TRANSMISSÃO DE CORRENTE ALTERNADA EXTRA ALTA TENSÃO FACTS

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1 1 TRANSMISSÃO DE CORRENTE ALTERNADA EXTRA ALTA TENSÃO FACTS Lívia M. P. Gazzi e Cleber R. Guirelli Universidade Presbiteriana Mackenzie Rua da Consolação, 930 CEP: São Paulo- Brasil igazzi@zaz.com.br e cguirelli@yahoo.com.br Resumo O aumento da exigência dos consumidores associado é um dos aspectos que com as necessidades, associado com as restrições ambientais e econômicas impostas para a construção de novas linhas de transmissão e centro de geração levou a necessidade de melhorar os sistemas já existentes. Uma nova tendência para a otimização da capacidade de transmissão é a utilização de dispositivos baseados em eletrônica de potência conhecida como FACTS. Estes dispositivos permitem uma maior flexibilidade na operação e controle de sistemas de potência, diminuindo o congestionamento da transmissão e aumentando sua capacidade de transferir potência.

2 2 ABSTRACT Increasing energy consumption associated with environmental restrictions and economic issues imposed in the building of new transmission lines and generation centers, resulted in the need of improvement of the existing systems. The new trend in optimization of transmission capacity is the use of devices based on power electronics known as FACTS. This device allows more flexibility in the operation and control of the power systems, decreasing the stuck in transmission and increasing the power transmission capacity. 1 INTRODUÇÃO Devido ao constante crescimento do consumo de energia e a exigência dos consumidores por qualidade, continuidade de fornecimento e baixo custo, o sistema de transmissão deve ser flexível e eficaz. A indústria de semicondutores vem produzindo chaves que podem operar com elevados limites de tensão e capacidade de corrente. Isto permite aplicar a eletrônica de potência em equipamentos industriais, nos sistemas elétricos de distribuição e transmissão de energia na faixa de dezenas a centenas de MVA, permitindo o atendimento as necessidades dos consumidores. Em sistemas de potência, a utilização de eletrônica de potência teve seu início nos projetos dos sistemas de transmissão CCAT, corrente contínua em alta tensão. Estes sistemas utilizam conversores de corrente alternada para corrente contínua e vice-versa controlados por tiristores.

3 3 A utilização do controle das chaves semicondutoras permite o desenvolvimento de equipamentos capazes de realizar rápidas alterações nas características do sistema elétrico. Estes equipamentos operam dentro dos conceitos FACTS, que é a abreviação da expressão: Flexible Alternating Current Transmission System Systems ou Sistema Flexível de Transmissão em Corrente Alternada, criado por Hingorani. Este estudo fará uma revisão bibliográfica através de livros, artigos e sites especializados, tendo como objetivo apresentar um estudo sobre o processo de compensação e controle de linhas de transmissão de corrente alternada de extra alta tensão denominado FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems ou Sistema Flexível de Transmissão em Corrente Alternada). 2 SISTEMAS ELÉTRICOS No Brasil, o parque gerador é quase que exclusivamente hidroelétrico de grande porte, e composto por uma série de subsistemas interligados que para terem uma operação adequada exigem uma malha de transmissão e interligações bem dimensionadas, controladas, operando de forma econômica, segura e confiável a fim de permitir a transferência de grandes blocos de energia através do país [1]. As linhas de transmissão estão sujeitas a limites térmicos, de tensão e estabilidade que restringem o nível de potência que pode ser transmitido com segurança. Tais limites criam pontos de estreitamento da transmissão na rede, gerando problemas na transmissão como: pontos de operação não econômicos, baixa capacidade de carregamento ou ainda importação de energia elétrica [2].

4 4 Devido aos problemas encontrados, tornou-se necessário o desenvolvimento de meios para melhor controlar o fluxo de potência do sistema. O controle do fluxo pode direcioná-los para regiões que possuam capacidade ociosa de carregamento, aliviando as regiões de estreitamento da transmissão, resultando na concepção de novos dispositivos para o controle dos fluxos. Uma opção tradicionalmente escolhida no passado para solucionar alguns dos problemas na linha de transmissão no controle de potência reativa, regulação de tensão e correção de fator de potência era a utilização de capacitores e reatores. Porém, a falta de flexibilidade deste processo levou à pesquisa de novas formas de compensação que permitissem um controle contínuo do processo utilizado. Atualmente são utilizados os compensadores baseados em chaves semicondutoras, que permitem maior flexibilidade ao sistema, pois houve um desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores [3]. 3 DISPOSITIVOS FACTS Equipamentos com o conceito FACTS começaram a ser implementados a partir do final da década de 60 por grupos diversos, mas o nome FACTS só passou a existir a partir de 1988, quando Hingorani publicou o artigo intitulado Power Eletronics in Electric Utilies: Role of Power Eletronics in Future Power Systems, propondo o uso extensivo de eletrônica de potência para o controle de sistemas de potência CA. A idéia básica era obter, no futuro, sistemas CA com alto nível de flexibilidade como no caso de sistemas de transmissão HVDC ( High Voltage Direct Current - Alta Tensão em Corrente Contínua). O FACTS foi baseado no uso de tiristores de potência, bem como

5 5 no desenvolvimento de novos dispositivos semicondutores autocomutados (disparo e corte controlados) [2]. Os equipamentos FACTS são de grande valia nos estudos da estabilidade dinâmica (frente a pequenas perturbações). No caso dos estudos dinâmicos, maior ênfase é dada aos problemas de natureza eletromecânica cujo espectro de freqüência se situa entre 0,2 e 2 Hz. Devemos levar vantagem do grau de flexibilidade que os sistemas FACTS nos permite, e não deixar que o aumento da flexibilidade destes novos sistemas não venha a degradar a operação hoje existente. Dispositivos baseados em componentes eletrônicos permitem um controle mais rápido das tensões no caso da ocorrência de transitórios, permitido através de uma combinação de ajustes na potência reativa de geradores, compensadores em derivação fixos ou controláveis mecanicamente, e transformadores de tensão, também controláveis mecanicamente [4]. O controlador FACTS tem a vantagem de poder ser aplicado em série ou em paralelo, individualmente ou em conjunto com outros controladores, devido sua flexibilidade; possui uma rápida resposta e permite um inter-relacionamento de parâmetros no sistema de operação, tais como: impedância série, shunt, corrente, tensão, ângulo de fase e a oscilação de diversas freqüências [5]. 4 FACTS NO SISTEMA BRASILEIRO A Interligação Norte-Sul promove a conexão do sistema Norte-Nordeste ao sistema Sul-Sudeste e deverá ser formada por 2 troncos de transmissão em 500 kv.

6 6 Além da sua importância estratégica na integração regional elétrica, traduzida inclusive em termos dos benefícios para o sistema eletro-energético brasileiro [6]. Na fase de análise para a execução, verificou-se que a interligação em corrente alternada dava origem a um modo de oscilação eletromecânica de baixa freqüência (0,17 Hz) e com baixo amortecimento. Estas oscilações não amortecidas representavam uma forte restrição técnica para a transmissão. Tradicionalmente, o problema de oscilação superiores a 0,3 Hz em sistema de potência, vem sendo solucionado através de ajustes adequados do PSS (Sinais Estabilizadores de Potência) dos diversos geradores síncronos do sistema. Para os modos de mais baixa freqüência (inferiores a 0,3 Hz), a solução via PSS é questionável. Esta limitação se deve à necessidade de se introduzir, na entrada do PSS, um filtro para cortar baixas freqüências, evitando que o sinal do PSS seja poluído por oscilações indesejáveis de baixa freqüência. Para solucionar o problema de oscilações interárea sustentadas e viabilizar a alternativa de interligação de corrente alternada, foi proposta a utilização de TCSC na linha de transmissão a ser construída. O TCSC, representado na Figura 1, tem forte potencial para amortecimento de oscilações eletromecânicas e permite o aumento da capacidade de transmissão dos sistemas de potência.

7 7 Figura 1: Diagrama esquemático do TCSC. Dois bancos TCSC são colocados, representado na Figura 2, para eliminar a baixa freqüência de oscilação interárea. O banco TCSC poderá ser locado em 500 kv nos terminais das subestações Imperatriz e Serra da Mesa e trabalhar continuamente entre 5% e 15% da reatância indutiva da linha, com a permanente reatância capacitiva de 6% (15.9Ω - 20% de impedância). O planejamento teve seu início com dois anos de antecedência, tendo sido realizadas viagens dos técnicos envolvidos a diversos fabricantes e instalações similares no exterior [7]. FURNA ELETRONORTE Samambaia S.Mesa TCSC Gurupi Miracema Colinas TCSC Imperatriz Figura 2: Configuração da Interligação.

8 8 O planejamento teve seu início com dois anos de antecedência, tendo sido realizadas viagens dos técnicos envolvidos a diversos fabricantes e instalações similares no exterior [7]. A partir da definição dos vencedores da concorrência para realização do empreendimento (fornecimento, montagem e comissionamento), em dezembro de 1997, foram realizadas reuniões para acompanhamento do programa e cronograma de fabricação, entrega, montagem e comissionamento dos equipamentos. Os bancos de capacitores foram energizados comercialmente em janeiro de CONCLUSÃO Com a finalidade de atender os consumidores, a tendência de hoje é a interconexão do sistema de potência, pois reduz com o custo da eletricidade e melhora do desenvolvimento do sistema de potência [8]. Outra forma de atender a uma nova demanda é a utilização das novas tecnologias em eletrônica de potência [9]. Controladores baseados em eletrônica de potência aumentam os meios de controle das rotas de transmissão, principalmente por permitirem um controle contínuo e operações freqüentes [2]. Com os recentes desenvolvimentos da eletrônica de potência, a aplicação de novos equipamentos como FACTS e de sistemas de controle e automação em sistemas de distribuição vêm atender estas novas demandas dos consumidores [9]. Muito trabalho deve ser feito antes que esse sistema seja reconhecido como seguro, por exemplo: Desenvolvimento de novas chaves semicondutoras de potência; Síntese conversores eletrônicos autocomutados de alta potência;

9 9 Desenvolvimento de controle descentralizado para cada controlador FACTS [2]. Resultados verificados pela utilização do dispositivo FACTS: Baseado nos custos adotados para os dispositivos, a compensação série é a melhor alternativa para controlar os fluxos da potência ativa; Permite a transmissão à potência nas linhas normais em condição de contingência por um custo razoável; A instalação dos dispositivos pode ser justificada considerando somente o custo operacional no período de planejamento; É importante incluir a variação nos limites de estabilidade e tensão no algoritmo de localização da CS; Perdas na transmissão é um fator chave que necessita de ser considerado no problema de sua localização; A redução das restrições impostas pela rede de transmissão, devido à inclusão do deste dispositivo, ocasiona um ótimo despacho das unidades geradoras com baixos custos operacionais [5]. Não se sabe ainda quão maiores serão os carregamentos dos sistemas com equipamento FACTS em relação ao sistema de hoje. Estes dispositivos só poderão ser aceitos pelas indústrias de geração e transmissão de energia elétrica se sua utilidade for comprovada por uma redução de custo e/ou um aumento na segurança de operação.

10 10 Através das diversas técnicas de engenharia, planejadores do sistema de potência, operadores e engenheiros têm aprendido muito com o estudo sobre FACTS A tecnologia FACTS encoraja a nova geração de engenheiros, que querem repensar no sistema de potência futuro, a estudar [8]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. PEREIRA, Mário V. F.; M., Marciano Filho. Integração do Planejamento da Expansão do Parque Gerador e Sistema de Transmissão Interligado Brasileiro- Aspectos Conceituais e Metodológicos. Revista X SNPTEE, Curitiba, Paraná, Brasil, WATANABE, Edson H., et al. Tecnologia FACTS- Tutorial. Acervo de FURNAS fornecimento COPPE, Universidade Federal de Santa Catarina, IME, CAVALIERE, C.A.C., Comparação Entre os Dispositivos FACTS: STATCOM e o STATCOM PWM. Projeto (Final de Curso)- Departamento de Eletrotécnica/UFRJ, Rio de Janeiro, CAVALIERE, C.A.C.; WATANABE E.H; M.Aredes. Análise de Operação de STATCOM em Sistemas Desbalanceados. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE AUTOMÁTICA- SOC. BRASILEIRA DE AUTOMÁTICA CBA2000, Florianópolis, Brasil, OLIVEIRA, E. J., LIMA, J.W. Marangon. Localização ótima de Dispositivos FACTS em sistemas Hidrotérmicos. XV SNPTEE, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, outubro FARIAS, Alexandre Lima, et al. Estudos de Sobretensões da Interligação Norte- Sul- Enfoque Operativo do Impacto sobre o Sistema Sul- Sudeste. XV SNPTEE,Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, outubro 1999.

11 11 7. WANDERLEY, Saulo Salgado; et al. Comissionamento de Bancos de Capacitores Série Convencionais e Controlados. XV SNPTEE, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, outubro HINGORANI, Narain G.; GYUGYI, Laszlo. Understanding FACTS - Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. IEEE PRESS USA, GARCIA, Paulo A N.; PEREIRA, José L. R.; CARNEIRO, Sandoval Jr. Fluxo de Potência Trifásico por Injeção de Corrente: Parte 2- Controles e Dispositivos FACTS. Revista Controle e Automação, Rio de Janeiro, v. 12, n 03, set./out./nov./dez