Compensador Estático de Reativos Controlado a Tiristores: Modelagem e Simulação

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1 1 Compensador Estático de Reativos Controlado a Tiristores: Modelagem e Simulação J. C. de Oliveira, PhD; A. B. de Vasconcellos, Dr.; R. Apolônio, Dr.; M. K. Kawaphara, Dr.; J. E. Carvalho, Eng o e E. Raupp Jr, Eng o Resumo - Este trabalho apresenta a modelagem do compensador estático de reativos (CE), composto pelo reator controlado a tiristores (RCT), do capacitor chaveado a tiristores (CCT) e do filtro ressonante de 5 a harmônica no programa ATP, mais precisamente, utilizando os recursos do pré-processador ATPDraw. O controle do compensador foi implementado através dos recursos da sub-rotina TACS. Os resultados apresentados foram obtidos através da inserção do CE no final de um sistema elétrico de potência, com configuração tipicamente radial, no qual foram simuladas várias ocorrências, tais como: inserção de cargas, rejeição de cargas, energização de transformadores. Os resultados encontrados buscam enfatizar a eficácia do dispositivo no controle da tensão no barramento ao qual o dispositivo está conectado e nos outros pontos do sistema elétrico. de transmissão de 230 kv interligam a SE-Coxipó e Manso a SE-Sinop, cuja extensão total é de 450 km (fig.1). Palavras-Chave - Compensador estático, reator controlado a tiristores, capacitor chaveado a tiristores, programa ATP, controle de tensão. I. INTRODUÇÃO sistema elétrico de potência do Estado de Mato Grosso O participa do sistema elétrico interligado nacional, no qual estão presentes linhas de transmissão de até 750 kv em corrente alternada e o elo de corrente contínua de Itaipu. Nesse sistema encontram diversas formas de produção de energia elétrica, tais como: a geração hidráulica, a geração térmica (Diesel, gás e nuclear). Em particular, no estado de Mato Grosso, o atendimento às cargas distribuídas nas diversas cidades e na área rural, dá-se, predominante, via um sistema de transmissão radial, com tensão de 230 kv, que se estende desde a cidade de Cuiabá, subestação (SE) Coxipó, até a cidade de Sinop, SE-Sinop. Atualmente, há algumas fontes geradoras de energia elétrica, tais como: a usina hidroelétrica de Manso, a usina termoelétrica de Cuiabá (a gás), a usina hidroelétrica de Canoa Quebrada, próxima à cidade de Sinop, no norte do Estado. Essas fontes geradoras atendem a demanda do Estado em determinados períodos do ano e, adicionalmente, permitem fornecer energia elétrica ao sistema nacional interligado. Dados recentes indicam uma demanda máxima de 76 MVA na SE-Sinop, suprida em parte pela usina de Manso e pela SE-Coxipó (Cuiabá). Uma linha Este trabalho conta com o suporte financeiro da Eletronorte através do programa de P&D com a participação da UFMT e UFU. J. C. de Oliveira trabalha na Universidade Federal de Uberlândia ( jcoliveira@ufu.br ); A. B. de Vasconcellos, M. K. Kawaphara e R. Apolonio trabalham na Universidade Federal de Mato Grosso ( s: arnulfo@ufmt.br apolonio@cpd.ufmt.br kiyoshi@cpd.ufmt.br ); J. E. Carvalho e E. Raupp Jr trabalham na Eletronorte (joseeduardo@eln.gov.br edsonraupp@eln.gov.br) Fig. 1. Sistema elétrico simplificado de Mato Grosso. A SE-Sinop tem um comportamento típico de um sistema radial, e como tal, sofre as dificuldades inerentes a regulação de tensão, nas condições de operação de carga leve e pesada. A solução mais comum adotada pelas concessionárias nacionais responsáveis pela geração e transmissão de energia elétrica é a compensação de reativos. Dentre os mecanismos utilizados para tanto se tem a utilização de compensadores fixos e compensadores com características variáveis. No contexto dos dispositivos dinâmicos, os reatores controlados a tiristores operando em conjunto com um banco de capacitores fixos ou chaveados têm sido largamente utilizados por muitas empresas. Esta tecnologia, surgida nos anos 80 ainda se destaca como uma alternativa altamente atrativa para muitas aplicações. Atualmente, no sistema elétrico nacional, encontram-se em operação unidades de CE nas seguintes localidades: SE-Coxipó (Cuiabá) (-50/+70MVAr), SE- Bandeirantes (-75/+100 MVAr), SE-Campos (-60/+100 MVAr), SE-Barro Alto (-22/+33 MVAr) e uma proposta para a implantação de uma unidade de -20/+25 MVAr com controle contínuo e +30 MVAr com controle discreto, na SE- Sinop (Sinop-MT) [1], [2].

2 2 Do exposto, este artigo tem por objetivo apresentar a modelagem do compensador estático no ATP e os resultados de estudos de desempenho deste tipo de compensador e seus impactos num sistema de transmissão com característica predominantemente radial, como é o caso do sistema do Estado de Mato Grosso. As simulações irão avaliar o desempenho do compensador estático no controle da tensão na barra da SE-Sinop, sob diferentes condições operativas, analisando a operação dinâmica do dispositivo. II. MODELAGEM DO SISTEMA DE ENERGIA ELÉTRICA A. Modelagem do Compensador Estático no ATP Atualmente existem diversos programas computacionais que permitem a simulação de redes elétricas no domínio do tempo, dentre eles: O simulador SABER, o MathLab, o PSCAD/EMTDC, ATP/ATPDraw, etc. A escolha do ATP deve-se a ampla quantidade de modelos de dispositivos de redes elétricas já disponibilizadas no programa, tais como: transformadores, linhas de transmissão, elementos lineares e não lineares, etc., além do fato de não se ter qualquer custo para a sua aquisição, aliada a facilidade, graças a incorporação do pré-processador ATPDraw, e a farta documentação para consulta e utilização. O compensador estático é basicamente constituído de um reator controlado a tiristores (RCT), um capacitor controlado a tiristores (CCT) e um filtro harmônico ressonante ajustado para a 5ª harmônica (fig. 2), [3] e [4]. 3). Fig. 3. Diagrama esquemático do CE para uma das fases. A unidade de potência compreende as válvulas a tiristores e os elementos a parâmetros concentrados (R, L e C) (fig. 4), todos já disponíveis na biblioteca de modelos do ATP. Fig. 4. Unidade de Potência do CE: Circuito elétrico equivalente do RCT; Circuito elétrico equivalente do CCT. Fig. 2. Diagrama unifilar do Compensador Estático: RCT, CCT e Filtro harmônico. As potências reativas do CE, a ser inserido na SE-Sinop, ficaram assim distribuídas: dos +25 MVAr capacitivos, 3,5 MVAr foram destinados ao filtro de 5 a harmônica e 21,5 MVAr ao capacitor chaveado a tiristores e -24,0 MVAr ao reator. Os valores das resistências, indutâncias e capacitâncias do compensador estático foram estimados com base nos dados do compensador estático da SE-Coxipó, mantidas a devidas proporções. Para efeito de modelagem, o compensador estático pode ser dividido em quatro blocos distintos e inter-relacionados: a unidade de potência, a unidade de medição, a unidade de controle e a unidade de distribuição de pulsos de disparo (fig. A fig. 5 mostra o RCT e CCT implementados no ATPDraw utilizando os modelos de dispositivos já existentes no programa. O filtro harmônico é modelado simplesmente como uma carga trifásica ligada em Y. Os sinais de disparo dos tiristores ficam acessíveis à unidade de controle, a qual foi implementada utilizando os recursos da TACS. A unidade de medição baseia-se em um circuito dedicado à aquisição e ao processamento dos sinais de tensão da barra controlada pelo CE (lado de 230kV), cujas saídas intermediárias fornecem sinais proporcionais ao valor eficaz da tensão da barra controlada (V CE ) e a corrente reativa intercambiada entre o sistema e o CE (I CE ).

3 3 Fig. 5. Modelo equivalente da unidade de potência do CE no ATPDraw : a) RCT, b) CCT. Fig. 6. Modelo equivalente no ATPDraw da unidade de medição. Na unidade de medição está contido um medidor coletivo da tensão eficaz das três fases e um medidor de potência reativa trifásica, este implementado com o uso de PLL (Phase Locked Loop), a partir dos quais obtém-se o sinal proporcional à tensão na barra, levando-se em conta um dado estatismo para o CE. A fig. 6 mostra a implementação no ATPDraw. O controlador de tensão, cuja função e garantir o valor da tensão desejada na barra controlada, é formado basicamente por um controlador proporcional e integral (PI). O controlador PI recebe informações da unidade de medição e emite um sinal correspondente ao valor desejado para a susceptância do compensador estático. A fig. 7 mostra o diagrama de blocos do controlador proporcional e integral (PI), filtros, sinais de subtensão e sobretensão e o seu modelo equivalente do controlador PI no ATPDraw. Participam, também, da unidade de controle, os seguintes blocos lógicos: bloco de detecção de sobretensão e subtensão, bloco de distribuição de pulsos, bloco de disparo do RCT, bloco de disparo do CCT, bloco de detecção de polaridade do capacitor e sobrecorrente do CCT [3], [4]. O sinal de saída do controlador PI, bref, é a susceptância de referência para o CE. Um valor negativo para bref, indica a necessidade de operar na região indutiva; ao contrário, se positivo o compensador deverá operar na região capacitiva. A saída (bref) fornece o sinal para o ângulo de disparo do RCT, cuja relação é dada por: α 2. α susceptânc ia = 2 + seno( ) (1) 90 π sendo α o ângulo de disparo em graus. A estratégia para representar essa não linearidade é

4 4 aproximada pela relação [4]: Nivel=9,2 0,92.bref (2) sendo o sinal Nível proporcional ao ângulo de disparo do RCT. A figura 8 mostra o diagrama de blocos, cuja saída é o sinal para disparo do RCT, e o bloco lógico de disparo propriamente dito. Para a implementação da unidade de disparo do RCT, faz-se necessário à sincronização com os sinais de tensão das fases VAB, VBC e VCA, os quais são realizados por meio de dois PLL por fase. (c) Fig. 8. Disparo do RCT; a) Diagrama de bloco (fases C e A); b) e c) Implementação no ATPDraw do detector de nível e bloco de disparo do RCT. A fig. 9 mostra parte da lógica de disparo do CCT, em particular, os sinais de disparo dos tiristores inseridos entre as fases C e A. Fig. 7. Controlador de tensão: a) Diagrama de blocos parcial do sistema de controle, b) Implementação no ATPDraw do controlador PI. Fig. 9. Implementação da lógica de disparo do CCT do capacitor ligado entre as fases C e A (parcial). B. Modelagem do sistema de transmissão e transformadores O diagrama unifilar do sistema elétrico a ser simulado está mostrado na fig. 10. A modelagem das linhas de transmissão, dos transformadores, reatores, banco de capacitores, cargas são facilmente realizáveis com o uso dos modelos préexistentes no ATPDraw.

5 5 A fig. 11 mostra a implementação no ATPDraw dos dispositivos existentes na SE-Sinop, quais sejam: os bancos de capacitores (8x3,6MVAr), manobráveis, no terciário do transformador de 100 MVA; o reator de linha de 20 MVAr, o reator de 20 MVAr e o banco de capacitores de 30 MVAr, estes manobráveis, e as cargas, que foram divididas em três grupos, para simular as condições de carga leve, média e pesada. Fig. 10 Diagrama unifilar do sistema elétrico a ser simulado. Fig. 12. Tensão na SE-de Sorriso, Sinop e de referência em função da inserção de cargas, retirada de reator, inserção de bancos e retirada de carga. Fig. 11 Implementação dos dispositivos da SE-Sinop no simulador. As chaves colocadas em cada um dos dispositivos permitirão a manobra de inserção e retirada do dispositivo durante as simulações. III. SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS A. Simulação sem a conexão do compensador estático Na simulação procurou-se retratar a inserção e a retirada de cargas e dispositivos para controle da tensão na SE-Sinop. A potência das cargas conectadas nesse barramento referem-se a situação de demanda máxima medida no mês de maio de A figura 12 mostra o gráfico para esta situação e a tabela I resume os instantes de chaveamento dos dispositivos e sua respectiva potência. TABELA I TIPO E POTÊNCIA DAS CARGAS E INSTANTE DE MANOBRA DURANTE A SIMULAÇÃO DIGITAL; SE-SINOP; SE-COXIPÓ =1,02 PU Carga Instante de Potência x10 6 Tensão fase-neutro (pu) manobra (s) Inserção Retirada Sorriso Sinop T < 0,6 s 0,9703 0,9492 carga RL +42,5 0,6-0,9119 0,8782 Reator 20,0-0,8 0,9553 0,9321 Banco Cap 4x3,6 1,0-0,9986 0,9834 Carga RL 76,0 1,2-0,9453 0,9192 Banco Cap 4x3,6 1,4-0,9765 0,9585 Carga RL -23,0-1,6 1,0179 1,0074 Banco Cap 1x3,6-1,8 1,0089 0,9960 Banco Cap 1x3,6-2,0 0,9998 0,9845 Carga RL -27,0-2,2 1,0455 1,0393 Banco Cap 2x3,6-2,4 1,0261 1,0147 Banco Cap 1x3,6-2,6 1,0164 1,0028 Banco Cap 1x3,6-2,8 1,0067 0,9989 O controle de tensão é adicionalmente realizado através do ajuste automático do tap do auto-transformador existente na SE-Sinop. Caso seja necessária a geração de potência reativa capacitiva, além daquela providenciada pelos 8 bancos de 3,6 MVAr, o banco de capacitores de 30 MVAr existente no lado de 230 kv poderá ser inserido no sistema, ajustado pela retirada parcial ou total dos bancos existentes em 13,8 kv (8x3,6 MVAr). A carga resultante no final da simulação, isto é, 26 MVA, é a condição de carga leve diária.

6 6 B. Simulação com o compensador estático Para a simulação com o compensador estático considerouse a retirada do reator manobrável de 20 MVAr na barra de 230 kv da SE-Sinop e, também, a retirada dos bancos de capacitores (8x3,6 MVAr) do terciário do transformador de 100 MVA. A fig. 13 mostra os resultados da simulação com o CE para as mesmas condições de inserção e retirada de cargas da simulação anterior, e adicionalmente, a retirada total das cargas em t=2,8 s. deverá ser implementado, juntamente com a compensação contínua (RCT + CCT), para realizar tal chaveamento. IV. CONCLUSÕES A modelagem do compensador estático no ATP permitiu a simulação desse dispositivo inserido num sistema elétrico de potência objetivando a regulação de tensão na barra a qual o dispositivo está conectado. A disponibilidade do modelo computacional permitirá a realização de simulações em trabalhos futuros que avaliem aspectos relacionados à injeção de correntes harmônicas no sistema elétrico provocadas pelo compensador estático. V. REFERÊNCIAS Relatórios Técnicos: [1] ELETRONORTE SETST-MT, "Especificação técnica do equipamento controlador de tensão", parte I, documento interno. [2] ELETRONORTE Relatório Técnico, "SVC Sinop Network Harmonic Study", documento interno. Artigos: [3] C. S. Fonseca, J. Honda, H. Pessoa O. Jr. E Eduardo H. E. Filho, "Desenvolvimento de modelo para representação da resposta transitória do compensador estático de coxipó no programa ATP", X SNPTEE, Dissertações: [4] M. Fandi, "Reator controlado a tiristores: modelagem para análises sob condições de operação em regimes permanente e transitório", Dissertação de mestrado, UFU, VI. BIOGRAFIAS (c) Fig. 13. a) Tensões na SE-Sorriso, Sinop e referência; b) Corrente no RCT; c) Corrente no CCT. Dos resultados anteriores, observa-se que a partir da inserção da carga em t=0,6s, o CCT foi chaveado e o reator passa a absorver o excedente de reativo gerado pelo CCT. Após a inserção da carga total, t=1,2s, o reator vai deixando de absorver corrente do sistema. Esse transitório foi interrompido pela retirada de carga em t=1,6s. Nas situações de carga extrema, o banco de capacitores de 30 MVAr, na barra de 230 kv, poderá ser inserido manualmente no sistema, porém um controle automático Jose C. Oliveira nasceu em Itajuba MG, Brazil. Obteve os títulos de Bacharel e Mestre na Universidade Federal de Itajubá-Brasil e PhD na Universidade de Manchester Reino Unido. Atualmente é pesquisador na Universidade Federal de Uberlândia-Brasil. Arnulfo Barroso de Vasconcellos nasceu em Corumbá-MT, Brasil. Obteve o título de Bacharel em engenharia elétrica em 1980 na Universidade Federal de Mato Grosso, Mestre em 1987 e Doutor em 2004 na Universidade Federal de Uberlândia. Roberto Apolônio nasceu em Lucélia-SP, Brasil. Bacharel em engenharia elétrica em 1981 na Universidade Federal de Mato Grosso, Mestre em 1988 na Universidade Federal de Santa Catarina - Brasil e Doutor em 2004 na Universidade de Uberlândia Brasil. Mário Kiyoshi Kawaphara, Bacharel em engenharia elétrica em 1980 na Universidade Federal de Mato Grosso, Mestre em 1993 e Doutor em 1997 na Universidade Estadual Paulista Brasil. Atualmente é professor na Universidade Federal de Mato Grosso - Brasil. José Eduardo de Carvalho nasceu em Monte Aprazível-SP. Obteve o título de bacharel em engenharia elétrica em 1981, pela Escola de Engenharia de São Carlos-USP. Trabalha como Engenheiro Eletricista na Eletronorte desde Edson Raupp Junior nasceu em Joinville-SC. Bacharel em engenharia elétrica na Universidade Federal de Mato Grosso. Trabalha na Eletronorte como Engenheiro Eletricista desde 2007, no setor de Linhas de Transmissão.