MODELAGEM E CARACTERIZAÇÃO DE SVC S PARA APLICAÇÕES DE ALTO DESEMPENHO

MODEAGEM E CARACTERIZAÇÃO DE SVC S PARA APICAÇÕES DE ATO DESEMPENHO por Virna Cota Onofri DISSERTAÇÃO APRESENTADA AO CURSO DE MESTRADO DO CENTRO DE PESQUISA E DESENVOVIMENTO EM ENGENHARIA EÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERA DE MINAS GERAIS, COMO REQUISITO PARCIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTUO DE Metre em Engenharia Elétrica UNIVERSIDADE FEDERA DE MINAS GERAIS 27

II Ao meu pai e à minha irmã.

III Agradecimento Agradeço a Deu, pela vida, pela aúde e por todo o amigo que me proporcionou durante minha exitência. Ao meu pai, pela vida, educação e exemplo de caráter e pereverança. À minha irmã Andréa que empre eteve preente, pelo amor, carinho, amizade e apoio. A toda a minha família, avó, tio, tia, primo e prima, pela confiança depoitada. Ao grande e inequecívei amigo, principalmente Fernanda, Renata, Graziele, Paula, Cecília, Thiago, Alexandre, Carlo Guilherme, Carlo Eduardo, Taciana, Juliana, Carmen, Camila, menina da república de Ouro Branco, Elaine, Alexandre, Marco Ribera, Paulo Eugênio, e muito outro, agradeço o momento de decontração imprecindívei durante eta caminhada. Ao Prof. Braz Jeu de Cardoo Filho, pela orientação, abedoria, paciência e amizade. A todo o profeore de Engenharia Elétrica da UFMG pelo eninamento paado durante meu etudo. Ao colega e amigo da divera área da Gerdau-Açomina, pelo incentivo e apoio, em epecial ao Manoel, eonardo e Fernando, que tanto me ajudaram no deenvolvimento dete trabalho. À Gerdau-Açomina pelo incentivo. Muito obrigada a todo que me ajudaram a realizar mai eta conquita!

IV Reumo O itema elétrico de potência em corrente alternada pouem vária limitaçõe, podendo levar a uma ubutilização da linha de tranmião. Com o urgimento do retificador controlado de ilício (tiritor) na década de 5, iniciou-e o deenvolvimento de equipamento para controle de fluxo de potência, conhecido como Compenadore Dinâmico de Reativo. O equipamento atualmente exitente no mercado, capaze de compenar rápida variaçõe de potência reativa gerada por uma determinada carga, ão o Compenador Etático de Reativo (Static Var Compenator SVC) e o Compenador Síncrono Etático (Static Syncronou Compenator STATCOM). A literatura diponível indica o STATCOM como um compenador com elevado deempenho dinâmico, ma com a devantagem de utilizar dipoitivo emicondutore caro; ao contrário do SVC, que poui deempenho limitado, porém com um menor cuto aociado. Entretanto, a informaçõe fornecida obre o limite de deempenho dete equipamento ão batante implita e inuficiente para a real caracterização do memo. Nete etudo foi apreentada uma análie comparativa entre o SVC e o STATCOM intalado em itema indutriai que demandam alta potência. Primeiramente foi demontrada a incapacidade do SVC em deacoplar o fluxo de potência ativa e reativa entre o compenador e o itema elétrico de potência. Além dito, foram etudado o reai limite de deempenho dinâmico do SVC e do STATCOM, demontrando que, para aplicaçõe em alta potência, a retriçõe tecnológica fazem com que ambo apreentem caracterítica emelhante.

V Abtract The electrical power ytem have ome limitation, that may caue under utilization of the tranmiion line. The advent of the power thyritor, in the 5, tarted the development of equipment capable of controlling power flow, known a Dynamic Var Compenator. Nowaday, the equipment available on the market to companate rapid variation on reactive power upplied by any load are the Static Var Compenator (SVC) and the Static Syncronou Compenator (STATCOM). The literature available indicate the STATCOM a a high dynamic performance compenator, but it ha the diadvantage of uing expanive olid tate witche. On the other hand, the SVC ha limitation on it performance, that are aociated with low price. However the information upplied about the limitation on the performance of thi equipment are very implified and inufficient for it real characterization. In thi tudy it i preented a comparative analyi among the SVC and the STATCOM connected in a high power indutrial ytem. Firt, it i demontrated that SVC i not able to detach active and reactive power flow between the compenator and the electric power ytem. Moreover, it i tudied the real limitation on dynamic performance of the SVC and the STATCOM, demontrating that, for high power application, the technological retriction make both of them preent imilar characteritic.

VI Sumário Agradecimento... III Reumo... IV Abtract... V Sumário... VI ita de Figura... VIII ita de Tabela... XII Gloário... XIII Simbologia... XIV Capítulo 1 Introdução Geral... 1 1.1 Introdução... 1 1.2 Objetivo... 3 1.3 Propota de Trabalho...3 1.4 Contribuiçõe... 4 1.5 Organização do Texto... 5 Capítulo 2 Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo... 6 2.1 Introdução... 6 2.2 Compenadore Etático de Reativo SVC... 12 2.2.1 Princípio de Funcionamento do TCR-FC... 13 2.2.2 Topologia de SVC... 19 2.2.3 Deempenho Dinâmico do SVC... 21 2.3 Compenador Síncrono Etático STATCOM... 22 2.3.1 Princípio de Funcionamento do STATCOM... 23 2.3.2 Topologia de STATCOM... 27 2.3.3 Freqüência de Chaveamento... 3 2.3.4 Deempenho Dinâmico do STATCOM... 33 2.4 Comparação entre SVC e STATCOM... 34 2.5 Compenação de Reativo na Gerdau Açomina... 36 2.5.1 Sitema de Controle... 38 2.6 Concluõe... 39 Capítulo 3 Modelagem Dinâmica do SVC Inerido em um Sitema Elétrico de Potência. 41 3.1 Introdução... 41 3.2 Modelagem Dinâmica do Sitema Monofáico Equivalente... 42

VII 3.2.1 Modelo Dinâmico Decontínuo... 43 3.2.2 Modelo Dicreto Generalizado... 46 3.2.3 Modelo Contínuo Equivalente... 48 3.2.4 Comparação entre Modelo... 51 3.3 Modelagem em um Sitema de Coordenada DQ Síncrono, para Pequeno Sinai... 59 3.3.1 Modelo para SVC Equilibrado... 59 3.3.2 Modelo para SVC Multi-Pulo... 71 3.3.3 Modelo para SVC Deequilibrado... 74 3.4 Verificação do Deacoplamento entre Fluxo de Potência Ativa e Reativa... 77 3.5 Concluõe... 85 Capítulo 4 Deempenho Dinâmico... 87 4.1 Introdução... 87 4.2 Deempenho Dinâmico do SVC... 88 4.2.1 Tempo de Repota da Chave Tiritora... 89 4.3 Deempenho Dinâmico do STACOM... 95 4.3.1 Tempo de Repota da Chave Comutadora... 96 4.3.2 Tempo de Carga do Capacitor do Barramento CC... 99 4.4 Concluõe... 16 Capítulo 5 Concluõe e Propota de Continuidade... 18 5.1 Concluõe... 18 5.2 Propota de Continuidade... 111 Referência Bibliográfica... 112

VIII ita de Figura Fig. 2.1 Circuito em corrente alternada com conexão via impedância.....7 Fig. 2.2 Curva de carga do itema.....9 Fig. 2.3 Circuito em corrente alternada com compenação de reativo.....9 Fig. 2.4 Univero tecnológico de compenação de reativo hunt... 1 Fig. 2.5 Curva de capacidade de potência... 11 Fig. 2.6 Circuito monofáico equivalente do TCR-FC... 13 Fig. 2.7 Controle do ângulo de diparo α do tiritore do SVC... 14 Fig. 2.8 Corrente que circula no reator do SVC e ua fundamental... 15 Fig. 2.9 Circuito em corrente alternada contendo o TCR-FC e o fluxo de potência reativa.. 16 Fig. 2.1 Caracterítica V x I do SVC... 17 Fig. 2.11 Amplitude da corrente harmônica x ângulo de diparo α... 18 Fig. 2.12 Circuito monofáico equivalente de um filtro intonizado amortecido rejeita faixa. 18 Fig. 2.13 Método de controle de quatro banco de TCR para redução de harmônico... 19 Fig. 2.14 Converor de 12 pulo... 2 Fig. 2.15 (a) Circuito equivalente do STATCOM (b) Fluxo de potência ativa e reativa entre STATCOM e itema ca... 23 Fig. 2.16 Circuito em corrente alternada contendo o STATCOM... 24 Fig. 2.17 Principai funçõe do itema de controle do STATCOM... 26 Fig. 2.18 Caracterítica V x I do STATCOM... 26 Fig. 2.19 Inveror trifáico em ponte completa... 27 Fig. 2.2 Inveror trifáico compoto por trê converore (ponte H) monofáico... 28 Fig. 2.21 Inveror trifáico de 3 nívei com neutro grampeado... 28 Fig. 2.22 Inveror multi-nívei compoto por aociaçõe em érie de converore monofáico... 29 Fig. 2.23 Tenõe de aída de um converor com chaveamento PWM enoidal... 31 Fig. 2.24 Tenõe de aída de um converor 6 pulo para eqüência de condução de 18... 32 Fig. 2.25 Tenõe de aída de um converor de 48 pulo... 33 Fig. 2.26 Conteúdo harmônico de converore com técnica de chaveamento (a) PWM (b) Onda quadrada... 34 Fig. 2.27 Comparação da área na intalaçõe de um STATCOM e um SVC... 35 Fig. 2.28 Comparação deempenho x cuto entre SVC e STATCOM... 36

IX Fig. 2.29 Diagrama unifilar do SVC da Gerdau-Açomina... 38 Fig. 2.3 Malha de controle da unidade tiritorizada de cada fae do SVC... 39 Fig. 3.1 Circuito equivalente monofáico do modelo dinâmico decontínuo... 43 Fig. 3.2 Semi-ciclo da corrente que circula no reator do SVC... 44 Fig. 3.3 Circuito equivalente para (a) intante em que i = (b) intante em que i... 45 Fig. 3.4 Um ciclo da corrente que circula no reator do SVC... 46 Fig. 3.5 Não linearização tipo zona morta (a) Curva caracterítica de entrada-aída (b) Forma de onda da entrada e da aída... 49 Fig. 3.6 Circuito equivalente monofáico contínuo... 5 Fig. 3.7 Devio entre o método (a) pólo (b) ξ, overhoot e ω... 53 Fig. 3.8 ugar da raíze do modelo dicreto para α = 4... 54 Fig. 3.9 Epectro de freqüência da tenão V c para α = 4... 55 Fig. 3.1 Epectro de freqüência da corrente I c para α = 4... 55 Fig. 3.11 Amplitude da 3ª harmônica para < α < 9... 56 Fig. 3.12 (a) Comparação da tenão V c entre modelo (b) Detalhe... 57 Fig. 3.13 (a) Comparação da corrente I entre modelo (b) Detalhe... 58 Fig. 3.14 Circuito equivalente do vetore complexo para pequeno inai... 62 Fig. 3.15 Sitema de referência dq alinhado com vetor tenão na barra do compenador... 62 Fig. 3.16 Circuito equivalente do vetore complexo para pequeno inai (a) Eixo d (b) Eixo q... 64 Fig. 3.17 Diagrama de bloco do SVC equilibrado... 65 Fig. 3.18 Tenão na barra do SVC (a) Simulação aumentando o valor do indutor do SVC (b) Simulação aumentando a amplitude da fonte de tenão em érie com o reator do SVC... 66 Fig. 3.19 Corrente na rede (a) Simulação aumentando o valor do indutor do SVC (b) Simulação aumentando a amplitude da fonte de tenão em érie com o reator do SVC... 67 Fig. 3.2 Corrente no reator do SVC (a) Simulação aumentando o valor do indutor do SVC (b) Simulação aumentando a amplitude da fonte de tenão em érie com o reator do SVC... 68 Fig. 3.21 Erro entre o método para Δα de 1 (a) Tenão na barra do SVC (b) Corrente na rede (c) Corrente no reator do SVC... 7 Fig. 3.22 Circuito equivalente monofáico de em um itema multi-pulo... 71 Fig. 3.23 Defaagem provocada por tranformadore abaixadore em um itema de 18 pulo... 72

X Fig. 3.24 Circuito equivalente do vetore complexo para pequeno inai em um itema de 18 pulo (a) Eixo d (b) Eixo q... 73 Fig. 3.25 Diagrama de bloco de um itema de 18 pulo... 74 Fig. 3.26 Circuito equivalente do vetore complexo para pequeno inai para SVC deequilibrado... 75 Fig. 3.27 SVC deequilibrado... 76 Fig. 3.28 Circuito equivalente do vetore complexo para pequeno inai para SVC deequilibrado (a) Eixo d (b) Eixo q... 77 Fig. 3.29 Tenão na barra do SVC para α = 4 e Δα =,5 e 1 (a) Eixo d (b) Eixo q... 79 Fig. 3.3 Corrente no reator do SVC para α = 4 e Δα =,5 e 1 (a) Eixo d (b) Eixo q... 8 Fig. 3.31 Fluxo de potência ativa e reativa para α = 4 e Δα =,5 e 1 (a) Eixo d (b) Eixo q... 81 Fig. 3.32 Tenão na barra do SVC para α = 4, Δα a =,5, Δα b = 1, Δα c = e Δα a = 1, Δα b = -,5, Δα c = 2 (a) Eixo d (b) Eixo q... 83 Fig. 3.33 Corrente no reator do SVC para α = 4, Δα a =,5, Δα b = 1, Δα c = e Δα a = 1, Δα b = -,5, Δα c = 2 (a) Eixo d (b) Eixo q... 84 Fig. 3.34 Fluxo de potência ativa e reativa para α = 4, Δα a =,5, Δα b = 1, Δα c = e Δα a = 1, Δα b = -,5, Δα c = 2 (a) Eixo d (b) Eixo q... 84 Fig. 4.1 Malha de controle... 88 Fig. 4.2 Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 6 pulo... 9 Fig. 4.3 Circuito Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 6 pulo deequilibrado... 91 Fig. 4.4 Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 6 pulo inicialmente deequilibrado... 92 Fig. 4.5 Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 12 pulo... 93 Fig. 4.6 Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 12 pulo deequilibrado... 94 Fig. 4.7 Variação da corrente de eqüência poitiva e negativa no reator do SVC de 12 pulo inicialmente deequilibrado... 95 Fig. 4.8 Circuito equivalente trifáico do STATCOM de 6 pulo... 96 Fig. 4.9 Tenõe no STATCOM de 6 pulo... 97

XI Fig. 4.1 Tenão fae-neutro do STATCOM de 6 pulo... 98 Fig. 4.11 (a) Vetore V ST ante e apó a aplicação de um ângulo de diparo (b) Vetore epaciai de tenão fae-neutro do STATCOM de 6 pulo... 99 Fig. 4.12 Circuito equivalente do STATCOM... 1 Fig. 4.13 Repota ao degrau da tenão ca, corrente ca e ângulo de controle do STATCOM.. 11 Fig. 4.14 Funçõe de chaveamento que relacionam a tenõe do lado cc e ca de um STATCOM... 12 Fig. 4.15 Comparação entre a tenõe V c e V ST quando é aplicado um defaamento de V ST... 14 Fig. 4.16 Variação da funçõe de chaveamento g [d] e g [q] provocada por um defaamento da tenão V ST... 14 Fig. 4.17 Tenão do barramento cc do STATCOM... 15

XII ita de Tabela Tabela 3.1 Parâmetro do itema elétrico da Gerdau Açomina... 43 Tabela 3.2 Comparação entre modelo para < α < 9... 52 Tabela 4.1 Parâmetro do itema elétrico contendo um STATCOM... 17

XIII Gloário SVC Compenador Etático de Reativo STATCOM Compenador Síncrono Etático TCR-FC Thyritor Controlled Reactor Fixed Capacitor TSC Thyritor Switched Capacitor GTO Gate Turn Off Thyritor IGBT Inulated Gate Bipolar Tranitor IGCT Integrated Gate Commuttated Thyritor VSI Voltage Source Inverter CSI Current Source Inverter PWM Pule Width Modulation IEEE Intitute of Electrical and Electronic Engineer DNAEE Departamento Nacional de Água e Energia Elétrica ca Corrente alternada cc Corrente contínua

XIV Simbologia V Tenão eficaz na rede (barramento infinito) I Corrente de linha na rede (barramento infinito) S cc Potência de curto-circuito da rede S Fluxo de potência aparente que circula na rede P Fluxo de potência ativa que circula na rede Q Fluxo de potência reativa que circula na rede R Reitência equivalente da rede X Reatância equivalente da rede Z cc Impedância equivalente da rede V c Tenão eficaz na barra do compenador V Tenão obre o reator do SVC I Corrente aborvida pelo reator do SVC I linha Corrente de linha que circula pelo reator do SVC I f Corrente fundamental aborvida pelo reator do SVC I _n Corrente harmônica gerada pelo reator do SVC Indutância do reator do SVC eq (α) Valor equivalente para a freqüência fundamental da rede da indutância do SVC em função do ângulo de diparo Q comp Fluxo de potência reativa no compenador P Fluxo de potência ativa em direção ao reator do SVC Q Fluxo de potência reativa em direção ao reator do SVC C Capacitância do SVC ou do STATCOM R f Reitência do filtro de harmônica

XV f Indutância do filtro de harmônica Q c Potência reativa inerida pelo capacitor S load Potência aparente conumida pela carga P load Potência ativa conumida pela carga Q load Potência reativa conumida pela carga V ST Tenão gerada pelo STATCOM I ST Corrente gerada pelo STATCOM S ST Potência aparente do STATCOM P ST Fluxo de potência ativa em direção ao STATCOM Q ST Fluxo de potência reativa em direção ao STATCOM ST Reator de entrada do STATCOM V cc Tenão no barramento de corrente contínua do STATCOM I cc Corrente no barramento de corrente contínua do STATCOM n Número de nívei do STATCOM k Fator que relaciona a tenõe CA e CC do STATCOM g Função de chaveamento que relaciona a tenõe CA e CC do STATCOM S T Potência aparente do tranformador do STATCOM R T Reitência equivalente do tranformador do STATCOM T Indutância de diperão equivalente do tranformador do STATCOM R P Reitência que repreenta a perda do STATCOM δ Ângulo de potência (defaamento angular entre V e V c ) φ Ângulo de defaamento entre V e I θ Ângulo de defaamento entre o eixo de quadratura e o eixo da fae a α Ângulo de diparo do tiritore do SVC σ Ângulo de condução do tiritore do SVC

XVI ω Freqüência da rede N Função decritiva G() Função de tranferência do converor T d Atrao de tranporte do converor x Vetor de variávei de etado do itema u Vetor de entrada do itema A Matriz de etado do itema B Matriz de perturbação do itema A 1_c Matriz de etado do modelo completo para intante i = A 2_c Matriz de etado do modelo completo para intante i A d1_c Matriz de etado dicreta do modelo completo para intante i = A d2_c Matriz de etado dicreta do modelo completo para intante i B d1_c Matriz de perturbação dicreta do modelo completo para intante i = B d2_c Matriz de perturbação dicreta do modelo completo para intante i A _6 Matriz de etado do modelo na freqüência fundamental A d_6 Matriz de etado dicreta do modelo na freqüência fundamental I Matriz identidade Freqüência complexa no tempo contínuo z Freqüência complexa no tempo dicreto 1 Tranformada invera de aplace j Número imaginário p Operador d/dt Δ Pequena variação de uma variável, obtida atravé da linearização em torno de um ponto de operação a Valor real do pólo complexo conjugado

XVII b Valor imaginário do pólo complexo conjugado d Valor do pólo real T Tempo de repota do itema ξ Amortecimento do itema PO Overhoot da repota ao degrau do itema ω n Freqüência natural do itema D Eixo direto Q Eixo de quadratura

Capítulo 1: Introdução Geral 1 Capítulo 1 Introdução Geral 1.1 Introdução O itema indutriai que pouem carga do tipo forno a arco, forno panela e laminadore debatadore acionado por motore de corrente contínua, cauam variaçõe rápida e repetitiva de potência reativa na rede. Com o urgimento do retificador controlado de ilício (tiritor) na década de 5, iniciou-e o deenvolvimento de equipamento para aplicaçõe de alto deempenho, com o objetivo de controlar o fluxo de potência reativa, conhecido como Compenadore Dinâmico de Reativo. O Compenador Etático de Reativo (Static Var Compenator SVC) é o Compenador Dinâmico de Reativo mai primitivo. Ete compenador conite de chave tiritorizada que controlam a corrente em reatore, produzindo compenação dinâmica hunt. O primeiro SVC foi intalado em Nebraka, em 1974, pela General Electric (GE).

Capítulo 1: Introdução Geral 2 Atualmente exitem mai de 8 SVC intalado no mundo, tanto para aplicaçõe indutriai (epecialmente em forno elétrico e laminadore) quanto para utilidade [2; 6-8]. A egunda geração de compenadore de reativo é contituída por outro equipamento hunt que produz também compenação dinâmica: o Compenador Síncrono Etático (Static Syncronou Compenator STATCOM). O primeiro etudo obre ete equipamento utilizando tiritore começaram a er realizado em 1976 por um grupo de japonee ligado à Kanay Electric Co. td. e à Mitubihi Electric Corporation [1; 16], entretanto omente apó o advento de chave auto-comutada com maiore capacidade de tenõe e corrente tornou-e poível a contrução de compenadore de alta potência. O primeiro STATCOM comercializado (8MVA, 154kV) foi deenvolvido pela Mitubihi Electric Power Product Inc e intalado em 1991 na Subetação Inuyama, no Japão [7-8; 1; 17]. Exitem aproximadamente 2 STATCOM em operação no mundo [7-8], porém nenhum dete no Brail. Com relação ao deempenho dete equipamento, o SVC poui a capacidade de melhorar o itema de tranmião e ditribuição de potência de vária maneira, uma vez que ele controla o fluxo de potência reativa na rede, mantendo o fator de potência unitário, e aumentar a capacidade de tranmião de uma linha, além de manter a tenão etabilizada no barramento, memo ob grande variaçõe da carga. No entanto, devido ao chaveamento do tiritore er realizado na freqüência da rede, ele poui a devantagem de apreentar longo tempo de repota em comparação ao STATCOM, cuja freqüência de chaveamento é da ordem de 1kHz. Além dito, o SVC inere corrente harmônica de baixa orden no itema, o que implica na intalação de filtro paivo, aumentado batante o volume da aplicação [7]. Apear de exitirem vária vantagen do STATCOM obre o SVC, ete último ainda é comercialmente mai intereante. Atualmente o preço do SVC por kvar itua-e na faixa de U$2 a U$45, enquanto o STATCOM cuta entre U$8 a U$1 / kvar [7].

Capítulo 1: Introdução Geral 3 Nete entido, urge a dúvida obre o limite de deempenho do SVC, uma vez que ele poui cuto conideravelmente menor, apear de alguma devantagen em relação ao STATCOM. Deta forma, o trabalho propoto tem o intuito de caracterizar o SVC, avaliando eu deempenho em relação àquele eperado de um STATCOM. 1.2 Objetivo O objetivo dete trabalho é caracterizar o limite inerente de deempenho do SVC frente ao deempenho eperado de um STATCOM, atravé de modelo computacionai de um itema indutrial real contendo um SVC, epecificamente a ubetação de recebimento de energia da emprea iderúrgica Gerdau Açomina, ituada em Ouro Branco MG. 1.3 Propota de Trabalho Nete trabalho é propota a modelagem e a caracterização de um SVC, tendo em vita o etudo do limite inerente de deempenho do SVC frente ao deempenho eperado de um STATCOM. São abordado o eguinte iten: Análie da caracterítica de funcionamento de SVC e STATCOM ; Modelagen computacionai de um SVC inerido em itema indutrial; Etudo da capacidade do SVC em deacoplar o fluxo de potência ativa e reativa entre o compenador e o itema elétrico de potência; Etudo da caracterítica dinâmica do SVC, bucando eu limite de deempenho;

Capítulo 1: Introdução Geral 4 Comparação da caracterítica dinâmica e do deempenho entre o SVC e STATCOM de potência e topologia compatívei. Nete trabalho ão deenvolvido modelo matemático baeado em circuito equivalente e ferramenta computacionai para a imulação e análie comparativa entre o doi equipamento em quetão. 1.4 Contribuiçõe A principal contribuição dete trabalho é a caracterização do limite de deempenho do SVC frente ao STATCOM. Nete contexto ão abordado o eguinte iten: Análie da caracterítica de funcionamento de SVC e STATCOM ; Comparação entre o modelo matemático do itema monofáico completo, repreentado atravé de dua equaçõe de etado, e o modelo do itema monofáico contendo um SVC, na freqüência fundamental, ou eja, o SVC é repreentado por uma reatância variável em função do ângulo de diparo do tiritore; Modelagem matemática do SVC inerido em um itema elétrico de potência em um itema de coordenada DQ íncrono, para pequeno inai; Etudo da capacidade do SVC em deacoplar o fluxo de potência ativa e reativa entre o compenador e o itema elétrico de potência; Etudo da caracterítica dinâmica do SVC atravé do modelo matemático deenvolvido;

Capítulo 1: Introdução Geral 5 Comparação da caracterítica dinâmica e do deempenho entre o SVC e STATCOM de potência compatívei. 1.5 Organização do Texto Ete texto foi dividido em 5 capítulo. No capítulo 2 ão ilutrada a topologia, principai operaçõe e proceo de controle de fluxo de potência reativa do SVC e do STATCOM. Em eguida é apreentado o itema de recebimento de energia, o SVC e a carga da emprea iderúrgica Gerdau Açomina, endo ete itema utilizado como exemplo ilutrativo para o preente etudo. Um modelo matemático do itema monofáico, contendo um SVC, na freqüência fundamental, é deenvolvido no capítulo 3. Ete modelo é comparado, atravé de imulaçõe em computador, a outro modelo mai completo do itema monofáico, que utiliza dua equaçõe de etado. Nete memo capítulo é apreentado um modelo do itema no referencial DQ íncrono para pequeno inai. Utilizando ete modelo matemático, é deenvolvido um etudo da capacidade do SVC em deacoplar o fluxo de potência ativa e reativa entre o compenador e o itema elétrico de potência. O quarto capítulo é dedicado à verificação do reai limite de deempenho dinâmico do SVC frente ao deempenho de um STATCOM com potência e topologia compatívei. Inicialmente é verificado o deempenho dinâmico do SVC e a influência na componente de eqüência poitiva e negativa da variávei do itema elétrico de potência cauada por uma perturbação no itema. Poteriormente, é ugerida uma modelagem dinâmica para o STATCOM. Por último, no capítulo 5 ão apreentada a concluõe gerai e a propota de continuidade dete etudo.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 6 Capítulo 2 Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 2.1 Introdução Em um itema elétrico de potência ideal, a tenão e a freqüência deveriam er contante e livre de harmônico. Particularmente, ete parâmetro também eriam independente da caracterítica da carga conumidora. Entretanto, o que e oberva em itema indutriai que pouem carga do tipo forno a arco, forno panela e laminadore debatadore acionado por motore de corrente contínua, cauam variaçõe rápida e repetitiva de potência reativa na rede. Em um circuito em corrente alternada com conexão via impedância, conforme ilutrado na Fig. 2.1, a equaçõe que decrevem a tranferência de potência ativa e reativa entre fonte e carga ão (2.1) e (2.2) [1-3; 5]. Deve-e realtar que eta equaçõe ão válida para itema onde a reatância equivalente da rede é muito maior do que a ua reitência.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 7 Fig. 2.1 Circuito em corrente alternada com conexão via impedância enδ X V V P c = (2.1) coδ 2 = c X V V X V Q (2.2) Pode-e encontrar a equaçõe para pequena variaçõe de potência ativa e reativa atravé da linearização em torno de um ponto de operação, obtendo-e o termo de primeira ordem da érie de Taylor. δ δ δ δ δ Δ + Δ = Δ + Δ = Δ o co c o c c X V V V en X V P V V P P co (2.3) δ δ δ δ δ Δ + Δ = Δ + Δ = Δ o co c o c c X V V V X V Q V V Q Q in co (2.4) Uualmente, a impedância da rede poui um valor baixo, e, coneqüentemente, o defaamento angular em um ponto de operação entre a tenõe V e V c (δ ) também é pequeno. Segundo a expanão da érie de Taylor, quando o valor de δ tende a zero, o en(δ ) e aproxima de δ, e o valor de co(δ ) é bem próximo de (1-δ 2 /2). Ito indica que, para pequeno valore de δ, o egundo termo da equação (2.3) é mai ignificativo do que o primeiro, e na equação (2.4) o primeiro termo da equação e torna mai ignificativo do que o egundo. Eta dua equaçõe podem então er aproximada por (2.5) e (2.6).

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 8 2 V δ Vco ΔP 1 Δδ (2.5) X 2 V 2 δ Δ Q X 1 2 ΔV c (2.6) Conclui-e, atravé da equação (2.5), que a variação do fluxo de potência ativa é determinada principalmente pelo defaamento angular entre a tenõe V e V c (δ). Deta forma, cao a tenão V etiver adiantada em relação à V c (º < δ < 9º), há um fluxo de potência ativa em direção à carga, e e a tenão V etiver atraada em relação à V c (-9º < δ < º), o fluxo de potência ativa egue em direção a rede. Já a equação (2.6) indica que a variação do fluxo de potência reativa é determinada principalmente pela amplitude da tenõe. Nete cao, e a tenão V for maior do que V c (V > V c ) há um fluxo de potência reativa em direção à carga, e e a tenão V for menor do que V c (V < V c ), o fluxo de potência reativa egue em direção à rede. Outra caracterítica do itema elétrico de potência é a relação que exite entre a variação de tenão na barra e a variação do conumo de potência reativa da carga no cao de não haver uma compenação de reativo, também upondo X >> R. Eta relação pode er decrita por (2.7) [1; 18]. ΔV V V Vc = V ΔQ S load cc (2.7) A equação (2.7) decreve a chamada de reta de carga do itema, cujo gráfico pode er vito na Fig. 2.2. De acordo com eta equação, qualquer variação bruca de potência reativa da carga cauará uma variação da tenão na barra onde etá conectada. A inclinação deta reta a repreenta o fator de enibilidade do itema, e etá relacionada à potência de curto-circuito da rede S cc. Quanto maior o nível de curto-circuito da fonte (ou menor a impedância Z cc ), a variação de tenão na barra erá meno evera para uma dada variação da carga.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 9 Fig. 2.2 Curva de carga do itema A elevação do nível da potência de curto-circuito de uma rede pode er alcançada atravé da intalação de linha em paralelo à já exitente, de forma a aumentar a capacidade de tranmião por aquele caminho, ou troca do tranformador de entrada da ubetação da indútria conumidora por outro de menor impedância. Entretanto, eta dua oluçõe repreentam alto encargo financeiro e ugerem uma terceira alternativa: a intalação de um compenador de reativo na barra em que etá conectada à carga. Fig. 2.3 Circuito em corrente alternada com compenação de reativo O compenadore de reativo hunt podem er dividido em doi tipo: o compenadore rotativo, repreentado pela máquina íncrona; e o não rotativo, baeado na utilização de filtro. Ete último, por ua vez, pode er ubdividido em compenadore dinâmico (filtro ativo) e o que operam em regime permanente (banco de capacitore).

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 1 Fig. 2.4 Univero tecnológico de compenação de reativo hunt O controle de reativo com uma máquina íncrona pode er realizado atravé do controle adequado de ua tenão de excitação. Conforme apreentado na equação (2.6), quando eta máquina é conectada ao itema de potência e etá ub-excitada, ela comporta como um indutor, aborvendo potência reativa do itema. No cao de etar obre-excitada, ela funciona como um capacitor, injetando potência reativa no itema. Todavia, compenadore rotativo ão caracterizado por pouir repota dinâmica relativamente lenta (1 a 5m) devido à ua grande contante de tempo do circuito de campo [3]. Outra devantagem dete equipamento é a ua baixa confiabilidade pelo fato de pouir parte rotativa, tornando ua manutenção mai complexa, além do eu alto cuto de intalação. Em carga de operação relativamente etável, ou eja, com pequena variaçõe de potência reativa, a compenação de reativo do itema pode er facilmente realizada com a intalação de banco de capacitore hunt. A inerção de capacitore aumenta a diponibilidade de tranmião de potência ativa na linha, como e pode ver na Fig. 2.5 [18].

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 11 Potência Reativa Máxima carga permitida S load = S 1 Q load S load1 Q load -Q c 2 S load2 3 Sload3 P load1 P load3 Potência Ativa Q c Fig. 2.5 Curva de capacidade de potência A Fig. 2.5 é dividida em trê ponto de operação: no primeiro ponto a potência aparente de uma determinada carga é igual à diponível pela fonte; o egundo ponto motra que a intalação de banco de capacitore diminui a potência aparente da carga, o que torna poível o aumento da potência ativa conumida pela carga para o ponto 3. A devantagem da utilização de um banco de capacitore para compenação de reativo é que ele não podem er intalado em itema onde a carga não é linear, poi a freqüência de reonância entre a impedância da rede e capacitore do banco pode e aproximar da freqüência da componente harmônica da carga. Além dito, o banco de capacitore não é capaz de compenar variaçõe rápida e repetitiva de potência reativa provocada pela carga, como é o cao do laminadore debatadore acionado por motore de corrente contínua em uma indútria iderúrgica, porque a tenão no barramento não

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 12 conegue atingir regime permanente, podendo tornar o itema intável. O Compenadore Dinâmico de Reativo tornam-e, então, uma olução intereante para eta aplicaçõe. Como e pode notar, o Compenadore Dinâmico de Reativo têm por finalidade melhorar o itema elétrico de potência de vária maneira, dentre a quai pode-e citar: controlar variaçõe rápida e repetitiva de potência reativa na rede; manter a tenão etabilizada no barramento, memo ob grande variaçõe da carga; aumentar a capacidade de tranmião de uma linha. Ete capítulo e dedica à decrição da caracterítica de funcionamento e a tecnologia atualmente diponívei de doi tipo de Compenadore Dinâmico de Reativo: o Compenador Etático de Reativo (SVC) e o Compenador Síncrono Etático (STATCOM), tendo em vita a utilização de ambo em aplicaçõe indutriai. 2.2 Compenadore Etático de Reativo SVC O primeiro Compenador Dinâmico de Reativo, lançado no mercado no início da década de 197, é o Compenador Etático de Reativo (Static Var Compenator SVC). Ete compenador é definido pelo IEEE [2-3] como endo um gerador etático de reativo hunt cuja aída é ajutada para injetar corrente capacitiva ou indutiva de forma a manter ou controlar parâmetro epecífico do itema elétrico de potência (tipicamente, a tenão no barramento). Eta decrição ugere que exitem doi tipo de SVC : o Reator Controlado por Tiritore com Capacitor Fixo (Thyritor Controlled Reactor Fixed Capacitor TCR-FC) e o Capacitor Chaveado por Tiritore (Thyritor Switched Capacitor TSC), entretanto o último não faz parte do ecopo dete etudo e maiore detalhe podem er encontrado em [1-4].

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 13 2.2.1 Princípio de Funcionamento do TCR-FC O SVC do tipo TCR-FC conite de chave tiritorizada controlando a corrente do reator e do capacitor fixo em paralelo, produzindo compenação dinâmica hunt, conforme pode er vito na Fig. 2.6. Fig. 2.6 Circuito monofáico equivalente do TCR-FC A corrente no reator i pode er controlada, variando entre um valor máximo e zero, atravé do controle do ângulo de diparo α do tiritore. O diparo da chave tiritorizada é atraado em relação ao pico da tenão em cada emi-ciclo e aim o intervalo de condução da corrente σ é controlado, conforme ilutrado na Fig. 2.7.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 14 Controle do ângulo de diparo do tiritore do SVC Amplitude [pu] 1.5 -.5 Vc I (α = ) -1.2.4.6.8.1.12.14.16.18 Tempo [] Amplitude [pu] 1.5 -.5 Vc α V σ I (α) -1.2.4.6.8.1.12.14.16.18 Tempo [] Fig. 2.7 Controle do ângulo de diparo α do tiritore do SVC Quando o diparo do tiritore é atraado de um ângulo α, endo α π/2, em relação ao pico da tenão, a corrente no reator pode er exprea por (2.8) [2], onde v c (t) = V c co(ωt). Vc i () t = [ in( ωt) in( α )], α < ωt < π α (2.8) ω A amplitude da corrente fundamental que circula pelo reator do SVC I f em função do ângulo de diparo α é decrita por (2.9) [2]. ( α Vc 2 1 π I ) = 1 α ( 2α ), < α ω in π π para < f (2.9) 2 A Fig. 2.8 ilutra a corrente do reator e ua componente fundamental, dado um ângulo de diparo α, dentro do intervalo motrado na equação (2.8).

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 15.5.4.3.2 Corrente que circula no reator do SVC e ua fundamental I (α) If (α) Corrente [pu].1 -.1 -.2 -.3 -.4 -.5.2.4.6.8.1.12.14.16.18 Tempo [] Fig. 2.8 Corrente que circula no reator do SVC e ua fundamental Conforme Hingorani e Gyugyi [2], o TCR pode controlar continuamente a corrente fundamental i f (t) de zero (α = π/2) até eu valor máximo (α = ), como e etivee variando a ua indutância em função de α. O valor equivalente para 6Hz deta indutância é calculada dividindo a tenão V c pelo produto entre a freqüência íncrona ω e a corrente I f, a qual é motrada em (2.9). Eta operação é apreentada por (2.1). π eq ( α ) =, para < α < (2.1) 2α 1 2 1 en( 2α ) π π Além do reator controlado por tiritore, cuja potência reativa aborvida Q é variável (controlada pelo ângulo de diparo α), exitem banco de capacitore. O circuito em corrente alternada contendo o TCR-FC e o fluxo de potência reativa podem er vito na Fig. 2.9.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 16 Fig. 2.9 Circuito em corrente alternada contendo o TCR-FC e o fluxo de potência reativa Ete capacitore etão uualmente dividido em filtro de harmônico, fornecendo uma potência reativa Q c não controlada, cujo valor é definido por (2.11). 2 Vc Q c =, endo X c = contante (2.11) X C Como vito na equação (2.7), a variação do conumo de potência reativa da carga gera uma variação da tenão da barra onde etá conectada, que, de acordo com (2.11), influi no valor da potência reativa injetada pelo banco de capacitore. De acordo com a norma da ONS [59], a variação de tenão no barramento ΔV deve etar dentro de uma faixa aceitável, que é definida conforme a tenão nominal do itema. Aim, o TCR deve er capaz de aborver uma potência reativa Q de forma que a variação de tenão não ultrapae o limite etabelecido e, coneqüentemente, a potência reativa da rede Q varie pouco, tal como motrado em (2.12). Q Q Q + Q contante ΔV norma (2.12) = load c A Fig. 2.1 motra a caracterítica de operação do SVC frente a variaçõe de tenão no barramento ao qual etá conectado. Quando a amplitude da tenão do barramento V c diminui, o SVC injeta corrente capacitiva, até um valor máximo, obtido deligando-e o tiritore (α = π/2). E quando a amplitude da tenão V c etá acima do valor nominal, aumenta-e a corrente

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 17 no reator atravé da redução do ângulo de diparo α, até que e alcance o valor máximo de corrente indutiva (α = ). Fig. 2.1 Caracterítica V x I do SVC [1] Na Fig. 2.1 é poível obervar uma limitação do SVC: quando o tiritore etão completamente deligado, e a tenão do barramento V c continuar decrecendo de amplitude, a capacidade de corrente reativa do compenador também é reduzida proporcionalmente. Ete comportamento também é decrito pela equação (2.11). Outra limitação do SVC, conforme já mencionado anteriormente, ão a corrente harmônica de baixa ordem que ão gerada devido ao controle do ângulo de diparo α, uado para chavear o tiritore. A amplitude deta corrente harmônica em função do ângulo α ão exprea por (2.13) [2-3; 22]. I _ n ( ) ( α ) co( nα ) n co( α ) en( nα ) α 4 Vc en = 2 π ω n( n 1) (2.13) onde n = 2k + 1, k = 1, 2, 3,... A variação da amplitude da corrente harmônica, exprea em porcentagem da corrente fundamental, em função do ângulo α pode er vita na Fig. 2.11.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 18 Fig. 2.11 Amplitude da corrente harmônica x ângulo de diparo α [2] Uma prática uual para a redução da corrente harmônica é a intalação de filtro intonizado, conforme Fig. 2.12, aumentado batante a área fíica ocupada pela aplicação [7]. É importante alientar que o reitor dete filtro é reponável pelo amortecimento do itema, e ua utilização nem empre é neceária, evitando, aim, perda joulica de energia. Outra olução eria aumentar o número de pulo do SVC. + f R f V c - C Fig. 2.12 Circuito monofáico equivalente de um filtro intonizado

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 19 2.2.2 Topologia de SVC Em um itema trifáico, trê TCR monofáico podem er conectado em delta de forma a não permitir que corrente harmônica múltipla de trê (3ª, 9ª, 15ª, etc) ejam inerida no itema elétrico de potência [3]. A amplitude da outra corrente harmônica podem er reduzida por outro método. Uma maneira de diminuir ete harmônico é conectar n (n 2) TCR em paralelo, cada um pouindo 1/n da capacidade total de potência reativa do SVC. Neta configuração, o ângulo de diparo α de apena um TCR é controlado, enquanto o outro etão operando em degrau, de forma a aborver a potência reativa requerida, conforme a Fig. 2.13. Como a potência reativa de cada TCR diminuiu de 1/n veze, a indutância coneqüentemente aumenta num fator de n, diminuindo aim a amplitude da corrente harmônica dada pela equação (2.6). O problema dete arranjo é a elevação do cuto devido ao aumento do número de tiritore utilizado. Fig. 2.13 Método de controle de quatro banco de TCR para redução de harmônico [2]

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 2 Outro método utiliza arranjo de 12 pulo, implementado a partir da aociação de doi converore de ei pulo em paralelo. No entanto, é neceária a utilização de tranformadore de alimentação conectado de modo que eu ângulo de tenão de fae ejam defaado de 3 entre i. Harmônico de ordem inferior (5º e 7º) ão eliminado nete cao, tornando ete tranformadore adequado para a aplicação propota. Uma excelente redução de harmônico pode er obtida quando multiconverore de dezoito ou mai pulo ão implementado, pela aociação de mai de trê converore de 6 pulo. Entretanto, como já foi mencionado anteriormente, quanto maior o número de tiritore empregado, mai caro é o equipamento. Maiore informaçõe obre converore multi-pulo podem er obtida na referência [13]. Fig. 2.14 Converor de 12 pulo

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 21 2.2.3 Deempenho Dinâmico do SVC Outra dificuldade tecnológica dete compenador eria uma faixa de paagem relativamente etreita. Hingorani e Gyugyi [2] abordam ete aunto apreentando a função de tranferência do SVC conforme (2.14) [2], onde o termo exponencial foi aproximado pela função de tranferência de primeira ordem, endo k um ganho contante, e T d um atrao de tempo ou atrao de tranporte correpondente ao ângulo de diparo. G () = k e T d 1+ k T d (2.14) De acordo com o autore, o valor máximo do atrao de tranporte T d de um TCR-FC monofáico é T/2. No cao de uma etrutura trifáica de 6 pulo ligada em delta o valor máximo do atrao de tranporte erá de T/6 para o aumento da corrente e T/3 para a diminuição da corrente. E para uma topologia de 12 ou mai pulo, o valor do atrao de tranporte T d para o crecimento e decaimento da corrente no SVC, no pior cao, não diferencia muito do converor de 6 pulo, poi o atrao no ligamento e deligamento da chave tiritora irão acontecer no memo intervalo de tempo máximo [2]. A vantagem deta etrutura e encontra na diminuição da componente harmônica da corrente de linha. Eta afirmativa, no entanto, não ão explicada e nova verificaçõe indicam que a tempo de repota para a etrutura trifáica de 6 ou mai pulo ão da ordem de 8,33m, ou eja, T/2, conforme é demontrado no capítulo 4 dete trabalho.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 22 2.3 Compenador Síncrono Etático STATCOM A egunda geração de compenadore de reativo é contituída por outro equipamento hunt que também produz compenação dinâmica: o Compenador Síncrono Etático (Static Syncronou Compenator STATCOM). A definição dete equipamento, dada pelo IEEE [2], é um gerador etático íncrono operando como um compenador etático de reativo hunt, cuja corrente capacitiva ou indutiva de aída pode er controlada independente da tenão do itema ca. O primeiro etudo obre o STATCOM, utilizando bloco inverore compoto por tiritore e complexo circuito auxiliare para comutação forçada, começaram a er realizado na década de 197 [1; 16]. Entretanto, ua implementação não era uma olução atrativa devido ao problema de complexidade e de confiabilidade do circuito de comutação forçada, e do baixo limite de tenão e corrente da chave tiritora. Somente apó o advento de chave auto-comutada de alta potência, no ano 9, e tornou-e poível a comercialização do STATCOM. O primeiro STATCOM foi intalado no Japão em 1991. Ete compenador pouía uma capacidade de potência nominal de 8MVA, operava em uma tenão de 154kV e utilizava GTO (Gate Turn Off Thyritor) de 4,5kV / 3kA no inverore [7-8; 18]. Em 1995, um STATCOM americano de ±1MVA foi comiionado na ubetação de Sullivan, pertencente à TVA (Tenneee Valley Authority) [2]. Ete equipamento foi implementado com uma etrutura de 48 pulo, para neutralizar harmônica, e utilizava GTO de 4,4kV / 4kA. Atualmente, emprea como a S&C e ABB comercializam STATCOM baeado em IGBT (Inulated Gate Bipolar Tranitor), cuja potência variam entre 1MVAr e 1MVAr. Outro exemplo podem er obtido na referência [41-55]

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 23 2.3.1 Princípio de Funcionamento do STATCOM O STATCOM, egundo Mathur e Varma [3], é análogo a uma máquina íncrona ideal, que gera tenõe enoidai trifáica, na freqüência fundamental, com capacidade de controlar amplitude e defaamento. Ou eja, ete compenador pode er modelado como uma fonte de tenão controlada em érie com uma reatância, emelhante à Fig. 2.15 (a). Eta máquina ideal não poui inércia, não altera ignificamente a impedância do itema e pode gerar independentemente potência ativa e reativa, conforme Fig. 2.15 (b). (a) (b) Fig. 2.15 (a) Circuito equivalente do STATCOM (b) Fluxo de potência ativa e reativa entre STATCOM e itema ca O funcionamento do STATCOM como compenador de potência reativa pode er viualizado com o auxílio da Fig. 2.16.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 24 Fig. 2.16 Circuito em corrente alternada contendo o STATCOM Como e pode ver na Fig. 2.16, o STATCOM é contituído por quatro parte báica: o tranformador, o reator, o inveror, e o capacitor do barramento de corrente contínua. No STATCOM, o tranformadore ão utilizado para fazer a ligação com o itema ca, adequando o nívei de tenõe de operação do equipamento com a rede, de forma a atender o limite de tenõe de bloqueio do dipoitivo emicondutore do inverore. Em muito cao, o tranformadore também ão utilizado para eliminar algun do harmônica gerado pelo inverore, reduzindo o conteúdo do harmônico inerido na rede [13]. O reator, ST, é reponável pela adaptação da tenõe enoidai da barra (V c ) e da tenõe intetizada pelo STATCOM (V ST ), que pouem componente harmônica inerida pelo chaveamento do dipoitivo emicondutore do converor, funcionando como um filtro. O inverore pouem a função de gerar tenão alternada a partir da tenão contínua no terminai do capacitor. O dipoitivo emicondutore utilizado ão o GTO', IGBT' e IGCT' (Integrated Gate Commuttated Thyritor) [4; 27]. O GTO, lançado na década de 197, foi o primeiro dipoitivo de potência utilizado no deenvolvimento do STATCOM. Entretanto eta chave demontra perda exceiva, além da neceidade de complexo circuito para diparo de fonte. Em 1997, a ABB lançou o IGCT, como uma tentativa de olucionar o problema apreentado pelo GTO, uma vez que poui o circuito de gate

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 25 integrado ao emicondutor e apreenta menore perda. Atualmente, a maioria do fabricante de STATCOM motra uma tendência de utilização de IGBT, cujo limite de operação atinge 6,5kV e 2,4kA [56-57]. O principal objetivo do capacitor do barramento de corrente contínua é ervir de fonte de tenão contante, poibilitando a atuação do inveror. Ele também atua como armazenador temporário de energia, permitindo troca entre o itema elétrico e o STATCOM. Além deta quatro parte, exite também o itema de controle, ilutrado na Fig. 2.17, reponável pelo controle do fluxo de potência reativa. A principal função dete itema é controlar o diparo do dipoitivo emicondutore do converor, de modo a produzir uma forma de onda de tenão que force uma circulação de potência reativa requerida pela compenação. Ee controle é realizado mantendo a tenão do STATCOM V ST maior em amplitude do que a tenão do barramento V c, de forma a injetar potência reativa capacitiva na rede, e com amplitude V ST menor, para aborver potência reativa indutiva. Para gerar a tenão V ST de acordo com a referência exigida pelo itema de controle, o STATCOM deve manter o capacitor do barramento de corrente contínua carregado em um determinado nível. Io é obtido atraando o ângulo δ da tenão do converor V ST em relação à tenão do itema elétrico V c, de forma a aborver potência ativa. Ete mecanimo de controle é utilizado para aumentar ou diminuir a tenão do capacitor e, coneqüentemente, a amplitude da tenão de aída do converor. Divera ão a técnica utilizada para ete fin, com ua vantagen e devantagen [1; 2-21].

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 26 Fig. 2.17 Principai funçõe do itema de controle do STATCOM A Fig. 2.18 motra a caracterítica tenão/corrente dete compenador. Em contrate com o SVC, motrado na Fig. 2.1, idealmente, a caracterítica da corrente de compenação é mantida, memo ob baixo valore da tenão do itema ca. Entretanto, o que é obervado na realidade é o deligamento dete equipamento cao a tenão do barramento cair a um determinado valor, uma vez que não erá mai poível carregar o capacitor do barramento cc. Fig. 2.18 Caracterítica V x I do STATCOM [1]

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 27 2.3.2 Topologia de STATCOM O inverore podem er de doi tipo: inverore fonte de tenão (Voltage Source Inverter VSI) e inverore fonte de corrente (Current Source Inverter CSI) [12]. O que diferencia um do outro é baicamente o tipo de chave e o tipo de fonte de corrente contínua conectada ao barramento cc. A topologia mai comun do inverore do STATCOM ão baeada em converore VSI e compota pelo inveror trifáico em ponte completa [2; 4; 1-11], motrado na Fig. 2.19; por arranjo de inverore monofáico, compondo uma etrutura trifáica [2; 4; 11], Fig. 2.2, ou pelo inveror trifáico de 3 nívei com neutro grampeado [2; 11; 15], Fig. 2.21. Outra topologia utilizada para compenadore de alta potência é o inveror multinívei, compoto por aociaçõe em érie de converore monofáico, que pode er vito na Fig. 2.22. Fig. 2.19 Inveror trifáico em ponte completa [11]

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 28 Fig. 2.2 Inveror trifáico compoto por trê converore (ponte H) monofáico [11] Fig. 2.21 Inveror trifáico de 3 nívei com neutro grampeado [11]

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 29 Fig. 2.22 Inveror multi-nívei compoto por aociaçõe em érie de converore monofáico [3] O inveror trifáico em ponte completa poui a vantagem de utilizar menor número de chave do que a outra topologia motrada. Entretanto, ete arranjo não é aplicável a STATCOM de elevada potência devido ao elevado conteúdo harmônico, de ordem n = 6k ± 1, onde k = 1, 2, 3,..., produzido por ete tipo de inveror [23]. O inverore monofáico conectado formando uma etrutura trifáica, como vito na Fig. 2.2, permitem o controle independente de fae e menor ditorção harmônica. O problema deta topologia, em relação ao inveror trifáico em ponte completa, é o grande número de chave neceária quando é deejado implementar equipamento com múltiplo pulo, a exemplo do STATCOM. Deve-e realtar que o cuto do dipoitivo emicondutore utilizado nete compenador é maior do que o tiritore utilizado no SVC, aumentando ainda mai a diferença de preço entre o doi equipamento.

Capítulo 2: Princípio de Compenadore Dinâmico de Reativo 3 Uma topologia mai recente utilizada no STATCOM' é o inveror trifáico de 3 nívei com neutro grampeado, aplicado em nívei de tenão indutriai. Ete arranjo poui a capacidade de gerar forma de onda compota de um maior número de pulo, reduzindo, aim, a geração de harmônico. Entretanto, a grande quantidade de dipoitivo emicondutore intalado eleva o cuto do produto. O converor multi-nívei em cacata, originalmente introduzido pela Robicon [14], poui a vantagem de aociar módulo monofáico de baixa tenão, conforme Fig. 2.22, amplamente encontrado no mercado, para aplicaçõe em média tenão, e a opção de efetuar um curto-circuito em algum módulo, cao ele e danifique, devido à exitência de redundância, garantindo eu funcionamento. Além dito, eta topologia reduz a geração de corrente harmônica. A grande devantagem dete converor é a ua dimenão fíica e o elevado preço. 2.3.3 Freqüência de Chaveamento A técnica de acionamento utilizada no inverore podem er dividida em alta e baixa freqüência de chaveamento. O acionamento em alta freqüência, caracterizado pela técnica PWM (Pule Width Modulation) [4], utilizam freqüência da ordem de algun khz. Nete tipo de chaveamento, a tenão e a freqüência de aída ão controlada pelo converor atravé da variação da largura do pulo. Um método muito utilizado é a modulação enoidal, onde uma forma de onda triangular de alta freqüência é comparada à enóide trifáica de referência, produzindo a tenõe com amplitude e freqüência deejada, conforme motrado na Fig. 2.23. Há outro método de PWM decrito na literatura, como o controle de chaveamento por vetore epaciai, e maiore informaçõe podem er obtida na referência [4; 58]. No entanto, com o