Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO CIRCUITO PRINCIPAL DE COMPENSADORES ESTÁTICOS INSTALADOS PARA INTEGRAÇÃO AO SISTEMA INTERLIGADO BRASILEIRO DE PARQUES EÓLICOS: O EXEMPLO DO CE EXTREMOZ Manfredo Correia Lima Chesf Márcio Leal ABB RESUMO Foi contemplada no Lote A do Edital de Leilão n 006/2010 da ANEEL, que teve como vencedora a Chesf, a instalação na subestação Extremoz II de um compensador estático de potência reativa (CE) com nominais (-75 a +150 Mvar / 230kV), que deverá possuir uma configuração mínima de dois reatores controlados a tiristores (TCR), dois capacitores manobrados a tiristores (TSC) e filtros de harmônicos conforme definido pelo Fabricante para atender aos requisitos técnicos do Edital [1]. Este artigo técnico apresenta as principais etapas desenvolvidas para a determinação dos parâmetros do circuito principal do CE Extremoz, contemplando a determinação dos valores de indutâncias e capacitâncias dos elementos de média tensão do compensador que garantem o atendimento aos nominais contínuos de potência reativa, considerando os limites de tensão e freqüência estabelecidos no Edital [1]. É verificado também o atendimento aos pontos limites de operação, tais como os correspondentes aos limites capacitivo e indutivo na mínima tensão de operação, sendo a partir daí levantada a curva característica V x I do compensador. A metodologia utilizada para definição dos ratings dos elementos que integram o CE Extremoz, incluindo o transformador abaixador, é apresentada, levando-se em conta a componente fundamental da corrente, as correntes harmônicas injetadas pelos reatores controlados e os harmônicos préexistentes. Concluindo, são analisadas as solicitações sobre as válvulas de tiristores associadas à aplicação de faltas e à circulação de correntes DC nos reatores controlados. PALAVRAS-CHAVE Compensador Estático, Controle de Tensão, Correntes Harmônicas, Curto-Circuito, Parâmetros do Circuito Principal, DC Trapped Current, Disponibilidade, Integração de Parques Eólicos, Suportabilidades, Válvulas de Tiristores. 1 / 8

2 1. INTRODUÇÃO Através do Edital n 006/2010, foi realizado pela ANEEL o leilão do Lote A, associado aos reforços de transmissão em 500 e 230kV necessários para permitir a integração ao Sistema Interligado Brasileiro de parques eólicos a serem instalados no Estado do Rio Grande do Norte, região Nordeste do Brasil. A subestação (SE) João Câmara, onde será conectada grande parte do parque eólico aqui mencionado, será ligada à SE Extremoz II, que representa um novo ponto de suprimento à região metropolitana da cidade de Natal, através de linhas de 230 e 500kV (Figura 5). Para assegurar que o escoamento da energia produzida pelos mencionados parques se dará em conformidade com os procedimentos de rede, foi contemplada no Lote A, composto pelas subestações Extremoz II e João Câmara, além de trechos de linhas de transmissão em 230kV, a instalação na subestação Extremoz II de um compensador estático de potência reativa (CE) com nominais (-75 a +150 Mvar / 230kV), que deverá, com base nos requisitos do referido Edital, possuir a configuração mínima de dois reatores controlados a tiristores (TCR), dois capacitores manobrados a tiristores (TSC) e dois filtros de harmônicos definidos com base em estudos desenvolvidos pelo Fabricante. O CE Extremoz deverá ser projetado para atendimento aos seguintes requisitos: Efetuar o controle da tensão da barra de 230kV da subestação Extremoz II em regime permanente e contingências. Fornecer na barra de 230kV da SE Extremoz II um valor de potência reativa de saída continuamente variado entre 75Mvar indutivos e 150Mvar capacitivos para qualquer valor de tensão terminal compreendido no intervalo (230kV±5%). Assegurar a estabilidade de primeiro swing, mantendo a tensão nos limites estabelecidos durante a ocorrencia de grandes distúrbios na rede elétrica. Neste artigo técnico, são apresentadas as principais etapas desenvolvidas para a determinação dos parâmetros do circuito principal do CE Extremoz, conforme as etapas a seguir. Determinação dos valores de indutâncias e capacitâncias dos reatores controlados, capacitores manobrados e filtros de forma a garantir o atendimento aos nominais contínuos de potência reativa, considerando os valores limites de tensão e freqüência estabelecidos no Edital [1]. Determinação dos valores de potência reativa de saída nas condições operativas especificadas pela Transmissora para atendimento aos requisitos do Edital [1]. Verificação do atendimento aos pontos extremos de operação, tais como os correspondentes aos limites capacitivo e indutivo na mínima tensão de operação. São também calculados pontos de operação onde ocorre a atuação de funções de limitação, tais como os de máxima tensão secundária com tensão primária de 1,05 pu e de máxima corrente nos reatores controlados para máxima potência reativa indutiva de saída. Levantamento da curva característica V x I do compensador A metodologia utilizada para definição dos ratings dos elementos integrantes do CE Extremoz, incluindo o transformador abaixador, é também apresentada, levando-se em conta a componente fundamental da corrente nos TCR, as correntes harmônicas injetadas pelos reatores controlados e os harmônicos pré-existentes. Concluindo, são analisadas as solicitações sobre as válvulas de tiristores dos TCR durante a aplicação de faltas na barra de 230kV da SE Extremoz, quando circula através destes elementos a chamada DC trapped current. Um diagrama unifilar simplificado do CE Extremoz é apresentado na Figura 1 e na Figura 5, é apresentado um um diagrama simplificado da região onde será conectado o compensador estático de Extremoz. 2 / 8

3 2. CURVA CARACTERÍSTICA V X I Figura 1- Compensador Estático de Extremoz A Figura 2 apresenta a curva característica V x I do CE Extremoz vista do lado de 230kV, onde se destacam os seguintes pontos, considerando a freqüência compreendida no intervalo (59,5 a 60,5Hz): 1,0 pu de tensão no 230kV, onde F e B representam respectivamente os pontos correspondentes aos máximos valores contínuos de potência reativa indutiva (83Mvar) e capacitiva (150Mvar). 1,05 pu de tensão no 230kV, onde E e C representam respectivamente os pontos correspondentes aos máximos valores contínuos de potência reativa indutiva (92Mvar) e capacitiva (150Mvar). 0,95 pu de tensão no 230kV, onde G e A representam respectivamente os pontos correspondentes aos máximos valores contínuos de potência reativa indutiva (75Mvar) e capacitiva (150Mvar). A inclinação da curva V x I, denominada estatismo, pode ser ajustada no intervalo (0-10%) e a tensão de referência pode ser ajustada entre 0,95 e 1,05 pu de 230kV. 3 / 8

4 Figura 2 Característica VxI do CE Extremoz referida ao 230kV 3. PRINCIPAIS PARÂMETROS ELÉTRICOS O CE Extremoz é composto pelos seguintes elementos (Figura 1): Um banco de transformadores monofásicos 230/17,1 kv 150MVA, ligação estrela aterrada delta. Dois reatores controlados a tiristores com indutância por ramo delta de 37mH. Dois capacitores manobrados a tiristores com capacitância por ramo delta de 162,2µF e reator de amortecimento de 2,142mH. Um filtro sintonizado na terceira harmônica com capacitância de 127,5µF (CF31-C1), capacitância de 1005µF (CF31-C2), indutância de 7,003mH e dois resistores de amortecimento de 349,1Ω cada um por fase. Um filtro sintonizado na quinta harmônica com capacitância de 168µF e indutância de 1,709mH por fase. 4. CÁLCULO DOS VALORES DE POTÊNCIA REATIVA DE SAÍDA A Tabela I apresenta as grandezas elétricas correspondentes aos seguintes pontos da curva V x I do CE Extremoz, comprovando o atendimento aos valores de projeto, considerando as mais desfavoráveis tolerâncias na freqüência e nas reatâncias dos elementos que integram o compensador (transformador, reatores, capacitores e filtros). Ponto A: Máxima potência reativa capacitiva (150Mvar) na mínima tensão terminal de operação (0,95 pu). A corrente nos TCR é mantida nula. 4 / 8

5 Ponto B: Máxima potência reativa capacitiva de saída com tensão terminal de 1,0 pu, limitada em 150Mvar através da função de limitação de potência reativa. Ponto G: Máxima potência reativa indutiva nominal (75Mvar) na mínima tensão terminal de operação (0,95 pu). Os TSC são bloqueados nesta condição de operação. Ponto F: Máxima potência reativa indutiva garantida (83Mvar) com tensão terminal de 1,0 pu. Tabela I: Grandezas Elétricas do CE Extremoz Ponto Tensão Primária Admitância Secundária (pu) Admitância Total (pu) Potência Reativa de Saída (pu/mvar) Tensão Secundária A 0,95 / 218,5 1,446 1,665 1,5 / 150 1,094 / 18,7 B 1,0 / 230 1,303 1,50 1,5 / 150 1,151 / 19,7 G 0,95 / 218,5-0,908-0,832-0,751 / -75,0 0,87 / 14,88 F 1,0 / 230-0,908-0,832-0,832 / -83,0 0,916 / 15,67 5. OPERAÇÃO COM ATUAÇÃO DE LIMITADORES 5.1 Máxima Tensão Secundária A máxima tensão secundária para operação em regime contínuo é determinada pela operação com máxima potência reativa capacitiva (150Mvar) e máxima tensão primária (1,05 pu) considerando as mais desfavoráveis tolerâncias para os elementos integrantes do compensador (Ponto C da Figura 2). As principais grandezas elétricas do CE Extremoz para esta condição operativa são apresentadas na Tabela II. Tabela II: Operação com Máxima Tensão Secundária Ponto Tensão Primária Corrente Primária (pu) Reatância Total (pu) Potência Reativa de Saída (pu/mvar) Tensão Secundária C 1,05 / 241,5-1,429 0,101 1,5 / 150 1,194 / 20, Corrente nos TCR para Máxima Potência Reativa Indutiva de Saída Os reatores controlados a tiristores que integram o CE Extremoz são projetados para operação contínua no ponto E da Figura 2, caracterizado pela máxima corrente de operação contínua através dos referidos elementos, definido pela máxima potência reativa indutiva de saída e pela máxima tensão primária. As principais grandezas elétricas do compensador para esta condição são apresentadas na Tabela III. Tabela III: Operação com Máxima Corrente nos Reatores Controlados Ponto Tensão Primária Admitância Secundária (pu) Admitância Total (pu) Potência Reativa de Saída (pu/mvar) Tensão Secundária E 1,05 / 253-0,908-0,832 0,92 / 92 0,962/16,45 5 / 8

6 6. SUPORTABILIDADE DE TRANSFORMADOR, TSC E FILTROS A suportabilidade total do transformador, reatores e capacitores que integram os TSC e ramos de filtros é definida com base na soma de três contribuições: Tensões e correntes de frequência fundamental, definidas com base nos pontos de operação do compensador. Correntes harmônicas que dependem dos ângulos de disparo dos TCR, da tensão secundária e do estado dos TSC (bloqueados ou inseridos). Efeito dos harmônicos pré-existentes na tensão primária, que depende do estado dos elementos que integram o compensador. Os harmônicos pré-existentes foram considerados conforme estabelecido em [1]. Para o cálculo da suportabilidade dos componentes aqui mencionados, uma varredura é efetuada através da faixa de operação do CE Extremoz, do limite indutivo ao capacitivo, considerando a variação do ângulo de disparo dos TCR, com dois TSC em operação, um TSC em operação e os dois TSC bloqueados. Restrições na operação do compensador devido à atuação de funções tais como limitação de corrente primária e de tensão secundária são consideradas. Tolerâncias nos elementos que integram o compensador são também consideradas. Os harmônicos pré-existentes e os produzidos pelos reatores controlados são considerados independentes. 7. SUPORTABILIDADE DOS REATORES CONTROLADOS A corrente que circula nos TCR é a soma da componente fundamental e das componentes harmônicas geradas por estes elementos. A experiência mostra que as correntes harmônicas geradas por harmônicos pré-existentes podem ser desprezadas no projeto dos TCR. As correntes harmônicas geradas pelos TCR no interior da conexão delta e a componente fundamental em função do ângulo de disparo são mostradas respectivamente nas Figuras 3 e 4. Uma vez que existem dois TCR no CE Extremoz, a máxima componente fundamental de corrente em cada um deles será determinada através do ponto de inserção de um TSC, uma vez que nesta situação, o TCR deverá instantaneamente compensar o TSC para que a inserção deste elemento não provoque distúrbios na rede elétrica. A presença de componentes harmônicas deve ser considerada neste ponto de operação através das curvas mostradas na Figura 3, pois o TCR não se encontra neste caso em condução plena. No instante do chaveamento do TSC, a susceptância do TCR deve ser igual a (1 + h).b TSCmax, onde h é a histerese utilizada para evitar instabilidade no chaveamento do TSC. Com base na relação apresentada na Figura 4, tem-se para este ponto um ângulo de disparo de 91,9 e uma corrente de 1387 A para cada TCR. 8. CÁLCULO DE CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO Os cálculos das correntes de curto-circuito para dimensionamento dos elementos que integram o CE Extremoz são apresentados neste item, tendo como referência a máxima corrente de curto-circuito trifásica no lado de alta tensão do seu transformador (40kA/1seg). Nos estudos de RTDS, descritos em artigo técnico a ser elaborado, foram considerados no 230kV de Extremoz os níveis de curto-circuito máximo de 5,33GVA e mínimo de 1,79GVA. Os seguintes casos foram identificados como os mais críticos para efeito de suportabilidade de componentes: 6 / 8

7 Figura 3 Correntes harmônicas nos TCR em função do ângulo de disparo Figura 4 Corrente fundamental nos TCR em função do ângulo de disparo Falta trifásica na barra de média tensão do compensador. Falta trifásica em um filtro, entre um reator e um capacitor. Falta bifásica em um filtro. Falta nos terminais do capacitor de um TSC. Falta em uma das bobinas do reator de um TCR. As correntes de curto-circuito decorrentes destes cálculos são apresentadas na Tabela IV. 7 / 8

8 Tabela IV: Local da Falta Máximas Correntes de Curto Simétricas / Assimétricas (karms / kapico) Barra de Média Tensão do CE 36,4 / 94,6 Filtro 5 Harmônico 11,5 / 29,9 (3-ϕ) e 15,2 / 39,4 (2-ϕ) Filtro 3 Harmônico 3,7 / 9,6 (3-ϕ) e 5,8 / 15,1 (2-ϕ) TSC 13,4 / 34,8 TCR 2,5 / 6,5 9. CÁLCULO DA DC TRAPPED CURRENT NOS TCR A temperatura dos tiristores para a máxima corrente nos TCR de acordo com o projeto do CE Extremoz é 103,4 C e ocorre quando o TCR opera no ponto de chaveamento do TSC (1387 A, item 7). Sendo a corrente no TCR para o valor máximo de potência indutiva de saída 92 Mvar igual a 1177 A (Ponto E da Figura 2), foi considerada nos cálculos efetuados, de forma conservativa, uma máxima corrente no TCR de 1387 A. Para atendimento aos requisitos de [1], o TCR deve suportar os efeitos de uma DC trapped current decorrente da aplicação de uma falta trifásica à terra eliminada em 100mseg no 230kV de Extremoz, seguido do seguinte ciclo de sobretensão referido ao 230kV: 1,8 pu por 50mseg / 1,4 pu por 200mseg / 1,3 pu por 1 seg / 1,2 pu por 10 seg. Utilizando-se o circuito equivalente térmico do tiristor, a elevação de temperatura de cada tiristor decorrente da DC trapped current será de 7,5 C, o que resulta em uma temperatura máxima de (103,3 + 7,5) = 110,8 C. O ciclo de sobretensão é então aplicado. O projeto das válvulas é efetuado de tal forma que a temperatura de junção de cada tiristor não ultrapasse 113 C após o mencionado ciclo. Desta forma, tanto após a eliminação da falta quanto após a aplicação do ciclo de sobrecarga, a temperatura da junção dos tiristores encontra-se confortavelmente abaixo de 125 C, valor limite definido para o projeto pelo Fabricante. 10. CONCLUSÕES Figura 5 Diagrama Unifilar Simplificado da Região de Extremoz Foram apresentadas neste artigo técnico as etapas associadas ao dimensionamento dos elementos que integram o circuito principal do compensador estático a ser instalado na SE Extremoz. Os resultados obtidos mostram o pleno atendimento aos requisitos de especificação, quanto aos valores de potência reativa nominal injetada na barra de 230kV da SE Extremoz para os pontos de operação limites da curva V x I e aos ratings dos equipamentos que integram o CE Extremoz. BIBLIOGRAFIA [1] Edital de Leilão n. 006/2010-ANEEL Anexo 6A Lote A 8 / 8

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