UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS LEANDRO COPETTI WALTER FOZ DO IGUAÇU - PR 2011
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
LEANDRO COPETTI WALTER
FOZ DO IGUAÇU - PR
2011
LEANDRO COPETTI WALTER
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
Relatório de estágio apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Estadual do
Oeste do Paraná, como parte dos requisitos para
obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. M. Eng. Jonas Roberto Pesente
Supervisor Técnico: Luiz Ricardo Sanches Colman
FOZ DO IGUAÇU
2011
LEANDRO COPETTI WALTER
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
Relatório de estágio apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual
do Oeste do Paraná, aprovado pela comissão julgadora:
O LASSE é um centro especializado em estudos, testes e verificações de componentes
indispensáveis aos atuais sistemas elétricos de potência. Tem a sua disposição um simulador
de alto desempenho da empresa canadense RTDS® e uma equipe de engenheiros
especializados em simulações de sistemas elétricos e validação de componentes que os
constituem.
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2. TRANSMISSÃO EM ALTA TENSÃO E CORRENTE CONTÍNUA (HIGH
VOLTAGE DIRECT CURRENT – HVDC TRANSMISSION)
Este capítulo aborda a teoria geral acerca dos fundamentos dos Elos de Corrente
Contínua, assim como descrito por KUNDUR (1994), ARRILAGA (1983), entre outros.
Aspectos como as configurações típicas implementadas pelos fabricantes, equações de
performance, inclusão no problema de fluxo de potência e representações utilizadas pra
estudos de transitórios eletromecânicos são descritos como segue.
2.1 CONFIGURAÇÕES
Segundo KUNDUR (1994)5, os Elos de CC
6 (ou HVDCs) possuem diferentes
configurações, dependendo da aplicação: monopolares, bipolares e homopolares.
Elos de CC monopolares possuem somente uma linha de transmissão com apenas uma
polaridade, e geralmente são utilizados em aplicações de custo reduzido, estágio inicial da
operação de Elos de CC bipolares ou para transmissão subaquática.
Elos de CC bipolares possuem um condutor na polaridade negativa e outro na positiva.
Cada terminal tem dois conversores de tensão nominal igual e quando operam juntos não há
corrente de terra (podem operar em separado). A conexão entre os pólos é aterrada e a
utilização de bipólos injeta menos harmônicos que a operação monopolar. Esta configuração
permite, inclusive, inverter o fluxo de potência somente invertendo a polaridade dos pólos
(não é necessária nenhuma manobra mecânica). Se, por alta resistividade se necessite de um
cabo de retorno, se pode utilizar um cabo de guarda.
Elos de CC homopolares possuem mais de um condutor, porém todos têm a mesma
polaridade, geralmente negativa para redução do efeito corona. Dentre as modalidades de Elos
de CC, é a menos utilizada.
5 Este capítulo foi baseado, em grande parte, no descrito por KUNDUR (1994). Por simplicidade, em certos
trechos do texto à omissão da citação subentende-se que mantém-se a consulta a tal material de referência. 6 Neste texto, grandezas e dispositivos do sistema de corrente alternada conectado ao Elo de corrente contínua e
do Elo de Corrente Contínua serão tratadas simplesmente seguidas dos acrônimos CA e CC, respectivamente.
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2.2 ELEMENTOS
Os elementos componentes típicos de HVDCs, ilustrados na Figura 2.1, são:
Figura 2.1 – Componentes típicos de HVDC
Fonte: KUNDUR, 1994.
2.2.1 Conversores
As conversões CA/CC e CC/CA são realizadas por pontes de válvulas e
transformadores com comutadores de derivação sob carga. Tais pontes consistem de válvulas
de alta tensão, conectadas em arranjos de seis ou doze pulsos. Nos conversores de doze pulsos
cada uma das fases CA deve estar defasada trinta graus com relação às outras fases da ponte.
2.2.2 Reatores de Alisamento
São equipamentos com indutâncias da ordem de 1H, conectados em série com cada
pólo da estação conversora. Tem como propósito: reduzir harmônicos de tensão e corrente do
lado CC, limitar a corrente de crista nos retificadores durante curto-circuitos no lado de CC,
prevenir a ocorrência de falhas de comutação nos inversores e prevenir que a corrente CC se
torne descontínua para cargas elevadas.
21
2.2.3 Filtros de Harmônicos
Estes dispositivos têm objetivo de reduzir as tensões e correntes harmônicas tanto no
lado CA quanto no lado CC. Realizam esta tarefa fornecendo uma baixa impedância entre o
condutor energizado e a terra para a frequência indesejada. Os harmônicos geram
aquecimento de capacitores e geradores próximos e interferem nas telecomunicações dos
equipamentos de controle e proteção.
2.2.4 Fontes de Reativos
Conversores inerentemente absorvem potência reativa, em torno de 50 a 60% da
potência ativa transmitida em condições normais de operação e parcelas muito maiores
durante transitórios - (KUNDUR). Em sistemas CA fortes (elevada capacidade de curto-
circuito e com grande suporte de reativos), as fontes são bancos de capacitores, enquanto em
sistemas não tão fortes se utilizam também compensadores síncronos e/ou compensadores
estáticos de reativos.
2.2.5 Eletrodos de aterramento
Elos de corrente contínua são projetados para operar conduzindo pela terra, mesmo
que por períodos curtos de tempo. Esta conexão requer uma superfície condutora de grande
área junto ao aterramento, para reduzir as densidades de corrente e os gradientes de tensão na
superfície. Esta superfície condutora é chamada de eletrodo.
2.2.6 Disjuntores CA
São utilizados para isolar o transformador de falhas no sistema CA ou o conversor
para manutenção. Nos terminais CC não são utilizados disjuntores, pois o controle do disparo
das válvulas permite isolar estas falhas mais rapidamente que a proteção convencional.
2.2.7 Bancos Transformadores ou Transformadores-Conversores
Todo Elo de CC possui bancos de transformadores conectados em série no lado CC e
em paralelo no lado CA, que, com exceção dos HVDCs homopolares, estes possuem
conexões em YY e Y de modo a garantir a defasagem e a magnitude adequada das tensões
nas pontes conversora/inversora. Os transformadores não são aterrados, de forma a auxiliar a
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tensão apropriada para o funcionamento da ponte. Assim é possível estabelecer a referência
de tensão do conversor ao aterrar o lado CC no terminal positivo ou negativo.
2.2.8 Linhas CC
As linhas de corrente contínua diferem nas torres (devido ao número de condutores –
geralmente somente dois estão energizados) e na disposição dos condutores (devido às
características mais simples de se obter isolamento). Estas possuem resistências tão baixas
quanto 10, por isso pequenas variações indesejadas de tensão podem causar grandes
flutuações de potência, desta maneira torna-se necessário manter a tensão em seus terminais
tão constante quanto possível.
2.3 TEORIA E EQUAÇÕES DE DESEMPENHO DOS CONVERSORES
Os conversores são os equipamentos responsáveis pelas conversões CA-CC e CC-CA
e também por controlar o fluxo de potência entre seus terminais. Assim, incorporam a maior
parte dos fenômenos elétricos e modulações de potência para controle de grandezas
eletromecânicas. Por isso, de uma forma geral, o desempenho do HVDC está associado aos
conversores e sua análise depende do equacionamento dos mesmos.
Os conversores desempenham sua função a partir de válvulas que são chaves
eletrônicas controladas. As válvulas de mercúrio têm valores nominais de tensão entre 50 e
150kV e de corrente entre 1000 e 2000A, porém deixaram de ser utilizadas após 1970,
quando foram adotadas as válvulas tiristorizadas, que são muito menos suscetíveis à falhas e
problemas de operação, além de não precisar de aquecimento. As válvulas tiristorizadas
possuem de valores nominais de tensão entre 3 e 5kV e de corrente entre 2500 e 3000A.
Nos terminais dos conversores empregam-se as válvulas em pontes de GRAETZ,
principalmente por garantir uma menor tensão reversa aplicadas às válvulas bloqueadas. Em
sua análise utiliza-se uma fonte ideal CA em série com uma indutância (que representa
principalmente o transformador conversor), considerando a corrente CC sem ripple e as
válvulas ideais (somente com estado fechado e aberto), tal como ilustrado na Figura 2.2.
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Figura 2.2 – Circuito trifásico de um retificador de onda completa em ponte.
Fonte: KUNDUR, 1994.
As tensões de fase da fonte CA podem ser representadas pela Equação 2.1.
);150cos(.3
);90cos(.3
);30cos(3
tEEEE
tEEEE
tEEEE
mbccb
mabba
mcaac
(2
.1)
(2.1)
Para a ponte da Figura 2.2 percebe-se que o cátodo das válvulas 1, 3 e 5 estão
conectados. Considerando a ponte operando com ignição dos tiristores em 0o, entre 0
o e
120o a tensão instantânea da fase “b” tem maior módulo, assim a válvula 3 está conduzindo. O
ânodo das válvulas 2, 4 e 6 estão também conectados, e percebe-se que de 60º a 180º a tensão
“a” é mais negativa, então a válvula 4 está conduzindo. Desta análise determina-se que
durante 60 a 120º a tensão sobre a carga é a diferença entre as duas tensões, igual à Vba. Esta
análise pode ser entendida aos demais “estágios de condução”, como ilustrado na Figura 2.3.
Figura 2.3 – Forma de onda das tensões de alimentação e sobre a carga para um circuito ponte de seis pulsos.
24
Durante a análise é considerado que o reator de alisamento é tão grande que a corrente
CC não apresenta variações. Desta maneira, a corrente na válvula que se encontra conduzindo
é constante e varia instantaneamente de zero a Id durante a comutação. Tal corrente também
circula no secundário dos transformadores conversores. A transferência de corrente de uma
válvula para a outra chamada de comutação. Para “LC = 0H” a comutação é instantânea e
somente duas válvulas conduzem por ciclo de condução, como ilustrado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Forma de onda das correntes CC nas válvulas e no secundário dos transformadores para um circuito
em ponte.
A análise do HVDC é realizada em termos da tensão média CC de saída do conversor
com relação à alimentação CA. Dois efeitos reduzem a tensão de saída e são passíveis de
formulação e análise: o disparo dos tiristores e o atraso de comutação entre válvulas oriundo
da reatância indutiva do sistema CA conectado ao conversor.
Aplicando-se a definição de tensão média sobre a carga para o caso da Figura 2.3
obtém-se a relação da Equação 2.2.
mCC EV
330 (2.1)
(2.2)
A tensão VCC0 é chamada tensão ideal sem carga do elo de corrente contínua.
Define-se como ângulo de disparo (também chamado ignição), o ângulo do instante
de recebimento de tensão pelo terminal de disparo (gate). Em um sistema monofásico este
ângulo é limitado à 180º a partir de quando a válvula falha na ignição. Seu efeito sobre a
tensão CC é reduzir a tensão CC por um fator cosseno, como descrito pela Equação 2.2.
);cos(.0 CCCC VV (2.1)
(2.2)
25
Como “” pode assumir valores entre 0o e 180º, VCC pode assumir valores entre +VCC0
e –VCC0, e uma vez que Id não varia, neste caso a defasagem entre a corrente da fase CA e a
tensão da mesma fase é igual a , logo é igual ao ângulo do fator de potência (=).
Na prática, a comutação de corrente de uma válvula para a outra não ocorre
instantaneamente, especialmente devido à indutância da fonte, das linhas e dos
transformadores de corrente alternada. O tempo gasto nesse processo (extinção ou condução)
é chamado tempo de sobreposição sendo denotado pelo ângulo Valores típicos para os elos
HVDC existentes, em carga nominal estão entre 15º e 25º.
Para ângulos de sobreposição entre 0º e 60º (0º<<60º), três válvulas conduzem
simultaneamente durante a comutação, enquanto no resto do período de condução somente
duas conduzem. O efeito da sobreposição das válvulas devido à existência da indutância CA é
ilustrado na Figura 2.5.
Figura 2.5 – Efeito da sobreposição das válvulas em sua comutação.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Pode-se analisar a composição deste efeito ao efeito do ângulo de disparo por iniciar a
comutação da válvula em “t ” (disparo) e encerrar em “t ”, ângulo chamado
“de extinção”, como ilustrado na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Períodos de Ignição da válvula com atraso de ignição.
Fonte: KUNDUR, 1994.
26
O efeito da sobreposição das válvulas durante a comutação sobre a tensão de saída do
conversor é ilustrada na Figura 2.7, onde se percebe que durante a comutação da válvula “1”
para “3”, estas duas válvulas e a válvula “2” estão sob condução.
Figura 2.7 – Circuito Equivalente durante a condução.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Pode-se demonstrar que imediatamente após o disparo da válvula “3” a tensão na
carga vale “(ea+eb)/2” ao invés de “eb”, o que significa que a área efetiva da tensão média na
carga é reduzida, como ilustrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 –Forma de Onda mostrando o efeito de sobreposição durante a comutação da válvula 1 para 3.
Fonte: KUNDUR, 1994.
A magnitude dessa redução é determinada percebendo-se que durante a comutação
“i1 = ICC – i3” e corresponde à relação da Equação 2.12, que permite descrever os conversores
como circuitos de CC em função de “VCC0” e “ICC”.
CC
cCCCC I
XVV
3)cos(.0
(2.1)
(2.12)
Na operação inversora, os tiristores da ponte superior disparam com tensão negativa
no ânodo da válvula, como ilustrado na Figura 2.9.
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Figura 2.9 –Forma de onda de tensão e períodos de condução das válvulas.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Como a condição de condução dos tiristores é uma queda de tensão positiva do ânodo
com relação ao cátodo, a válvula “1” só comuta a condução para a válvula “3” porque a
tensão em seu ânodo é ainda mais negativa que da válvula “3” (a queda de tensão entre o
ânodo e o cátodo da válvula 3 é positiva e quando a mesma recebe o disparo passando a
conduzir).
Este processo inicia-se normalmente, pois as tensões senoidais estão presentes nos
respectivos terminais das válvulas.
De forma análoga, os tiristores da ponte inferior são disparados com tensão positiva
em seu cátodo, mas de uma maneira que a tensão em seu ânodo seja ainda mais positiva,
garantido a queda de tensão necessária entre ânodo e cátodo para disparo.
Em termos de nomenclatura e análise, também é utilizado nos inversores os ângulos
“” como ângulo de ignição avançada e “” como ângulo de extinção avançada.
Deve-se notar que nas válvulas a corrente nunca é invertida (os tiristores conduzem
sempre no mesmo sentido), assim, o sentido da potência é definido pela polarização da tensão
em seus terminais.
2.4 OPERAÇÃO ANORMAL
A condição mais recorrente de operação anormal dos conversores, e portanto dos
HVDCs, é a falha de comutação. Esta condição corresponde à falha de comutar a condução de
corrente entre válvulas antes que a tensão de comutação se torne negativa entre o ânodo e
cátodo novamente. É mais comum ocorrer em inversores especialmente para correntes CCs
elevadas ou tensões CA reduzidas. O retificador só apresenta falha de comutação caso seu
circuito de disparo falhar.
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A título de exemplo, considere a Figura 2.10 a). Caso a comutação da válvula T1 para
a válvula T3 não ocorra entre 30º e 150º por atraso de disparo, quando T3 receber o disparo
não conduz porque a tensão entre seu ânodo e seu cátodo “ea-eb” é negativa.
a) b) Figura 2.10 – a) Falha por atraso de Disparo e b) Tensão reduzida no lado de corrente alternada.
Fonte: PESENTE, 2010.
Na Figura 2.10 b) a comutação não ocorre devido ao fato que a tensão CA na fase é
reduzida no momento do disparo, fazendo com naquele instante a tensão entre seu ânodo e
seu cátodo, “ea-ec” seja negativa. Desta análise, percebe-se que curto-circuitos nas fases que
alimentam os conversores podem causar falha de comutação.
Uma vez que a falha de comutação permite à válvula T1 continuar conduzindo na
ponte superior e ainda dispara normalmente a válvula T4 (da ponte inferior), ela sujeita o lado
CC do conversor a um curto-circuito, que é verificado pela queda da tensão no lado CC e a
interrupção de transferência de potência. A válvula T1 acaba por conduzir por um ciclo
elétrico completo (três vezes mais tempo que o normal), quando o conversor recupera-se
automaticamente.
2.5 CONTROLE DO HVDC
Pressupondo que as tensões CA de alimentação dos elos de CC são estáveis, as
correntes, tensões e o fluxo de potência nos HVDCs são estabelecidos apenas através do
disparo de seus tiristores, fazendo destes elementos sistemas altamente controláveis.
Sua eficiência depende do uso apropriado de sua controlabilidade para garantir o
desempenho desejado do sistema de potência.
De modo a usar toda sua flexibilidade e não comprometer o equipamento, vários laços
de controle são implementados de forma hierárquica, considerando a prevenção de flutuações
de ICC devido às oscilações no sistema CA. A tensão CC é mantida próxima da nominal e o
fator de potência nos conversores tão alto quanto possível para prevenir falhas de comutação.
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Os pontos operativos de regime permanente em que os controles do HVDC mantém o
Elo de CC operando são retas determinadas pelas relações de correntes e tensões em cada um
dos terminais, definidas a partir da Equação 2.13 e chamadas “características VxI”.
CCinversorCC
LinversorCCrretificadoCC IX
RVV )3
()cos(.0
(2.1)
(2.13)
Em operação normal, o inversor tem como finalidade manter a tensão do HVDC
constante, então nesta condição o inversor opera no modo “angulo de extinção () constante”,
(Constant Extintion Angle - CEA). Esta característica é ilustrada na Figura 2.11, com uma
pequena inclinação causada pela queda de tensão na resistência da linha.
Já o retificador tem como função principal controlar a corrente fluindo pela linha,
gerando a linha vertical ilustrada na Figura 2.11. A condição de regime permanente é
determinada então pela intersecção das duas retas, indicada no ponto “E”.
Figura 2.11 – Características de tensão e corrente no Retificador.
Fonte: KUNDUR, 1994.
No retificador, a característica de corrente constante é mantida reduzindo-se “”
sempre que verificado “ICC < ICC desejada”.
No inversor, a tensão do retificador é mantida constante por variar “”, descontada a
queda de tensão na linha “ICC.RL”.
Quando “”atinge seus limites (geralmente 10º e 20º), ocorre a atuação do comutador
de derivações do transformador-conversor. Se esta ação não for suficiente, a modalidade de
controle é modificada modo “angulo de ignição () constante – CIA” originando a reta “FA”
na Figura 2.12. Imediatamente após, o inversor passa a controlar a corrente do HVDC, dando
origem à reta “GH”. A margem de corrente “Im” garante que ambos os terminais não atuem
sobre a mesma variável, que levaria o HVDC a uma condição operativa instável.
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Considerando estes limites, a característica operativa completa do elo de CC é
apresentada na Figura 2.12.
Figura 2.12 – Controle real do conversor – características em regime permanente.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Além dessas características existem restrições operativas de regime geradas por limites
operativos dos tiristores, que podem sofrer danos térmicos.
Em regime permanente os conversores limitam-se de 1,2 a 1,3 da corrente nominal e
em condições não-usuais limitam-se em mínima corrente, para proteger válvulas de estresse
incomum, flash-overs ou danos nos enrolamentos do transformador.
Os HVDCs possuem uma hierarquia de controle desde o operador até o tiristor: é
chamado de controle mestre aquele que recebe a referência de potência e envia a ordem de
corrente ao controle de pólo, que por sua vez define o ângulo de disparo dos tiristores da
ponte e inclui proteções de válvulas. O controle da ponte recebe a ordem de ângulo do
controle de pólo, determina os instantes de disparo e inclui os limites de min e min.
Os controles do HVDC podem ainda, ser utilizados para melhoria do desempenho do
sistema CA em perturbações. Entretanto, os elos HVDC não isolam completamente as
variações de fluxo de potência entre os dois sistemas e ainda aparecem como cargas
insensíveis à frequência contribuindo negativamente com o amortecimento dos sistemas.
Além disso, os elos CC podem contribuir negativamente para um colapso de tensão durante
oscilações, pois, demandam muita potência reativa.
Nestas condições, o disparo dos tiristores pode ser utilizado para amortecer oscilações
eletromecânicas, aumentar a estabilidade transitória, controlar a frequência de sistemas
pequenos, regular a potência reativa e dar suporte de tensão.
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2.6 REPRESENTAÇÃO DO ELO DE CC NO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA
A inclusão do elo de CC no problema de fluxo de potência é realizada considerando
dois sistemas CA conectados a cargas nas barras de interface com o elo, como ilustrado na
Figura 2.13.
Figura 2.13 – Sistema HVDC e Modelo para inclusão no problema de Fluxo de Potência.
Fonte: NETTO, F. M., 2003, CUSTÓDIO, D. T., 2009.
Considerando a formulação típica de Newton-Raphson, o correto equacionamento nas
barras de fronteira deve incluir tanto as equações que relacionam a potência ativa e reativa
com tensões, correntes e ângulos, como as equações que representam os efeitos dos controles
do HVDC a partir das derivações dos transformadores e do ângulo de disparo dos tiristores.
2.7 REPRESENTAÇÃO EM ESTUDOS DE ESTABILIDADE
Em programas de estabilidade convencionais, as equações da rede CA são
quantificadas por meio de suas componentes de sequência positiva, o que impõe uma
limitação fundamental na modelagem de sistemas CC.
De fato, uma falha de comutação não pode ser exatamente prognosticada nestes
aplicativos, dificultando a representação de condições que podem ser originadas a partir desse
fenômeno, como faltas trifásicas severas nas proximidades do inversor e faltas desbalanceadas
no lado CA do sistema, ou ainda saturação dos transformadores do conversor durante
condições dinâmicas de sobretensão.
Alguns dos primeiros esforços para incorporar modelos de sistemas HVDC em
programas de estabilidade utilizavam uma representação detalhada que contava com a
representação dinâmica da linha e do controle do conversor (KUNDUR, 1994).
Nos últimos anos, os pesquisadores têm buscado modelos mais simplificados, que são
adequados para estudos de estabilidade de sistemas nos quais o Elo de CC está conectado a
partes fortes do sistema CA, exceto em sistemas CA enfraquecidos que requeiram sistemas de
controle CC complexos e para sistemas CC multiterminais.
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Cada sistema CC deverá ter características únicas adaptadas às suas necessidades
específicas e a sua aplicação. Por isso, modelos padronizados com estruturas fixas não têm
sido desenvolvidos para estudos de estabilidade de sistemas com Elos de CC. Em vez disso,
três categorias de modelos são amplamente aceitas: a) modelo simples, b) modelo de resposta
ou desempenho, e c) modelo detalhado com flexibilidade (KUNDUR, 1994).
2.7.1 Modelo Simples
Para elos CC remotos, os quais não geram impactos significantes nos resultados da
análise de estabilidade, modelos simplificados são geralmente adequados. O Elo de CC pode
ser representado como injeções de potência ativa e reativa constante nos terminais CA dos
conversores. Quão mais realísticos são os modelos, o Elo de CC é representado pelas
equações dos conversores estáticos e efeitos funcionais dos controles.
2.7.2 Modelo de Resposta ou Desempenho
Em estudos de estabilidade em modo geral, a parte dinâmica do Elo de CC e dos
controles dos pólos podem ser ignorados. A ação de controle do pólo é assumida como sendo
instantânea e as linhas são representadas por suas resistências.
Muitas das funções de controle são representadas em termos de seus efeitos na rede,
mais que as características de hardware.
Equações do Conversor e linha:
Os três modos de controle implementados nesse modelo, assim como descritos no
subitem 2.5 são:
Retificador em CC e inversor em modo CEA;
Retificador em CIA e inversor em modo CC;
Retificador em CIA e inversor em controle de constante (modo de transição);
O controle lógico associado a estes três modos de controle pode ser incorporado a
soluções de estabilidade. Neste caso, entretanto, as derivações do transformador não são
ajustados, visto que não são rápidos o suficiente para atuar no período de interesse.
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Forma de controle e limites de corrente:
A forma de corrente é implementada de modo que possa reproduzir a condição de
prover controle de corrente e controle de potência como desejado. Restrições são impostas no
nível de corrente para mantê-la entre limites mínimos e máximos. A máxima corrente é
determinada pelo VDCOL e implica nas características de corrente ilustradas na Figura 2.14.
Na Figura 2.14, os valores de corrente dos conversores podem variar entre IMIN e IMAX,
de acordo com o aumento da tensão CC. Sendo VD a tensão dependente da corrente. De
maneira análoga a corrente de referência “Iord” também é limitada, não ultrapassando valores
de risco mesmo recebendo sinais de controle Idesejada para o mesmo.
Figura 2.14 – Limites de dependência de Tensão e máxima corrente.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Ação de controle durante faltas no sistema CA:
Durante faltas no sistema de CA, os controles do HVDC têm funções específicas,
sendo necessário, portanto, uma representação adequada das ações de controle durante tais
eventos.
Na prática, se a tensão diminui em um lado do Elo de CC, por certo tempo maior que o
especificado, a corrente CC é ajustada em zero. Uma rampa limita a taxa de decrescimento da
corrente. A linha é desligada quando a corrente decai a um valor mínimo especificado.
A linha CC é restabelecida após a tensão ser recuperada a um valor aceitável. Se a
tensão se recupera antes da corrente do Elo de CC atingir seu mínimo, a corrente é recuperada
ao valor original. Existem outras formas alternativas de recuperação do elo:
A corrente é aumentada, controlando o ângulo “”, com o ângulo de disparo fixado
em 90 graus. Quando a corrente atinge o valor desejado menos o valor de corrente de
margem, o ângulo de extinção do inversor e decrescido em forma de rampa
normalmente ao seu valor original;
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A corrente é aumentada, mantendo a tensão no valor máximo possível (min).
A primeira opção garante que durante a recuperação, a potência reativa máxima é
retirada do sistema CA e pode ser utilizada para controlar as sobretensões. A segunda opção
garante que a máxima potência possível é enviada através do Elo de CC.
Verificação de falha de comutação:
O modelo CC geralmente inclui uma lógica de desligamento da linha CC por falha de
comutação, detectada simplesmente a partir do monitoramento da tensão de comutação ou
pelo ângulo do conversor.
2.7.3 Modelo Flexível Detalhado
Em sistemas mais complexos onde é necessário um nível elevado de detalhamento são
comuns os seguintes recursos de modelagem:
Elo de CC – um modelo dinâmico, o qual representa os efeitos de resistência,
capacitância e indutância na linha. O efeito capacitivo pode ser particularmente
importante em cabos.
O Controle do conversor é representado por modelos dinâmicos apropriados para:
Controles Principais;
Dinâmica incluindo VDCOL;
Modulação de Corrente/Potência;
Mudança de lógica rápida para potência, incluindo bloqueio e desbloqueio;
Controles de pólo capazes de representar diferentes opções de controle, como CC,
CEA, tensão CA constante, tensão CC constante, prevenção à falha de comutação, etc.
Interface CA/CC – Representação correta de comutação da tensão, comutação da
reatância e terciário do transformador, com os tiristores, condensadores e outros
componentes conectados.
Modelos detalhados de sistemas HVDC incluem a parte dinâmica do sistema, os quais
são muito mais rápidos que os modelos com um sistema CA junto. Em estudos de estabilidade
envolvendo simulações no domínio do tempo, passos de integração muito pequenos são
necessários para resolver as equações CC.
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Representação Trifásica Detalhada:
O modelo detalhado descrito acima, baseado na representação fasorial por sequência
positiva, não é preciso para a análise de faltas desbalanceadas e para previsão de falhas de
comutação. Uma simulação exata de tais condições requer um modelo trifásico detalhado,
representado ciclo a ciclo incluindo a parte dinâmica da linha CA, filtros e controles do
conversor durante o distúrbio e o início de sua recuperação.
Assim, os dois tipos de simulação, um utilizando uma representação trifásica
detalhada, de uma pequena parte do sistema próximo ao elo CC e a outra um modelo
monofásico em regime permanente com o sistema de potência completo sendo utilizado de
maneira complementar.
2.8 ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS
O Elo de corrente contínua de Furnas Centrais Elétricas tem terminais nas subestações
de Foz do Iguaçu (PR) e Ibiúna (SP) e foi concebido em 19797 como alternativa de
transmissão da potência gerada por Itaipu Binacional, pois, a energia excedente do Paraguai é
vendida ao Brasil. A frequência de operação no Paraguai é de 50Hz, e portanto para a
utilização desta energia, faz-se necessário a readequação da frequência, retificando e
convertendo em 60Hz novamente.
Este elo de corrente contínua tem capacidade máxima de transmissão de 6300 MW, e
tem seus elementos principais ilustrados na Figura 2.15, onde percebe-se que, em sua
constituição original possui dois bipólos (dois conjuntos retificadores-inversores com
polaridade positiva e negativa), onde cada um dos pólos é constituído de dois conversores em
série, resultando em oito conversores (quatro por retificador/inversor, dois por polaridade). O
elo possui aproximadamente 800 km de extensão, sua tensão de alimentação é de ± 600 kV.
Adicionalmente, para sua operação existem reatores de alisamento em CC, filtros de
harmônicas CA e CC e os eletrodos de aterramento – (anel composto por 841 barras de aço
silício, enterradas a cinco metros de profundidade).
Os elementos que constituem o Elo de Furnas possuem como principais parâmetros os
apresentados na Tabela 2.1, a seguir.
7 ITAIPU HVDC TRANSMISSION SYSTEM 10 YEARS OPERATIONAL EXPERIENCE