INFLUENCE OF ITAIPU HVDC ON POWER SYSTEM DYNAMIC PERFORMANCE

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1 INFLUENCE OF ITAIPU HVDC ON POWER SYSTEM DYNAMIC PERFORMANCE Rui Jovita G. C. da Silva Jose Maria Sanchez Tilleria ITAIPU BINACIONAL

2 Introdução Nos setores de 50 Hz e 60 Hz de Itaipu existem registradores de longa duração, com tempo de amostragem de 55 ms, apropriados para analisar o desempenho dinâmico do sistema e da usina. Eles registram quatro grandezas: a tensão no 500 kv, a freqüência desta tensão, potência ativa total do setor e potência reativa total do setor. A análise do histórico de ocorrências, de mais de 10 anos, produz conclusões sobre o desempenho operacional do sistema de interligado. Este artigo apresenta uma análise do desempenho dinâmico do Elo de Corrente Contínua (Elo CC) de Itaipu sob o ponto de vista da usina, de ambos setores, 60 Hz e 50 Hz. É considerado que uma perturbação é relevante quando os registradores de longa duração dos dois setores partem simultaneamente.

3 Localização dos Registradores REC REC Espaço para Imagem Figura 1 Sistema de Transmissão de Itaipu.

4 Motivação A diferença entre a potência nominal do Elo CC e da interligação Itaipu-SIP era a grande preocupação na época do projeto e construção do Elo CC, sendo responsável pela instalação de diversos Esquemas Especiais de Proteção [2], visto que era necessário proteger o SIP contra perturbações no SIB. Esta diferença era muito grande quando o Elo CC iniciou sua operação, mas até hoje ainda é uma preocupação. Na próxima figura é possível observar a evolução dos sistemas de transmissão e geração em 50 Hz ao longo do tempo e a repartição da energia de Itaipu 50 Hz entre o Brasil e o Paraguai, onde a empresa que transmite a energia se chama Ande.

5 Repartição da Energia de Itaipu 50 Hz 100,0% ANDE/50 FUR50/50 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% Espaço para Gráficos 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0%

6 Ocorrências no 50 Hz que Afetam o 60 Hz A influência no sistema de 60 Hz de distúrbios originados no sistema de 50 Hz depende do montante de redução resultante na potência transmitida pelo Elo CC e da condição operativa das interligações no sistema de 60 Hz. Perda de unidade geradora: reduz a potência transmitida pelo Elo CC, em função do controle da freqüência em 49,8 Hz realizado pelo STAB50. Baixo impacto no 60 Hz, variação de freqüência transitória da ordem de 0,15 Hz. Perda de duas unidades geradoras: Redução grande na potência transmitida pelo Elo CC, com elevado impacto no 60 Hz, que pode gerar oscilações entre áreas. Curto-circuito no 500 kv/50 Hz: Grande impacto no 60 Hz quando há perda de unidade geradora associada ao curto-circuito. Perda da Interligação Itaipu-Ande: Não há impacto significativo no sistema de 60 Hz. Curto-circuito no 220 kv: O Elo CC não é sensível.

7 Curto-circuito no 500 kv/50 Hz 1,800 MW 250 MW 40.0 s 40.0 s 1,700 Mvar 500 Mvar Espaço para Gráficos 60.0 kv 20.0 kv 0.80 Hz 0.20 Hz

8 Curto-circuito no 500 kv/50 Hz: Perda de 2 UG 50 Hz - Abertura N-S 2,000 MW 400 MW 3,600 Mvar 1,400 Mvar Espaço para Gráficos 35.0 kv 60,0 kv 35.0 s 35.0 s 1.30 Hz 0.75 Hz

9 Perda da Interligação Itaipu-Ande 1,100 MW 200 MW 700 Mvar 100 Mvar Espaço para Gráficos 10.0 kv 20.0 kv 40.0 s 40.0 s 0.70 Hz 0.20 Hz

10 Ocorrências no Elo CC As ocorrências analisadas mostram que os Esquemas Especiais de Proteção fornecem garantia adicional ao sistema, visto que eles quase nunca atuam. Bloqueio de Conversor: não causa impacto significativo em nenhum sistema. Aumenta consumo de reativo do Elo CC. Bloqueio de Pólo: os outros pólos assumirem a potência perdida, até que ocorra a atuação do STOL. O impacto no 60 Hz é relevante apenas quando o há curto-circuito no 345 kv. Variação de freqüência no 50 Hz. A potência reativa consumida pelo Elo CC aumenta, mesmo com a redução na potência do Elo CC. Bloqueio de Bipolo: grande impacto para 50 Hz e 60 Hz. Pode resultar em desligamento de UG, abertura da interligação Itaipu-Ande e abertura da interligação Sul-Sudeste ou Norte-Sul. Perda de Linha CC: o impacto depende da quantidade de tentativas de religamento e da condição operativa dos sistemas. Perda de Filtro CA: possibilidade de atingir o limite de excitação em Itaipu. Falha na Partida de Conversor: pode causar problemas para ambos os sistemas, dependendo das condições de operação. Aumento no consumo de potência reativa, até o bloqueio do conversor em falha.

11 Bloqueio de Conversor 500 MW 10.0 kv 50.0 s 50.0 s 350 Mvar 0.25 Hz Bloqueio de Pólo 650 MW 15.0 kv 50.0 s 50.0 s 700 Mvar 0.80 Hz

12 Bloqueio de Bipolo MW 300 MW 50,0 s 50,0 s Mvar 250 Mvar 25,0 kv 35,0 kv 2,35 Hz 0,80 Hz

13 Bloqueio de Bipolo: Abertura N-S 2,800 MW 3,100 MW 50.0 s 1,700 Mvar 4,100 Mvar 50.0 s 30.0 kv kv 4.05 Hz 2.25 Hz

14 Perda de Linha CC 1,700 MW 300 MW 30.0 s 1,300 Mvar 400 Mvar 20.0 kv 30.0 kv 30.0 s 0.60 Hz 0.20 Hz

15 Perda de Filtro CA 100 MW 4,0 kv 30,0 s 30,0 s 500 Mvar 0,20 Hz

16 Falha na Partida de Conversor 400 MW 200 MW 1,300 Mvar 250 Mvar 60.0 s 20.0 kv 60.0 s 10.0 kv 0.70 Hz 0.20 Hz

17 Ocorrências no 60 Hz que Afetam o 50 Hz Essas ocorrências são principalmente: Faltas no sistema: afetam quando próximas ao lado inversor do Elo CC, em qualquer nível de tensão. A resposta do Elo CC a essas faltas pode ser em conseqüência de falha de comutação nos conversores. Colapso de tensão: está entre os outros tipos de ocorrências no 60 Hz que afetam o 50 Hz. Provoca a perda total do Elo CC, de forma não simultânea.

18 Falta nas proximidades do Elo CC: Abertura N-S 2,200 MW 350 MW s s 750 Mvar 700 Mvar 25.0 kv 30.0 kv 1.50 Hz 0.30 Hz

19 Colapso de Tensão no 60 Hz 6,000 MW 1,300 MW s 6,100 Mvar 2,700 Mvar s 50.0 kv 80,0 kv 6.0 Hz 1.40 Hz

20 Indicadores de Desempenho 60 Hz Evento Freqüência Natural Fator de Amortecimento Curto-Circuito no 500 kv/50 Hz 0,40 a 1,25 Hz 5 a 30 % Perda de Unidade Geradora em Itaipu 50 Hz 0,40 a 1,25 Hz 5 a 30 % Perda da Interligação Itaipu-Ande 0,30 a 0,50 Hz 10 a 20 % Bloqueio de Conversor 0,45 a 0,90 Hz 15 a 30 % Bloqueio de Pólo 0,45 a 0,90 Hz 10 a 30 % Bloqueio de Bipolo 0,30 a 0,80 Hz 10 a 20 % Perda de Linha CC 0,40 a 0,80 Hz 10 a 20 % Falha na Partida de Conversor 0,9 a 1,25 Hz 5 a 20 %

21 Indicadores de Desempenho 50 Hz Evento Variação de Erro de Tempo Freqüência Ocorrência no 60 Hz 49.8 to 51.2 Hz 0.01 s to 0.1 s Bloqueio de Conversor 49.9 to 50.2 Hz 0.01 s to 0.1 s Bloqueio de Pólo 49.9 to 51.2 Hz 0.05 s to 0.5 s Bloqueio de Bipolo 50.0 to 55.0 Hz 1.0 s to 1.5 s Bloqueio do Elo CC > 55.0 Hz > 1.5 s Perda de Linha CC 49.5 to 51.2 Hz 0.05 s to 0.5 s Perda da Interligação Itaipu-Ande 50.0 to 51.5 Hz 0.5 s to 1.0 s Perda de unidade geradora (1 or 2) 49.2 to 50.0 Hz 0.1 to 1.0 s

22 Registros de Oscilações no 50 Hz São raras as perturbações no sistema de 50 Hz que produzem oscilações de potência. A perda de uma unidade de Itaipu, seguida da redução na potência transmtida pelo Elo CC pelo STAB50 pode produzir uma oscilação bastante reduzida com freqüência natural de 0,85 Hz e fator de amortecimento de 5 %. É importante destacar que as unidades geradoras de Itaipu 50 Hz operam sem PSS. Uma oscilação importante no 50 Hz foi registrada durante o blackout de O Elo CC permaneceu em operação por alguns segundos após o colapso no lado inversor. Durante este período ocorreram oscilações com freqüência natural de 0,7 Hz e fator de amortecimento de 8,2 %.

23 Blackout ,100 MW 25.0 s

24 Conclusões A análise do desempenho dinâmico do Elo CC apresentada neste artigo foi feita baseada em registros de perturbações que ocorreram no sistema, coletados nos setores de 50 Hz e 60 Hz da Usina de Itaipu. As perturbações no Sistema Interligado Paraguaio não afetam o Elo CC de forma a impactar o desempenho do Sistema Interligado Brasileiro. Perturbações na rede de 500 kv/50 Hz podem se refletir em outros desligamentos em cascata no SIB, como a abertura da Interligação Norte-Sul, dependendo das condições de operação do sistema. A perda da Interligação Itaipu-Ande pode se refletir no SIB, com impacto reduzido, mesmo nos casos de máxima transferência nesta interligação.

25 Conclusões Perturbações no Elo CC se refletem tanto no SIB quanto no SIP, mas a existência de EEP reduz a propagação de suas conseqüências. Podem ocorrer tanto a abertura da Interligação Itaipu-Ande quanto a perda de interligações regionais no SIB. A falha na partida de conversores pode impactar tanto o SIB quanto o SIP. É necessário realizar a modelagem deste evento nos programas de análise de transitórios eletromecânicos, para que ele possa ser estudo no horizonte de planejamento da operação.

26 Conclusões Perturbações no SIB, nas proximidades do lado inversor do Elo CC, se refletem no SIP, normalmente em termos de variação de freqüência de curta duração. Apesar de numerosas, cerca de 100 ocorrências por ano, o impacto dessas perturbações na causa incômodo à operação do SIP. É importante destacar que em quase todas grandes perturbações no SIB que levaram à perda do Elo CC, como conseqüência também ocorreu a abertura da Interligação Itaipu-Ande.

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