Basic Design Technical Requirements for new HVDC links in Brazil From Madeira to Belo Monte

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2 Basic Design Technical Requirements for new HVDC links in Brazil From Madeira to Belo Monte Dalton O. C. Brasil ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico

3 Madeira and Belo Monte Bipoles Configuration Belo Monte Madeira T. Minas T. Rio Madeira 2 Bipoles ± 600 kv 3,150 MW 2,625 A Araraquara Belo Monte 2 Bipoles ± 800 kv 4,000 MW 2,500 A

4 Relevant Differences: Belo Monte/Madeira Power Flow in both directions Interconnection link (4,000 MW North-South; 3,200 MW South-North); Belo Monte power plant generators are large sized (700 MW each); Strong AC systems (500 kv) at rectifier and inverter sides; Distinct receiving end substations No bipole parallel operation; Large number of receiving end inverters in the Southeastern AC system - concern due to multiinfeed interactions (Itaipu, Madeira and Belo Monte); Single lot preferential auction (HVDC Converters + TLs).

5 Belo Monte Technical Requirements Auction Guidelines Basic Reference: EPE s R1 and R2 Reports; Take advantage of the Madeira HVDC Transmission System Experience Lessons learned (main issues): Improve the requirements that led to major discussions and doubts, making them restrict and clear; Provide the main data to be used in the Basic Design (AC system equivalents, short circuit levels, harmonic impedance loci, maximum average ambient temperatures, etc.); Specify in a clear basis the models and tools to be supplied, as well as the respective responsibilities.

6 Belo Monte Technical Requirements Auction Guidelines Set technical requirements in a clear and precise way, avoiding misunderstanding; Consider the main guidelines recommendations of Submodule 2.5 revision proposal, under ANEEL s approval; Basic Design analysis and approval process should not impact the project scheduling: Divide the Basic Design into two phases: Conceiving and Detailing; Define Basic Design Reports framework and contents.

7 Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements Nominal Voltage: ± 800 kv Nominal Power: 4,000 MW (N-S) 3,270 MW (S-N) Long Duration Overloads: Available any time, within a pre defined number per year: 33% of nominal power in each pole for 30 minutes; 33% of nominal power in bipole 1 for 30 minutes without the necessity of dimensioning the reactive compensation due to this overload; 10% of 3,270 MW nominal power in bipole 1 for 4 hours, in the operating condition of South to North flow direction, without the necessity of dimensioning the reactive compensation due to this overload; The equipment should be designed to allow long duration overload in each interval of 24 hours, limited to 20 events per year. Short Duration Overload: 50% of nominal power in each pole and in bipole 1 for 5 seconds. 7

8 Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements Max. Ambient Temperature: 40 o C SBs Xingu and Estreito No. of Converters per pole: Open Operation Modes: Modos de Operação Fluxo em qualquer sentido: Xingu Estreito ou Estreito - Xingu Requisitos Retificador e Inversor Bipolar com Tensão Nominal Bipolar com Tensão Reduzida (de 70% a 95%) Monopolar com Tensão Nominal (retorno metálico) Monopolar com Tensão Nominal (retorno pelo solo) Monopolar com Tensão Reduzida (retorno metálico) Monopolar com Tensão Reduzida (retorno pelo solo) Sobrecarga Contínua Low Ambient (operação bipolar ou monopolar) Sobrecarga de Longa Duração (operação bipolar ou monopolar com retorno metálico ou pelo solo) Sobrecarga de Curta Duração (operação bipolar ou monopolar com retorno metálico ou pelo solo) A Should meet reactive power interchange and dimensioning requirements B Same as A, without meeting reactive power interchange requirements A B A A B B B B B 8

9 Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements Reactive Compensation: Allowed interchange of reactive power with the AC system: Xingu: 740 MVAr (N-S) and 395 MVAr (S-N) Estreito: 30 MVAr (precision margin) Filter banks redundancy: (n-1) of sub-bank AC voltage level range: 550 kv to 475 kv (at Xingu SB and for the range 475 kv to 500 kv it is not necessary to consider the (n-1) criteria) Losses: 0.75% per each converter SB calculated at 32.4 o C (Xingu) and 29.8 o C (Estreito) Availability: 99% (forced and scheduled) Reliability: 5 total pole outages per year and 1 bipole outage per 5 years; 9

10 Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements AC Filters: The methodology to be adopted for harmonic distortion calculation in the CCP should represent the converter station by means of its Norton equivalent and the external grid through circular sector harmonic impedances loci. Other methodologies may be proposed if they lead to more severe; Supply of ZMAX, ZMIN, AngMAX and AngMIN parameters (harmonic impedance loci) for the AC system connected to Estreito and Xingu converter SBs. 10

11 Belo Monte System - Main Characteristics and Technical Requirements Earth Electrodes: Bipolar Operation: 40 A permanently; Monopolar with earth return: 2,540 A for 250 hours per year (220 own + 30 shared); Shared Bipolar: 80 A for 2 months along one year; Monopolar with earth return Overload of one of the bipoles and the other in nominal bipolar: 3,365 A for 300 minutes per year. Controls: Clearly defined the interfaces and responsibilities among the bipole and its station control, Belo Monte power plant, Bipolo 2 as well as with other agents. 11

12 Belo Monte System Reference AC System Data Short Circuit Power Range (To be considered for dimensioning) Purpose SB XINGU SB ESTREITO Short Circuit Symmetrical Capacity for AC/DC switchyards dimensioning equipment (ka) Other purposes (MVA) 3Ø SC power level range Power flow N S direction Other purposes (MVA) 3Ø SC power level range Power flow S - N direction ,282 to 19,752 17,907 to 21,426 18,381 to 42,181 17,042 to 19,566 AC System equivalents included in the Technical Annex. ANAREDE, ANATEM and PSCAD files provided as well. 12

13 Belo Monte System Models, Tools and Training Requirements Models Supply: It should be provided the DC system computational models, including their block diagrams, transfer functions and main parameters with their respective adjustment ranges to be used in the system studies: Purpose Load Flow Study Electromechanical and Transient Stability Studies AC equipment switching and AC/DC System Interaction Studies EMT Studies DC equipment switching and DPS Studies Computational Program ANAREDE ANATEM ATP - Alternative Transients Program PSCAD The models supplied will be incorporated to ONS s database and will be available to all agents. The models for this purpose, if protected regarding confidentiality, should have the same functional detailing of those above. 13

14 Belo Monte System Models, Tools and Training Requirements Training Supply: Tutorial on the HVDC system proposed by the Transco; Training of ONS s operations team, including the use of human machine interface responsible for DC converters operation and control; Specific training for electrical and simulator studies. Tools Supply: Real time simulator comprising processing modules, communication and in/out digital/analogic interfaces; Control and Protection cubicles field replica; Dashboards and PCs used for monitoring, control and programing of the referred devices. 14

15 Belo Monte System Basic Design Milestone Basic Design: a) Conceiving Phase 120 days 180 days b) Detailing Phase 30 months 16Jun 2014 Dec2014 Dec2016 7Feb Mar2014 Sep2014 Sep2016 Jan days Auction 30 months 46 months Signature of Granting Contract Basic Design Presentation (Conceiving Phase) Basic Design Presentation (Detailing Phase) Commercial Operation 15

16 Belo Monte System Basic Design Phases Conceiving Phase Main Circuit components definition: valves, converter transformers, smoothing reactors, reactive compensation, AC and DC filters, surge arresters, PLC filters, HVDC TL, electrode line, SB grounding (criteria), AC/DC switchyard unifilar diagrams, and protection, control and supervision systems philosophy; DC control levels and signal interchange definition; Maximum converter losses evaluation through analytical calculation; Technical specifications for equipment acquisitions and manufacturing; Basic Design conformity statement regarding the Technical Annex and Grid Procedures. Detailing Phase DPS studies development to optimize controls and protection, as well as defining emergency schemes and operational procedures; Final approval of conceiving phase estimating elements; Phase ends 30 months after the Granting Contract is signed. 16

17 New HVDC Links in Brazil Main Challenges Technical Specification from Potential Transco : Auction documentation (Technical Annex) should not be used for this purpose; Data, Information and Models sharing among Transcos. HVDC installations (Power Eletronics, Controls, etc.) require strong interaction. It is expected partnership among agents. Issues related to confidentiality should be mitigated; Consistent manufactures knowledge transfer aiming at empowering Transcos technical teams in charge of installations operating and maintaining; HVDC installations forced and scheduled outages evaluation; 17

18 New HVDC Links in Brazil Main Challenges Relationship and responsibilities in all processes (granting, design, commissioning and operation) taking into account the Brazilian power system framework. F1 T1 T2 EPC F2 ANEEL ONS T3 F3 18

19 Thank you for your attention! 19

20 APOIO 20

21 Marcos na Fase de Preparação do Edital do Sistema de Belo Monte Desenvolvimento e Montagem da Proposta do Anexo Técnico pelo ONS: Maio a Agosto 2013 Discussão e Consolidação da Proposta de Anexo Técnico: Reuniões com EPE: e Reuniões com ANEEL: 21.08, e Reuniões internas ONS: ao longo setembro de 2013 Publicação Minuta do Edital e Período de Recebimento de Contribuições à Audiência Pública (AP114): a Consolidação e envio à ANEEL das respostas à AP 114: Publicação pela ANEEL do Edital de Licitação: Prazo para Pedido de Esclarecimentos ao Edital: Envio a ANEEL dos Esclarecimentos pelo ONS: Publicação pela ANEEL dos Esclarecimentos: Realização do Leilão em

22 Produtos a Serem Entregues em 120 dias Diagrama unifilar geral (CA,CC) Diagrama de Proteção, Controle e Medição Planta e corte das subestações Especificações de transformadores conversores e de válvulas Relatórios de: Definição de parâmetros do circuito principal Compensação Reativa Sobrecorrentes Transitórias em válvulas Coordenação de isolamento 22

23 Relatórios da Etapa de Concepção 180 dias Grupo: Relatórios de Estudos de Dimensionamento do Elo CC R1 - Definição dos parâmetros do circuito principal (*) R2 - Estudo de compensação reativa - balanço de potência reativa (*) R3 - Estudo de sobrecorrentes transitórias em válvulas e outros equipamentos (*) R4 Estudos de desempenho dos filtros CA R5 Estudos de definição do rating dos filtros CA e da Compensação Reativa R6 - Estudos de desempenho dos filtros CC R7 - Estudos de definição de rating dos filtros CC R8 - Estudo de coordenação de isolamento - pátios CA e CC R9 Sobretensões Transitórias no lado CC R10 Estudos de ressonâncias CA-CC em baixas harmônicas R11 Dimensionamento dos reatores de alisamento R12 - Dimensionamento das chaves CC: MRTB, GRTS, NGBS e NBS R13 Sobretensões Transitórias no lado CA R14 - Estudos de TRT - abertura de bancos e filtros no lado CA R15 Dimensionamento Teórico das Perdas (*) R16 - Ruído audível e interferência em telecomunicação PLC (*) (*) Relatórios a serem disponibilizados em 120 dias 23

24 Relatórios da Etapa de Concepção Grupo: Estudos de Sistema R17 - Fluxo de potência e curto-circuito na rede CA (*) R18 - Estudos a frequência fundamental - sobretensões e estabilidade R19 - Estudos de desempenho dinâmico-dps Grupo: Controle de Conversores, Polo e Bipolo R20 Relatório de Concepção Filosofia, atributos, sequenciamentos e linhas gerais de atuação (*) Grupo: Eletrodo e Linha do Eletrodo R21 Relatório de Concepção Filosofia e linhas gerais (*) Grupo: Estudos de Manobra do Pátio CA R22 - Energização de Transformadores Conversores R23 - TRT de disjuntores (*) Grupo: Outros Estudos R25 - Supervisão e Interfaces (Filosofia) (*) R26 Controle e Proteção (Filosofia e Diagramas Unifilares) (*) R27 - Serviços Auxiliares (Filosofia) (*) R28 Fluxo de Potência de Barramento (*) (*) Relatórios a serem disponibilizados em 120 dias 24

25 Relatórios da Etapa de Concepção Grupo: Linhas de Transmissão em Corrente Contínua ±800 kv (120 dias) R29 Normas Técnicas Utilizadas R30 Dados Climatológicos R31 Velocidade do Vento e Carregamentos Devidos ao Vento R32 Condutor e Cabos Para-raios R33 Estudos Mecânicos do Condutor e dos Cabos Para-raios R34 Distâncias de Segurança R35 Largura da Faixa de Servidão R36 Coordenação do Isolamento R37 Cadeias de Isoladores e Conjuntos de Fixação dos Cabos Para-raios R38 Definição da Série de Estruturas, Silhuetas e Hipóteses de Carregamento R39 Memórias de Cálculo das Estruturas R40 Programa dos Ensaios de Carregamento R41 Fundações Típicas R42 Sistema de Aterramento R43 Sistema de Proteção contra Vibrações Eólicas R44 Planta do Traçado 25

26 Especificações e Diagramas da Etapa de Concepção Especificações E1: Transformadores Conversores (*) E2: Reatores de Alisamento (*) E3: Válvulas(*) E4: Para-Raios E5: Buchas E6: Isoladores E7: Filtros CA e CC E8: Capacitores E9: Reatores E10: Disjuntores e chaves do pátio CA E11: Chaves CC E12: TCs e TPs (CA e CC) E13 Outros equipamentos não incluídos nessa lista Diagramas Diagrama 1 - Diagrama unifilar geral dos pátios CA e CC (*) Diagrama 2 - Diagramas de proteção, controle e medição dos pátios CA e CC (*) Diagrama 3 - Planta e Cortes das subestações (*) (*) A serem disponibilizados em 120 dias 26

27 Etapa de Detalhamento 30 meses Estudos de desempenho em regime permanente, transitório e dinâmico do elo CC Estudo de oscilações sub-síncronas Estudos de manobra de equipamentos do pátio CA Estudos das proteções das conversoras e da LT CC Estudos de definição das malhas de terra das subestações conversoras e eletrodos de terra Outros estudos Estudos de interferência em sistemas de comunicação por onda portadora (PLC); Estudo de rádio-interferência (RI) e de ruído audível Estudos de interferências TVI, microondas, VHF e UHF, incluindo sistemas de navegação aérea na proximidade de aeroportos Estudos de confiabilidade e disponibilidade Estudos de perdas e eficiência Estudos de coordenação das proteções 27

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