TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO OUTUBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO OUTUBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA ESTUDO E SIMULAÇÃO DE UM DISPOSITIVO COMPENSADOR ESTÁTICO DE REA- TIVOS - SVC (STATIC VAR COMPENSATOR) Janayna Silva da Costa Orientador: Prof. Rafael Di Lorenzo Corrêa Coorientador: Prof. Ângelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Resumo - Este artigo tem por finalidade apresentar o trabalho final de conclusão do curso de Engenharia Elétrica, cuja proposta foi o estudo e a simulação de um Compensador Estático de Reativos conhecido na tecnologia por SVC (Static Var Compensator). Este compensador atualmente é um dos dispositivos utilizados nos sistemas flexíveis de transmissão em corrente alternada (FACTS - Flexible Alternating Current Transmission Systems). Palavras-Chave: FACTS, SVC, Sistemas flexíveis de transmissão. I INTRODUÇÃO Os SVCs fazem parte da família dos FACTS. A proposta principal desses equipamentos é de conseguir uma ação rápida, precisa ao ajustar a necessidade de compensação de potência reativa do sistema no qual estão fazendo parte. Para isso eles adicionam ou retiram capacitância ou mesmo fazem uso de capacitores controlados a chaves tiristorizadas. Em outro arranjo, junta-se em paralelo com um desses capacitores e reatores controlados a chaves tiristorizadas, que também fazem a compensação através do ajuste dos ângulos de disparo dos tiristores[11]. O SVC (Static Var Compensator) pode ser utilizado para fins de compensação de tensão e neste caso tem vantagens tais como um melhor controle de compensação em relação aos bancos fixos de capacitores, além de melhorar a estabilidade do sistema. Eles são utilizados também para fins de correção do fator de potência promovendo melhores fatores de potência e minimizando as flutuações de tensão, prevenindo danos em equipamentos, e também reduzindo gasto de operação[11]. Na figura 1 tem-se uma vista de uma instalação com um SVC. Figura 1 - Imagem de um SVC em uma subestação na Dinamarca( Siemens). II REFERENCIAL TEÓRICO O sistema elétrico de potência é composto por um grupo de geração de energia elétrica - que contém os geradores de energia e seus dispositivos de controle, um grupo de transmissão - contendo as linhas de transmissão e os transformadores, um grupo de distribuição que é a conexão, o atendimento e a entrega efetiva de energia elétrica ao consumidor e finalmente um grupo de consumo - com a representação da carga consumida no sistema [1]. Os primeiros sistemas de potência no Brasil eram sistemas isolados, que supriam somente centros de cargas regionais [4]. Porém atualmente o sistema elétrico brasileiro é interligado nas regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da região Norte. Somente 1,7% da energia solicitada no país estão fora do SIN (Sistema Interligado Nacional), têm-se então apenas pequenos sistemas isolados que estão 1

2 localizados em grande parte na região amazônica e isto se deve pela dificuldade de acesso desses locais [6]. A interligação do sistema elétrico foi algo muito interessante, pois como a maior parte da capacidade de geração do país é hidrelétrica, ou seja, têm-se uma geração muito dependente do regime de chuvas nas bacias hidrográficas, distantes umas das outras, e com a interconexão através do SIN (Figura 2) o fornecimento de energia ficou mais eficiente e estável [7]. Em decorrência dessas interligações, assim como a globalização da economia, a crise energética mundial, as pressões ambientais, o desenvolvimento sustentado, a geração distribuída de pequena potência e os avanços tecnológicos surgiram novas questões e problemas a serem enfrentados para que novas alternativas técnicas e econômicas viabilizassem a expansão e a operação do sistema elétrico [4]. II.1 QUESTÕES ATUAIS DE CONTROLE DO SIS- TEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Com a finalidade de se obter um sistema elétrico mais confiável e com melhor qualidade muitos estudos estão em desenvolvimento e uma área que hoje tem sido muito estudada devido a essa necessidade de controle é a área de eletrônica de potência [2]. Os dispositivos que vem recebendo grande atenção são os chamados FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), os quais são desenvolvidos para o controle do fluxo de potência. Este controle pode ser efetuado através de grandezas como impedância, tensão, corrente e ângulos de fase [2]. Para se obter a flexibilidade do sistema pode-se fazer uso do controle com a eletrônica de potência. Tais como a transmissão em HVDC, compensadores estáticos reativos, controladores de fluxo de potência, conversores de frequência e sistemas CA/CC, relacionando os sistemas de corrente alternada e de corrente contínua de acordo com os níveis de tensão e de potência [8]. Ao se utilizar os FACTS na operação do SIN, além de expandir a aplicação do tipo de tecnologia de controle de alta potência, também se faz um melhor uso da infraestrutura do sistema de transmissão [8]. Alguns benefícios que à tecnologia FACTS traz são [8]: Figura 2 SIN (Sistema Interligado Nacional) Ampliar a capacidade de transmissão; Operação de linhas em paralelo, mesmo com capacidades distintas; Redirecionar o fluxo de potência; Fazer ajustes controlados de reativos durante a operação; Estabilizar perturbações de tensão com eficiência; Integrar sistemas CC e CA. Tais questões têm em vista que um sistema de potência possui grande complexidade de planejamento e operação, sendo que a maior parte dos problemas é advindo das redes de transmissão, principalmente em países de dimensões continentais como o Brasil [4]. Sendo assim, as linhas de transmissão, por exemplo, apresentam limites térmicos ou de estabilidade, os quais diminuem o nível de potência que podem ser transmitidos de maneira eficiente e com segurança [3]. Esta diminuição causa pontos de estreitamentos na transmissão com implicações como pontos de geração não econômicos, baixa capacidade de carregamento e necessidade de redespacho na geração. Contudo estas implicações podem ser resolvidas pelo controle do fluxo de potência em determinadas linhas aliviando pontos de estreitamentos de geração [2]. Os dispositivos FACTS podem ser classificados em quatro gerações como pode ser visto na tabela 1 [2]. Tabela 1 - Gerações de dispositivos FACTS Fase Dispositivos FACTS 1ª Geração TCR: Thyristor Controlled Reactor TRC: Thyristor Controlled Capacitor 2ª Geração SVC: Static Var Compensator TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor TCPAR: Thyristor Controlled Phase Angle Regular 3ª Geração STATCOM: Static Compensator SSSC: Static Synchronous Series Compensator 4ª Geração UPFC: Unified Power Flow Controller IPFC: Interline Power Flow Controller e outros 2

3 II.2 EXEMPLOS DE FACTS II.2.1 TCR (Reator Controlado a Tiristor) O dispositivo TCR como pode ser visto na figura 3 é composto por um reator série com dois tiristores em antiparalelo. É um equipamento que faz o controle do ângulo de disparo dos tiristores produzindo uma reatância ajustável [2]. Figura 5 - Configuração do TCSC II.2.4 TSSC (Compensador Série Chaveado a Tiristor) O TSSC tem a vantagem de ser bem simples como pode ser visto na figura 6, porém não admite um controle contínuo da reatância série [2]. Figura 3 - Configuração do TRC II.2.2 TSC (Capacitor Chaveado por Tiristor) O TSC é um conjunto de capacitores conectados em série com dois tiristores em antiparalelo como no esquemático da figura 4. Este dispositivo basicamente faz o controle conectando e desconectando os bancos de capacitores utilizando tiristores e com isso a potência reativa é inserida em degraus [2]. Figura 6 - Configuração do TSSC II.2.5 GCSC (Capacitor série controlado por GTO) O esquema de funcionamento do GCSC se encontra na figura 7 e ele faz o controle da reatância capacitiva variando a tensão no capacitor com a ajuda de GTOs [2]. Figura 7 - Configuração do GCSC II.2.6 TRCPAR (Controlador de Ângulo de fase usando Tiritores) Figura 4 - Configuração do TSC O TRCPAR é basicamente um transformador defasador com controle dos taps por meio dos tiristores e seu esquemático pode ser observado na figura 8. II.2.3 TCSC (Capacitor série Controlado por Tiristor) O esquema deste dispositivo se encontra na figura 5 e ele controla o valor da impedância do ramo por meio do controle do ângulo de disparo dos tiristores [2]. 3

4 O UPFC tem muitas funções, tais como a compensação da potência ativa e reativa, o aumento da capacidade de transmissão, o aumento da estabilidade do sistema, etc. Seu esquemático pode ser visto na figura 10 [2]. Figura 8 - Configuração do TCPAR II.2.7 STATCOM (Compensador Estático Síncrono) O STATCOM é um dispositivo baseado em um conversor VSC (Voltage Source Converter). Ele armazena energia em um capacitor com a finalidade de gerar uma tensão bem próxima da senoidal com ângulo e módulo variável de saída. Na figura 9 pode-se observar o seu esquema de funcionamento [2]. Figura 11 - Configuração do UPFC II.2.10 IPFC (Controle Interligada de Fluxo de Potência) Como apresentado na figura 12 o IPFC é um controle para compensação de reativos, para ajuste do fluxo de potência, regulação de ângulo de fase, entres outros. Figura 9 - Configuração do STATCOM II.2.8 SSSC (Compensador Estático Síncrono Série) O dispositivo SSSC que utiliza um inversor VSC e faz o controle instantâneo do fluxo de potência ativa e reativa da linha, além de amortecer oscilações transitórias no sistema de potência [2]. Sua configuração se encontra na figura 10. Figura 12 - Configuração do IPFC II.2.11 SVC (Compensador Estático de VAr) Trata-se do dispositivo FACT em foco neste trabalho. O Modelo de compensador estático de potência reativa foi desenvolvido no início dos anos 70, com a finalidade de controlar a tensão para cargas especiais. Um SVC pode ser composto por um ou mesmo por um conjunto de equipamentos como [9]: Figura 10 - Configuração do SSSC Reator saturado (SR); Reator controlado por tiristores (TCR); Capacitor chaveado por tiristores (TSC); Reator chaveado por tiristores (TSR); Transformador controlado por tiristores (TCT); Conversor auto comutado ou linearmente comutado (SCC/LCC). II.2.9 UPFC (Controle Unificado de Fluxo de Potência) Um SVC característico é composto de TSC e TCR como mostrado na figura 13 [2]. 4

5 Este trabalho teve a intenção de estudar o efeito desse compensador através da simulação com o uso do programa A curva típica da tensão por corrente deste dispositivo pode ser vista na figura 14. Tem-se um controle no chaveamento de capacitores e reatores e com isso a saída reativa pode variar os valores capacitivos e indutivos dentro da faixa de operação do SVC [10]. O dispositivo estudado não apresenta ajuste no ramo do capacitor, sem o controle capacitivo, somente com o controle indutivo (TRC) como pode ser visto na figura 15. Figura 13 - Configuração do SVC A curva típica tensão por corrente deste dispositivo, como mostra a figura 14, é a soma da característica estática do TCR com o TSC. Tem-se um controle no chaveamento de capacitores e reatores e com isso a saída reativa pode variar os valores capacitivos e indutivos dentro da faixa de operação do SVC[10]. Figura 15 - Configuração proposta Com o capacitor fixo em paralelo com o circuito de controle indutivo, as equações desse modelo são[10]: I SVC = VjB SVC (1) B SVC = B C + B TRC (2) B C = 1 X C = C (3) Figura 14 - Característica de V-I do dispositivo SVC O dispositivo que será estudado, a princípio, não apresentará ajuste no ramo do capacitor, portanto a característica apresentada na figura 14 será um pouco alterada. III METODOLOGIA O tema escolhido e estudado, com a finalidade de se obter um aprendizado amplificado na área de dispositivos FACTS foi a utilização do Compensador Estático de Reativos SVC (Static Var Compensator) para sistemas de potência. Como foi visto no referencial teórico este dispositivo foi desenvolvido no início dos anos 70 e teve por finalidade se obter o controle da tensão em cargas especiais[9]. B SVC = 1 X C + 1 X L (2( ) + sen 2) (4) X SVC = X C X L X C (2( )+sen 2) X L Com a ajuda dessas equações espera-se obter curvas de reatância e de susceptância do SVC. A tangente de inclinação da característica mostrada na figura 14 será determinada pela relação entre as variações de tensão e corrente do SVC. (5) 5

6 IV RESULTADOS E DISCUSSÕES Primeiramente, para o estudo em questão foi considerado o controle do fator de potência mínimo, atualmente utilizado no Brasil, de 0,92. Figura 16 - Circuito Simulado fase. Esses dados foram colocados com a finalidade de visualizar uma margem de controle adequado para o sistema. Os resultados estão indicados nas tabelas e gráficos a seguir: A simulação do dispositivo SVC modelado no programa MatLab, ambiente Simulink está representado na figura 16. Para fins de melhor visibilidade foi representado em cores o circuito do sistema elétrico simulado. A parte em azul do circuito da figura 16 representa a carga do sistema, a parte em verde representa o dispositivo SVC, já a parte em lilás é o circuito de medição e pôr fim a parte em laranja representa o sistema elétrico de potência. É sabido que um ângulo de disparo para as chaves de α=90 resultará no máximo de indutivo injetado para fins de controle, já com o α=150 resultará no mínimo de indutivo injetado. Como pode ser visto a parte capacitiva está sendo mantida constante, pois os tiristores estão chaveando somente a parte indutiva. O ângulo de 150 foi utilizado como máximo valor ao invés de 180, pois considerou-se um ângulo de extinção de corrente mínimo de 30. Foram consideradas para o estudo uma carga máxima, uma carga média e finalmente uma carga mínima. Seus respectivos valores, de indutância, foram de 70[mH], 60[mH] e 50[mH]. Para efetuar o controle de reativos utilizou-se o dispositivo SVC, cujos dados propostos para análise foram de 800[Var] capacitivos por fase e um indutor de 50[mH]por Para a carga máxima obteve-se os valores de fator de potência apresentados pela tabela 2. Tabela 2 - Análise com carga máxima ANÁLISE DO SVC CARGA - Xlc = 26,39[Ω] α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V] ,9971 5, , ,9960 5, , ,9939 5, , ,9908 5, , ,9863 4, , ,9799 4, , ,9710 3, , ,9586 3, , ,9421 2, , ,9203 1, , ,8946 1, , ,8629 0, , ,8268 0, ,90 Para a carga média obteve-se os valores de fator de potência apresentados na tabela 3. 6

7 Tabela 3 - Análise com carga média ANÁLISE DO SVC CARGA - Xlc = 22,62 [Ω] α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V] ,9963 5, , ,9936 5, , ,9898 5, , ,9848 5, , ,9784 4, , ,9701 4, , ,9595 3, , ,9458 3, , ,9286 2, , ,9070 1, , ,8828 1, , ,8539 0, , ,8224 0, ,90 Para a carga mínima obteve-se os valores de fator de potência apresentados na tabela 4. Tabela 4 - Análise com carga mínima ANÁLISE DO SVC CARGA - Xlc = 18,85 [Ω] α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V] ,9836 5, , ,9799 5, , ,9750 5, , ,9689 5, , ,9613 4, , ,9521 4, , ,9408 3, , ,9268 3, , ,9099 2, , ,8895 1, , ,8677 1, , ,8419 0, , ,8154 0, ,60 Como pode ser analisado, para a carga máxima tem-se um controle com ângulos de disparo, aproximadamente, entre 105 a 150. Já para uma carga mediana o controle será entre, aproximadamente, 110 à 150. Finalmente, para uma carga mínima tem-se um controle, aproximadamente, entre 115 à 150. O gráfico 1 mostra a impedância do SVC, pode-se observar como o controle deste dispositivo é linear e preciso. Gráfico 1 - Gráfico de impedância do SVC 7

8 V CONCLUSÃO No presente trabalho de finalização do curso de engenharia elétrica foi feito um entendimento dos diversos dispositivos FACTS. Porém, foi estudado mais profundamente o dispositivo compensador estático de reativos (SVC). Pôde-se entender a importância desse dispositivo nos dias atuais, também pôde-se compreender como eles são controlados, além de como são os princípios de operação quando são utilizados para a compensação em linha de transmissão de corrente alternada. Também foi visto que o SVC pode ser, normalmente, de dois tipos básicos, que seria aquele com TCR e TSC e outro com TCR e Banco de capacitores fixo. Este último foi simulado e também pontuado os resultados em tabelas e gráficos, os quais foram adquiridos por meio do programa MatLab (Simulink). Com relação aos resultados do trabalho foi obtido uma boa faixa de controle do dispositivo SVC simulado, além de comprovar, com o gráfico 1, quão preciso e linear é dada a resposta do seu controle. Em trabalhos futuros pode-se além de fazer a aplicação do dispositivo simulado, o SVC, pode-se também fazer a simulação e aplicação de cada um dos outros dispositivos dentro da família dos FACTS. VI REFERÊNCIAS [1] FRANKLIN, D.R.C. Agregação dinâmica de motores de indução. Campinas, Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) Departamento de Sistemas de Energia Elétrica, Universidade Estadual de Campinas [2] RIBEIRO JUNIOR, LUIZ CARLOS. Dispositivos e Conversores Utilizados em FACTS, Artigo de TFG. UNIFEI, Itajubá, [3] Watanabe, E. H.; Barbosa P. G.; Almeida, K. C. e Taranto, G.N. Tecnologia FACTS Tutorial,Artigo Submetido em 30/04/97. SBA Controle & Automação, Vol. 9 em 1/Jan, Fev, Mar e Abril de1998. [4] Tortelli, O.L. Alocação e Operação de Controladores FACTS em Sistemas Elétricos de Potência. Campinas, Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Departamento de Sistemas de Energia Elétrica, Universidade Estadual de Campinas. [5] FURINI, Marcos Amorielle; ARAUJO, Percival Bueno de. Melhora da estabilidade dinâmica de sistemas elétricos de potência multimáquinas usando o dispositivo facts "thyristor-controlled series capacitor - TCSC". Sba Controle & Automação, Natal, v. 19, n. 2, p , Junho Disponível em: text&pid=s &lng=en&nrm=iso. Acesso em 22 de Maiode [6] Organização Nacional do Sistema, O que é o SIN - Sistema Interligado Nacional. Disponível em: Acesso em 22 de Maio de [7] Associação Brasileira de Distribuição de Energia, Sistema Interligado. Disponível em: Acesso em 22 de Maio de [8] Pomilio, J.A.; Deckmann, S.M., Condicionamento de Energia Elétrica e Dispositivos FACTS. UNI- CAMO/FEEC/DSCE, Capítulo 1, p.1-27, Julho [9] CÁDENAS, S.L.E. Aspectos técnicos e econômicos da utilização dos controladores FACTS na operação de sistemas de energia. São Luís (MA), Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Universidade Federal do Maranhão. [10] FESTRAITS, E.B. Consideração da ação de dispositivos FACTS em um método automático de análise de estabilidade de sistemas de energia elétrica. Campinas, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista. [11] Electricity and New Energy Static Var Compensator (SVC) Courseware Sample Editora: Festo Didactic Ltée/Ltd, Quebec, Canada First Edition Revision level: 01/2015. Disponível em: Acesso em 13 de Setembro de BIOGRAFIA: Janayna Silva da Costa Nasceu em Poço Fundo (MG), em Estudou em João Monlevade e Itajubá, cursando Engenharia Elétrica com ênfase em sistemas de potência na UNIFEI, início em Realizou estágio na empresa ENERSUL em 2012, no EX- CEN(Centro de excelência em eficiência energética) em e no LAT(Laboratório de Alta tensão da Unifei) em Fez intercâmbio nos Estados Unidos (EUA) pelo programa Ciências Sem Fronteiras em