UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA. Lucas Ivã Ferrer Azevedo

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA Avaliação do Desempenho de um AVR através de testes utilizando um Simulador Digital em Tempo Real (RTDS) Lucas Ivã Ferrer Azevedo Itajubá, setembro de 2018

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA Lucas Ivã Ferrer Azevedo Avaliação do Desempenho de um AVR através de testes utilizando um Simulador Digital em Tempo Real (RTDS) Monografia apresentada ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia, da Universidade Federal de Itajubá, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Paulo Márcio da Silveira Coorientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Villegas Guerrero Itajubá, setembro de 2018 ii

3 Resumo O regulador de tensão automático (AVR Automatic Voltage Regulator) é um equipamento que possui a função de controlar automaticamente a tensão nos terminais do gerador, a fim de garantir a estabilidade do sistema elétrico envolvido, através de ações de controle no sistema de excitação da máquina síncrona. Ainda, malhas de controle internas ao AVR garantem que as ações tomadas pelo regulador não levem a máquina a operar fora de seus limites de capacidade. Com o auxílio do Simulador Digital em Tempo Real (RTDS Real-Time Digital Simulator) é possível reproduzir um sistema elétrico operando em diferentes condições de carga, as quais um AVR poderia encontrar na operação em um sistema elétrico real. Tendo em vista a análise do desempenho de um AVR comercial, esse trabalho possui como objetivo analisar a operação de um AVR, onde todo o sistema de potência teste será modelado e simulado no RTDS. Deste modo, serão simulados cenários de operação de um sistema elétrico de potência com o intuito de avaliar as respostas do AVR na estabilidade do sistema. Além disso, o trabalho também possui como objetivo definir uma estratégia de testes em malha fechada (HIL Hardware-In-the-Loop) para um AVR comercial. Palavras chave: AVR, RTDS, HIL, Estabilidade. iii

4 Abstract The Automatic Voltage Regulator (AVR) is a device that has the function of automatically adjust the output voltage of the generator, to maintain the power system stability, through a feedback control system that is used to adjust the excitation current of the synchronous machine. Still, control loops into the AVR guarantee that the actions taken by the regulator don t lead the machine to an operational point that doesn t meet the generator capability curve. With the Real-Time Digital Simulator (RTDS) is possible to reproduce a power system operating at different load conditions, which an AVR could match in a real power system operation. In order to analyze the performance of a commercial AVR, this project aims to analyze the operation of an AVR, which the power system will be modeled and simulated using the RTDS. Thereby, different scenarios of load will be simulated in real time in a power system, with the purpose of evaluate the AVR responses in the power system stability. Besides that, this project aims to define also a Hardware-In-the-Loop strategy for a commercial AVR. Key words: AVR, RTDS, HIL, Stability iv

5 Lista de Figuras Figura 1 - Cálculo do sinal de erro do regulador, limitadores e seleção dos parâmetros PID Figura 2 - Malha de anti wind-up PID do ganho proporcional e constante de tempo integral Figura 3 - Controle de fator de potência (PF) e Mvar Figura 4 - Representação computacional do limitador V/Hz Figura 5 - Representação computacional do limitador da máxima corrente de excitação Figura 6 - Representação computacional do limitador da mínima corrente de excitação Figura 7 - Representação computacional do limitador de corrente do estator Figura 8 - Representação computacional do limitador P e Q Figura 9 Representação computacional do modelo IEEE PSS 2B Figura 10 Módulos do RSCAD Figura 11 Tela do módulo Draft do RSCAD Figura 12 Ícone do componente _rtds_pdsm_flt_v Figura 13 Menus do componente _rtds_pdsm_flt_v Figura 14 Menu de configuração geral Figura 15 Ícone do componente para fextyp = Control System Input Figura 16 Ícone do componente para fextyp = Power System Node Figura 17 Menu de configuração do fluxo de potência inicial Figura 18 Menu de configuração do modelo da máquina baseado nos eixos DQ Figura 19 Circuito equivalente de eixo direto da máquina síncrona, no RTDS Figura 20 Circuito equivalente de eixo de quadratura da máquina síncrona do modelo, no RTDS Figura 21 Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato R e X Figura 22 Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato gerador Figura 23 Menu de curva de saturação da máquina: curve by factor Figura 24 Curva de saturação de circuito aberto Figura 25 Menu da cuva de saturação da máquina: curve by points Figura 26 Menu de configuração dos parâmetros mecânica da máquina v

6 Figura 27 - Esquema HIL convencional para um AVR Figura 28 Diagrama de conexões do AVR UNITROL Figura 29 Bornes do AVR UNITROL Figura 30 Saída analógica em função da corrente de excitação percentual Figura 31 Esquema de conexões físicas do Unitrol Figura 32 Modelagem do gerador no RSCAD para o teste em malha fechada Figura 33 - Sistema modelado no RSCAD para o teste em malha fechada Figura 34 bloco de aquisição de dados para o teste em malha fechada Figura 35 Tela principal do software CTM Figura 36 Parametrização do AVR: Dados do sistema Figura 37 - Tela de configuração da regulação da tensão terminal Figura 38 Tela de configuração do limitador V/Hz Figura 39 Tela de configuração dos limitadores operacionais Figura 40 Tela de configuração das saídas analógicas Figura 41 Malha de cálculo do sinal de erro implementada no RSCAD Figura 42 Malha de anti wind-up implementada no RSCAD Figura 43 Malha do IEEE PSS 2B implementada no RSCAD Figura 44 Malha do limitador V/Hz implementada no RSCAD Figura 45 Malha do limitador de máxima corrente de excitação implementada no RSCAD Figura 46 Malha do limitador de mínima corrente de excitação implementada no RSCAD Figura 47 Malha do limitador de corrente do estator implementada no RSCAD Figura 48 Malha do limitador P e Q implementada no RSCAD Figura 49 Modelo do AVR UNITROL implementado no RSCAD Figura 50 Modelo de gerador no RSCAD para teste do AVR virtual Figura 51 Sistema de potência teste para avaliar o comportamento do AVR virtual Figura 52 Bloco de aquisição de dados para o teste com o AVR virtual Figura 53 Tela do módulo RunTime para a simulação em tempo real Figura 54 - Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 55 - Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] vi

7 Figura 56 - Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 57 - Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 58 Conexão do gerador com o AVR IEEE AC Figura 59 Comportamento da corrente de excitação para descarte total de carga Figura 60 Tensão terminal após descarte total de carga Figura 61 Instabilidade da tensão terminal após descarte total de carga Figura 62 Corrente de excitação com corte da onda no limite superior Figura 63 Tensão terminal para cenário de perda total de campo Figura 64 Corrente de excitação para cenário de perda total de campo Figura 65 Tensão de campo para cenário de perda total de campo Figura 66 Comportamento da tensão terminal após cenário de perda de campo Figura 67 - Comportamento da tensão de campo após cenário de perda de campo Figura 68 - Comportamento da corrente de excitação após cenário de perda de campo Figura 69 Regulação de tensão terminal para validação do limitador V/Hz Figura 70 Comportamento da frequência para validação do limitador V/Hz Figura 71 - Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 72 - Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 73 - Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 74 - Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 75 - Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 76 - Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 77 - Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 78 - Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 79 - Tensão terminal durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 80 - Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 81 - Tensão terminal durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 82 - Tensão de campo durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura 83 - Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 84 - Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] vii

8 Figura 85 - Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 86 - Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 87 - Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 88 - Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 89 - Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 90 - Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 91 - Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 92 - Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 93 - Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 94 - Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 95 - Tensão terminal durante descarte total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 96 - Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 97 - Tensão terminal durante injeção total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 98 - Tensão de campo durante injeção total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura 99 - Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] viii

9 Figura Tensão de campo durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura 115 Malhas de controle do AVR IEEE AC Figura Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] 115 Figura Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] 117 Figura Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] 119 Figura Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 0,98 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] 123 Figura Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] 125 Figura Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] 127 Figura Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] ix

10 Figura Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção total carga para ajuste de tensão em 0,90 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 11,11% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 22,22% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção de 33,33% de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante descarte total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão terminal durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] Figura Tensão de campo durante injeção total de carga para ajuste de tensão em 1,1 [p.u] x

11 Lista de Tabelas Tabela 1 Dados do gerador síncrono para parametrização no RSCAD Tabela 2 Ajustes de tensão terminal para testes do AVR virtual Tabela 3 Testes para descarte e injeção de carga Tabela 4 Resultados da regulação de tensão do AVR UNITROL Tabela 5 - Resultados da regulação de tensão do AVR IEEE AC Tabela 6 - Parâmetros da malha de cálculo do sinal de erro do regulador Tabela 7 - Parâmetros da malha de anti wind-up Tabela 8 - Parâmetros do PSS IEEE 2B Tabela 9 - Parâmetros da malha do limitador V/Hz Tabela 10 - Parâmetros da malha do limitador de máxima corrente de excitação Tabela 11 - Parâmetros da malha do limitador de mínima corrente de excitação Tabela 12 - Parâmetros da malha do limitador de corrente do estator Tabela 13 - Parâmetros da malha do limitador P e Q xi

12 Lista de Abreviaturas, Siglas e Unidades A ABB ANN AVR CTT D GTAI GTAO HIL HV Hz IEC IEEE ka LOE LV Mvar P PDSM PF PID PSS PT ampère ASEA Brown Boveri Artificial Neural Network Automatic Voltage Regulator Critical Clearing Time Direto (eixo) Giga-Transceiver Analogue Input Card Giga-Transceiver Analogue Output Card hardware-in-the-loop High Value hertz International Electrotechnical Commission Institute of Electrical and Electronics Engineers Quiloampère Loss-of-Excitation Low Value Megavolt-ampères Reativo Potência Ativa Phase-Domain Synchronous Machine Power Factor Proporcional Integral Derivativo Power System Stabilizer Potência Ativa no Terminal da Máquina xii

13 PWM Q Q QMAP QT RSCAD RTDS SEP TC TP UEL UNIFEI V VT Pulse Width Modulation Potência Reativa Quadratura (eixo) Centro de Estudos em Qualidade da Energia e Proteção Elétrica Potência Reativa no Terminal da Máquina Real Time Simulation Computer Aided Design Real Time Digital Simulator Sistema Elétrico de Potência Transformador de Corrente Transformador de Potencial Underexcitation Limiter Universidade Federal de Itajubá volts Tensão no Terminal da Máquina xiii

14 Sumário 1 INTRODUÇÃO Considerações iniciais Motivação Objetivos Estrutura do trabalho O ESTADO DA ARTE ESTUDO DO AVR A SER MODELADO NO RSCAD Considerações iniciais Malhas de controle do AVR Representação computacional do AVR Representação computacional do controle de fator de potência (PF) e Mvar Representação computacional do limitador V/Hz Representação computacional do limitador da máxima corrente de excitação Representação computacional do limitador da mínima corrente de excitação Representação computacional do limitador de corrente do estator Representação computacional do limitador P e Q Representação computacional do PSS Considerações Finais O MODELO DE GERADOR DO RSCAD Considerações iniciais O modelo da máquina síncrona no domínio da fase (PDSM) para faltas internas _rtds_pdsm_flt_v Menu de configuração geral Menu de configuração do fluxo de potência inicial Menu de configuração do modelo da máquina baseado nos eixos DQ Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina Menu de configuração da curva de saturação da máquina Menu de configuração dos parâmetros mecânicos da máquina A ESTRATÉGIA DE HARDWARE-IN-THE-LOOP ENTRE O RTDS E O AVR Considerações iniciais Esquema convencional de teste hardware-in-the-loop utilizando o RTDS xiv

15 5.3 Conexões físicas do AVR O sistema de potência teste Descrição do sistema de potência teste Modelagem do sistema de potência teste Parametrização do AVR UNITROL Testes com o AVR UNITROL Considerações finais MODELAGEM DO REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSÃO NO RSCAD Considerações iniciais Modelagem das malhas de controle do AVR UNITROL no RSCAD Implementação da malha de cálculo do sinal de erro do regulador Implementação da malha de anti wind-up Implementação da malha do IEEE PSS 2B Implementação da malha do limitador V/Hz Implementação da malha do limitador de máxima corrente de excitação Implementação da malha do limitador de mínima corrente de excitação Implementação da malha do limitador de corrente do estator Implementação da malha do limitador P e Q Considerações finais SIMULAÇÃO DO DESEMPENHO DINÂMICO DO REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSÃO Considerações iniciais O sistema de potência teste Descrição do sistema de potência teste Modelagem do sistema de potência teste A estratégia de testes para avaliar o comportamento do AVR virtual O módulo RunTime do RSCAD Simulações em tempo real da regulação de tensão do AVR UNITROL virtual Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,98 [p.u] Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,90 [p.u] Regulação de tensão terminal com ajuste em 1,1 [p.u] Resultados da regulação de tensão pelo AVR virtual UNITROL Simulações em tempo real da regulação de tensão do AVR IEEE AC xv

16 7.7 Avaliação das malhas de limitação de corrente de excitação e V/Hz do AVR UNITROL Avaliação das malhas dos limitadores de corrente de excitação e tensão de campo do AVR virtual UNITROL Avaliação da malha do limitador V/Hz do AVR virtual UNITROL Discussão dos resultados de simulação do AVR virtual Considerações finais CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Conclusões Trabalhos futuros REFERÊNCIAS APÊNDICE A PARÂMETROS DO AVR UNITROL A.1 Parâmetros da malha de cálculo do sinal de erro do regulador A.2 Parâmetros da malha de anti wind-up A.3 Parâmetros do PSS IEEE 2B A.4 Parâmetros da malha do limitador V/Hz A.5 Parâmetros da malha do limitador de máxima corrente de excitação A.6 Parâmetros da malha do limitador de mínima corrente de excitação A.7 Parâmetros da malha do limitador de corrente do estator A.8 Parâmetros da malha do limitador P e Q APÊNDICE B RELATÓRIO DE TESTES DE REGULAÇÃO DE TENSÃO DO AVR VIRTUAL UNITROL B.1 Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,98 [p.u] B.2 Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,90 [p.u] B.3 Regulação de tensão terminal com ajuste em 1,1 [p.u] APÊNDICE C MALHAS DE CONTROLE DO AVR IEEE AC APÊNDICE D RELATÓRIO DE TESTES DE REGULAÇÃO DE TENSÃO DO AVR IEEE AC D.1 Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,98 [p.u] D.2 Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,90 [p.u] D.3 Regulação de tensão terminal com ajuste em 1,1 [p.u] xvi

17 1 Introdução 1.1 Considerações iniciais O conceito de estabilidade em um sistema elétrico pode ser amplamente definido como uma propriedade do sistema elétrico de permanecer em um estado de operação equilibrado, sob condições normais de operação, e de se recuperar para um estado aceitável de equilíbrio depois de submetido à um distúrbio [1]. A instabilidade em um sistema elétrico pode se manifestar de diferentes formas, dependendo da configuração do sistema e do seu modo de operação. Uma vez que sistemas elétricos dependem amplamente de geradores síncronos, é imprescindível que haja um sistema de proteção e controle responsável por manter a máquina em sua faixa ideal de operação. Algumas condições de contingência podem levar a máquina ao seu desligamento pelo sistema de proteção, entretanto, algumas contingências podem ser superadas com uma ação de controle, alterando as variáveis de entrada da máquina. Uma alteração da topologia do sistema pode eventualmente levar a tensão terminal do gerador a um valor que comprometa seus limites de estabilidade transitória, assim, dependendo do grau de perturbação do sistema, pode ser possível propor uma correção da corrente de excitação que leve a máquina a operar em um novo ponto de equilíbrio estável. 1.2 Motivação A motivação para este trabalho surge de outro trabalho, desenvolvido na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) há alguns anos [2]. Em [2] foi feito um estudo de testes de funções de proteção de geradores síncronos, onde foi implementado na biblioteca do software RSCAD (Real Time Simulation Computer Aided Design) um modelo de regulador automático de tensão (AVR Automatic Voltage Regulator) padronizado pela normal Std do IEEE [3]. Esse modelo foi inserido no sistema elétrico de potência simulado, entretanto, na ocasião, não foi abordada uma estratégia de testes em malha fechada para um AVR, algo que esse trabalho propõe a fazer. Além disso, diversos testes de malha fechada já foram realizados no RTDS (Real-Time Digital Simulator) que se encontra nas dependências laboratoriais do Centro de Estudos em Qualidade da Energia e Proteção Elétrica (QMAP), porém todos feitos com relés de proteção. 17

18 Assim, esse trabalho propõe analisar a operação de um AVR comercial através do uso do RTDS. 1.3 Objetivos O objetivo deste trabalho final de graduação é avaliar as respostas em tempo real de um AVR comercial, através de testes inteiramente simulados no RTDS, para análise de estabilidade em sistemas elétricos de potência. Têm-se como objetivos específicos do trabalho os tópicos indicados a seguir: Desenvolver (implementar) as malhas de controle que representam o AVR na biblioteca do RSCAD. Realizar testes em um sistema de uma máquina, impondo diferentes condições de carga ao sistema e avaliar a regulação de tensão feita por um AVR modelado computacionalmente. Confrontar os resultados de simulação obtidos. 1.4 Estrutura do trabalho Além deste capítulo introdutório que apresenta as motivações e objetivos, o trabalho é composto de mais sete capítulos e referências bibliográficas. O Capítulo 2 apresenta fundamentos teóricos sobre assuntos que serão explorados neste trabalho. Além disso, são apresentadas algumas referências bibliográficas recentes que abordam estudos similares ou relacionados ao escopo deste trabalho. No Capítulo 3 é feito uma descrição das malhas de controle que compõem o AVR objeto de estudo desse trabalho e que serão utilizadas para a implementação computacional na biblioteca do RSCAD. No Capítulo 4 é descrito o modelo de gerador da biblioteca do RSCAD que será implementado nos casos testes, além de descrever os ajustes que compõem o modelo. No Capítulo 5 é apresentado o estudo do AVR para estabelecer uma estratégia de testes de hardware-in-the-loop com o RTDS. No Capítulo 6 são apresentadas as malhas de controle implementadas no RSCAD para compor o modelo do regulador automático de tensão. 18

19 No Capítulo 7 são apresentadas as simulações feitas através do RTDS, além de discutir os resultados obtidos. No Capítulo 8 contextualizam-se as conclusões desse trabalho de graduação e propostas de trabalhos futuros. Na sequência serão apresentadas as referências bibliográficas, que estabelecem a base para a elaboração desse trabalho, e os apêndices. 19

20 2 O Estado da Arte Na operação de um Sistema Elétrico de Potência (SEP), diversas condições de contingências estão intrinsicamente impostas. Por exemplo, é natural a oscilação de carga (tanto injeção quanto rejeição) e o desligamento de linhas de transmissão e outros equipamentos essenciais que conformam o SEP (para eliminação de faltas ou manutenção). Em muitos casos, tais condições não podem ser evitadas, representando uma inerente alteração da topologia do sistema elétrico, o que demanda resiliência do sistema a fim de garantir a estabilidade transitória durante a operação. No que tange a estabilidade transitória de geradores síncronos, um dos equipamentos que contribui para garantir que o nível de tensão nos terminais da máquina esteja dentro de uma faixa adequada é o regulador automático de tensão (AVR). O controle de tensão é feito pelo AVR variando a corrente de campo no sistema de excitação da máquina, em função do seu nível de tensão terminal. Assim, ao variar a tensão terminal do gerador, o regulador atua a fim de levar o sistema para um novo ponto de equilíbrio estável. As malhas de controle principais que modelam o AVR descrevem o controle da tensão terminal do gerador através do controle da corrente de excitação de campo, enquanto é dotado de outras malhas que correspondem aos limites impostos pela própria curva de capacidade da máquina. Deste modo, a regulação é feita de maneira que não leve a máquina a operar fora de seus limites de capacidade. Pequenos ou grandes distúrbios no sistema elétrico podem resultar em oscilações não amortecidas, que, se não abordadas adequadamente, resultam na perda de sincronismo de uma ou mais máquinas do SEP, podendo levar o sistema ao colapso [4]. Para evitar isso, é utilizado um PSS (Power System Stabilizer), cuja função é injetar um sinal externo ao AVR, dependendo do grau de perturbação das oscilações, para prover o amortecimento adequado à regulação de tensão. O desafio no estudo de regulação de tensão de máquinas síncronas consiste em ter um sistema disponível, que seja possível impor contingências visando avaliar o desempenho da regulação. A aplicação da tecnologia de hardware-in-the-loop (HIL), ou testes em malha fechada, através de simuladores digitais em tempo real é favorável para esse estudo, uma vez que fornece um ambiente seguro, eficiente e confiável para a realização de testes [5]. As simulações através de esquemas HIL possuem a particularidade de poder estudar cenários de grande risco em um sistema elétrico, e até impossíveis de serem testados em campo. 20

21 Ainda, é uma ferramenta que auxilia nos testes de ajustes de controle e proteção antes do projeto ser implementado em campo [6]. Estudos recentes estão voltados para a otimização do processo de regulação e estabilidade transitória da máquina. Para quantificar esses eventos, [7] utiliza como referência o tempo máximo que um distúrbio pode ser aplicado sem que o sistema perca sua estabilidade (CTT Critical Clearing Time). Com a demanda de controladores rápidos e eficientes, uma ferramenta que vem sendo utilizada é a inteligência artificial, que pode trazer como benefícios uma atuação rápida e precisa. Para os estudos de estabilidade transitória e de pequenos sinais, é essencial um comportamento seguro do sistema de potência. Os métodos de inteligência computacional, em particular redes neurais artificiais (ANN Artificial Neural Network), mostraram-se capazes de superar problemas vistos antes por controladores não-lineares, como a difícil implementação e a modelagem exata do sistema. Em [8] foi modelado um sistema baseado em ANN para determinar os parâmetros ótimos do AVR, cujos resultados levaram a rápidas respostas no amortecimento de oscilações em estabilidade transitória, permitindo que o gerador opere perto de seus limites de estabilidade em regime permanente, o que não é permitido com controladores convencionais por motivos de segurança. Além propriamente da regulação de tensão e da estabilidade transitória da mesma, o estudo da análise do comportamento do AVR se mostra útil quando também é de interesse estudar a correlação do controle de subexcitação do gerador (UEL Underexcitation Limiter) com a proteção contra perda parcial e total de campo (LOE Loss-of-Excitation) [9]. Nesse estudo o AVR insere na modelagem do sistema as entradas adequadas para que a controle seja feito solidário à curva de capacidade da máquina. Tendo em vista a significativa participação de geradores nos sistemas elétricos de potência, os sistemas de proteção e controle dessas máquinas assumem um papel importante para que todo o sistema opere solidário a sua estabilidade transitória. 21

22 3 Estudo do AVR a ser Modelado no RSCAD 3.1 Considerações iniciais O AVR objeto de estudo desse trabalho corresponde ao modelo compacto UNITROL da ABB, para máquinas síncronas com corrente de excitação máxima de 15 [A]. O documento [10] apresenta as malhas de controle que representam computacionalmente o modelo UNITROL , além fornecer a faixa de ajuste dos parâmetros de cada malha. 3.2 Malhas de controle do AVR Representação computacional do AVR A Figura 1 apresenta a malha de erro do AVR, onde o cálculo é feito solidário aos limites operacionais da máquina. Figura 1 - Cálculo do sinal de erro do regulador, limitadores e seleção dos parâmetros PID Fonte: [10]. A principal grandeza da máquina síncrona a ser controlada é a sua tensão terminal (VT), assim, para maior precisão em sua representação, é utilizado um filtro de terceira ordem para a transdução de seu sinal. Com exceção do sinal VT, todos os outros sinais são transduzidos através de filtros simplificados de primeira ordem. O sinal de potência reativa no terminal da máquina (QT) é necessário quando é de interesse a operação paralela da máquina com a rede e com outras máquinas. O sinal QT é multiplicado por um ganho proporcional (Kq), ajustado para obter uma característica de controle droop (quando Kq é negativo) e para compensação de 22

23 potência reativa (quando Kq é positivo), como requerido em aplicações de afundamento de tensão em transformadores elevadores. O sinal do limitador V/Hz (indicado por 11 na Figura 1, e que será abordado na seção 3.2.4) é utilizado para evitar que, para frequências abaixo da nominal, o fluxo na máquina atinja valores elevados. O sinal de ajuste da tensão terminal (VT setpoint) e o sinal limitador V/Hz são adicionados à compensação de potência reativa, compondo o principal valor de referência do loop de controle de tensão. Assim, a diferença entre a tensão terminal da máquina e o valor de referência compõe o sinal de erro de tensão. O sinal de erro de tensão é utilizado quando o AVR opera como um regulador de tensão. Já quando o regulador assume o papel de controlador de fator de potência (PF) e MVar, o sinal de erro (indicado por 4 na Figura 1, e que será abordado na seção 3.2.2) é descrito pela Figura 3. O sinal de erro é aplicado aos blocos comparadores HV (high value) e LV (low value), de maneira que não leve a máquina à uma operação que extrapole seus limites operacionais, comparando o sinal de erro com os valores ajustados em cada limitador (indicados por 5, 6, 7, 8 e 9 na Figura 1). Esse arranjo é utilizado para determinar a lógica de seleção dos parâmetros PID, condicionalmente às intervenções dos sinais limitantes. A seleção de parâmetros para o controlador PID é determinada através do loop de controle e dos limitadores ativos, e está relacionada com a parte Proporcional Integral da estrutura do controlador. A parte Diferencial do controlador tem apenas um ajuste de parâmetros, que não são alterados nos modos de operação. Os blocos comparadores (HV e LV) coletam diversos limites de sobre e subexcitação. Esses blocos são utilizados para assumirem as funções de controle assim que um limite é violado, aumentando ou diminuindo o nível de excitação. Uma vez que os comparadores LV são colocados posteriores aos HV, os limites de sobrexcitação possuem prioridade aos de subexcitação sobre a operação do AVR. Após passar pelos blocos HV e LV, o sinal de controle dominante é aplicado numa malha de anti wind-up, indicada pela Figura 2. 23

24 Figura 2 - Malha de anti wind-up PID do ganho proporcional e constante de tempo integral Fonte: [10]. A parte PI do controlador possui três grupos de parâmetros para o ganho proporcional Vp e para a constante de tempo Ta, responsável por prover os ajustes de controles ótimos, dentre eles: Ta e Vp (responsáveis pelo controle de tensão), Ta_Q e Vp_Q (responsáveis pelo controle de PF e Mvar; limitador P e Q e limitador de corrente no estator) e Ta_Ie e Vp_Ie (responsáveis pelos limitadores de corrente máxima e mínima de excitação). A limitação dos sinais de saída com os limites VRmax e VRmin representam os limites físicos (positivo e negativo) do sinal de saída do AVR. Quando esses limites são excedidos, as entradas do controlador PID são forçadas para zero para evitar o fenômeno windup. Quando o valor da variável de controle atinge o limite máximo (ou mínimo) do atuador, ocorre a saturação do sinal de controle. Dessa forma, o atuador permanece no seu limite máximo (ou mínimo) independentemente da saída do processo, levando à quebra da malha de realimentação. Para um controlador com ação integral, o erro continuará sendo integrado e cresce indefinidamente (fenômeno chamado de wind-up), levando à saturação do sistema de controle. Assim, a malha de anti wind-up tem como função impedir que o controle integral assuma valores que levem o controle PID à superar os limites de saturação do controle Representação computacional do controle de fator de potência (PF) e Mvar Conforme mencionado na seção 3.2.1, quando o AVR atua como controlador de fator de potência (PF) e MVar, o sinal de erro é descrito por outra malha de controle, conforme ilustra a Figura 3. 24

25 Figura 3 - Controle de fator de potência (PF) e Mvar Fonte: [10]. O controle de PF e Mvar é baseado no cálculo de erro entre a potência reativa atual (QT) e um dado valor de referência (QT setpoint). Quando operando no modo de controle de fator de potência, o valor requerido de referência de potência reativa é calculado por um dado fator de potência (P.F setpoint) e o valor medido de potência ativa (PT). Quando operando no modo de controle de Mvar, a referência de Mvar (Mvar setpoint) é comparada diretamente com a potência reativa da máquina (QT), dando origem ao sinal de erro de potência reativa. O sinal de erro é aplicado em uma função comparadora de limitação da tensão terminal máxima (UMmax) e mínima (UMmin), onde a limitação de tensão visa evitar tensões terminais extremas que podem causar distúrbios e faltas no sistema Representação computacional do limitador V/Hz A Figura 4 ilustra a malha de controle do limitador V/Hz, cujo sinal de saída da malha é indicado por 11 e é somado ao sinal de ajuste da tensão terminal, conforme mostra a Figura 1. Se a frequência nos terminais da máquina (ft) atinge um valor inferior ao parâmetro da frequência de ajuste (fknee), então o sinal de erro se torna negativo, reduzindo o ajuste de tensão proporcionalmente ao valor ajustado pelo parâmetro Slope. Sob condições normais de operação, a saída do limitador V/Hz é 0, significando que o ajuste normal de tensão não é influenciado pelo limitador V/Hz. 25

26 Figura 4 - Representação computacional do limitador V/Hz Fonte: [10] Representação computacional do limitador da máxima corrente de excitação A Figura 5 ilustra a malha de controle da máxima corrente de excitação, cujo sinal de saída da malha, indicado por 6, corresponde ao parâmetro de entrada do comparador LV da malha da Figura 1. Figura 5 - Representação computacional do limitador da máxima corrente de excitação Fonte: [10]. Sob condições normais de operação, a máxima corrente de excitação de campo é dada pelo parâmetro Maximum. A corrente de excitação de campo máxima permitida continuamente é dada pelo parâmetro Continuous, e essa pode ser influenciada por um sinal externo de temperatura, indicado por Temperature. A característica do ajuste em função da temperatura é fornecido pelo fabricante em [10]. 26

27 Assim que a corrente máxima contínua de excitação de campo é excedida, duas funções de atraso de tempo são iniciadas. A primeira, e com atraso menor, corresponde ao tempo de ajuste pelo parâmetro Maximum Hold Time, e o segundo atraso é dado pelo parâmetro Delayed Hold Time. Quando o primeiro ajuste de tempo é excedido, o limite efetivo do valor de ajuste é chaveado de Maximum para o valor Delayed, e quando o segundo ajuste de tempo é excedido, o valor de limitação é alterado para o limite efetivo dado por Continuous. Um filtro de primeira ordem é inserido na saída do bloco comparador HV, visando assegurar uma transição suave dos ajustes de limitação após a atuação das funções de atraso de tempo, onde o sinal na saída do filtro é o sinal de erro do limitador da máxima corrente de excitação. Por fim, a atual corrente de excitação de campo (Ie) é subtraída do sinal de erro do limitador, dando origem ao sinal indicado por 6, que é aplicado em um bloco LV (conforme visto na Figura 1). O limitador da corrente de excitação (IeMax Limiter) é ativado quando o parâmetro Active é ajustado em TRUE (=1) Representação computacional do limitador da mínima corrente de excitação A Figura 6 ilustra a malha de controle da máxima corrente de excitação, cujo sinal de saída da malha, indicado por 7, corresponde a um parâmetro de entrada da malha da Figura 1. Figura 6 - Representação computacional do limitador da mínima corrente de excitação Fonte: [10]. O limitador da mínima corrente de excitação subtrai a corrente de excitação de campo atual (Ie) de um dado valor de ajuste, denotado de Minimum. O resultado da diferença é aplicado em um bloco LV que somente é necessário para ativar a função de limitação. Se parâmetro Active é ajustado em 1, o sinal de erro da saída do bloco LV é utilizado na entrada de um bloco HV da malha de cálculo de erro do AVR (conforme a Figura 1). 27

28 3.2.6 Representação computacional do limitador de corrente do estator O limitador de corrente do estator atua como um limitador de sobre ou sub-excitação e sua ação depende da direção do fluxo de potência reativa. Se a máquina é operada em condição de sobreexcitação, o limitador atua como um limitador de sobreexcitação, e se a máquina é operada em condição de subexcitação, o limitador atua como um limitador de subexcitação. A Figura 7 apresenta a malha de controle do limitador de corrente do estator. Figura 7 - Representação computacional do limitador de corrente do estator Fonte: [10]. O limitador calcula a diferença entre o ajuste de limite da corrente máxima no estator (IMlim_K) com o valor atual medido (IT). O sinal resultante dessa diferença é chamado de sinal de erro do limitador de corrente do estator. Dependendo da direção do fluxo de potência reativa, o sinal de erro é aplicado ou em um bloco HV ou em um bloco LV. Sob condições normais de operação, a máxima corrente permitida no estator é dada por um valor alto (10 [p.u]), com o objetivo de permitir a máxima contribuição de corrente de curto da máquina para faltas no sistema. O valor de ajuste de limite térmico IMlim_Im_th pode ser influenciado por um sinal externo de temperatura, denotado por Temperature. A característica do ajuste em função da temperatura é fornecido pelo fabricante em [10]. 28

29 O atual sinal de corrente do estator (IT) é dividido pelo ajuste de limite térmico, cujo quociente pode ser elevado ao quadrado para a obtenção de uma característica desejável de tempo muito inverso. Se o quociente exceder o valor 1, então significa que a corrente no estator da máquina é maior que o limite térmico, e a diferença do valor 1 é aplicada em um integrador com a constante de tempo 13,5 IMlim_K. Quando a saída do integrador atinge o valor 1, o ajuste é chaveado imediatamente para 10 [p.u] para o efetivo valor de ajuste térmico IMlim_Im_th. Um filtro de primeira ordem é utilizado após a multiplicação para prover um suave transição do sinal de ajuste. A descrição acima representa uma característica de atuação de tempo muito inverso, que depende da sobrecorrente e do ajuste de IMlim_K, conforme [12]. Quando o valor da atual corrente do estator retorna para um nível abaixo do estabelecido pelo limite térmico, o integrador rapidamente retorna para o valor 0 e reseta o limitador. A função do limitador de corrente do estator só é acionada quando o nível de potência reativa excede ± 0,02 [p.u] e se o parâmetro IMlim_Active está ajustado em Representação computacional do limitador P e Q O limitador P e Q é um limitador de potência reativa com ajuste de limitação variável. A Figura 8 apresenta a malha de controle do limitador P e Q. Figura 8 - Representação computacional do limitador P e Q Fonte: [10]. 29

30 A limitação do ajuste varia em função do nível de potência ativa (PT) e com o quadrado da tensão terminal (VT). A função de característica de limitação é fornecida pelo fabricante em [10]. Uma vez que o ganho natural da potência reativa (QT), como função da tensão de campo, varia de acordo com o ponto de operação, o limitador calcula o ganho do fator de compensação, multiplicado pelo desvio do limitador, com o objetivo de prover a mesma precisão e característica dinâmica para o limitador em diferentes níveis de potência ativa. O resultado do sinal de erro é aplicado em um duplo controlador avanço-atraso visando boa precisão e resposta dinâmica da função de limitação Representação computacional do PSS O AVR UNITROL possui um PSS interno responsável por amortecer as oscilações que surgem do processo de regulação de tensão. Para amortecer e estabilizar esses sinais, a malha de controle do PSS utiliza como entrada a potência ativa (PT) e a frequência da tensão terminal da máquina (ft). A malha de controle do PSS é responsável por um ganho de compensação de fase e magnitude para estabilizar o sinal de regulação. O modelo de PSS implementado no modelo UNITROL é o modelo IEEE PSS 2B, padronizado pelo IEEE conforme [3]. A Figura 9 apresenta a representação computacional do modelo IEEE PSS 2B. Figura 9 Representação computacional do modelo IEEE PSS 2B Fonte: [10]. 30

31 3.3 Considerações Finais A norma IEEE Std 421.5, revisada em 2016 [13], apresenta os modelos de sistemas de excitação mais utilizados nos estudos de sistemas elétricos de potência. Tais modelos são padronizados pelo IEEE e relacionados com os AVRs comerciais de diferentes fabricantes. Além disso, a norma [13] também apresenta limitadores importantes e controles adicionais, como os sinais de PSS. Apesar da norma [13] trazer uma tabela que relaciona diferentes modelos comerciais com os modelos padronizados, e pela própria comparação entre malhas, não foi possível determinar com exatidão se algum dos modelos já implementados na biblioteca do RSCAD condizem com o AVR UNITROL Quando é desejável simular o comportamento das máquinas síncronas com exatidão, em estudos de estabilidade, é essencial que os sistemas de excitação das máquinas síncronas sejam modelados com detalhes suficientes. Os modelos desejados devem ser adequados para representar o desempenho do sistema de excitação real para grandes distúrbios assim como para pequenas perturbações [2]. Dessa forma, esse trabalho propõe modelar o próprio sistema de excitação do AVR na biblioteca do RSCAD, a partir das malhas de controle fornecidas pelo fabricante [10]. A modelagem computacional do AVR no RSCAD será explorada no capítulo 6. 31

32 4 O Modelo de Gerador do RSCAD 4.1 Considerações iniciais Tendo em vista que o AVR é um equipamento que interage diretamente com o gerador síncrono, faz-se necessário o estudo do modelo de gerador encontrado na biblioteca do RSCAD. O RSCAD é um software cuja função é realizar a interface gráfica entre o usuário e o RTDS. O software possui diversos módulos que compõem sua estrutura operacional, onde os principais podem ser encontrados na barra de ferramentas do RSCAD, conforme ilustra a Figura 10. Figura 10 Módulos do RSCAD Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Dentre os módulos apresentados, o Draft assume um papel importante nesse trabalho uma vez que nele é possível a modelagem de circuitos e parametrização dos componentes envolvidos. A tela do módulo Draft é composta de uma seção de modelagem do sistema e um seção de biblioteca, conforme ilustra a Figura 11. Figura 11 Tela do módulo Draft do RSCAD Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. 32

33 4.2 O modelo da máquina síncrona no domínio da fase (PDSM) para faltas internas _rtds_pdsm_flt_v2 Na seção de biblioteca é possível selecionar a opção Machine Models, que abre uma janela para o usuário com diversos modelos de máquinas que estão disponíveis no RSCAD. Dentre as opções disponíveis, é dado destaque para o modelo de máquina que será utilizado nos casos testes que serão implementados neste trabalho, o modelo _rtds_pdsm_flt_v2. O ícone do componente é mostrado na Figura 12. Figura 12 Ícone do componente _rtds_pdsm_flt_v2 Fonte: [14]. Onde: VMPU: tensão nos terminais da máquina. IF: corrente do enrolamento de campo. EF: tensão aplicada no enrolamento de campo. TE: torque elétrico. N: neutro da máquina. L/F: chave de modo Lock/Free. TM: torque mecânico. W: velocidade da máquina. AJ: ponto de falta no enrolamento da fase A. A/B/C: terminais de conexão da máquina. O termo domínio da fase significa que os valores de indutância da máquina variam de acordo com a posição angular do rotor e com o nível de saturação. O modelo incorpora a solução de equações diferenciais, o que permite um desempenho numérico superior comparado com outros modelos. Ainda, a característica de domínio da fase torna o modelo capaz de simular falta internas no enrolamento de fase. Para ser capaz de simular faltas internas, as indutâncias 33

34 próprias e mútuas dos enrolamentos da máquina devem ser descritas em função da posição do rotor e da saturação, e por isso a máquina é modelada pelos seus eixos D (direto) e Q (quadratura). Esse modelo geralmente é utilizado para testes envolvendo proteção diferencial e sobretensão de neutro. Tensões de terceiro harmônico no neutro e nos terminais podem ser geradas separadamente e adicionadas à tensão fundamental. As aplicações demandam que os parâmetros do componente estejam compatível com os parâmetros da máquina objeto de estudo, dessa forma é possível parametrizar o modelo da máquina no RSCAD. A Figura 13 mostra os diversos menus de parametrização do componente _rtds_pdsm_flt_v2. Cada um dos menus será apresentado nos subitens a seguir. Figura 13 Menus do componente _rtds_pdsm_flt_v2 Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor Menu de configuração geral Este menu permite ao usuário escolher entre as diversas opções gerais de uso da máquina síncrona. A Figura 14 ilustra o menu de configuração geral. Figura 14 Menu de configuração geral Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: Name: Nesse item o usuário pode atribuir um nome ao componente. 34

35 fextyp: Nesse parâmetro o usuário insere o tipo de excitação de campo que pretende utilizar. Se o usuário escolher Control System Input, a tensão de campo é determinada a partir do sinal EF (sinal de saída da malha de controle que modela o AVR). Se for escolhido a opção Power System Node, dois nós aparecerão no componente, que serão utilizados para energizar os enrolamentos de campo a partir de uma tensão DC. As Figuras 15 e 16 abaixo ilustram o componente em cada caso. Figura 15 Ícone do componente para fextyp = Control System Input Fonte: [14]. Figura 16 Ícone do componente para fextyp = Power System Node Fonte: [14]. mmva: Vbsll: HTZ: MM: Tensão nominal da máquina (em MVA). Tensão nominal no estator (valor RMS fase-fase). Frequência de operação da máquina (em Hz) Nesse item o usuário pode determinar se o cálculo da velocidade da máquina síncrona será interno ou externo ao componente. Com a opção Yes a interface com o regulador de velocidade desaparecerá e o menu Mechanical Data and Configuration não precisa mais ser parametrizado. 35

36 spdin: tecc: vtcc: Esse item solicita a informação da velocidade inicial da máquina para ser utilizada nos primeiros passos de integração. Ao selecionar Rated a partida da máquina é solidária ao cálculo do fluxo de potência. Quando o usuário seleciona Zero, a máquina parte com todas as correntes no estator e no rotor igual a zero, em adição a velocidade inicial igual a zero, onde nesse caso o menu Machine Initial Load Flow Data desaparece. Esse item solicita o torque elétrico da máquina (TE), em p.u., quando o torque é fornecido por uma saída CC opcional. Esse dado é necessário quando a velocidade da máquina é calculada externa ao modelo. Esse item solicita a tensão terminal da máquina, em p.u., quando essa é fornecida através de uma saída CC opcional (VMPU). A saída VMPU é calculada pela raiz quadrada da soma das tensões de linha ao quadrado, em p.u., onde a base deriva do item Vbsll acima Menu de configuração do fluxo de potência inicial Só é possível inicializar o modelo da máquina com precisão se o modelo estiver de acordo com o fluxo de potência, quando a máquina se inicia com velocidade síncrona. Assim, conforme já mencionado no item anterior, esse menu só é disponível quando o ajuste spdin estiver definido como rated. A Figura 17 mostra o menu de configurações do fluxo de potência inicial. Figura 17 Menu de configuração do fluxo de potência inicial Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: Vmagn: Define a magnitude da tensão terminal. 36

37 Vangl: Define o ângulo da fase A da tensão terminal, na referência seno, no instante t=0. P0: Potência ativa de saída da máquina no instante t=0. Q0: Potência reativa de saída da máquina no instante t=0. iszro: Permite que todas as correntes iniciais do estator sejam forçadas para zero. izro: Esse ajuste permite que a máquina seja inicializada com as correntes de rotor ou estator forçadas em zero, independente dos dados de fluxo de potência. Pt: Define a potência ativa nos terminais da máquina. Qt: Define a potência reativa nos terminais da máquina Menu de configuração do modelo da máquina baseado nos eixos DQ A Figura 18 abaixo apresenta o menu de configuração do modelo da máquina nos eixos DQ. Figura 18 Menu de configuração do modelo da máquina baseado nos eixos DQ Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: cnfg: Ifnorm: Esse item permite ao usuário escolher entre inserir os parâmetros da máquina no formato Generator, geralmente atribuído para aplicações envolvendo a máquina como um gerador, ou no formato R and X, geralmente atribuído para aplicações da máquina como motor. Esse item é ativado quando o ajuste fextyp (localizado no menu de configuração geral, apresentado no item 4.2.1) é definido como Power System Node. Nesse item é informado pelo usuário a corrente de campo (em [ka]) necessária para que a máquina, em circuito aberto, forneça uma tensão terminal de 1 [p.u] (sem saturação), na velocidade ajustada. 37

38 satur: FLTprc: Esse parâmetro indica se a saturação do eixo direto (D) da máquina será incluída no modelo. Nesse menu o usuário identifica o ponto em que o enrolamento da fase A será dividido em dois enrolamentos. A localização da falta pode ser em até 5% do término do enrolamento Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina Os parâmetros elétricos do modelo da máquina síncrona são utilizados para determinar as resistências e reatâncias da máquina, em [p.u], do modelo da máquina nos eixos D e Q. As resistências e reatâncias podem ser inseridas diretamente ou convertidas a partir dos dados do tipo Generator. Há dois menus alternativos para a especificação dos parâmetros elétricos da máquina. Se for escolhido Generator como Format of Machine electrical data na configuração geral da máquina, então o menu Machine Elect Data: Generator Format é habilitado. De maneira alternativo, o menu Machine Elect Data: R and X Format é habilitado. As Figuras 19 e 20 abaixo ilustram o circuito equivalente máquina síncrona de eixo direto e quadratura, respectivamente, no RTDS. Figura 19 Circuito equivalente de eixo direto da máquina síncrona, no RTDS Fonte: [14]. 38

39 Figura 20 Circuito equivalente de eixo de quadratura da máquina síncrona do modelo, no RTDS Fonte: [14] Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato R e X A Figura 21 ilustra o menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina quando o ajuste cnfg é atribuído como R and X, conforme mencionado no item Figura 21 Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato R e X Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: XS1: XMD0 : X2D: X3D: Reatância de dispersão do estator. Reatância de magnetização não saturada de eixo direto. Reatância de dispersão do enrolamento de campo alinhado com o eixo direto. Reatância de dispersão do enrolamento amortecedor de eixo direto. 39

40 XMQ: X2Q: RS1: R2D: R3D: R2Q: Mxzro: Reatância de magnetização de eixo de quadratura. Reatância de dispersão do primeiro enrolamento amortecedor de eixo de quadratura. Resistência do estator. Resistência do enrolamento de campo alinhado com o eixo direto. Resistência do enrolamento amortecedor de eixo direto. Resistência do primeiro enrolamento amortecedor de eixo em quadratura. Reatância de sequência zero da máquina. A resistência de sequência zero da máquina é assumida como sendo igual a resistência do estator Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato gerador A Figura 22 ilustra o menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina quando o ajuste cnfg é atribuído como Generator, conforme mencionado no item Figura 22 Menu de configuração dos parâmetros elétricos da máquina: formato gerador Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: Xa: Xd: Xd : Xd : Xq: Xq : Reatância de dispersão do estator. Reatância síncrona de eixo direto. Reatância transitória de eixo direto. Reatância subtransitória de eixo direto. Reatância síncrona de eixo de quadratura. Reatância subtransitória de eixo de quadratura. 40

41 Ra: Tdo : Tdo' : Tqo : Resistência do estator. Constante de tempo transitória de eixo direto. Constante de tempo subtransitória de eixo direto. Constante de tempo subtransitória de eixo de quadratura Menu de configuração da curva de saturação da máquina O ajuste satur, no menu de configuração do modelo da máquina baseado nos eixos DQ (apresentado no item 4.2.3), permite especificar a curva de saturação da máquina. Há três opções disponíveis para esse ajuste: Linear, Points e Factors. Se a escolha for Linear, então o eixo direto não vai apresentar saturação. As outras duas opções de escolhas serão tratadas nas subseções sequentes Menu de configuração da curva de saturação da máquina: curve by factors Ao escolher a opção Factors em satur, essa opção é habilitada. A curva de saturação da máquina determinada por fatores aparece como apresenta na Figura 23. Figura 23 Menu de curva de saturação da máquina: curve by factor Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Os parâmetros SE10 e SE12, mostrados na Figura 23, são definidos pela curva representada na Figura 24. Figura 24 Curva de saturação de circuito aberto Fonte: [14]. 41

42 A curva de saturação definida pelos fatores SE (1.0) e SE (2.0) é deslocada saindo da região linear e passa por um crescimento quadrático definido pelos dois pontos. Os dois fatores são suficientes para definir o ponto T da curva, e consequentemente a curva de saturação da máquina Menu de configuração da curva de saturação da máquina: curve by points Ao escolher a opção Points em satur, essa opção é habilitada. Nesse menu o usuário deve ingressar os valores dos pontos da curva de saturação do eixo direto da máquina, que são dados tipicamente fornecidos pelo fabricante da máquina. Esses pontos são obtidos durante ensaios da máquina síncrona operando à vazio, variando a corrente de campo (excitação) e verificando a tensão obtida no estator da máquina. São necessários 10 pontos para que a curva seja bem definida. Os pontos de tensão e corrente são inseridos no menu, conforme ilustra a Figura 25. Figura 25 Menu da cuva de saturação da máquina: curve by points Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. 42

43 4.2.6 Menu de configuração dos parâmetros mecânicos da máquina Esse menu é necessário quando o modelo é configurado para calcular internamente a velocidade da máquina. Esse menu só fica disponível quando o item MM, no menu de configurações gerais, é ajustado como No. A Figura 26 ilustra o menu de configurações dos parâmetros mecânicos da máquina. Figura 26 Menu de configuração dos parâmetros mecânica da máquina Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Segue abaixo a descrição dos itens que devem ser parametrizados: H: Constante de tempo de inércia da máquina. D: Coeficiente de amortecimento mecânico. MSW: Nesse ajuste o usuário informa se o controle no modo de operação do rotor (L/F) será realizado no módulo RunTime do RSCAD (onde se processa as simulações em tempo real) ou externamente por algum circuito de controle associado a uma saída CC dentro do módulo Draft. 43

44 5 A Estratégia de Hardware-In-The-Loop entre o RTDS e o AVR 5.1 Considerações iniciais Conforme já mencionado em capítulos anteriores, os testes por simulação via HIL possuem a vantagem de permitir, em laboratório, o estudo do comportamento dinâmico de um equipamento quando inserido em um sistema elétrico, considerando diversos cenários possíveis de operação. Neste trabalho, o RTDS é utilizado para simular um sistema de potência em operação, além de realizar a interface entre os equipamentos reais (o AVR) e o sistema simulado. A modelagem do sistema é feita pelo software do RTDS, o RSCAD, que possui uma biblioteca própria que permite a inserção de componentes do sistema elétrico pré-definidos e a modelagem de novos componentes. Neste capítulo será apresentado um estudo para determinar a forma de estabelecer o esquema de malha fechada entre o AVR real (modelo UNITROL ) e o RTDS. 5.2 Esquema convencional de teste hardware-in-the-loop utilizando o RTDS O esquema de teste conhecido por hardware-in-the-loop é um tipo de teste que permite a interação de um equipamento real de proteção e controle com um sistema simulado. No esquema convencional de testes HIL, o equipamento real (por exemplo um AVR ou relé) recebe os sinais secundários de tensão e corrente provenientes de transformadores de potencial e corrente (TP e TC) virtuais, para realizar as funções de controle ou de proteção, através do cartão GTAO (Giga-Transceiver Analogue Output Card). As saídas do cartão GTAO são fornecidas em um nível de tensão ± 10 Vac (enlace 1A, Figura 27), assim é utilizado um amplificador para converter esses sinais analógicos para o padrões secundários de TP e TC que o equipamento real utiliza (enlace 1B, Figura 27). No caso do AVR, a ação de controle tomada é também um sinal analógico (corrente de excitação), o que demanda a utilização do cartão GTAI (Giga-Transceiver Analogue Input Card) para realizar a interface entre o equipamento e o sistema simulado. Semelhante ao cartão GTAO, os níveis de tensão do cartão GTAI estão limitados em ± 10 Vac, entretanto os sinais analógicos de saída do AVR já estão na faixa de 44

45 tensão e não necessitam de trandução, dessa forma a conexão entre o AVR e o cartão GTAI é feita sem nenhum intermédio (enlace 2, Figura 27). Mais comentários sobre os sinais de saída do AVR (enlace 2, Figura 27) serão realizados no próximo item. Figura 27 - Esquema HIL convencional para um AVR Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 5.3 Conexões físicas do AVR A primeira etapa para a implementação de testes HIL envolvendo o AVR consiste na identificação dos bornes do equipamento que serão utilizados, em função das grandezas de medição que o AVR necessita para realizar a função de regulação de tensão. A Figura 28 ilustra um diagrama geral de conexões de interface e a Figura 29 os bornes do AVR UNITROL

46 Figura 28 Diagrama de conexões do AVR UNITROL Fonte: [15]. Figura 29 Bornes do AVR UNITROL Fonte: [15]. Para esse teste em malha fechada, o AVR necessita das grandezas de tensão e corrente secundárias provenientes de TP s e TC s. A tensão terminal (trifásica) da máquina chega no equipamento através dos bornes 1, 2 e 3 (terminal UM), onde o nível de tensão está limitado de 9 até 250 [V], e a corrente do estator da máquina síncrona (de uma fase) chega através dos bornes 16 e 17 (terminal IM2), limitados em até 1 [A]. Para a alimentação do circuito de eletrônica de potência, a conexão é feita nos bornes 10 e 11 (terminal UPWR), e a alimentação auxiliar ocorre através dos bornes 13 e 14 (terminal UAUX). Em ambos os terminais a alimentação é feita em tensão alternada, monofásica, em até 250 [V]. A referência de terra de terra é fornecida ao equipamento pelo borne 7. Para a injeção da corrente de excitação na máquina, será utilizada a saída analógica AO1, localizada no borne 23 (terminal AO 1) e cuja referência está no borne 25 (terminal AGND). No modelo Unitrol , as saídas analógicas são configuráveis, assumindo o papel de transdutores. A saídas analógicas podem ser configuradas para fornecer uma tensão 46

47 entre ± 10 [V], proporcional a uma saída chamada Fbias (que contém informações entre a tensão terminal da máquina e a tensão do sistema, utilizada para função ANSI 25 check de sincronismo), a modulação PWM que o AVR utiliza para variar a corrente de excitação, e a própria corrente de excitação, onde essa última é a adequada para a aplicação em questão. Assim, será configurada uma saída analógica para que um sinal de tensão de ± 10 [V] possa fornecer ao cartão GTAI de maneira indireta a corrente de excitação. A Figura 30 mostra o comportamento da saída analógica em função da corrente de excitação percentual. Figura 30 Saída analógica em função da corrente de excitação percentual Fonte: [15]. A Figura 31 ilustra o esquema de conexões físicas do AVR Unitrol para a aplicação. Figura 31 Esquema de conexões físicas do Unitrol Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 47

48 5.4 O sistema de potência teste Descrição do sistema de potência teste Em função das características do AVR fez-se necessário definir um gerador que seja compatível com o modelo Unitrol , a fim de obter os parâmetros de uma máquina para modelagem do RSCAD. Segundo o manual do equipamento, o AVR é adequado para máquinas síncronas com corrente de excitação de até 15 [A] (em geral, máquinas de até 50 [MVA]), assim, pegou-se dados típicos de fabricantes e foi definido um gerador síncrono com corrente de excitação de 4 [A], compatível com o regulador automático de tensão. A Tabela 1 apresenta os parâmetros do gerador síncrono para parametrização no RSCAD. Tabela 1 Dados do gerador síncrono para parametrização no RSCAD Gerador Síncrono Valores Nominais Descrição Valor Unidade S Potência nominal do gerador 7,272 MVA V Tensão nominal fase-fase do gerador 13,8 kv F Frequência nominal 60 Hz Dados Elétricos Descrição Valor Unidade Mxzro Reatância de sequência zero 0,058 p.u Xa Reatância de dispersão do estator 0,130 p.u Xd Reatância síncrona de eixo direto não saturada 1,5 p.u. Xd Reatância transitória de eixo direto não saturada 0,264 p.u Xd Reatância subtransitória de eixo direto não saturada 0,195 p.u Xq Reatância síncrona de eixo de quadratura não saturada 0,75 p.u Xq Reatância subtransitória de eixo de quadratura não saturada 0,195 p.u Ra Resistência do estator 0,00652 p.u Tdo Constante de tempo transitória em vazio de eixo direto 2,6 p.u Tdo Constante de tempo subtransitória em vazio de eixo direto 0,045 p.u Tqo Constante de tempo subtransitória em vazio de eixo de quadratura 0,231 p.u 48

49 Para o efeito de regulação de tensão, basta que a tensão terminal da máquina varie, assim é proposto um sistema composto por um gerador conectado em uma barra, onde nesta barra há cargas. Visando provocar o efeito de variação da tensão terminal da máquina, é proposto o descarte e injeção de cargas na barra. Foram modeladas nove cargas iguais, equilibradas, pelo modelo de potência constante, de maneira que cada carga seja de 808 [kva] (aproximadamente 11,11% da potência nominal do gerador), de maneira que quando todas as cargas estiverem conectadas a máquina opere próxima de sua potência nominal Modelagem do sistema de potência teste O gerador foi modelado seguindo os parâmetros definidos a partir da Tabela 1. Além disso, foi utilizado o modelo de regulador de velocidade IEEE Type 1, disponível na biblioteca do RSCAD, necessário para o funcionamento do modelo de gerador. Para a excitação da máquina é necessário a corrente de excitação. Essa informação é adquirida através do cartão GTAI e injetada no circuito de campo da máquina através da variável Ie. A Figura 32 apresenta a modelagem do gerador no RSCAD para o teste em malha fechada. Figura 32 Modelagem do gerador no RSCAD para o teste em malha fechada Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 49

50 O sistema ainda é composto pelo disjuntor da máquina, responsável pela conexão e desconexão do gerador do sistema, e para monitorar a corrente nos terminais da máquina. Ainda, entre a máquina e o disjuntor da máquina foi inserido nós para aquisição da tensão terminal (nós VAT, VBT e VCT). Cada carga também possui um disjuntor de carga, responsável pelo seu descarte e injeção, de maneira que um bloco de controle de disjuntor seja responsável pela abertura e fechamento do disjuntor. A Figura 33 apresenta o sistema modelado no RSCAD para o teste em malha fechada. Figura 33 - Sistema modelado no RSCAD para o teste em malha fechada Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 50

51 Foi também criado um bloco Aquisição de Dados para a aquisição das grandezas que interagem com os cartões GTAO e GTAI. Nesse bloco, foram inseridos TC s e TP s virtuais para coletar a tensão terminal secundária (variáveis VATS, VBTS e VCTS) e a corrente da fase B na saída da máquina (variável IT). As variáveis são fornecidas em [kv] e [ka], dessa maneira utiliza-se um escalar de 1000 para levar essas grandezas às unidades [V] e [A], e então são divididas por uma relação de transformação. A tensão terminal de cada fase e a corrente terminal de uma fase são então fornecidas ao cartão GTAO, enquando a corrente de excitação (variável Ie) vem através do cartão GTAI. A Figura 34 apresenta o bloco de aquisição de dados. Figura 34 bloco de aquisição de dados para o teste em malha fechada Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 51

52 5.5 Parametrização do AVR UNITROL Para parametrizar o AVR foi utilizado o software CTM , fornecido pelo fabricante. O software permite parametrizar o equipamento através de informações do sistema e pelos ajustes desejados pelo usuário. A Figura 35 apresenta a tela principal do software CTM Figura 35 Tela principal do software CTM Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. A Figura 36 apresenta a tela de parametrização do AVR para inserir os dados do sistema. São inseridos nessa tela a corrente de excitação nominal (Ie Nominal) e em vazio (Ie No Load), a tensão terminal nominal (UM Nominal), a corrente nominal no terminal da máquina (IM2 Nominal), a frequência nominal (Freq Nominal) um fator de correção do PSS do AVR (Kceiling), a reatância de eixo em quadratura (Xq) e as relações dos transformadores de potencial e corrente. Os dados do sistema foram inseridos solidários aos parâmetros da Tabela 1 e por ajustes padrões recomendados pelo fabricante. Figura 36 Parametrização do AVR: Dados do sistema Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. 52

53 O ajuste da faixa da tensão terminal desejada é inserido informando os valores máximos e mínimos de tensão, em [p.u] tolerados, além de definir o ajuste da variação, ou seja, o tempo levado para realizar a regulação de tensão. A Figura 37 apresenta a tela de configuração da regulação da tensão terminal. Figura 37 - Tela de configuração da regulação da tensão terminal Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Conforme já apresentado no Capítulo 3, o AVR possui limitadores que impedem que a máquina opere em condições que violam seus limites de capacidade. A Figura 38 apresenta a tela de ajuste do limitador V/Hz. Figura 39 apresenta as telas de ajustes correspondentes às malhas dos limitadores operacionais, sendo eles: máxima corrente de excitação, mínima corrente de excitação, máxima corrente do estator e mínima potência reativa em função da potência ativa. Figura 38 Tela de configuração do limitador V/Hz Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. Figura 39 Tela de configuração dos limitadores operacionais Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. 53

54 A Figura 40 apresenta a tela de configuração das saídas analógicas. Figura 40 Tela de configuração das saídas analógicas Fonte: Captura da tela feita pelo próprio autor. 5.6 Testes com o AVR UNITROL Foram feitos testes com o AVR real com o auxílio de uma mala de testes, com o intuito de verificar a integridade do equipamento para estabelecer o esquema de testes em malha fechada com o RTDS. Foram injetadas no AVR tensões trifásicas equivalente aos valores nominais do equipamento, pelos bornes 1, 2 e 3 (Figura 31), correspondentes à tensão terminal da máquina, e o equipamento foi capaz de medir corretamente os valores injetados em cada borne, podendo ser visualizado tal medição através de seu visor frontal, validando o circuito para coleta da tensão terminal da máquina. De maneira semelhante, foram testados os bornes para coleta da corrente terminal da máquina, os bornes 16 e 17 (Figura 31). O valor de corrente injetada foi o valor nominal do equipamento, onde o equipamento não indicou medição pelo seu visor frontal. A corrente foi sutilmente variada e o equipamento continou não indicando nenhuma medição, reprovando o circuito para coleta da corrente terminal da máquina. Ainda aplicando tensões e corrente correspondentes às do terminal da máquina, utilizou-se um multímetro para verificar a tensão nos bornes 23, 24 e 25 (Figura 31), referente às saídas analógicas configuráveis, cujo sinal de saída é uma tensão proporcional à corrente de excitação, e não foi identificado nenhum sinal de tensão, reprovando também o circuito responsável por externar sinal que seria injetado no RTDS. 5.7 Considerações finais Em função dos testes realizados e apresentados no item 5.6, concluiu-se que o AVR disponível estava comprometido, o que impossibilitou a realização dos testes em malha fechada com o RTDS. 54

55 6 Modelagem do Regulador Automático de Tensão no RSCAD 6.1 Considerações iniciais Nesse capítulo é apresentada a modelagem computacional das malhas de controle que representam o AVR UNITROL A modelagem foi feita no software RSCAD baseada nas malhas de controle fornecidas pelo fabricante [10], com o intuito de simular um regulador automático de tensão virtual e estudar o comportamento do AVR no processo de regulação da tensão terminal de um gerador. 6.2 Modelagem das malhas de controle do AVR UNITROL no RSCAD Conforme apresentado no Capítulo 3, o controle que representa o AVR é composto por diversas malhas, com funções diferentes. A seguir será apresentado cada uma das malhas que foram implementadas para criar um modelo virtual do AVR UNITROL no RSCAD Implementação da malha de cálculo do sinal de erro do regulador Conforme apresentada no item 3.2.1, a malha de cálculo do sinal de erro do regulador representa a principal malha que compõe o sinal de saída do AVR, além da seleção dos parâmetros PID, levando em consideração a influência das malhas dos limitadores. A Figura 41 apresenta a malha de cálculo do sinal de erro implementada no RSCAD. Figura 41 Malha de cálculo do sinal de erro implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 55

56 A malha implementada apresentada na Figura 42 é semelhante àquela apresentada na Figura 1, entretanto a malha apresentada no Capítulo 3 possui um sinal referente à operação do AVR quando este opera como controlador de fator de potência ou de potência reativa. Nesse trabalho o AVR possui a função exclusiva de regulação de tensão terminal do gerador, dessa forma esse sinal presente na malha da Figura 1 não foi incorporado na implementação computacional. Pelo mesmo motivo, a malha de controle do AVR para controle do fator de potência (Figura 3) não foi implementada computacionalmente no modelo do regulador de tensão automático. Para o sinal de ajuste da tensão terminal foi inserido um bloco V_Setpoint, para que esse ajuste possa ser feito de maneira dinâmica no decorrer da simulação em tempo real Implementação da malha de anti wind-up Conforme apresentado no item 3.2.1, uma das malhas que compõe o conjunto de malhas da regulação de tensão é a malha de anti wind-up. A malha de anti wind-up possui como variáveis de entrada as variáveis de saída da malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41) e do PSS, e fornece como saída o sinal de tensão de campo, utilizada para excitar o modelo de gerador do RSCAD. A Figura 42 apresenta a malha de anti wind-up implementada no RSCAD. Figura 42 Malha de anti wind-up implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor Implementação da malha do IEEE PSS 2B Apesar da biblioteca do RSCAD já possuir o modelo IEEE PSS 2B implementado, os modelos já implementados desse PSS, padronizado pelo IEEE, não possuem um ganho utilizado 56

57 para refletir a interface do PSS com o software UNITROL 1000, presente no AVR [10]. Dessa forma, as malhas que representam o PSS foram implementadas visando representar a real dinâmica do modelo de PSS presente no UNITROL A Figura 43 apresenta a malha do IEEE PSS 2B implementada no RSCAD. Figura 43 Malha do IEEE PSS 2B implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor Implementação da malha do limitador V/Hz Conforme apresentado no item 3.2.4, o AVR possui uma malha de controle para que o processo de regulação de tensão seja solidário à frequência da tensão terminal do gerador. Essa malha possui como dado de entrada a frequência da tensão terminal da máquina, e ajustes fixos, conforme descritos no item A Figura 44 apresenta a malha do limitador V/Hz implementada no RSCAD, cujo sinal de saída é incorporado à malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41). Figura 44 Malha do limitador V/Hz implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 57

58 6.2.5 Implementação da malha do limitador de máxima corrente de excitação Conforme apresentado anteriormente, o AVR possui limitadores que não levam a máquina a operar fora de seus limites de capacidade. Dentre eles, um dos limitadores é o de máxima corrente de excitação, conforme apresentado no item A Figura 45 apresenta a malha do limitador de máxima corrente de excitação implementada no RSCAD, que possui como sinal de entrada a corrente de excitação (o outro sinal de entrada, a temperatura, foi substituído por um valor constante de 24ºC), e possui como saída um sinal de referência para ser incorporado à malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41). Figura 45 Malha do limitador de máxima corrente de excitação implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor Implementação da malha do limitador de mínima corrente de excitação Além de um limitador de máxima corrente de excitação, o AVR também possui uma malha de controle responsável para que a corrente de excitação não atinja um valor abaixo do que um valor de ajuste, conforme apresentado no item A Figura 46 apresenta a malha do limitador de mínima corrente de excitação implementada no RSCAD, que possui a corrente de excitação como sinal de entrada e cujo sinal de saída é fornecido à malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41). 58

59 Figura 46 Malha do limitador de mínima corrente de excitação implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor Implementação da malha do limitador de corrente do estator Conforme apresentado no item o regulador de tensão possui uma malha de controle responsável por limitar a corrente no estator da máquina em um valor que não comprometa seus limites operacionais. A Figura 47 apresenta a malha do limitador de corrente do estator, onde essa malha apresenta a corrente do estator e a potência reativa como sinais de entrada (além da temperatura, que foi fixada nesse trabalho em 24ºC) e os sinais de saída são inseridos na malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41). Figura 47 Malha do limitador de corrente do estator implementada no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 59

60 6.2.8 Implementação da malha do limitador P e Q Conforme apresentado no item 3.7.8, outra malha presente na modelagem do AVR é a malha do limitador P e Q. Essa malha possui como variáveis de entrada as potências ativa, reativa e a tensão terminal da máquina, e o sinal de saída, assim como nas outras malhas de limitadores, é aplicado na malha de cálculo do sinal de erro (Figura 41). A Figura 48 apresenta a malha do limitador P e Q implementada no RSCAD. Figura 48 Malha do limitador P e Q implementada no RSCAD. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. As malhas de controle apresentadas compõem o modelo do AVR UNITROL implementado no RSCAD. Todas as malhas de controle foram inseridas dentro de um único bloco, chamado de AVR UNITROL. Dessa forma, o bloco do AVR possui como variáveis de entrada: a tensão terminal do gerador, a frequência da tensão terminal, a corrente de excitação, as potências ativa e reativa, e a corrente no estator da máquina. Como variável de saída, o AVR fornece um sinal de referência da tensão de campo para ser inserido no modelo do gerador. A Figura 49 apresenta o bloco do regulador de tensão automático modelado no RSCAD equivalente ao modelo UNITROL

61 Figura 49 Modelo do AVR UNITROL implementado no RSCAD Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 6.3 Considerações finais As malhas de controle apresentadas no Capítulo 3 apresentam parâmetros para cada um de seus componentes (funções de transferência, funções lineares, limitadores, ganhos). Para o ajuste dos parâmetros de cada componente, foram utilizadas as recomendações do fabricante presentes em [10], além de informações da Tabela 1, para definir o modelo de regulador automático de tensão compatível com a aplicação. Os parâmetros de cada malha de controle são apresentados no Apêndice A. 61

62 7 Simulação do Desempenho Dinâmico do Regulador Automático de Tensão 7.1 Considerações iniciais Nesse capítulo são apresentados o sistema de potência teste (utilizado para avaliar o desempenho dinâmico do AVR) e os resultados e discussões de testes feitos no RTDS sobre o processo de regulação da tensão terminal do gerador, a partir do modelo de AVR virtual, implementado no RSCAD e apresentado no Capítulo 6. Esse trabalho possuía como objetivo comparar os resultados que serão apresentados nesse capítulo (do modelo de AVR implementado no RSCAD) e comparar com os resultados obtidos pelos testes de regulação de tensão em malha fechada. Entretanto, em função da impossibilidade de realizar os testes em malha fechada, foram feitos testes com um modelo de AVR já presente na biblioteca do RSCAD para fins de comparação com as malhas de controle do AVR UNITROL que foram implementadas no RSCAD. 7.2 O sistema de potência teste Descrição do sistema de potência teste O sistema de potência teste utilizado para avaliar o desempenho dinâmico das malhas de controle do AVR UNITROL possui a mesma estrutura do sistema apresentado no item 5.2.1, ou seja, as mesmas cargas conectadas na barra e os mesmos parâmetros do gerador, conforme apresentado na Tabela 1. Entretanto, o modelo de gerador foi adaptado para fornecer a corrente de excitação e a tensão terminal da máquina para as malhas de controle, além de fornecer o nó (no modelo de gerador) para o sinal de referência (de saída) do AVR Modelagem do sistema de potência teste O modelo de gerador aplicado para o teste em malha fechada, apresentado na Figura 32, foi adaptado para se adequar à aplicação dos testes das malhas de controle que compõem o modelo virtual do AVR UNITROL A Figura 50 apresenta o modelo de gerador no RSCAD para o teste do AVR virtual. 62

63 Figura 50 Modelo de gerador no RSCAD para teste do AVR virtual Fonte: Elaborado pelo próprio autor. O modelo de gerador apresentado na Figura 50 possui acesso ao sinal da corrente de excitação, indicado pela variável Ie, e à tensão terminal, indicado pela variável VT. Ambos os sinais são utilizados como sinais de entrada das malhas de controle do AVR. O sinal de saída do AVR é inserido no modelo de gerador através da variável EFD. O sistema de potência teste é similar ao sistema apresentado na Figura 33, alterando apenas o modelo do gerador. A Figura 51 apresenta o sistema de potência teste para avaliar o comportamento dinâmico do AVR virtual. Para a aquisição das variáveis de entrada das malhas de controle do AVR (que não são fornecidas pelo modelo do gerador) foi criado um bloco Aquisição de Dados. Esse bloco possui funções matemáticas que, a partir das tensões e correntes por fase no terminal da máquina, aquisita os sinais de potência ativa e reativa. A frequência no terminal da máquina foi adquirida a partir da tensão terminal da fase B, a mesma fase que foi utilizada para adquirir a corrente na saída da máquina. Por fim, as tensões das fases A, B e C foram inseridas em um bloco para que o sinal de saída fosse a tensão trifásica, que será utilizada para avaliar 63

64 graficamente o comportamento da tensão terminal. A Figura 52 apresenta o bloco Aquisição de Dados para o sistema de potência teste para avaliar o comportamento do AVR virtual. Figura 51 Sistema de potência teste para avaliar o comportamento do AVR virtual Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 64

65 Figura 52 Bloco de aquisição de dados para o teste com o AVR virtual Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 7.3 A estratégia de testes para avaliar o comportamento do AVR virtual O AVR é um equipamento de controle da tensão terminal da máquina quando pequenos distúrbios ocorrem no sistema de potência. Para simular esses eventos de pequena alteração da tensão terminal, e verificar a dinâmica da regulação de tensão, é proposto um esquema de injeção e descarte de cargas conectadas na barra para diferentes valores de tensão de ajuste. Foram escolhidos três ajustes de tensão terminal: um ajuste típico de 0,98 [p.u], um ajuste inferior, de 0,90 [p.u], e um ajuste superior, de 1,10 [p.u]. A Tabela 2 apresenta os ajustes de tensão terminal para testes do AVR virtual. Tabela 2 Ajustes de tensão terminal para testes do AVR virtual Ajustes de tensão terminal [p.u] 0,90 [p.u] 0,98 [p.u] 1.1 [p.u] Para cada condição de ajuste da tensão terminal, conforme Tabela 2, serão realizados uma série de testes com o intuito de variar a tensão terminal e avaliar o comportamento da regulação de tensão. Para cada caso serão realizados testes de descarte e injeção dos blocos de 65

66 cargas modelados no RSCAD, por intermédio do disjuntor de carga, conforme apresentado na Figura 52. Cada carga modelada no RSCAD possui 11,11% da potência nominal do gerador, assim é proposto testes de descarte e injeção de 11,11%, 22,22%, 33,33% e 100%, onde esse último visa o estudar o comportamento da máquina operando em vazio. Para o estudo da regulação de tensão do gerador serão avaliados os comportamentos da tensão terminal e da tensão de campo no período transitório do processo de regulação de tensão. A Tabela 3 apresenta os testes de regulação de tensão para cada um dos ajustes apresentados na Tabela 2. Tabela 3 Testes para descarte e injeção de carga Testes para descarte e injeção de carga 11,11% de carga 22,22% de carga 33,33% de carga 100% de carga Além dos testes de variação da tensão terminal, também é proposto testes variando (através de degrau) o ajuste de tensão terminal nas condições do gerador operando em plena carga e em vazio. 7.4 O módulo RunTime do RSCAD Durante a simulação em tempo real, o módulo RunTime do RSCAD permite a interação do usuário com o sistema. No módulo RunTime do sistema simulado, apresentado na Figura 53, foram inseridas botoeiras para abrir e fechar cada um dos disjuntores do sistema (responsáveis pelo descarte e injeção das cargas), além de um indicador luminoso para auxiliar o usuário sobre o estado do disjuntor no instante da simulação. No módulo RunTime também é possível observar as oscilografias da tensão terminal e da tensão de campo que serão objeto de análise. Também é possível ajustar dinamicamente o valor de referência da tensão terminal, indicada por um bloco V_Setpoint, atrelado ao bloco V_Setpoint apresentado no item Por fim, também é indicado o valor da tensão terminal do decorrer da simulação em tempo real. 66

67 A Figura 53 apresenta a tela do módulo RunTime para a simulação em tempo real. Figura 53 Tela do módulo RunTime para a simulação em tempo real Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 7.5 Simulações em tempo real da regulação de tensão do AVR UNITROL virtual Regulação de tensão terminal com ajuste em 0,98 [p.u] Neste teste o AVR virtual foi ajustado para que a tensão terminal do gerador fosse de 0,98 [p.u]. Para o primeiro teste de regulação de tensão o gerador foi colocado operando em sua potência nominal e um disjuntor foi responsável pelo descarte da primeira carga, ou seja, descartando 11,11% da carga nominal. A Figura 54 apresenta o comportamento da tensão 67