V SBQEE CONTROLE DO PERFIL DE TENSÃO ATRAVÉS DO STATCOM UTILIZANDO O SIMULADOR SABER

Transcrição

1 V SBQEE Semnáro Braslero sobre Qualdade da Energa Elétrca 17 a 0 de Agosto de 00 Aracaju Sergpe Brasl Códgo: AJU Tópco: Modelagens e Smulações CONTROLE DO PERFIL DE TENSÃO ATRAVÉS DO UTILIZANDO O SIMULADOR SABER Walkyra K. A. Gonçales Martns* Adeon Ceclo. Pnto Geraldo Caxeta Gumarães José Carlos de Olera Rcardo N. Magalhães UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA UFU Faculdade de Engenhara Elétrca FEELT RESUMO Este artgo objeta apresentar o desempenho do modelo do, mplementado no SABER, durante o controle de tensão de um barramento. Para tanto, prmeramente, é descrto o prncípo básco de funconamento de tal equpamento, o qual rege seus objetos de controle. Anda, a modelagem matemátca deste compensador é abordada utlzando a teora etoral, uma ez que nela se basea toda sua malha de controle, a qual também é descrta na seqüênca. Fnalmente, são efetuadas as análses de desempenho das referdas mplementações do equpamento atraés de estudos de casos PALAVRAS-CHAVE FACTS,, e controle de tensão INTRODUÇÃO As nterconexões de sstemas elétrcos têm sdo fetas objetando mnmzar o número de undades geradoras, para atender a maor quantdade de cargas com um certo grau de confabldade. Todaa, controles nadequados podem mpedr a utlzação de todo o potencal das lnhas de transmssão exstentes. Face a sto e buscando soluções para o problema de suprmento elétrco, surge o conceto de FACTS (Flexble AC Transmsson Systems), que é uma flosofa de transporte de energa elétrca por Sstemas de Transmssão CA Flexíes [1,]. Já que esta técnca emprega equpamentos da eletrônca de potênca em sstema de transmssão para controle do fluxo de potênca e suporte de tensão, dee-se obserar que, com o aanço de tas dspostos (GTO), o emprego dos FACTS se torna cada ez mas atrato. Dentre tas equpamentos, destaca-se o o qual consste de um compensador estátco aançado de reatos, cuja prncpal função é regular a tensão nas lnhas de transmssão. De um modo geral, a mplantação destes compensadores em um sstema de potênca é necessaramente antecedda por estudos computaconas, para que o equpamento seja dmensonado e ajustado corretamente. Para tanto, são requerdos softwares dedcados a smulações específcas, tas como: fluxo de carga, harmôncos, transtóros eletromagnétcos, etc.. Assm, dante da crescente necessdade de tas análses, é extremamentnteressante que uma únca ferramenta computaconal seja capaz de realzar os mas dferentes estudos assocados à engenhara elétrca. Neste partcular, destaca-se o smulador SABER que, além de uma arada bbloteca, propca, atraés de uma lnguagem própra (Mast), a modelagem de qualquer componente eletro-eletrônco, mecânco, etc., no domíno do tempo. Além dsso, o SABER possu característcas como grande ersatldade gráfca, capacdade dnterconexão com rotnas elaboradas em outras lnguagens de programação (C e Fortran) e manpulação dos resultados de saída, que permtem a execução de estudos mas complexos e análses mas rcas. Dante do exposto, este artgo apresenta o desempenho do modelo do, * A. João Naes de Ála, 160 Campus Santa Mônca - Uberlânda - MG - BRASIL Tel./FAX: +55 (04) E-mal: walkyra@ufu.br, adeonpnto@bol.com.br, gcaxeta@ufu.br, jcolera@ufu.br

2 6 mplementado no SABER pelas referêncas [] e [4], durante o controle de tensão em um barramento. Para tanto, prmeramente, faz-se necessáro uma descrção do prncípo básco de funconamento de tal equpamento, para que os objetos do controle possam ser determnados. Além dsso, é abordada a modelagem matemátca do, utlzando a teora etoral, uma ez que nela se basea toda a malha de controle empregada na sua operação. Ressalta-se que, tal malha de controle, defnda e mplementada computaconalmente no SABER pela referênca [], também é descrta na seqüênca. Fnalmente, as análses de desempenho das referdas mplementações do equpamento são efetuadas atraés de estudos de casos..0 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO O, consste de um nersor, almentado por um capactor e conectado ao barramento do sstema a ser compensado atraés de um transformador de acoplamento, cujo modelo funconal é mostrado na Fg.1. Sstema CA Inersor L PAC C Fgura 1 Controle da tensão atraés do A tensão trfásca gerada pelo defne a troca de potênca reata e/ou ata entre o mesmo e o sstema CA. Dessa forma, não haerá fluxo de corrente para o nersor se a tensão gerada ter o mesmo módulo e ângulo de fase daquela no ponto de acoplamento comum (PAC). Se as perdas forem desprezadas e não haendo um dsposto armazenador de energa, resulta que ambas as tensões, ctadas acma, estão em fase. Assm, se a ampltude da tensão for maor que aquela do sstema, uma corrente capacta (adantada) flurá da barra PAC para o (Fg. a). Por outro lado, se for menor que, então haerá crculação de uma correntnduta (atrasada) (Fg. b) [1]. As formas de se controlar a tensão na saída do nersor do aram desde o chaeamento tpo onda retangular 10 º, com possíes assocações entre eles para o propósto de redução dos harmôncos de baxa ordem, até o chaeamento tpo PWM. L (q>0) (q<0) L (a) Modo capacto (b) Modo nduto Fgura Dagrama fasoral.0 - REPRESENTAÇÃO VETORIAL A representação do é baseada na teora etoral, uma ez que esta smplfca tanto a análse como o controle das suas grandezas. De acordo com tal teora [5], tensões e correntes são representadas por etores, cujas componentes podem ser trfáscas, no sstema abc, ou ortogonas, nos sstemas estaconáro dq0 e síncrono αβ0, como é mostrado na Fg.. (exo B) exo q q q φ (exo Β) exo β exo q α = θ exo α d d exo d exo d (exo A) (exo A) (a) Sstema estaconáro (dq0) (b) Sstema síncrono (αβ0) Fgura Decomposção dos etores de tensão e corrente A Fg. 4 lustra a decomposção dos etores enoldos no controle do. (exo B) exo β β exo q β α θ φ β φ α α = α exo α exo d (exo A) Fgura 4 Decomposção etoral das tensões e correntes do nos sstemas referênca estaconáro e síncrono A transformação das coordenadas do sstema de referênca abc para dq0 é feta atraés da Eq. (1): z d z a z q = [ C] z b (1) 0 z c z abc - componentes trfáscas d, e. z dq - componentes ortogonas dos etores, e no sstema de exos estaconáros. [C] - matrz de transformação do sstema trfásco para o de exos ortogonas estaconáros dada pela Eq. ()

3 [ C ] = 0 () A transformação das coordenadas do sstema abc para αβ0 é feta atraés das Eqs. () e (4). z α z a z β = [ C1] z b () 0 z c α β = 0 = 0 0 a 1 b c [ C ] z αβ - componentes ortogonas d, e no sstema de referênca síncrono. - Módulo de ( = d + q ). [C 1 ] - matrz de transformação para o sstema de referênca síncrono dada pela Eq. (5). cos( θ ) cos( θ ) cos( θ + ) (4) [ ] C 1 = sen( θ ) sen( θ ) sen( θ + ) (5) ( ) θ = tan 1 q d (6) Assm, de acordo a teora etoral, as potêncas ata e reata, que fluem entre o e o sstema sob compensação, são dadas pelas eqs. (7) e (8), respectamente: p = ( d d + qq ) = cos φ (7) ( ) = senφ q = d q q d (8) φ - ângulo entre os etores. A partr da Fg.4, erfca-se que: α = cosφ (9) β = senφ (10) Com sso, substtundo (9) em (7) e (10) em (8), pode-se dzer que para se controlar o fluxo de potênca ata e reata do, dee-se controlar as correntes α β, respectamente, como mostram as eqs. (11) e (1). p = (11) q = α β (1) SISTEMA DE CONTROLE DO O prncpal objeto do sstema de controle do mplementado, consste em controlar o módulo da tensão do barramento CA, ao qual o equpamento está conectado, mantendo-se a tensão c no capactor constante. Isto pode ser alcançado alterando-se os fluxos das potêncas ata e reata, entre o equpamento e o sstema CA, atraés das componentes α β do etor de corrent, respectamente. Isto pode ser confrmado, aplcando-se a análse feta na seção anteror, ou seja: Se uma determnada corrente, denomnada, flu entre o sstema elétrco de potênca CA e o e, se a dreção do etor da tensão no ponto de conexão do equpamento for concdente com a dreção do exo α, do sstema de referênca síncrono, a component β da referda corrente carrea a potênca reata nstantânea e a component α é a responsáel pelo fluxo da potênca ata. Assm, as equações (11) e (1) podem ser empregadas, e de acordo com as análses efetuadas na seção anteror, são fetas as seguntes afrmatas: p > 0 absore potênca ata p < 0 fornece potênca ata q > 0 fornece potênca reata q < 0 absore potênca reata As correntes α β, podem ser alteradas, operando-se apropradamente o nersor, de modo que nos seus termnas trfáscos seja entregue uma tensão, cujas componentes α e β sejam apropradas, para qu α β, se estabeleçam em alores adequados à compensação desejada. Para tanto, a malha de controle utlzada neste trabalho (Fg. 5), defnda mplementada pela referênca [], atua sobre o ângulo de fase e na magntude do etor de tensão nos termnas trfáscos do nersor, uma ez que uma tensão constante nos termnas do capactor é requerda. II ref c ref II c PI -1 PI - II c Cálculo de m p c m p f p MEDIÇÃO E TRANSFORMÇÃO VETORIAL GERAÇÃO DOS PULSOS c abc abc g 1 g g g 4 g 5 g 6 INVERSOR () SISTEMA DE TRANSMISSÃO CONTROLADO Fgura 5 - Dagrama de blocos do controle do

4 8 A fgura anteror mostra que, uma ez meddo o módulo da tensão do barramento controlado pelo, este é comparada com um determnado alor de referênca. O snal de erro proenente de tal comparação almenta o controlador PI-1, o qual defne o fator de modulação adequado para proer nos termnas trfáscos do nersor uma tensão, cuja magntude defne o noo fluxo de reato necessáro para que o módulo da tensão no barramento CA seja equparado com o alor de referênca. À medda que é corrgda, a tensão c nos termnas do capactor é alterada, dedo a uma tendênca deste dsposto de carregar ou descarregar durante tal processo. Assm, uma ez erfcado algum snal de erro entre esta últma tensão e o seu alor de referênca, o controlador PI- defne um noo ângulo para a tensão no lado trfásco do nersor. O defasamento entre as tensões e é responsáel pelo fluxo de potênca ata necessára para a descarga ou recarga do capactor, até que a tensão nos seus termnas atnja o alor de referênca estpulado SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS Esta seção é oltada para os estudos de desempenho operaconal do no sentdo de compensar condções dersas na rede de suprmento, tas como afundamentos e eleações momentâneos e equlbrados de tensão e, anda, proer a regulação desta grandeza no barramento CA ao qual encontra-se conectado. Para tanto, são fetas smulações computaconas de um sstema elétrco (Fg. 6) que representa um complexo típco para o emprego do compensador em questão. ~ B1 CONCESS_1 Scc=000MVA 69kV LT-4 LT-1 B CARGA S=0MVA fp=0,9 LT- LT- B CARGA S=40MVA fp=0,95 As chaes do nersor utlzado na representação do são aconadas por um controle PWM senodal a uma freqüênca de chaeamento de 1,8 khz. A tensão no capactor é de 15 kv, de acordo com o níel de regulação desejado da tensão no barramento do sstema elétrco. Para o sstema apresentado, foram estudados 5 casos, os quas encontram-se resumdos na Tabela 1. Caso Tabela 1 - Síntese dos casos estudados Descrção 1,8 s s 4 s Tensão CA de referênca do é alterada V ref=1,0 pu 1 Sstema em condções normas V ref=0,91pu Sstema em condções normas sem Sstema em condções normas com 4 Sstema em condções normas sem 5 Sstema em condções normas com RESULTADOS Sag de 10% na barra B sem Sag de 10% na barra B com Swell de 10% na barra B sem Swell de 10% na barra B com Tensão CA de referênca do retorna ao alor orgnal V ref=0,91 pu Retra-se o Sag de 10% na barra B sem Retra-se o Sag de 10% na barra B com Retra-se o Swell de 10% na barra B sem Retra-se o Swell de 10% na barra B com Os resultados apresentados a segur são agrupados, também, em cnco conjuntos de acordo com os casos smulados. 6.1 Caso 1 Regulação de tensão Da Fg. 7 erfca-se que, a tensão efcaz na barra B encontra-se em níes relatamente baxos (0,91pu) até que, a partr de s, acompanhando a referênca do, tal grandeza controlada passa a apresentar o alor de 1pu da tensão nomnal do barramento. Uma redução nesse alor efcaz é obserada a partr de s dedo, mas uma ez, a alteração do patamar de referênca do compensador. V B referênca V B real B4 ~ CONCESS_4 Scc=1400MVA 69kV CARGA4 S=15MVA fp=0,9 Fgura 6 - Dagrama unflar smplfcado do sstema smulado Fgura 7 Tensão efcaz na barra B (V base =69 kv) regulação de tensão A Fg. 8 mostra a njeção de 4,5 Mar por parte do para que a presente regulação de tensão seja efetuada.

5 9 pu) na tensão montorada, o que não representa maores nconenentes. V B referênca V B real Fgura 8 Potênca reata entre o e o sstema CA regulação de tensão A Fg. 9 edenca que, apesar da ocorrênca de algumas osclações (±0,01pu) nos nstantes em que a referênca de tensão CA é alterada, o controle utlzado é efcaz na manutenção da tensão nos termnas do capactor do em 1,0 pu Fgura 11 Tensão efcaz na barra B (V base=69 kv) Sag 10% com Para que o controle da tensão na barra B seja bem suceddo, é necessára uma njeção de 4 Mar, por parte do, durante os nstantes de duração da perturbação (Fg. 1). Fgura 9 Tensão nos termnas do capactor do (V base=15 kv) regulação de tensão 6. Caso Sag de 10% sem Da Fg. 10 obsera-se que, como não há um controle da tensão barra B, tal alor, que já se encontraa em 0,91pu, ca para 0,8 pu durante a aplcação do afundamento. Esta tensão retoma o seu alor orgnal, apenas, quando o referdo dstúrbo é elmnado em t = s. Fgura 1 Potênca reata entre o e o sstema CA Sag 10% com A Fg. 1 mostra a tensão V c nos termnas do capactor do a qual, também neste caso, fo mantda pratcamente constante, a despeto da ocorrênca de pcos transtóros rreleantes (±0,008 pu) nos nstantes de aplcação e elmnação do dstúrbo em questão. V B referênca V B real Fgura 10 Tensão efcaz na barra B (V base =69 kv) Sag 10% sem 6. Caso Sag de 10% com A Fg. 11 exbe a nítda efcáca do em manter a tensão na barra B em um alor constante (0,91pu), mesmo durante a mposção de um sag sobre a mesma. Apenas de uma forma transtóra, tal grandeza expermenta um alor de 0,9p.u. em t = s, que pode ser consderado rrsóro se comparado com seu alor orgnal e com a magntude do afundamento de tensão. Quando o dstúrbo é elmnado em t = s, é possíel obserar uma pequena eleação (0,9 Fgura 1 Tensão nos termnas do capactor do (V base=15 kv) Sag 10% com 6.4 Caso 4 Swell de 10% sem Uma ez que não exste qualquer controle sobre a tensão da barra B, da Fg. 14 erfca-se que, durante a ocorrênca do eento, a grandeza em questão acompanha tal dstúrbo na mesma proporção (10%). Vale ressaltar que, para o presente sstema em que a tensão no barramento encontra-se baxa, a magntude da perturbação mposta não mplca em maores problemas, haja sto os níes de tensão efcaz atngdos (69,4 kv). Todaa, em sstemas cujas tensões de operação estejam com alores aproprados ( 1,0

6 0 pu), as conseqüêncas deste tpo de sobre-tensão podem ser agraadas já que, como menconado, tas níes se eleam na mesma proporção. V B referênca V B real do dstúrbo em questão. Não obstante estes fatos, tal grandeza fo conduzda ao seu alor de referênca (1,0 pu) e nesse patamar fo mantda durante o regme permanente. Fgura 14 Tensão efcaz na barra B (V base =69 kv) Swell 10% sem 6.5 Caso 5 Swell de 10% com Baseando-se na Fg. 15 pode se constatar, mas uma ez, a efcáca do em manter a tensão na barra B em um patamar constante 0,91 pu, mesmo durante a mposção de um swell de 10% na tensão do sstema. De uma forma transtóra tal grandeza expermenta um pco de 0,9pu em t = s, que pode ser consderado pequeno se comparado com seu alor orgnal (0,91pu) e com a magntude do dstúrbo. V B referênca V B real Fgura 15 Tensão efcaz na barra B (V base=69 kv) Swell 10% com O procedmento empregado pela malha de controle para reduzr a tensão do barramento dante da manobra efetuada consste da absorção de reatos por parte do, enquanto tal dstúrbo perdure. Neste caso, a potênca reata absorda em regme permanente equaleu a 18, Mar, o que pode ser sualzado na Fg. 16. Fgura 16 Potênca reata entre o e o sstema CA Swell 10% com A Fg. 17 mostra a tensão V c nos termnas do capactor do que, desta ez, expermentou osclações transtóras maores (±0,1pu) nos nstantes de aplcação e elmnação Fgura 17 Tensão nos termnas do capactor do (V base=15 kv) Swell 10% com CONCLUSÕES Este artgo abordou os fundamentos teórcos que regem o funconamento do, segudos das equações utlzadas para a montoração e controle de suas grandezas atraés da teora etoral. Com a mplementação das undade de potênca e controle do no smulador SABER, foram fetas smulações para aalar o seu desempenho sob áras condções da rede de suprmento. Fo erfcada a nítda efcáca deste equpamento no controle da tensão de um barramento CA, durante a ocorrênca de dstúrbos de qualdade da energa relaconado com o alor efcaz de tal grandeza. Tal controle de tensão se torna possíel atraés da troca de potênca reata entre o e o sstema CA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] L. Gyugy, Adanced Statc VAR Compensator Usng Gate Turn-Off Thyrstors for Utlty Applcatons, CIGRE Paper No. - 0, [] N. G. Hngoran, Hgh Power Electroncs and Flexble AC Transmsson System, IEEE Spectrum, Aprl 199, pp , [] W. G. Martns, Modelagem e Análse de Desempenho de Compensadores Estátcos Aançados no Contexto da Qualdade da Energa Elétrca, Tese de Doutorado, Unersdade Federal de Uberlânda, 00. [4] W. Gonçales, J. C. Olera, V. L. Franco, Harmôncos Produzdos por Compensadores Estátcos de Últma Geração sob Condções de Suprmento com Perda de Qualdade, III SBQEE, Brasíla, [5] C. Schauder, H. Mehta, Vector Analyss and Control of Adanced Statc VAR Compensator, Conference Publcaton 45 - IEE, Londres, Set.1991.