TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO JUNHO/2015 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 TRBLHO FINL DE GRDUÇÃO JUNHO/05 UNIVERSIDDE FEDERL DE ITJUBÁ ENGENHRI ELÉTRIC HVDC PLICDO N TRNSMISSÃO EM LT TENSÃO Gustavo Luís os Santos Rêra Rafael lvares Bragança Wllam ko e Olvera Orentaor: Prof. Dr. José Manuel Esteves Vcente Co-orentaor: Prof. Dr. ngelo José Junquera Rezek Insttuto e Sstemas Elétrcos e Energa (ISEE) Resumo crescente utlzação o HVDC (Hgh- Voltage Drect Current) nos setores e transmssão e energa elétrca é bastante notóra, provano ser bastante vantajosa a sua utlzação quano comparao a transmssão C em longas stâncas. Dante sso, buscou-se através este Trabalho Fnal e Grauação, esenvolver uma estrutura laboratoral a fm e smular o funconamento o HVDC. s atvaes envolveram a verfcação e operação o transutor e corrente, que em segua fo mplementao ao sstema CC. Fo feto um estuo fazeno uso a plataforma computaconal MTLB, na qual fo utlzao o moelo e sstema e transmssão HVDC e pulsos e 000MW (500kV- k) 50/60Hz para exemplfcar um moelo parão com base trstorzaa. Palavras-Chave: HVDC, Sstema CC, Transmssão e energa. I INTRODUÇÃO Na hstóra a nústra a eletrcae fo amplamente ocumentao que ncalmente utlzava-se corrente contínua(cc), porém sua transmssão em baxa tensão não era vável em longas stâncas, ano espaço para o esenvolvmento e amplação o comérco e corrente alternaa(c)[]. O esenvolvmento as válvulas e alta tensão tornou possível transmtr potênca CC para longas stâncas e altas tensões, possbltano o crescmento o sstema e transmssão HVDC em versas partes o muno.[] Com a crescente globalzação e vsão captalsta com que grane parte as pessoas tene atualmente, a nústra elétrca, juntamente com as preocupações ambentas vem espaço no mercao com soluções mas efcentes e menos egraantes ao meo ambente [], []. O HVDC proporcona uma sére e vantagens em relação à transmssão e potênca em alta tensão (T) em C, algumas elas são: Menores mpactos ambentas; Melhor escolha econômca; Interlgação assíncrona; Controle o fluxo e potênca; Benefícos na transmssão quanto à establae e qualae. Um ambente e programação e smulação que vem seno bastante utlzao é o MTLB. Trata-se e um software nteratvo e alto esempenho e que neste trabalho fnal e grauação fo utlzao para se realzar a análse numérca e moelamento o sstema HVDC em questão. través o software fo emulao o moelo e sstema e transmssão HVDC e pulsos, verfcano o seu comportamento operaconal. Dentro este contexto, avalou-se o comportamento o Transutor e corrente em laboratóro a fm e mplementá-lo ao sstema HVDC. Este por snal tem como objetvo njetar uma corrente e realmentação ao sstema, que é comparaa a uma corrente e referênca. O erro presente entre ambas é corrgo por um sstema e controle, responsável pela regulação e corrente o sstema. II. Transmssão CC II REFERENCIL TEÓRICO Dentre as vantagens apresentaas pela transmssão CC em relação à C, estacam-se [], [4]: Maor quantae e energa transmta por conutor; O terra poe ser utlzao como retorno; Não necessae e torres tão robustas e elevaas;

2 Poe nterconectar sstemas C em ferentes frequêncas; O fator e potênca a lnha é sempre untáro, ou seja, não requer compensaores reatvos. Não ocorre efeto skn nos conutores; Menos efeto corona e nterferênca e ráo; Sem problemas e establae; Não há contrbuções sobre as correntes e curtocrcuto nos sstemas C; Baxas correntes e curto-crcuto nos sstemas CC; Potênca e ntercomuncação poe ser faclmente controlaa. Dentre as esvantagens, tem-se: Custos elevaos os conversores; Conversores requerem potênca reatva, Harmôncos geraos pelos conversores requerem a presença e fltros; Os conversores possuem baxa capacae e sobrecarga. II. Componentes e um sstema e transmssão HVDC Os três prncpas componentes o HVDC são: Estações e conversão na transmssão e recepção o snal, meo e transmssão e eletroos [5]. s estações e conversão consstem e um conjunto e equpamentos necessáros para converter C/CC ou vce-versa. Os prncpas equpamentos são [5], [6], [7]: Válvulas trstorzaas: s válvulas trstorzaas poem ser construías e moo ferente, epeneno a aplcação e o moo e proução. Entretanto o arranjo mas comum e válvulas trstorzaas é o e pulsos. Válvulas VSC: O conversor VSC consste em conversores e os ou mas níves, reator e fase e fltros C. Transformaores: Os transformaores conversores aaptam o nível e tensão C para tensãocc. Geralmente eles são monofáscos e três enrolamentos, mas poem ter arranjos ferentes epeneno o moo e transporte e quantae e energa solctaa. Fltro C e banco e capactores: No lao C e um conversor HVDC e pulsos são geraos harmôncos e corrente e são nstalaos fltros para lmtar a quantae e harmôncos formaos na ree. No processo e conversão o conversor consome potênca reatva, que é compensao em partes pelos fltros e o restante pelos bancos e capactores conectaos à ree. Fltro CC: O conversor HVDC cra harmôncos em toos os moelos operaconas. Tas harmôncos poem crar stúrbos no sstema e telecomuncação, que poem ser reuzos pela nserção e fltros CC, uma vez que são projetaos com característcas especas para esta fnalae. O meo mas comum e transmssão terrestre é realzao por lnhas aéreas. Normalmente são lnhas bpolares, com os conutores e ferentes polaraes. Os cabos e transmssão HVDC são também utlzaos para transmssão submarna. Os tpos mas comuns e cabos são os sólos e os preenchos com óleo. Seno os o tpo sólo o mas econômco, na maora os projetos [8], [9]. II. Vablae e mplantação O HVDC tem menor custo e mplantação a lnha por unae e comprmento quano comparao a um sstema C e mesmo nível e confablae, evo ao menor número e conutores e menores tamanhos e torre. Toava, o sstema CC necessta e uas estações e conversão, que possuem custo elevao, chegano a custar e uas a três vezes o preço e uma corresponente estação e transformação C [0]. Na maora as vezes, a transmssão HVDC para pequenas stâncas não é economcamente vável. Porém, um fator etermnante para a aplcação ou não e corrente contínua em alta tensão, é o custo as lnhas aéreas. cma e uma stânca (cerca e 500km), a economa obta nas lnhas CC é maor o que os custos extras orunos as estações termnas, tornano a opção e transmssão mas vantajosa []. III METODOLOGI O métoo utlzao para gerar os resultaos esperaos fo baseao em ensaos expermentas com um transutor e corrente, lgano o mesmo no móulo HVDC o laboratóro. lém sso, através o moelo em software esenvolvo na plataforma MTLB, fo verfcao o seu exemplo e funconamento. Para se atngr as metas efnas nos objetvos este projeto, a segunte metoologa fo utlzaa: Levantamento Bblográfco: Objetvou conhecer o estao a arte sobre o tema enfocao e fornecer os subsíos sponíves e necessáros às análses e transmssão e energa em corrente contínua, bem como buscou-se conhecmentos com relação ao própro HVDC e a sua analse econômca. Para tal, foram consultaas váras fontes e pesqusas, como perócos, anas e congressos, ssertações e teses e Unversaes naconas e nternaconas; Testes Computaconas: pós as análses teórcas, fo smulao um moelo no software a plataforma computaconal MTLB aproprao para se cumprr os objetvos o trabalho e exemplfcar uma aplcação o HVDC. Foram realzaos análses e estuos os valores e formas e onas obtas urante a

3 smulação. É válo estacar que a UNIFEI já possuía a plataforma computaconal utlzaa; Meções Laboratoras: Nesta etapa, já com a estrutura laboratoral completa, foram realzaos os ensaos com o transutor e corrente e posterormente com o móulo HVDC, alvo prncpal este plano e trabalho; nálse os Resultaos: Foram realzaas as análses os aos regstraos na etapa anteror e, no que tange à aplcação o HVDC, fo verfcao o funconamento o processo e transmssão em corrente contínua [4], [5]; rtgo Fnal: Como últma etapa, tem-se a elaboração este artgo, contemplano os resultaos obtos nas pesqusas, nas meções realzaas no expermento em laboratóro e nas smulações através o software MTLB. IV RESULTDOS E DISCUSSÕES IV. nálse Econômca Toos os fatos menconaos anterormente tem tornao caa vez maor o emprego a transmssão em corrente contínua no muno. O custo e um sstema e transmssão HVDC epene e város fatores, como a capacae e energa a ser transmta, o tpo o meo e transmssão, conções ambentas, entre outros. Um fator etermnante para a aplcação e Corrente Contínua em lta Tensão, é o baxo custo as lnhas aéreas em corrente contínua. pesar o nvestmento nas estações conversoras o sstema HVDC ser maor que as estações e transmssão em alta tensão C, o custo acaba seno compensao pos acma e uma certa stânca, a economa obta nos cabos as lnhas é maor o que os custos extras orunos as estações termnas, tornano a opção e transmssão em corrente contínua vantajosa. E, lém sso, os custos e operação e manutenção são menores no sstema HVDC. fgura a segur mostra a comparação o custo: IV. Transmssão em CC transmssão em corrente contínua não é afetaa pela capactânca e a nutânca a lnha. Sob conções C, a corrente não está strbuía unformemente através a secção transversal o conutor. ensae e corrente é mas elevaa na regão exteror (Efeto Skn) e resulta na utlzação a secção transversal o conutor. Efeto Skn em conções e.c. é completamente ausente e, portanto, há uma corrente unforme no conutor, e o conutor e metal é melhor utlzaa. lém sso propca um controle e potênca estável. Com corrente alternaa, as nterlgações entre os sstemas e energa eve ser síncrono. Deste moo sstemas e frequêncas ferentes não poem ser nterlgaas. Tas sstemas poem ser faclmente nterlgaos por meo e lgações e HVDC. Para ferentes frequêncas e nterlgações ambos os conversores poem ser confnao a mesma estação. lém sso, as ferentes emanas e energa poem precsar manter ferentes tolerâncas sobre as suas entregas, embora nomnalmente a mesma frequênca. Esta opção não está sponível com corrente alternaa e em CC não exste tal problema. Em ca, mesmo pequenas ferenças e frequêncas nos os stemas acarretam granes correntes e nterlgação, com a proteção atuano para esconectá-las. O emprego e corrente contínua resolve faclmente este problema, sem naa a acrescentar a potênca e curtocrcuto as áreas nterlgaas. Isto equvale a não ser necessáro alterar potênca e transformaores, reforços em barramentos ou empregos e sjuntores com maor capacae e nterrupção. Fg. Comparação Custo e Transmssão CCxC Um sstema e transmssão em corrente contínua com os conutores metálcos equvale na prátca a um crcuto uplo e corrente alternaa, spono a mesma confablae. Fg. Comparação Torre e Transmssão CCxC

4 IV. nálse Laboratoral Prmeramente fo realzao com o transutor e corrente, um expermento para verfcar a lnearae a tensão que o transutor e corrente apresenta para posterormente mplementá-lo ao sstema HVDC e smular as varações e tensão, obteno assm a tabela e gráfco abaxo. o ângulo fxo em 50. Portanto a operação em manual ocorreu como esperao. TBEL VLORES DE TENSÃO E CORRENTE DO TRNSDUTOR Tensão [mv] Corrente [m] 68,4,6 6,8, 04,6 5,6 70 7,4 5,6 9, Fg.5 Forma e ona o Retfcaor com 0º Fg. Gráfco a relação entre tensão e corrente IV.. Móulo em Manual Fg.6 Forma e ona o Inversor com 50º IV.. Móulo em utomátco Fg.4 Móulo átco HVDC operação o móulo átco em manual, fo um sucesso. Houve o controle e corrente a partr o ângulo e sparo. O controle e corrente fo realzao varano o ângulo e sparo e 50 à 0 no retfcaor, observano que a relação é nversa, ou seja, quanto maor o ângulo, menor a corrente. Fazeno essa manera o controle e corrente contnua. Já no nversor manteve-se Fo montao um mp-op [] para multplcar o ganho, a fm e ajustar a tensão para a operação no moo automátco o moulo átco o HVDC. O Rf é um potencômetro e M[ohm], o valor ajustao fo e,7k[ohm]. O ganho =-Rf/R =-,7/0,5=-47,4 e o =-5K/5K=-. Sabemos que o ganho total o crcuto é ao: =.=47,4. 4

5 Fg.7 mplfcaor Operaconal Fg0 Controle em moo automátco O moo automátco fo utlzao no retfcaor para a transmssão o HVDC e 6 pulsos e fo possível fazer o controle e corrente em moo automátco. O ângulo o nversor fo regulao em 0º, estano o nversor em moo manual. Segue a forma e ona o nversor: Fg.8 Montagem o mplfcaor Operaconal Para almentar os CI s 74 fo utlzaa uma fonte e almentação CC, +-5 V. Fg. Forma e ona no nversor com o retfcaor operano em moo automátco O controle e corrente no moelo átco no retfcaor em moo automátco funconou conforme o esperao. Fg.9 Fonte e almentação o mp. Op. Para almentar a entraa V o mplfcaor fo utlzao o transutor, que ao almentar a entraa o amplfcaor, teve um ganho e 47,4. Retornano para o moulo átco, seno possível operá-lo em moo automátco. Da segunte manera: IV.4 Conversor pulsos Os conversores e oze pulsos são utlzaos quano a potênca a ser converta e C para CC. é elevaa e moo a melhorar []: - o fator e potênca - o fator e storção - a evtar o sobremensonamento os semconutores e potênca. esvantagem é o maor número e semconutores e potênca, aumento na complexae o sstema e refrgeração e transformaores com conexões especas. 5

6 IV.4. Conversor pulsos o tpo I Para obter-se um sstema e pulsos necessta-se e uas pontes conectaas em sére com efasamento gual a: 60º 0º Isto sgnfca que se poe utlzar um transformaor com conexão estrela-estrela e outro com a conexão trângulo-estrela, como apresentao na fgura. Incalmente para faclae e análse é suposto uma relação e : no transformaor T (Y-Y). Como a tensão fase-fase a ser retfcaa pela unae retfcaora eve ser gual a tensão fase-fase retfcaa pela unae retfcaora, a relação e transformação, e bobna para bobna, eve ser e no transformaor T. Fg. Defasagem angular Em termos e formas e onas sto sgnfca que a corrente a fase, por exemplo, no secunáro e T estará aantaa e 0 em relação a corrente na mesma fase o secunáro e T, como mostraas na fgura 4. a a t Fg.4 Relação e corrente s corresponentes correntes no prmáro, obtas através as equações abaxo possuem as seguntes ampltues: Fg. Esquema e lgação o conversor tpo I O agrama fasoral as tensões nos transformaores T e T estão mostraos na fgura. través a técnca e análse fasoral, as efasagens entre as tensões e T para T são guas a 0º em aanto (sto é, as tensões e T estão aantaas e 0º em relação as tensões e T). T: T: ' a I ' a I I ' I Estas formas e onas estão mostraas nas fguras 5 e 6, juntamente com a corrente. 6

7 a= b=b c=c Conserano-se os respectvos ntervalos e t0 até t5 vem que: t TBEL MPLITUDES D CORRENTE I Fg.5 Correntes o T '=a / B'=b / C'=c / t Intervalos t 0t t t t t t t 4 t 4t 5 mpltue - I 0 I I I I I I I I 0 I Fg.6 Correntes Prmáro o T corrente njetaa na lnha a fase o prmáro e T é aa por, '' ' ' De moo que nos seguntes ntervalos poe-se obter as ampltues esta corrente: C O formato fnal e está mostrao na fgura 8, calculao por: '' TBEL MPLITUDES D CORRENTE I Intervalos t 0t t t t t 5 mpltue I I '' 0 I I I '' I I '' O formato a corrente está plotao na fgura 7. Para a obtenção o formato fnal a corrente njetaa na fase a concessonára basta apenas somar as ampltues e e, seno que o formato e está ncao em vermelho na fgura 7 e é uma magem a corrente a o secunáro a fase o transformaor T. Fg.8 Corrente O corresponente valor efcaz e é ao por: / 6 0 / 6 / 6 Resolveno vem que: / 6 I I t I t / 6 I I t... t t I,58I Fg.7 Correntes e Observar que para o caso real, a relação e transformação eve ser conseraa na equação (sto é, 7

8 vr a equação pela relação e transformação o transformaor YY). IV.4. Conversor pulsos o tpo II t fgura 9 lustra uma outra opção para a obtenção e um sstema e pulsos, com a muança a conexão e estrela para trângulo no secunáro o transformaor T. Fg. Corrente o secunáro e T no enrolamento entre fases B e C - b Respetano a relação entre espras N:N no transformaor, encontra-se B: B N B então, B B N ' N ' N nalsano o crcuto a Fg. 9 é possível etermnar a corrente BB. BB B B Fg.9 Esquema e lgação o conversor tpo II t Fg. Corrente BB b= B Fg.0 Correntes o T b Fg. Corrente o prmáro e T t t V CONCLUSÃO Fnalmente, poe-se perceber que os objetvos o trabalho foram alcançaos. Com a estrutura laboratoral esenvolva, fo possível smular o funconamento e um sstema HVDC e forma manual e automatzaa, verfcano o comportamento o sstema com base nas tensões e correntes obtas, por meo e multímetros e ml-amperímetros, respectvamente. utlzação o oscloscópo fo nspensável para comprovar o funconamento o sstema montao, possbltano a verfcação as formas e ona e pulsos emtos para a smulação o expermento. Operaconalmente, o sstema se mostrou muto satsfatóro. Ientfcou-se na estrutura uma grane mportânca, smplcae e mplantação e utlzação no sstema e transmssão e energa elétrca em alta tensão. Setor que vem seno muto explorao no Brasl e em países e grane extensão terrtoral. Na aplcação, o software MTLB mostrou-se aequao, e fácl programação e operação. Proporconou uma nterface operaconal com aspecto 8

9 profssonal, que fo essencal para obter uma fácl vsualzação e compreensão os ensaos e aspectos estuaos. REFERÊNCIS [] KIMBRK, E. W. Drect current transmsson. v.. cap.-4. p.-47. [] RUBENS, L. J. Hgh voltage rect current transmsson. cap.. p [] SILV, F. L. D. Característcas e transmssão e energa em corrente alternaa e corrente contínua. Insttuto Feeral Espírto Santo. [4] SOUZ, N. Curso e eletrotécnca 4º períoo Colégo Iguaçu Foz o Iguaçu/PR. 7 go. 0. [5] RUDERVLL, R.; CHRPENTIER, J. P.; SHRM, R. Hgh voltage rect current(hvdc) transmsson systems technology revew paper. [6] PWNI, K.; MISHR R.; Recent avances n hgh-voltage rect-current power transmsson system. Internatonal Journal of vance Technology & Engneerng Research (IJTER). [7] GELIDIS, V.G; DEMETRIDES, G.D.; FLOURENTZOU, N. Recent avances n Hgh- Voltage Drect-Current Power Transmsson Systems. Tese e Pós-Grauação. [8] MOONEY, J. Electrcal conseratons for HVDC transmsson lnes. Mar, 00. [9] Energy Sector; SIEMENS G. Hgh Voltage rect current transmsson. Proven technology for power exchange. Dsponível em: < cesso em 4 e mao e 05. [0] Energy Sector; SIEMENS G. Hgh Voltage rect current transmsson. Unrvale practcal experence. Referêncas munas e HVDC. Dsponível em: < cesso em 4 e mao e 05. [] Carvalho,. P. S. D. D. nálse técnco-econômca e lnhas e transmssão em corrente contínua em alta tensão: estuos e caso. go, 0. [] SILV, V. F. D. S.; REZEK,. J. J.; RODRIGUES, R. R. Conversores e oze pulsos. cap.6 p.6-7. Eletrônca e potênca Unversae feeral e Itajubá. [] BOYLESTD, R.; NSHELSKY, L.; DISPOSITIVOS ELE- TRÔNICOS E TEORIS DE CIRCUITOS. CP.4 P , 8ª ED., 005. [4] GRHM, J. O uso e HVDC para usnas hroelé-trcas remotas. Dsponível em: < cesso em 5 e mao e 05. [5] PUCR, B. C. Sstema HVDC baseao em con-versores multnível moulares. Dsponível em: < cesso em 7 e mao e 05. BIOGRFI Gustavo Luís os Santos Rêra Nasco em Pouso legre- MG, em 99. tualmente graua-se Engenhara Elétrca na Unversae Feeral e Itajubá, com prevsão e conclusão o curso em ezembro/05. tua como estagáro na empresa BLTEU proutos elétrcos S, em Itajubá-MG. Rafael lvares Bragança Nasco em Porto Velho-RO, em 986. tualmente graua-se em Engenhara Elétrca na Unversae Feeral e Itajubá, com prevsão e conclusão o curso em Dezembro/05. tuou como estagáro na empresa ESBR Usna Hrelétrca Jrau em Ronôna, atualmente montor e Geração e Energa no ISEE. Wllam ko e Olvera Nasco em Mog as Cruzes-SP, em 99. tualmente graua-se em Engenhara Elétrca na Unversae Feeral e Itajubá, com prevsão e conclusão o curso em Dezembro/05. tua como montor o Centro e Excelênca em Rees Elétrcas Intelgentes (CERIn), em Itajubá-MG. 9