linha do Eletrodo

R21 – Relatório de Concepção – Filosofia e linhas gerais (*)

Grupo: Estudos de Manobra do Pátio CA

R22 - Energização de Transformadores Conversores

R23 - TRT de disjuntores (*)

Grupo: Outros Estudos

R25 - Supervisão e Interfaces (Filosofia) (*)

R26 – Controle e Proteção (Filosofia e Diagramas Unifilares) (*) R27 - Serviços Auxiliares (Filosofia) (*)

R28 – Fluxo de Potência de Barramento (*)

(*) Relatórios a serem disponibilizados em 120 dias

Relatórios da Etapa de Concepção

Grupo: Linhas de Transmissão em Corrente Contínua ±800 kV (120 dias) R29 – Normas Técnicas Utilizadas

R30 – Dados Climatológicos

R31 – Velocidade do Vento e Carregamentos Devidos ao Vento R32 – Condutor e Cabos Para-raios

R33 – Estudos Mecânicos do Condutor e dos Cabos Para-raios R34 – Distâncias de Segurança

R35 – Largura da Faixa de Servidão R36 – Coordenação do Isolamento

R37 – Cadeias de Isoladores e Conjuntos de Fixação dos Cabos Para-raios

R38 – Definição da Série de Estruturas, Silhuetas e Hipóteses de Carregamento R39 – Memórias de Cálculo das Estruturas

R40 – Programa dos Ensaios de Carregamento R41 – Fundações Típicas

R42 – Sistema de Aterramento

Especificações e Diagramas da Etapa de Concepção

Especificações

E1: Transformadores Conversores (*) E2: Reatores de Alisamento (*)

E3: Válvulas(*) E4: Para-Raios E5: Buchas E6: Isoladores E7: Filtros CA e CC E8: Capacitores E9: Reatores

E10: Disjuntores e chaves do pátio CA E11: Chaves CC

E12: TCs e TPs (CA e CC)

E13 – Outros equipamentos não incluídos nessa lista Diagramas

Diagrama 1 - Diagrama unifilar geral dos pátios CA e CC (*)

Diagrama 2 - Diagramas de proteção, controle e medição dos pátios CA e CC (*) Diagrama 3 - Planta e Cortes das subestações (*)

(*) A serem disponibilizados em 120 dias

Etapa de Detalhamento – 30 meses

 Estudos de desempenho em regime permanente, transitório e dinâmico do

elo CC

 Estudo de oscilações sub-síncronas

 Estudos de manobra de equipamentos do pátio CA  Estudos das proteções das conversoras e da LT CC

 Estudos de definição das malhas de terra das subestações conversoras e eletrodos de terra

 Outros estudos

• Estudos de interferência em sistemas de comunicação por onda portadora (PLC);

• Estudo de rádio-interferência (RI) e de ruído audível

• Estudos de interferências TVI, microondas, VHF e UHF, incluindo sistemas de navegação aérea na proximidade de aeroportos

• Estudos de confiabilidade e disponibilidade • Estudos de perdas e eficiência