Importância da Validação dos Modelos dos Sistemas de Excitação com Ensaios de Campo para Estudos de Transitórios Eletromecânicos

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1 Grupo de Estudo de Análise e Técnicas de Sistemas de Potência (GAT) Importância da Validação dos Modelos dos Sistemas de Excitação com Ensaios de Campo para Estudos de Transitórios Eletromecânicos Cristiano Bühler (*) REIVAX Rafael Bertolini de Paiva REIVAX Paulo Marcos P. Paiva REIVAX João Marcos Soares REIVAX Lucas Manso da Silva REIVAX

2 Sumário - Introdução - Saturação Magnética Efeitos da parametrização incorreta - Modelagem do Conversor Estático Diferentes modelos Tensão de Teto Efeitos de ajustes incorretos - Modelagem de Não-Linearidades Caso do Estabilizador (ESP) Lógica de bloqueio e reconexão Comutação do ganho de saída Comutação do bloco wash-out (Reset Não-Linear) - Conclusões

3 Introdução - A correta modelagem do Sistema de Excitação da máquina síncrona é fundamental para estudos de estabilidade; - A representação incorreta da saturação magnética da máquina, do conversor de potência ou das não-lineares poderá levar a resultados incorretos.

4 Saturação Magnética da Máquina Síncrona - Os limites operacionais da máquina síncrona devem ser respeitados, conforme a Curva de Capabilidade; - Limites da corrente no campo são enfocados: Limite térmico do rotor (OEL): corrente de campo em regime permanente (dados de placa da máquina/excitatriz); Limite máximo do rotor (OEL_pk): Sobrecorrente temporária suportada pelo enrolamento de campo da máquina; Limite mínimo do rotor (MEL): Aquecimento de partes da máquina em função do fluxo disperso.

5 Saturação Magnética da Máquina Síncrona - O ajuste aplicado nos referidos limitadores sofrem influência da saturação magnética e dos parâmetros da máquina síncrona; - A saturação magnética afeta as indutâncias do gerador síncrono; - Em simuladores, diferentes funções matemáticas modelam a saturação magnética; no ANATEM é normalmente utilizada a função exponencial: Valores típicos: Ag=0,0 ; Bg=9,0 ; C=0,8 y Bg A g e ( x C)

6 Saturação Magnética Parâmetros Incorretos GAT GGG 30 NN

7 Saturação Magnética Parâmetros Incorretos GAT GGG 30 NN

8 Modelagem do Conversor de Potência - A parte de potência de um sistema de excitação é comumente chamada de excitatriz (rotativa, estática ou mista); - Em sistemas totalmente estáticos, baseados em pontes de tiristores, a excitatriz é chamada de conversor de potência; - É comum encontrar diferentes topologias para representação do sistema de excitação do tipo bus-fed.

9 Modelagem do Conversor de Potência - Três modelos do conversor de potência, que dependem da tecnologia aplicada: Modelo : Conversor de potência baseado em tiristores (representação simplificada). Modelo 2: Conversor de potência baseado em tiristores (rampa-pedestal) Modelo 3: Conversor de potência baseado em tiristores utilizando polarização cossenoidal.

10 Modelagem do Conversor de Potência - Sistema bus-fed possui vantagem em relação a outros sistemas: depende somente do próprio gerador para sua excitação; - No entanto, em caso de curto na barra de alta do gerador: tensão na entrada das pontes é reduzida alteração no disparo; - Caso tal efeito não seja representado no modelo, resultados incorretos poderão ser obtidos; - Simulação: curto-circuito trifásico (CC3F) na barra de alta do gerador, com duração de 0,2s; o conversor de potência foi representado por diferentes modelos:

11 [pu] [pu] [pu] [pu] [pu] [pu] [pu] [pu] [pu] Modelagem do Conversor de Potência.4 TENSÃO TERMINAL 4 TENSÃO DE CAMPO 3.5 CORRENTE DE CAMPO TENSÃO POTÊNCIA TERMINAL ATIVA P POTÊNCIA TENSÃO DE REATIVA CAMPO Q (simplificado) Modelo CORRENTE SINAL DO DE PSS CAMPO Modelo (polarização cossenoidal) PSS

12 [pu] Modelagem do Conversor de Potência Questão da Tensão de Teto (Ceiling Voltage) - Tensão de Teto: máxima tensão retificada na saída do conversor; - Ajuste errado no modelo resultados incorretos..4 TENSÃO TERMINAL VCP = 0 VCP = 8 VCP = 6 VCP =

13 Exemplo de Modelagem do Sistema de Excitação

14 Modelagem de Não-Linearidades Caso do ESP Identificação da Parte Linear

15 Modelagem de Não-Linearidades Caso do ESP Lógicas de Bloqueio e Reconexão

16 [pu] [pu] POTÊNCIA ATIVA POTÊNCIA REATIVA SINAL D [pu] [pu].04 Modelagem de Não-Linearidades Caso do ESP.02 TENSÃO TERMINAL Comutação do Ganho de Saída do ESP por nível de Potência Ativa TENSÃO TERMINAL 6 TENSÃO DE CAMPO POTÊNCIA ATIVA Com chav. de ganho Sem chav. de ganho

17 Modelagem de Não-Linearidades Caso do ESP Simulação da comutação do bloco de Wash-out (Reset Não-Linear)

18 Conclusões - A saturação magnética das máquinas elétricas deve ser adequadamente representada em programas para estudos de estabilidade eletromecânica, sob pena de: - Erros de atuação dos Limitadores de Máxima Excitação (OEL) e Mínima Excitação (MEL); - Resultados incorretos por não-limitação da máquina conforme características construtivas ou por restrições desnecessárias; - Os conversores de potência precisam ser adequadamente representados, considerando sua topologia (bus-fed ou outra); - A tensão de teto (ceiling voltage) do sistema de excitação deve ser adequadamente representada;

19 Conclusões - As não-linearidades do ESP (e outras) devem ser corretamente modeladas; - Sugere-se que a construção de modelos para estudos seja sempre validada por ensaios de campo. Sugestões/Recomendações ao ONS: - Alguns modelos de controladores e parâmetros de máquinas presentes no Banco de Dados para Estudos de Estabilidade devem ser revisados; - Inclusão nos Procedimentos de Rede de maiores orientações quanto a ensaios para validação de modelos dos controladores.

20 CONTROLE, EXCITAÇÃO E AUTOMAÇÃO DE GERADORES E TURBINAS Obrigado pela Atenção! Cristiano Bühler cb@reivax.com.br REIVAX S/A AUTOMAÇÃO E CONTROLE Florianópolis Brasil COM@reivax.com.br REIVAX of SWITZERLAND AG Baden Suíça RoS@reivax.com REIVAX NORTH AMERICA, INC Montreal Canada RNA@reivax.com

21 REP Respostas () Usando a máxima de que \"tempo é dinheiro\", cada vez fica mais difícil parar máquinas para realização de testes e ensaios. Os autores acreditam na possibilidade de testes para levantamento de parâmetros de máquinas e controles associados com a máquina em operação? Dos testes apresentados no artigo quais poderiam e quais não poderiam ser realizados com a máquina em operação? Sim, é possível a partir dos sinais monitorados/registrados, por osciloperturbógrafos ou sistemas PMUs, das próprias contingências periódicas pelas quais o sistema elétrico passa, obter modelos aproximados (modelos de ordem reduzida) dos elementos do sistema de potência. Porém, os modelos de ordem elevada, e com grau de confiança maior, só poderão ser obtidos através da realização de ensaios que exigem disponibilidade de máquina. Os principais ensaios são rejeições de carga, saturação e ensaios de injeção de perturbação na referência de tensão com a máquina em vazio e em carga em diferentes níveis de operação. Esse conjunto de ensaios costumam demorar de 2 a 4 dias. Em países da América do Norte (EUA, Canadá) e América do Sul (Colômbia, Chile, Peru), são realizados ensaios periódicos (tipicamente 5 anos) para a validação e levantamento dos modelos de ordem elevada, ensaios esses que exigem disponibilidade de máquina. Outro ponto importante é que, a cada perturbação sistêmica, os modelos são confrontados, e os pontos de divergência são investigados, exigindo-se que os agentes responsáveis por estes modelos verifiquem e apresentem as devidas correções dos modelos.

22 REP Respostas (2) Uma possível solução em sistemas de excitação \"bus-fed\" é a utilização do transformador de \"compoudagem\" (transformador de corrente) para manter a tensão do gerador alta o suficiente mesmo para defeitos próximos aos terminais da máquina. Os autores tem experiência com esse tipo de sistema de excitação? Os autores tem ciência se existe este tipo de excitação nas máquinas do SIN? Em que sistemas os mesmos são encontrados? O Sistema de excitação com compound é uma estratégia usada para máquinas síncronas quando sujeitas a curtoscircuitos muito próximos a seus terminais, para garantir o suprimento de energia a conversores do tipo bus-fed. A função do compound é de alimentar o curto circuito até que o sistema de proteção, tipicamente do tipo 50/5, atue. Sistemas de excitação com compound são típicos em indústrias. A REIVAX já instalou Sistemas de Excitação utilizando sistema compound em refinarias. Em estudos de estabilidade dos parques industriais, deve-se modelar adequadamente o conversor de potencia com compound. Acrescenta-se aqui que o ONS (CIGRE e IEEE também) recomenda que o sistema de excitação tenha uma tensão de teto elevada, de forma que durante o afundamento de tensão, sustente a corrente de curto circuito por um tempo maior. Não temos conhecimento sobre utilização de sistema compound em máquinas de grande porte conectadas à rede básica.

23 REP Respostas (3) De acordo com os resultados apresentados na curva de capacidade (Figura 2) mostrada no artigo, a não representação da saturação da máquina leva a resultados pessimistas quando a máquina está sobre-excitada e a resultados otimistas quando a máquina está sub-excitada. Vamos considerar que o levantamento da curva de saturação de máquinas seja uma tarefa economicamente não atraente e de fraca argumentação para parada de máquinas. Neste contexto, lançar mão dos resultados apresentados no artigo, e utilizar um fator de correção nas curvas obtidas sem a saturação, não seria uma solução aproximada aceitável? A corrente de campo nominal de placa de um gerador síncrono é um dado que garante a operação do gerador no ponto de operação nominal dele. Nos modelos de simulação, esse parâmetro de placa equivale um valor percentual em relação a corrente de campo nominal do modelo simulado, onde a corrente de campo nominal do modelo simulado (Eq = Tensão equivalente a corrente de campo) é dada em relação à linha do entreferro, e não em relação ao ponto de operação nominal da máquina obtida pela placa do gerado síncrono. A conversão da corrente de campo nominal de placa para o valor de corrente de campo em pu para a simulação é um ponto que depende dos parâmetros de máquina síncrona e da curva de saturação do modelo. Quando há erros nesses parâmetros, o valor em pu da corrente de campo da simulação será diferente do valor real obtido em campo. A solução mais adequada para contornar esse problema é realizar provas de campo para validar o parâmetros e curva de saturação da máquina. Todavia, é aceitável a aplicação de compensações somente nas referencias dos limitadores simulados que utilizam como entrada a variável corrente de campo (OEL e MEL), de tal forma que o ponto de operação das simulações fique o mais próximo do ponto real que seria obtido em campo quando o limitador atue. Essa compensação implicará em erro na variável da corrente e tensão de campo simulada quando comparada com as mesmas variáveis obtidas de ensaios de campo.