Alta Tensão em Corrente Contínua (HVDC) Componentes: Danilo Barreto Igor Alves Luiz Carlos Rafael Saback

Transcrição

1 Alta Tensão em Corrente Contínua (HVDC) Componentes: Danilo Barreto Igor Alves Luiz Carlos Rafael Saback Salvador, 2012

2 Sumário Histório do HVDC Principais esquemas HVDC Conversores utilizados Principais Componentes Aplicações reais

3 Histórico Por que HVDC? A transmissão e distribuição se iniciou com HVDC Surgimento da transmissão e distribuição CAvantagens sobre a tecnologia CC Transmissão CA Limitações Elementos indutivos e capacitivos Limitação na transmissão e comprimento Conexão entre sistemas CA de frequências diferentes impossível Conexão entre dois sistemas de frequências iguais também não possível em alguns casos

4 Histórico Conversores Fonte de Corrente Comutados em Linha Formado por tiristores Capaz de conduzir altas correntes Ângulo de disparo controle do nível de tensão DC (controle da potência fornecida) Operado na frequência da rede (50 ou 60Hz)

5 Histórico Conversores Fonte de Corrente Auto Comutados (alta frequência) Requerem semicondutores com capacidade de desligamento O desenvolvimento do IGBT permitiu a sua aplicação em larga escala Principais características: Baixas perdas Desenho compacto Operado na frequência de chaveamento (Modulação PWM)

6 Histórico Vantagens técnicas da HVDC Transmissão de potência entre duas linhas CA de frequências diferentes Não sofre efeito pelicular (a seção do contudor é totalmente utilizada para condução) Para linhas ou cabos longos (acima de 40km) a transmissão HVDC oferece a única solução possível (alto mar, grandes cidades)

7 Histórico Questões ambientais Tamanho menor se comparado a uma rede CA

8 Histórico Questões ambientais Ruído audível Impacto visual Compatibilidade eletromagnética Uso do caminho de retorno pela terra ou mar em operação monopolar Em geral, é um sistema que não compromete as questões ambientais

9 Histórico Questão Financeira

10 Principais esquemas HVDC Circuito CC equivalente Diferenciação dos conversores HVDC Circuito monopolar

11 Principais esquemas HVDC Circuito equivalente monopolar Corrente controlada pela diferença entre as tensões controladas Direção da corrente fixa Fluxo de potência controlado pela polaridade da tensão

12 Principais esquemas HVDC Conversor back-to-back Back-to-back : retificador e inversor na mesma estação Usados principalmente para transmissão de potência entre redes CA de frequências diferentes

13 Principais esquemas HVDC Transmissões monopolares a grandes distâncias Caminho de retorno com eletrodos

14 Principais esquemas HVDC Transmissões monopolares a grandes distâncias Caminho com retorno metálico usado em situações de restrições ambientais

15 Principais esquemas HVDC Transmissões bipolares a grandes distâncias Usada quando a capacidade de transmissão excede a de um polo Divisão da capacidade em dois polos por: Maior disponibilidade de energia Potência de rejeição de carga menor Durante a manutenção de um polo, ainda há transmissão de potência

16 Principais esquemas HVDC Bipolo com Caminho de Retorno pela Terra Solução mais usada Elevado grau de flexibilidade durante faltas ou manutenção

17 Principais esquemas HVDC Bipolo com Caminho de Retorno pela Terra Caso de falta em um polo

18 Principais esquemas HVDC Bipolo com Caminho de Retorno pela Terra Interrupção de um polo causada pelo conversor

19 Principais esquemas HVDC Bipolo com Caminho de Retorno Metálico para Operação Monopolar Solução para distâncias curtas Restrições para o uso temporário de eletrodos

20 Principais esquemas HVDC Bipolo sem Caminho de Retorno Metálico para Operação Monopolar Oferece menor custo inicial

21 Principais esquemas HVDC Bipolo sem Caminho de Retorno Metálico para Operação Monopolar Operação monopolar possível através de chaves bypass durante interrupção do polo do conversor A chave não opera no caso de uma interrupção no condutor HVDC

22 Teoria de Conversores Função Circuito Fonte (válvulas) Tensão entre anodo e catodo positiva Condução de corrente Depende do pulso de disparo Tensão entre anodo e catodo negativa O pulso de disparo não tem efeito O fluxo de corrente é interrompido quando a tensão torna-se negativa Válvula: Retificador Controlado de Seis Pulsos

23 Teoria de Conversores Função circuito fonte Alteração do valor médio na saída Adiamento do pulso de disparo Feito através de controle eletrônico Deslocamento do ponto de disparo natural Denominado controle de fase

24 Teoria de Conversores Válvula a tiristores (Retificador Controlado de Seis Pulsos)

25 Teoria de Conversores Característica a = 0 => Vmáx a = 90 => V = 0 Valor médio da tensão CC

26 Teoria de Conversores Característica de condução do conversor

27 Teoria de Conversores Grupo 12 Pulsos e Transformador Conversor Conexão série de duas pontes de 6 pulsos Dois sistemas trifásicos defasados em 30 graus elétricos Defasagem necessária ao cancelamento dos harmônicos de 6 pulsos nos lados CA e CC

28 Teoria de Conversores Grupo 12 Pulsos e Transformador Conversor

29 Teoria de Conversores Potência Reativa como Função da Carga Determinação da potência reativa a partir da carga

30 Teoria de Conversores Controle da Demanda de Potência Reativa do Conversor

31 Teoria de Conversores Controle da Potência Reativa Controle eletrônico válido apenas para cargas leves Aumento da potência reativa associado ao aumento da corrente (maiores perdas) Compensação feita através de bancos de capacitores e filtros

32 Teoria de Conversores Controle da Potência Reativa Esquema para compensação reativa

33 Teoria de Conversores Deslocamento da corrente

34 Teoria de Conversores Potência Reativa devido aos Conversores Determinação da Potência Reativa Apenas as componentes fundamentais nas saídas dos conversores são consideradas para a determinação da potência O ângulo do fator de potência neste caso é dado por: Obs: Considera-se a indutância de comutação no lado AC desprezível

35 Teoria de Conversores Determinação da Potência Reativa Potência reativa necessária ao conversor de 6 pulsos (para o sistema total basta apenas duplicar): Valor rms da componente fundamental da corrente: Potência reativa no conversor:

36 Teoria de Conversores Determinação da Potência Ativa Para o conversor atuando como inversor: Sendo g o ângulo de interrupção.

37 Principais Componentes Válvulas Transformador de entrada Reator amaciador Filtros do lado AC e DC Protetor de surto Linhas de transmissão

38 Válvulas Válvulas dos conversores compostas de tiristores Atenção quanto ao resfriamento

39 Transformador de Entrada Converte tensão AC para o nível requerido de entrada do conversor Sofrem stress das tensões AC, DC e dos transientes como raios ou comutações

40 Reator amaciador Limitação da corrente DC de falta Prevenção de ressonância do circuito DC Prevenção de corrente intermitente Redução de harmônicos 2 Tipos principais: Air insulated dry type Oil insulated reactor in a tank

41 Filtros do lado AC e DC AC Objetivos: Absorver harmônicos e suprir energia reativa Critério para projeto: Energia Reativa necessária, requerimentos quanto ao nível dos harmônicos DC Objetivo: Reduzir harmônicos que causam correntes AC de alta freqüência

42 Filtros do lado AC e DC

43 Filtros do lado AC e DC

44 Filtros do lado AC e DC Filtro AC ativo Produz harmônicos de amplitude igual e fase oposta aos harmônicos da linha

45 Filtros do lado AC e DC Filtro AC ativo

46 Protetor de surto Protege o equipamento contra sobrevoltagem

47 Linhas de transmissão Monopolar, bipolar ou back-to-back

48 Linhas de transmissão

49 Circuito da estação transmissora

50 Exemplos de aplicações reais Itaipu Brasil/Paraguai 6300MW a 600kV 2 linhas de aprox 800km de extensão cada

51 Itaipu Grande distancia na transmissão Incompatibilidade de frequências

52 Itaipu Subestações Foz do Iguaçu Ibiúna

53 Itaipu Equipamentos utilizados: Conversores Transformadores Conversores Bancos de filtros para harmônicos Bancos High-Pass

54 Exercícios Com uma tensão de entrada AC constante Vll e uma corrente contínua constante Id, Plote o lugar no plano P-Q quando o ângulo de atraso dos conversores de 12 pulsos é variado. Explique qual a diferença entre um projeto para transmissão HVDC com esquema Back-to-Back. Diferencie um projeto com esquema Monopolar ou Bipolar e enumere as vantagens ou desvantagens de um ou outro sistema.