Transmissão em Corrente Contínua
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- Júlia Canário Branco
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1 Transmissão em Corrente Contínua Panorama Atual e Perspectivas Futuras no Brasil
2 Ultra-High Voltage Transmission Systems Brazilian SC B4
3 Transmissão em CCAT - Aspectos Conceituais E. H. Watanabe 1 B. Chuco 1, L. O. Daniel 2, A. C. Borré 1 e P.M.M. Portugal 1,3 1 Programa de Engenharia Elétrica COPPE / Universidade Federal do Rio de Janeiro 2 Eletrobras CEPEL 3 Eletrobras
4 SISTEMAS HVDC Conversores Fonte de Corrente (Current Sourced Converter CSC ou Line Commutated Converter - LCC): - Conversores baseado em tiristores - Controle de ângulo de disparo - Controle de corrente Conversores de Fonte de Tensão (Voltage Sourced Converter - VSC): - Conversores baseados em IGBT ou IGCT - Controle por modulação de largura de pulso - PWM - Controle de tensão no lado CC e corrente no lado CA - Sistemas mais novos: Conversor Multinível Modular (MMC em inglês) 4
5 TRANSMISSÃO CC (CSC ou LCC) Vantagens: - Linhas de transmissão CC são mais compactas - Linha CC não precisa de compensação de potência reativa - Muito flexíveis - Ótimo para conectar sistemas assíncronos - Ótimo para transmissão a longas distâncias ou conexão BTB Desvantagens: - Alto custo dos conversores - Poucos fornecedores - Harmônicos 5
6 SISTEMA CCAT DE ITAIPU (FURNAS) Linha de transmissão HVDC Linha de transmissão CA 6
7 Conversor Fonte de Corrente - CSC I d i a L d V R V d Rede CA 1 Rede CA 2 Retificador Inversor Circuito básico com conversor de 6-Pulsos 7
8 Conversor Fonte de Corrente Sistema 3Φ com tensão controlada e capacidade de controlar potência reativa. I d ia L d i a V R V d i c i b Inversor Fontes de Corrente 3Φ 8
9 Conversor de 12-Pulso Y-Y V R Y- 9
10 Sistema de Transmissão HVDC Rede CA 1 Rede CA 2 Y-Y Y- Reator de Alisamento Filtro CC Linha CC Y-Y Y- Y-Y Y-Y Y- Y- Filtro CA Linha CC Filtro CC Filtro CA 10
11 EXEMPLOS DE HVDC Itaipu: +/- 600 kv; 6300 MW (dois bipolos com 840 km) Madeira: +/- 600 kv; 6300 MW (dois bipolos com 2300 km) 11
12 Problemas com HVDC (CSC ou LCC) Necessidade de fonte de tensão Necessidade de controle de potência reativa Necessidade de filtros de harmônicos Podem ocorrer falhas de comutação E porque são usados? É possível ter altas potências (2 GW/conversor) Custo relativamente baixo 12
13 Problemas com Sistemas HVDC Convencional 1 Sensibilidade a falhas de comutação 2 Necessita de potência reativa capacitiva Solução: Capacitor-Commutated Converter - CCC I d R d AC Grid 1 AC Grid 2 V dr V di Sistema usado na conexão Brasil-Argentina (Garabi) 13
14 E os conversores fonte de tensão (VSC)?
15 HVDC VSC: Configuração Básica V d Rede CA1 C F Rede CA2 Controle PWM elimina os problemas com harmônicos Rede CA2 pode ser fraca ou até passiva Potência reativa pode ser controlada pelos conversores 15
16 HVDC VSC: Operando como Fonte CA de Tensão O que temos: VSC em ponte O que queremos: Fonte trifásica senoidal (sem harmônicos e a carga pode ser passiva) V d v a C F v c v b Solução possível dentro de certos limites de tensão e corrente. 16
17 VSC com Controle de Corrente Fonte de corrente 3Φ com amplitude e fase controlada: controle de potência ativa e reativa. i a V d i c i b C F i a Controle de Corrente i aref Robustez contra curtos no lado CA Controle indireto de tensão (controla reativo para controlar a tensão) 17
18 HVDC VSC: o que é possível fazer? Conexão back-to-back Transmissão via cabo Problemas: Inexistência de disjuntor para o lado CC Nível de potência ainda menor que no caso do CSC 18
19 HVDC-VSC Curto-Circuito no Elo CC Curto-circuito no lado CC: os diodos fornecem corrente. Disjuntor CC é necessário (ainda em desenvolvimento) Difícil transmissão com linhas aéreas (Caprivi se fia no disjuntor CA). 19
20 Limites do HVDC-CSC e HVDC-VSC Potência MW (Tiristor) por conversor Tensão kv (Tiristor) elo CC Potência MW (IGBT) por conversor Tensão kv (IGBT) elo CC Ano desta publicação Michael P. Bahrman and Brian K. Johnson, The ABCs of HVDC Transmission Technology, IEEE Power & Energy Magazine March/April 2007 Vol. 5 No. 2 20
21 Tendências do HVDC-CSC Aumento da tensão do elo CC: 1000 kv? Melhorias em detalhes: controle, por exemplo. Tendências do HVDC-VSC Novos conversores: Conversor Multinível Modular (MMC) Novos dispositivos (SiC?) Disjuntor CC 21
22 HVDC-VSC e HVDC-MMC B. Chuco VSC - 2 Níveis VSC - 3 Níveis VSC-CMM a b c a b c 50MW, +/-80kV, 330MW, +/- Suécia , ABB 150kV, USA , ABB 400MW, +/-200kV USA 2010, Siemens 22
23 B. Chuco HVDC-VSC (convencional) Conversor em ponte de 2 ou 3 níveis Potência máxima de 300MW (Cross Sound 2002) Controle PWM (frequência até 2 khz) Perdas de 3-4% por conversor Filtro de harmônico necessário Permite Black Start (recomposição de serviço) Não tem restrição com a Relação de Curto-Circuito 23
24 B. Chuco HVDC CMM Conversor Multinível Modular com mais de 50 níveis Potência máxima: 400MW (São Francisco 2010) Baixa frequência de chaveamento (poucas vezes a frequência da linha) Perdas entorno de 1,4% por conversor Não necessita de filtro de harmônicos Permite Black Start (recomposição de serviço) Não tem restrição com a Relação de Curto-Circuito 24
25 Topologia do CMM B. Chuco 25
26 Modos de Operação de um Sub-Módulo B. Chuco Cada Sub- Módulo opera como um curto ou um capacitor carregado. 26
27 Exemplo de Chaveamento do MMC B. Chuco v +a v + +a a v + a v + a v a v a a v a v a Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 27
28 Exemplo de Chaveamento do MMC B. Chuco Etapas 28
29 Exemplo de Chaveamento do MMC B. Chuco v +a v +b v a v b v an v ab v bn 29
30 B. Chuco E o MMC funciona bem back-to-back? 30
31 HVDC-CMM B. Chuco 10 níveis 31
32 HVDC-CMM B. Chuco Interligação 32
33 HVDC-CMM - Transitório B. Chuco Curto- Circuito 3φ Curtocircuito 33
34 HVDC-CMM Tensão nos Capacitores B. Chuco Controle do balanço da tensão dos capacitores do SM 34
35 HVDC-CMM B. Chuco Vantagens: Produz perdas baixas (ainda maior que o CSC) Baixo conteúdo de harmônicos Tem grande possibilidade de chegar a potências de GW Problemas: Entender melhor o funcionamento e controle Alto número de componentes e controles 35
36 E como funciona um VSC convencional (2 níveis) em back-to-back? L.O. Daniel 36
37 Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB VSC 1 VSC 2 Sistemas CA 1 Sistemas CA 2 Ponto de medição 1 Parâmetros rede CA: Ve 1 = Ve2 = 120kV Z e = Z 1 e2 = o Ω R f 1 = R f 2 = 50, 58Ω L f 1 = L f 2 = 7, 06 mh C f 1 = C f 2 = 2, 763µ F Parâmetros rede CC: C cc = 500µF V cc = 55kV Parâmetros conversores: Vc 1 = Vc 2 = 30 kv Lt1 = Lt 2 = 80 mh fch1 = fch 2 = 1260 Hz L.O. Daniel de Ponto de medição 2 medição 2
38 Sistemas CA Interconectados com o VSC -BTB VSC-BTB Potências no ponto de medição 1 para variação de ps1ref ps1 [MW] ,25 qs1 [Mvar] Controle de p é independente de q. 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 Tempo (s) 2,50 2,75 L.O. Daniel 3,00
39 Sistemas CA Interconectados com o VSC -BTB VSC-BTB Potências no ponto de medição 1 para variação de qs1ref qs1 [Mvar] ,25 ps1 [MW] Controle de q é independente de p. 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 Tempo (s) L.O. Daniel 2,75 3,00
40 Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB DHT das tensões e corrente no ponto de medição SEM filtros CA COM filtros CA 1,2 Vs1-a Vs1-b Vs1-c 1,0 Vs1-a Vs1-b Vs1-c 0,0 DHT=7,44% 0,0 DHT=1,98% -1,2 0,200 0,215 0,230 0,245 Tempo (s) -1,0 0,310 0,330 0,350 0,370 Tempo (s) 0,5 Is1-a Is1-b Is1-c 0,5 Is1-a Is1-b Is1-c 0,0 DHT=17,62% 0,0 DHT=2,42% -0,5 0,205 0,217 0,228 0,240 Tempo (s) -0,5 0,270 0,290 0,310 0,330 Tempo (s)
41 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Degrau em p s1ref ps1ref Resposta rápida (<5 ms) ps1 38 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 Tempo (s) L.O. Daniel
42 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Degrau em V ccref 64 Vccref Vcc ,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 Tempo (s) L.O. Daniel
43 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Degrau em q s1ref 05,0 02,5 00,0-02,5-05,0-07,5-10,0-12,5 qs1ref qs1-15,0 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 Tempo (s) L.O. Daniel
44 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Degrau em q s2ref qs2ref qs2-15 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 Tempo (s) L.O. Daniel
45 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito Sistemas CA 1 L.O. Daniel
46 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito trifásico Vs1-a Vs1-b Vs1-c 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00-0,25-0,50-0,75-1,00-1,25-1,50 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
47 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito trifásico ps1ref ps ,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
48 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB 2,00 1,60 1,20 0,80 0,40 0,00-0,40-0,80-1,20-1,60 Curto-circuito trifásico Is1-a Is1-b Is1-c Corrente controlada durante o curto -2,00 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
49 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito trifásico Vccref 55 0,18 0,22 0,26 0,30 0,34 0,38 0,42 0,46 0,50 0,54 0,58 0,62 0,66 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel Vcc Tensão do elo CC controlada durante o curto
50 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito trifásico 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00-0,25-0,50-0,75-1,00-1,25-1,50 Vs2-a Vs2-b Vs2-c Tensão do Lado CA 2 sem influência do curto 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
51 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 Curto-circuito trifásico Is2-a Is2-b Is2-c Corrente do Lado CA (apenas reativo) -1,0 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
52 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito monofásico ps1 O desequilíbrio provoca potência oscilante de 2ω 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
53 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito monofásico 80 Vcc A potência oscilante de 2ω provoca oscilação e Vcc Esta oscilação de 2ω em Vcc pode provocar terceiro harmônico de sequência positiva! O capacitor deve ser dimensionado considerando esse fato. 30 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
54 Modelagem não-linear de um VSC-BTB Sistemas CA Interconectados com o VSC-BTB Curto-circuito monofásico ps2 A potência oscilante de 2ω atravessa o elo CC! ,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Tempo (s) L.O. Daniel
55 Converter Based Controlled Reactance (CBCR) A.C. Borré Similar a um SSSC monofásico (sem transformadores, simplicidade no controle, capaz de realizar tanto a compensação capacitiva quanto a indutiva) 55/8
56 Converter Based Controlled Reactance (CBCR) A.C. Borré U CAPACITIVO INDUTIVO U MAX REGIÃO DE OPERAÇÃO COM L > 0 I REGIÃO DE OPERAÇÃO COM L < 0 U MIN 56/8
57 Converter Based Controlled Reactance (CBCR) A.C. Borré Cigrè HVDC Benchmark Model com CCC SISTEMA CA SCR = 84º 345 kv, 50 Hz 0,5968 H 2,5 2,5 0,5968 H SISTEMA CA SCR = 75º 345 kv, 50 Hz FILTRO PASSA-BAIXA 250 Mvar (260 Hz) 345 kv:400 kv 1207,5 MVA 26 F 53 F 400 kv:230 kv 1183,6 MVA FILTRO PASSA-BAIXA 100 Mvar (300 Hz) FILTRO PASSA-ALTA 250 Mvar (528 Hz) FILTRO PASSA-ALTA 100 Mvar (528 Hz) CAPACITOR SHUNT 125 Mvar Cigrè HVDC Benchmark Model com CBCR 57/8
58 Converter Based Controlled Reactance (CBCR) Falta Remota no lado do inversor Corrente no lado CC Falta trifásica aplicada em t = 0,75 s com duração de 50 ms Tensão no lado CC Potência no lado CC 58/8
59 Converter Based Controlled Reactance (CBCR) Falta Remota no lado do inversor Indutância negativa sintetizada Falta trifásica aplicada em t = 0,75 s com duração de 50 ms Corrente nas válvulas 1 e 3 (Sem CBCR) Corrente nas válvulas 1 e 3 (com CBCR) 59/8
60 Defesa de Tema de Tese de Doutorado CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC Paulo Max Maciel Portugal Rio de Janeiro, 27/09/12 60
61 CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC VSC 1 Rede 1 Rede 2 Rede n Inexistência da falha de comutação A potência pode ser distribuída entre os VSC A potência reativa capacitiva ou indutiva de cada VSC são independentes A rede CA pode ser passiva 61
62 CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC RESULTADOS SIMULADOS: um retificador CSC e um inversor VSC 62
63 CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC Condições analisadas: Operação normal Curto-circuito no meio da linha CC Curto-circuito monofásico na rede CA receptora Curto-circuito trifásico na rede CA receptora 63
64 CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC Curto no Meio do Elo CC Tensão CC no CSC Corrente no capacitor do VSC Tensão CC no CSC Corrente CC no lado CC do VSC Potência no lado CC do CSC Corrente CC interna do VSC Corrente CC no capacitor do VSC Potência no lado CC do VSC 64
65 CCAT HÍBRIDO H CSC E VSC Curto no Meio do Elo CC Ângulo delta do VSC Ângulo alfa do CSC Tensão trifásica na rede CA 65
66 Dispositivos Semicondutores Era do Silício O tiristor baseado em silício parece ter chegado ao seu limite em termos de tensão e corrente. O aumento da potência dos elos CC será obtida pelo aumento da tensão do elo, o que implica em válvulas com maior tensão, ou maior número de componentes. O IGBT também chegou em seu limite, mas o MMC pode permitir aumento significativo na potência do conversor ao custo de controle mais complexo. 66
67 Era do SiC (Carboneto de Silício Silicon Carbide) Não serve para fazer tiristores ou IGBT porque a tensão de junção é muito alta. Serve para fazer transistores do tipo MOS (Metal Oxido Semicondutor) com características excepcionais: Frequência de chaveamento na casa de 50 a 100 khz Temperatura de operação até 200 C Baixas perdas (30% do IGBT) Problemas: maior MOS está na casa de 1200V / 75A 67
68 E o futuro? Novas topologias de circuitos: MMC Sistemas Híbridos Novas técnicas de controle: Smart Grid Transmissão CA Segmentada Etc... 68
69 Obrigado! 69
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