XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA CA E CC - GAT

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GAT. 5 Novemro de 9 Recife - PE GRUPO IV GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA CA E CC - GAT PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM ESTABILIZADOR DE SISTEMA DE POTÊNCIA DIGITAL APLICADO À UMA UNIDADE GERADORA DA USINA DE TUCURUÍ. Jânio J. De Ln (*) Frício G. Nogueir Crlos T. C. Jr Wlter Brr. Jr Eletronorte UFPA UFPA UFPA José A. L. Brreiros Orlndo F. Silv Mrcus C. M. Gomes Anderson R. B. Mores UFPA UFPA UFPA UFPA RESUMO Este trlho present o desenvolvimento e os resultdos de ensios em cmpo de um estilizdor de sistem de potênci (ESP) digitl projetdo pr mortecer um modo de oscilção locl com frequenci de,6 Hz em um unidde hidrogerdor de 5 MW d Usin Hidrelétric de Tucuruí. São presentds tmém s técnics de controle digitl e de identificção de modelos de sistems que form utilizdos no projeto do ESP. PALAVRAS-CHAVE Estilizdor de Sistems de Potênci, Deslocmento Rdil de Pólos, Identificção de Sistems.. - INTRODUÇÃO A Usin Hidrelétric (UHE) de Tucuruí é formd por gerdores principis, sendo uniddes de 5 MW (primeir etp) e uniddes de 9 MW (segund etp), totlizndo um cpcidde totl de mis de 8 GW, comprtilhdos trvés d conexão com o sistem interligdo ncionl (SIN). Estudos nteriores e testes em cmpo relizdos em um máquin d primeir etp d usin, revelrm ocorrênci de um modo de oscilção eletromecânic com freqüênci em torno de,6 Hz, que está sendo pouco mortecido pelo estilizdor de sistem de potênci nlógico d respectiv máquin. Estes fenômenos são extremmente indesejáveis, pois reduzem quntidde de potênci trnsmitid e diminuem considervelmente vid útil ds máquins. Portnto, presenç dests oscilções ument os riscos de prds não progrmds, diminuindo ssim disponiilidde do sistem. Como estes efeitos estão relciondos à nturez físic dos sistems de potênci, eles não podem ser evitdos. Portnto, s oscilções eletromecânics devem ser devidmente mortecids, minimizndo ssim seus efeitos prejudiciis []. Dentre os dispositivos utilizdos pr melhorr o desempenho dinâmico dos sistems de potênci, pode-se destcr os estilizdores de sistems de potênci (ESP), que trvés de um sinl de controle dicionl, contriuem com um mortecimento ds oscilções eletromecânics. Gerlmente, este controldor mortecedor tu trvés do reguldor utomático de tensão (RAT), visto que respost deste sistem é rápid. (*) Usin Hidrelétric de Tucuruí - Tucuruí, PA, Brsil Tel: (+55 9) Emil: jnio.ln@eletronorte.com.r

2 Neste trlho, será presentdo o desenvolvimento e testes em cmpo de um ESP projetdo pr mortecer o modo locl de oscilção com frequenci de,6 Hz. O rtigo está orgnizdo d seguinte form: n seção, é descrit rquitetur do hrdwre do controldor desenvolvido; n seção, são presentdos os testes de identificção de sistems relizdos em cmpo; n seção, são ordds s estrtégis de controle do ESP digitl projetdo; os testes em mlh fechd n UHE de Tucuruí são presentdos n seção 5; e n seção 6 presentm-se s conclusões do trlho.. - DESCRIÇÃO DO ESP DIGITAL DESENVOLVIDO O ESP desenvolvido neste trlho foi implementdo em um sistem emrcdo sedo em um controldor de sinis digitis, DsPIC. O sinl de entrd utilizdo é potênci tiv do gerdor, que é proveniente de um trnsdutor de potênci. Este sinl é processdo por um circuito condiciondor, pr ssim poder ser digitlizdo pelo conversor nlógico-digitl de its interno do DsPIC. O sinl de controle do ESP é processdo por um circuito de síd, que reliz dequção do sinl pr ser injetdo no circuito somdor do RAT nlógico do gerdor. O sistem dispõe de um port de comunicção seril, pr trnsmissão dos ddos de entrd e síd, e de um tecldo e disply de cristl líquido pr prmetrizção do controldor pelo usuário. A Figur ilustr rquitetur de hrdwre do sistem. Hrdwre do ESP Digitl Trnsdutor de Potênci P Condiciondor do sinl de potênci tiv P Condiciondor do sinl de síd Somdor do RAT Tecldo Disply LCD DSC Interfce RS- PC Interfce de progrmção Figur Digrm em locos do hrdwre do ESP digitl. O controldor desenvolvido pode funcionr em qutro modos de operção: modo de repost o degru, modo de identificção, modo de controle e modo de configurção. No primeiro modo, o sistem plic um degru com mplitude e durção configuráveis no RAT do gerdor, colet respost d plnt e envi um microcomputdor PC os ddos de entrd e síd, pr nálises mis complexs que exigem lto poder computcionl. Em modo de identificção, é executdo um lgoritmo de gerção de um seqüênci inári pseudo-letóri (SBPA) plicd em um ponto de som do RAT. Ao mesmo tempo, os pres de ddos de entrd e síd coletdos são envidos o PC, onde com o uxílio de um lgoritmo de mínimos qudrdos não recursivo, é estimdo e vliddo um modelo prmétrico d plnt n presente condição de operção. Em modo de controle, o ESP dquire o sinl de vrição de potênci tiv e process lei de controle progrmd, gerndo um sinl de controle que é plicdo no somdor do RAT. No modo de configurção, o usuário do sistem pode prmetrizr o controldor trvés de um tecldo e um menu exiido em um disply LCD.. - TESTES DE IDENTIFICAÇÃO EM CAMPO Os ensios, pr levntmento de modelos d plnt e controle em mlh-fechd do ESP, form relizdos n unidde hidrogerdor número 8 (5 MW), pertencente à primeir cs de forç d UHE de Tucuruí. Os sinis de excitção e de controle form injetdos em um ponto de som do circuito somdor do RAT d unidde gerdor em questão. Durnte os ensios, mquin estv gerndo 8 MW de potênci tiv, sorvendo 6 Mvr de potênci retiv. O ESP nlógico d máquin foi destivdo pr relizção dos testes com o ESP digitl desenvolvido neste trlho. A Figur ilustr instrumentção de quisição de ddos montd o ldo do RAT nlógico durnte os ensios em cmpo.

3 Figur Instrumentos instldos o ldo do rmário do RAT durnte os testes em cmpo n UHE de Tucuruí.. Respost o Degru do Sistem A respost o degru é um recurso muito útil pr um conhecimento inicil do comportmento dinâmico de um sistem, revelndo crcterístics importntes pr su modelgem. Portnto, form plicds vrições do tipo degru no ponto de som do RAT. A vrição degru foi prmetrizd pr gerr vrições de proximdmente. pu n potênci tiv do gerdor. O gráfico d Figur ilustr respost o degru d máquin. Not-se que o mortecimento d oscilção eletromecânic precis ser melhordo. Figur - Respost o degru do sistem sem ESP.. Projeto d SBPA e Colet de Ddos Como o sistem em estudo é de elevd complexidde, pr fins de controle é suficiente identificr modelos prmétricos lineres cpzes de representr dinâmic n fix de operção de interesse. O processo de identificção é sedo ns relções de cus e efeito entre s vriáveis de entrd e de síd, que no cso são, o sinl injetdo no RAT e o sinl proporcionl potênci tiv do gerdor, respectivmente. Com o intuito de extrir informções dinâmics d plnt, é injetd n entrd do sistem um seqüênci inári pseudo-letóri (SBPA), projetd pr excitr o sistem em um fix de freqüêncis em torno do

4 modo de oscilção de interesse. A SBPA é gerd trvés de um registrdor de deslocmento com N céluls, que cd período T tuliz síd com um nov mostr d seqüênci pseudo-letóri. Os prâmetros N e T são escolhidos de cordo com fix efetiv de freqüêncis desejd. A Equção mostr relção entre s vriáveis []. ( N ) T f desejd. T () No processo de identificção do gerdor, form usdos T = 8 ms e N = 9, resultndo em um freqüênci mínim de,hz e frequenci máxim de 5,5 Hz. Os pres de ddos form coletdos com um período de mostrgem de ms. A Figur ilustr um prte dos sinis de entrd e síd dquiridos. Figur - () SBPA plicdo no RAT () Sinl de desvio de potenci tiv do gerdor. A nálise dos ddos no domínio d freqüênci mostrou que o espectro do sinl de desvio de potênci é crcterizdo por um pico com freqüênci em torno de,6 Hz, que é freqüênci do modo de oscilção eletromecânic que deve ser mortecid (Figur 5 ()). O espectro do sinl SBPA se crcteriz por ser proximdmente plno n fix especificd pelo projeto, o que grnte que o sinl de teste se comport como um ruído rnco entre, hz e 5,5 hz (Figur 5 ()). Figur 5 - () Espectro do desvio de potênci tiv () Espectro d SBPA.

5 5. Estimção de um Modelo Prmétrico O modelo prmétrico estimdo pr o sistem no ponto de operção considerdo foi otido trvés de um lgoritmo de mínimos qudrdos não recursivo que minimiz som dos qudrdos do erro de predição, entre síd do modelo estimdo e síd d plnt. A estrutur escolhid pr o modelo liner é do tipo ARX de tempo discreto n form []: d A( q ) y( t) = q B( q ) u( t) + e( t) () onde u(t) e y(t) são os respectivos sinis de entrd e síd, d é o trso de trnsporte discreto, e(t) é o erro de modelgem e A(q - ) e B(q - ) são polinômios n form: A ( q B ( q ) = + q + q na q ) = + q + q nb q na nb () () onde n é ordem do modelo e n qudrdos. e n são os prâmetros serem estimdos pelo lgoritmo de mínimos Após nálise dos ddos estimdos, um estrutur com modelo ARX de qurt ordem mostrou-se dequdo. Os prâmetros desse modelo form estimdos com um intervlo de mostrgem de ms e os vlores otidos são mostrdos n Tel. Tel - Vlores dos prâmetros do modelo estimdo. Prâmetro Vlor Vlidção do Modelo Os ddos de entrd e síd coletdos form sudivididos em dois conjuntos, sendo um usdo n estimção e outro usdo n vlidção do modelo. A Figur 6 ilustr comprção entre síd rel do sistem e síd estimd por um modelo de qurt ordem estimdo. O resultdo indic o om desempenho do modelo prmétrico estimdo. Percee-se que o modelo cpturou stisftorimente dinâmic osciltóri do modo eletromecânico oservável. Figur 6 - Comprção entre síd medid e síd do modelo.

6 6 O mp de pólos e zeros pr o modelo ARX identificdo é ilustrdo n Figur 7. Pode-se oservr que existem dois pólos complexos dominntes em próximos o círculo unitário, o que indic que o sistem present um modo de oscilção pouco mortecido, que no cso é o modo de,6 Hz. Figur 7 - Mp de pólos e zeros do modelo de ª ordem estimdo.. - PROJETO DO CONTROLADOR DIGITAL Após identificção de um modelo prmétrico pr o sistem no ponto de operção considerdo, é possível determinr os coeficientes do controldor digitl. A lei de controle do ESP digitl foi projetd de cordo com técnic de posicionmento de pólos, que determin um controldor que resulte um sistem em mlh fechd com crcterístics especificds pelo projetist [], [5]. Assim sendo, o controldor é projetdo pr um sistem, n form: A ( k) y( k) = B( q) u( k) (5) A técnic de posicionmento de pólos resume-se n usc dos polinômios R(z - ) e S(z - ) que stisfçm equção polinomil (6), conhecid como Equção Diofntin. A( z ) S( z ) + B( z ) R( z ) = D( z ) (6) onde os polinômios A(z - ) e B(z - ) são conhecidos (modelo d plnt), D(z - ) é o polinômio com os prâmetros desejdos pelo projetist e R(z - ) e S(z - ) são os polinômios com os prâmetros do controldor que serão clculdos. Como o ojetivo do ESP é umentr o mortecimento nturl (ζ) do modo pouco mortecido cpturdo pelo modelo identificdo d plnt, sem lterr significntemente freqüênci nturl (ω n), o polinômio D(z - ) foi definido trvés do método de deslocmento rdil de pólos, no qul o ojetivo é deslocr rdilmente os pólos dominntes em direção à origem do círculo unitário do plno z, trvés de um ftor α (ftor de contrção rdil), onde α. Este método é um cso prticulr d técnic de posicionmento de pólos. Est operção é relizd trvés de um ftor de contrção rdil α (<α<), o qul pode ser clculdo pelo projetist utilizndo seguinte fórmul: α = exp[ ( ς d ς ) ω T n S ] (7) onde ω n é frequenci do modo pouco mortecido (,6 Hz) e T s é o intervlo de mostrgem ( ms).

7 7 Portnto, os prâmetros R e S do controldor são clculdos trvés d resoluço do seguinte sistem liner: = ) ( ) ( ) ( ) ( r r r r s s s α α α α (8) onde n e n são os coeficientes do modelo discreto d plnt, α é o ftor de deslocmento rdil e r n e s n são os coeficientes do controldor. As Tels e ilustrm os prâmetros do controldor digitl do ESP, projetdo respectivmente pr um ζ d de, e,. Tel - Vlores dos prâmetros do controldor digitl projetdo pr ζ d =, (T s =, segundos). Prâmetro r r r r s s s Vlor Tel - Vlores dos prâmetros do controldor digitl projetdo pr ζ d =, (T s =, segundos). Prâmetro r r r r s s s Vlor TESTES DO ESP DESENVOLVIDO Após o projeto do controldor digitl, os prâmetros clculdos form tulizdos no ESP emrcdo e ssim mlh do sistem foi fechd, com o controldor funcionndo em modo de controle. Pr vlir o desempenho do ESP, foi plicd um perturção do tipo degru (, pu) no mesmo ponto dos ensios nteriores. Atrvés d Figur 8, percee-se que o ESP contriui com o mortecimento d oscilção eletromecânic. Figur 8 Comprção d respost o degru do sistem com e sem ESP. Com o ESP operndo em mlh-fechd, form estimdos modelos prmétricos pr o sistem, com mesm metodologi que foi presentd n seção. A Figur 9 ilustr respost em freqüênci dos modelos estimdos com e sem o ESP. Percee-se que o pico n fix de,6 Hz foi mortecido no modelo estimdo de ddos com o ESP tivo.

8 8 Figur 9 Estimtiv do espectro de frequenci do sistem com e sem ESP. A prtir do mp de pólos e zeros ilustrdo n Figur, é possível notr o deslocmento rdil dos pólos do sistem sem ESP pr um ponto mis interno do círculo unitário, comprovndo ssim que o ESP projetdo contriuiu pr o mortecimento do modo de oscilção eletromecânico de,6 Hz. Figur Mp de pólos e zeros do sistem com e sem ESP CONCLUSÃO Neste trlho form presentds s técnics de identificção e controle digitl utilizds no projeto de um ESP, projetdo pr mortecer um modo de oscilção eletromecânic em um unidde gerdor de 5 MW d UHE de Tucuruí. Os resultdos de testes de identificção e controle em mlh-fechd relizdos em cmpo, demonstrrm que o ESP digitl oteve ótimo desempenho, contriuindo com o mortecimento do modo de oscilção locl d máquin REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS () Kundur, P. - Power System Stility nd Control, McGrw-Hill, 99. () Horowitz, P. nd Hill, W. The Art of Eletronics, Cmridge University Press, New York, ª Edition, 989. () K. J. Ästrom nd B. Witennmrk - Computer Controlled Systems: Theory nd Design, Prentice-Hll, 997. () Brreiros, J.A.L. - A Pole Shifting Self Tuning Power System Stilizer, Dissertção de Mestrdo, UMIST, Mnchester, 989. (5) Nogueir, F. G. - Desenvolvimento de um Estilizdor de Sistems de Potênci Vi Mlh de Velocidde Aplicdo à um Unidde Gerdor d UTE de Sntn, Dissertção de Mestrdo, UFPA, 8.