Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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1 INVESTIGAÇÃO DA ESTABILIDADE TRANSITÓRIA DO SCIG POR MEIO DO CRITÉRIO DA TENSÃO INTERNA CONSIDERANDO OS DISPOSITIVOS SVC E TCSC NO SISTEMA BARRA INFINITA JOÃO L. B. ZAMPERIN, LAURENCE D. COLVARA Dpartamnto d Engnharia Elétrica, UNESP - Campu d Ilha Soltira Ilha Soltira, SP, Brail zamprin@d.fi.unp.br, laurnc@d.fi.unp.br Abtract Th focu of thi work i to invtigat th impact of SVC (Static Var Compnator) and TCSC (Thyritor Controlld Sri Compnator) dvic on th critrion of intrnal voltag and how th dvic affct th powr tranmiion capacity of th ytm. Th jutification of th u of SVC i du to th natur of aynchronou machin rquir larg parcl of ractiv powr aftr a tranint priod, and th TCSC aim to rduc th virtual lngth of th tranmiion lin allowing an incra in th tability margin of th ytm. Obrving all analyzd ca it i vidncd that th critrion tak into account adquatly th inrtion of th dvic upport tting nw limit of opration for th ytm. Th tudy i dmontratd through computr imulation. Kyword Analytical mthod, Induction gnration, Static var compnator, Thyritor Controlld Sri Compnator, Tranint tability. Rumo O foco dt trabalho conit m invtigar o impacto do dipoitivo SVC (Static Var Compnator) TCSC (Thyritor Controlld Sri Compnator) obr como t dipoitivo aftam a capacidad d tranmião d potência do itma bm como aftam o critério da tnão intrna d análi d tabilidad. A jutificativa do uo do SVC é dvido a naturza da máquina aíncrona ncitarm d grand parcla d potência rativa apó um príodo tranitório, ndo qu o TCSC tm a finalidad d rduzir virtualmnt o comprimnto da linha d tranmião prmitindo um aumnto na margm d tabilidad do itma. Qutionando m todo o cao analiado a obtnção d uma mtodologia qu acompanh a dinâmica do itma, a vidncia ão d qu o critério dnvolvido lva m conta adquadamnt a inrção do uport do dipoitivo dfinindo novo limit d opração para o itma. O tudo é comprovado por mio d imulaçõ computacionai. Palavra-chav Etabilidad tranitória, Grador d indução, Método analítico, SVC, TCSC. 1 Introdução O itma d potência létrica prmancrá indfinidamnt m um ponto d opração távl, até qu uma prturbação o rmova d tado (Pai, 1981; Kundur, 1994). Quando io ocorrr, rá ncário vrificar o itma aproximará d um novo ponto d quilíbrio, ou ja, ncontrará uma ituação távl ou tornará intávl, afatando- indfinidamnt d um poívl ponto d opração (Kundur, 1994). O problma d tabilidad, m i, long d rm uprado, aprntam mpr novo dafio, uma vz qu, d modo gral, quando crto dipoitivo vm a olucionar/mitigar dificuldad d tabilidad, introduz nova dinâmica a quai intrfrm no dmpnho do itma. Pod- citar, ntr tanto, a dificuldad impota pla limitaçõ do grador d indução SCIG (Squirrl Cag Induction Gnrator), caractrizado plo alto conumo d potência rativa durant um rgim tranitório (Akmatov, 23; Fitzgrald, 26; Pça Lop, 23; Jnkin, 2; Cigré, 2), o qu pod vir a cauar um colapo d tnão no itma (Akhmatov, 23). Para uprar t inconvnint, concta- no trminai do grador um uport d potência rativa (Akhmatov, 23, 24), qu pod r um banco d capacitor (Cigré, 2; Ackrmann, 25; Anayalara, 29) ou um dipoitivo FACTS (Flxibl AC Tranmiion Sytm) do tipo SVC (Static Var Compnator) (Akhmatov, 24), o qual prmit não apna compnar potência rativa na barra a qual l tá conctado, ma também dotar o grador d uma maior capacidad d tranmião d potência por mio d control rápido d uport d potência rativa, ftuando variaçõ da compnação d modo a favorcr a tabilidad do itma (Kundur, 1994; Hingorani, 1999; Song, 1999). Cao o inconvnint provnha do itma d tranmião faz o uo do dipoitivo TCSC (Thyritor Controlld Sri Compnator), o qual faz a compnação éri capacitiva na linha d tranmião dotando o itma com maior nívi d tranmião d potência (Kundur, 1994; Song, 1999). D acordo com t comntário, t trabalho buca oluçõ para o aumnto da força rtaurativa do itma o qual tá contituído d uma máquina aíncrona vru barra infinita acrcido do dipoitivo SVC TCSC. Dipoitivo cuja finalidad ta m controlar a tnão trminal a compnação d potência rativa do grador na linha d tranmião, propiciando mlhor rultado d tabilidad para o itma nfocando o fito obr a força rtaurativa a capacidad d tranmião d potência do grador d indução m gaiola d quilo. Nta análi a mtodologia mprgada baia no uo do critério da tnão intrna o qual tm como principal finalidad avriguar a capacidad d tranmião do itma atravé do u apontador d criticidad (Zamprin Colvara, ), ba- 248

2 ado no fato d qu a prda da capacidad d tranmião do itma é cauada pla dtrioração da tnão intrna originada pla dmagntização da máquina. Motra- qu o critério da tnão intrna pod r d grand utilidad m procdimnto d análi d tabilidad do itma d nrgia létrica com a atuação do SVC do TCSC. Et trabalho ncontra organizado da guint forma. Na ção 2 é aprntada a modlagm do SMBI com o dipoitivo SVC TCSC para tudo da tabilidad tranitória. Na ção 3 é dcrito o critério da tnão intrna, incluída a rprntaçõ do dipoitivo mncionado. Na ção 4 analia- o dmpnho do critério da tnão intrna por mio d imulaçõ digitai. E por fim a ção 5 contém a principai concluõ dt trabalho. 2 Modlagm do itma para o tudo d tabilidad tranitória 2.1 Modlo dinâmico do SCIG vru barra infinita com o dipoitivo SVC TCSC O grador d indução do tipo gaiola d quilo (Akhmatov, 23) com o dipoitivo SVC TCSC ncontra- conctado à um grand itma rprntado por uma barra infinita d tnão V, por mio d dua linha d tranmião, como motra a Figura 1. SCIG I t X' I V Xtcc B I lt X V Figura 1. Diagrama do itma SCIG vru Barra infinita com SVC TCSC. O compnador tático d rativo SVC conctado no trminai do grador injta ou aborv potência rativa da rd a fim d mantr a tnão trminal (V ) m um valor pcificado (Song, 1999) o qual é pcificado com um valor corrpondnt a 1/3 da potência nominal da máquina (B =.22pu). O dipoitivo TCSC tm a função d rduzir virtualmnt a ratância ftiva da linha d tranmião, fazndo com qu a aborção d potência rativa ja mnor proporcionando ao itma um aumnto conidrávl da capacidad d tranmião d potência. Na próxima imulaçõ o valor da ratância capacitiva do TCSC (X tcc ) quival a 2% da linha d tranmião (Song, 1999) ndo conidrado como um valor razoávl. 2.2 Modlo dinâmico da conxão do dipoitivo SVC a um itma barra infinita com SCIG Uma vz qu o compnador SVC altra a tnão da barra na qual tá conctado, o mmo pod r viualizado como uma carga rativa variávl, a qual é ajutada d forma a mantr a tnão da barra aproximadamnt contant (Song, 1999, Hingorani, 1999). D acordo com (Song, 1999 Wang, 2), a potência rativa qu o SVC troca com o itma é dirtamnt proporcional ao valor da ua ucptância ao quadrado da tnão da barra, condição dcrita por (1). V - V rf + 2 V Q B (1) K 1+T B min B max Figura 2. Modlo dinâmico do SVC (Song, 1999). B O diagrama d bloco motrado na Figura 2 (Song, 1999) rprnta o modlo dinâmico do controlador d tnão do SVC. Nt modlo, a ucptância do SVC (B ) é ajutada atravé da função d tranfrência d primira ordm, com ganho K contant d tmpo T d modo a controlar a tnão da barra. A contant d tmpo rprnta o atrao do circuito d diparo do tiritor. A rprntação do limit capacitivo indutivo do quipamnto é dada por B max B min (Song, 1999). 2.3 Modlo dinâmico da conxão do dipoitivo TCSC a um itma barra infinita com SCIG Com a rdução da ratância ftiva da linha proporcionada plo TCSC, aumnta- a capacidad d tranmião d potência do itma proporciona uma tranmião távl m linha d tranmião d grand ditância. O modlo dinâmico do TCSC (Song, 1999) é vidnciado na Figura 3. ω r K tcc 1+T tcc X min X max X tcc Figura 3. Modlo dinâmico do TCSC (Song, 1999). 249

3 2.4 Modlagm do itma máquina barra infinita conidrando a compnaçõ: m drivação via SVC éri com TCSC Conidrando a compnaçõ dinâmica d rativo éri capacitiva como motra a Figura 1, a quaçõ qu dcrvm o modlo da máquina d 3 a ordm com o SVC TCSC ão: I (2) lt I I ndo qu I lt é a corrnt total forncida à rd, I t é a corrnt no trminai do grador I é a corrnt no SVC qu é dada por (Wang, 2), I jb V (3) com j 1. A tnão trminal do SCIG na prnça da compnaçõ m drivação éri (Kundur, 1994) é dada por, V V jx I lt (4) 1 ndo. 1 X B X t cc Pod- ntão conidrar o grador conctado a uma barra infinita quivalnt por mio d uma linha d tranmião quivalnt. A tnão do novo barramnto infinito é dada por: V V (5) Analogamnt, a ratância da linha d tranmião qu faz a ligação ntr a máquina aíncrona a barra infinita quivalnt é: X E X (6) A Figura 4 rprnta o itma quivalnt obtido. SCIG V X E t V' Figura 4. Sitma quivalnt máquina vru barra infinita com o dipoitivo SVC TCSC. Subtituindo (5) (6) na quaçõ da corrnt da máquina do ixo dirto quadratura do tator qu ncontram m (Kundur, 1994), obtêm- a corrnt do ixo dirto do ixo m quadratura do tator, com a incluão da compnação d potência rativa da potência éri. i i d q q V co X X Vn d X X (7) (8) O componnt d-q da tnão no trminal do SCIG com atuação do dipoitivo SVC TCSC ão obtida, v Vn X i (9) v d q q V co X i (1) d 2.5 SCIG vru barra infinita com SVC TCSC durant um príodo tranitório A Figura 5 motra a rprntação faorial do grador d indução conctado à uma barra infinita atravé d uma linha d tranmião com o dipoitivo SVC TCSC conctado no trminai do grador durant um príodo tranitório. Nota- qu, conform aumnta o grau d compnação do dipoitivo TCSC, mnor rá o ângulo λ. I m I ' d I t =I lt d δ θ λ β' ' q E' V X' I t (X X tcc )I lt Figura 5. Diagrama faorial do SCIG vru barra infinita com o dipoitivo SVC TCSC durant um tranitório. 3 Etudo da Etabilidad atravé do critério da tnão intrna com a incluão do FACTS SVC TCSC Enquanto a intalação do SVC do TCSC rolv a qutão da rgulação d tnão do SCIG o aumnto da capacidad d tranmião d potência do itma, a incorporação d ambo dipoitivo ao modlo acrcnta nova dificuldad d análi a rm uprada uma dla conit m analiar a tabilidad do itma, vito qu o dipoitivo adotado impõm altraçõ da caractrítica létrica do itma no tmpo. No ntanto, com dvida conidraçõ adquaçõ, o critério da tnão intrna aplica com a inrção do dipoitivo SVC TCSC, notando- qu o valor crítico da tnão intrna paa a acompanhar a dinâmica da ucptância do SVC da ratância capacitiva do TCSC d modo qu novo limit d opração ão dfinido a cada configuração (pré-falta, falta pó-falta) do itma do dipoitivo t limit ão dtrminado imdiata analiticamnt. Eta xpoição rá vidnciada com maior dtalh na ção 4, a qual trata da imulaçõ. A xprão qu dfin a tnão intrna crítica com SVC TCSC é obtida a partir da E crit t cc quação da máxima potência tranfrida plo grador. EV P max (11) X X Subtituindo (5) (6) m (11), obtém- a xprão da tnão intrna crítica do itma incluindo a E V q R 241

4 conxão do dipoitivo SVC TCSC. P m X X E Ecrit t cc V (12) Para aplicação do critério da tnão intrna, Zamprin Colvara (21 213) apontaram a guint conidração. A tnão intrna E' é govrnada por uma parcla d T não admit variaçõ bruca. Aim, apó a liminação da falta, mmo no cao vidntmnt távi, aprnta um ncário intrvalo d tmpo d rgnração. S o critério da tnão E' for aplicado nt intrvalo d tmpo, pod conduzir a um rultado rrôno, apontando intabilidad quando o comportamnto do itma ainda não dfiniu. Viando vitar t tipo d rro, conidra- um intrvalo d tmpo apó car a prturbação (no cao, liminar a falta) ant d aplicar o método da tnão E'. Obrvando rultado d imulação, conidra- a aplicação do critério da mínima tnão intrna apó trancorrido intrvalo quivalnt a T / 3 a partir da liminação da falta, como razoávl. Et intant d tmpo é dfinido como Partida d Aplicação do Critério da Mínima Tnão Intrna (PACMTI). 4 Validação da mtodologia com a inrção do dipoitivo SVC TCSC por mio d imulaçõ computacionai O uo do dipoitivo SVC no itma tt tal como aprntado na Figura 1, via dar adquado uport d rativo, incluiv prvnindo um colapo d tnão frnt a rgim tranitório (Akhmatov, 23). Para dotar o itma d maior capacidad d tranmião d potência é ralizada conxão d um TCSC d modo a proporcionar opração mai gura do itma. 4.1 Análi da tabilidad do SCIG vru barra infinita com o dipoitivo SVC TCSC atravé do método da tnão intrna E' Conidrando a topologia do itma da Figura 1, foram ralizado tt do tipo curto-circuito trifáico na linha d tranmião próximo ao trminai do grador o dfito é liminado potriormnt, por mio da abrtura d uma linha d tranmião. Srá analiado o limit ntr tabilidad intabilidad do itma, conidrando qu o tmpo crítico d liminação da falta ncontra no intrvalo dtrminado ntr o tmpo rpctivo à condiçõ xtrma d tabilidad intabilidad. Dtrminando o tmpo crítico d liminação d falta m divra configuraçõ do itma, ndo la: m FACTS itua- ntr 58 59m, conidrando apna o SVC o tmpo d liminação d falta aumnta para 86 87m com a incluão do SVC+TCSC t intrvalo d tmpo itua ntr 92 93m (Figura 6 7). Tnão intrna E (pu) E crit- E crit-+tcc Sm FACTS - t ch =58m =86m E crit-mfact Tmpo () Figura 6. Tnão intrna vru tmpo, cao távi. Obrva- a capacidad d tranmião do itma por mio do critério da mínima tnão intrna, atravé da guint condiçõ. Conidrando a imulaçõ da Figura 6, nota- qu, m todo intant apó a falta, a aplicação do método (PACMTI) motra E'>E' crit, d modo qu P max P m, vidnt, conquntmnt, a volução do movimnto do itma para um novo ponto d opração távl. A tnão intrna crítica varia ao longo do movimnto do itma, m razão d tar acompanhando a dinâmica do dipoitivo FACTS, tanto o SVC quanto o TCSC. Tnão intrna E (pu) E crit-mfact Sm FACTS - t ch =59m =87m =93m E crit-+tcc E crit Tmpo () Figura 7. Tnão intrna conidrando o cao intávi (Sm FACTS (t ch=59m), SVC (t ch=87m) SVC+TCSC (t ch=93m)) o cao távl SVC+TCSC (t ch). Para o cao d intabilidad quando a falta é liminada m t ch =59m (Sm FACTS), t ch =87m (SVC), ou ja, a falta tm duração maior qu o tmpo crítico do itma (t cr ), conidrando o PACMTI corrpondnt ao t ch. Nota- qu a intabilidad do itma vm a r dtctada no intant qu a tnão intrna ultrapaar o valor d E' crit, cauando a prda da capacidad d tranmião da potência forncida ao ixo da máquina, cauada pla dtrioração da tnão intrna, como motra a Figura

5 Avrígua- qu o itma paou a tr maior capacidad d tranmião d potência dvido a intalação do dipoitivo FACTS, ituação contada plo critério da tnão intrna, m vita da mínima tnão intrna tar tomando mnor valor com um aumnto no tmpo crítico. tabilidad no itma. Sndo qu o qu o critério da tnão intrna foi capaz d dtctar prciamnt ao longo do movimnto do itma o ponto d quilíbrio távl intávl. Tabla 1. Análi do tmpo crítico do itma m divra configuraçõ. Ecorrgamnto Sm FACTS - t ch =59m =87m =93m t cr -távl t cr -intávl Sm Fact t ch =58m t ch =59m TCSC t ch =66m t ch =67m SVC t ch =86m t ch =87m SVC+TCSC t ch t ch =93m O itma paa a r mai robuto a partir do momnto o qual é conidrado a compnaçõ via dipoitivo SVC + TCSC Tmpo () Figura 8. Vlocidad do rotor conidrando o cao intávi: m FACTS com SVC /intávl com intalação do SVC + TCSC. Analiando o guint cao intávi do itma: m FACTS (t ch =59m) com o SVC (t ch =87m) quando a tnão intrna ultrapaa o u dtrminado valor d E' crit o itma prd a capacidad d tranmião uma parcla da potência mcânica inrida no ixo do rotor da máquina tá ndo convrtida m potência aclrant do rotor, qu volui monotonicamnt para intabilidad como motra a Figura 8. A Figura 9 motra o comportamnto da tnão trminal do SCIG. Tnão trminal (pu) Sm FACTS - t ch =59m =87m Tmpo () Figura 9. Tnão trminal do grador com a guint configuraçõ: m FACTS (t ch=59m) com SVC (t ch=87m) com SVC+TCSC (t ch=92 93m). 4.2 Análi do dipoitivo qu ofrcm mlhor dmpnho d tabilidad para o itma SCIG vru barra infinita D acordo com a Tabla I obrva o tmpo crítico do itma diant da configuraçõ analiada ao longo do trabalho, contando- qu o itma quando ncontra conctado com o dipoitivo SVC + TCSC o itma poui maior capacidad d tranmião d potência obtndo maior nívi d 5 Concluõ D acordo com o tudo ralizado conclui- qu o método da tnão intrna rvlou r capaz d avaliar adquadamnt o novo limit d tabilidad dtrminado por variaçõ do compnador, notando- qu o valor crítico da tnão intrna paa a acompanhar a dinâmica do dipoitivo FACTS SVC TCSC, d modo qu novo limit d opração ão dfinido a cada intant atravé do movimnto do itma do dipoitivo, ndo t limit dtrminado imdiata analiticamnt, como dmontrado no dnvolvimnto tórico comprovado atravé da imulaçõ. Agradcimnto Ao Programa da Pó do Dpartamnto d Engnharia Elétrica da UNESP - Campu d Ilha Elétrica a Coordnação d Aprfiçoamnto d Poal d Nívl Suprior (CAPES) plo incntivo ao uport financiro. Rfrência Bibliográfica Ackrmann, T. (25) Wind powr in powr ytm. England: John Wily & Son. Akhmatov, V. (23) Analyi of Dynamic Bhaviour of Elctric Powr Sytm with Larg Amount of Wind Powr Ph.D. Thi, Tchnical Univrity of Dnmark, Dnmark. Akhmatov, V.; Søbrink K. (24) A Static VAR Compnator Modl for Improvd Rid-Through Capability of Wind Farm. Wind Enginring, Vol. 28, No. 6, pp Anaya-Lara, O.; Jnkin, N.; Ekanayak, J.; Cartwright, P.; Hugh, M., (29) Wind Enrgy Gnration Modlling and Control, John Wily & Son. 2412

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