Compensador Ativo de Reativos - SVC CEN : Condicionadores de Energia Julho 2013
Compensadores Ativos de Reativos Um compensador de reativos ideal é um dispositivo capaz de realizar ajuste contínuo de sua potência reativa, sem atrasos, sobre uma faixa ilimitada de potência (em atraso e em avanço). Os compensadores ativos fazem uso de componentes também ativos para fornecer a energia necessária no ponto de interesse, focando sempre em atender as especificações das normas (PRODIST). A definição de Compensadores Ativos se faz pela capacidade dos mesmos tomarem alguma ação onde possa alterar o seu estado de funcionamento, tanto por ações internas como externas. Uma das propriedades mais importantes de um compensador estático de reativos é a sua habilidade de manter CONSTANTE a tensão em seus terminais pelo ajuste contínuo da potência reativa que ele troca com o sistema 2
FACTS Sistemas de transmissão de corrente alternada que incorporam controladores baseados em eletrônica de potência ou controladores estáticos para melhorar a controlabilidade e aumentar a capacidade de transferência de energia. A idéia básica (Narain Hingorani - 1988) era obter sistemas de CA com alto nível de flexibilidad,e como no caso dos sistemas de transmissão em tensão continua (HVDC). Estas idéias se baseiam no uso de tiristores de potência, assim como os dispositivos semicondutores autocomutados (também conhecidos como de comutação forçada), tais como: tiristores, GTO, MOS e IGBT etc. Função dos FACTS: Controlar a impedância aplicada ao circuito. Produzir fontes de corrente ou tensões artificiais. Converter potência de CA para CC e vive-versa. 3
SVC Trata-se de um gerador ou absorvedor estático de energia reativa conectado em paralelo, do qual a saída é ajustada para a variação de correntes capacitivas ou indutivas, de modo a manter ou controlar parâmetros específicos do sistema elétrico de potência. Os SVC podem ser implementados com diferentes topologias de circuitos, circuitos paralelos com capacitores, indutores ou ambos controlados por tiristores, circuitos série controlados também por tiristores. Vantagens: Capacidade de responder rapidamente as variações do sistema. Confiabilidade Desvantagens: Elevados custos aplicados em condições transitórias 4
SVC Os dois principais métodos de compensação da linha são: compensação paralela compensação série 5
Transmissão entre duas barras I X/2 X/2 I Considere se o modelo básico de duas máquinas. Se definem as tensões dos extremos emissor (V S ) e receptor (V R ) o V S V 0 V S V m V R V R V V S V x = jx * V m I I V R Definindo a tensão de media linha (V m ), cujo valor é dado por: V m V S V 2 R V cos 2 2 A corrente de linha (I), é dada por: Da análise do circuito tem se que a Potencia Aparente Fundamental do extremo emissor é dada por: S S I V X 2 2V X sen 2 2 2 V sen j 1 cos X 6
Compensador Paralelo (shunt) As relações entre a potencia real P, potencia reativa Q e o ângulo são mostradas pela figura abaixo. Como se observa, em tensão constante ( V S = V R = V ) e um sistema de transmissão fixo (X = Const.) a potencia transmitida é exclusivamente controlada pelo ângulo. P 2*P max V Q = 2 (1- cos ) X P max P = X V 2 sen 7
Compensador Paralelo (shunt) Este compensador é representado por uma fonte de tensão senoidal CA (na freqüência fundamental) em fase com a tensão no ponto de acoplamento da mesma (neste caso meio da LD). V m = V s = V R = V 8
Compensador Paralelo (shunt) Corrente da Linha: Potência Aparente: I = 4V X sen δ 4 δ 4 S s = 2 V2 X sen δ 2 + j 2 V2 X 1 cos δ 2 9
Compensador Paralelo (shunt) No caso da aplicação do SVC no ponto médio da linha de distribuição, o mesmo dobra a capacidade de transmissão de potência da mesma. 2 V2 Q = X 1 cos δ 2 2 V2 P = X sen δ 2 P = V2 X sen δ 10
Compensador Paralelo (shunt) SVC Circuito 11
Compensador Paralelo (shunt) SVC Circuito Visto que os capacitores devem serem ligados em zero de tensão, somente os indutores podem ter controle angular de disparo. = C eq α = 2 π α + sen 2 α π ω π X L X L X C A indutância equivalente em função do ângulo de disparo é dada por: L eq (α) = π L SVC 2 π α sen(2 α) sα = ângulo de disparo dos tiristores sl SVC indutância do SVC 12
Compensador Paralelo (shunt) SVC Característica em Regime Permanente sv ref representa uma tensão de referência sα 0 é o ângulo de disparo no qual a corrente no SVC será zero (ressonância) 13
Compensador Paralelo (shunt) SVC A Capacitância equivalente requerida pelo sistema para uma dada carga e parâmetros da linha de distribuição é dada por: C eq = 2 2 1 + cos δ op ω 2 L 2 sδ op = ângulo de carga sl indutância total da Linha 14
Exemplo Será avaliado um Sistema composto por duas barras, onde a carga (2ª barra) possui variação na faixa de operação conforme apresentado abaixo. V barra1 R linha 2 L linha L linha R 2 2 linha 2 L SVC C SVC V barra2 V barra1 = 2.3KV V barra2 = 2.3KV δ min = 2 o δ op = 16 o R linha = 2mΩ L linha = 2.4mH f = 50Hz R SVC = 1mΩ C SVC = 533μF 15
Exemplo δ = δ op = 16 o Inicialmente calcula-se a capacitância mínima para atender as especificações da linha com a carga máxima, isto é, com ângulo máximo de operação. δ = δ op = 16 o C eq = 2 2 1 + cos δ ω 2 L linha = 164. 34μF X eq = 1 2 π f C eq = 19. 34Ω 16
Exemplo δ = δ op = 16 o Para o sistema que está sendo analisado, considera-se que a indutância seja capaz de absorver o dobro da potência reativa que a capacitância e capaz de fornecer. V 2 XL SVC = 2 V2 XL XC SVC = XC SVC SVC 2 XL SVC = 1 2 π f C SVC 2 = 2, 98Ω Assim: L SVC = XL SVC 2 π f = 9, 5mH C eq α = 2 π α + sen 2 α π ω π X L X L X C = 164. 34μF α 1 = 123 o 17
Exemplo Circuitos Circuito de Potência 18
Exemplo Circuitos Circuito de Controle 19
Exemplo Resultados δ = δ op = 16 o Tensões nas Barras sem Compensação 20
Exemplo Resultados δ = δ op = 16 o Tensões nas Barras com compensação 21
Exemplo Resultados δ = δ op = 16 o Correntes no SVC 22
Exemplo δ = δ op = 2 o δ = δ op = 2 o C eq = 2 2 1 + cos δ ω 2 L linha = 2, 43μF X eq = 1 2 π f C eq = 1, 31kΩ C eq α = 2 π α + sen 2 α π X L X C = 2, 43μF ω π X L α 1 = 112, 5 o 23
Exemplo Resultados δ = δ op = 2 o Tensões nas Barras 24
Exemplo Resultados δ = δ op = 2 o Correntes no SVC 25
SVC Exemplo 2 Será avaliado um Sistema composto por uma linha de distribuição, uma fonte de Tensão V S e uma carga conectada em V R, nesse caso representada por uma fonte de corrente dependente com as seguintes características: S carga = 250KVA V fase = 220V FP carga = 0,85 Z serie linha = 0.18pu R s = 0.2 Z serie linha X s = 0.8 Z serie linha f = 60Hz Neste Exemplo o SVC será conectado em paralelo com a carga e não mais no ponto médio da linha (similar aos bancos de capacitores). 26
Exemplo 2 Os parâmetros da Linha de distribuição são definidos abaixo Z base = V fase 2 = 0. 578Ω S carga Z serie linha = 0. 1 Z base = 0. 104Ω R s = Z serie linha 0. 2 = 21mΩ X s = Z serie linha 0. 8 = 83mΩ L s = X s 2 π f = 220μH Φ = 31. 76 o 27
Exemplo 2 Parâmetros da Carga I Total = S carga 3 V fase = 378. 78A P carga = S carga cos Φ = 70kW 3 Q = S carga sin Φ = 43. 9kW 3 R carga = P carga = 0. 494Ω 2 I Total X carga = Q carga I Total 2 = 0. 306Ω L carga = X carga 2 π f = 811μH 28
Exemplo Dimensionamento da Capacitância equivalente requerida para a máxima carga. I R = I Total cos Φ = 321. 97A I X = I Total sin Φ = 199. 54AA V mínima = 201V I C = I R R s + I X X s V s + V r X s X C = V mínima = 3. 89Ω I C 1 C eq = = 680μF 2 π f X C = 51. 60A A Capacitância real do SVC foi defenida como: C SVC = 2mF 29
Exemplo 2 Para o sistema que está sendo analisado, considera-se que a indutância seja capaz de absorver o dobro da potência reativa que a capacitância é capaz de fornecer. 1 XC SVC = = 1, 32Ω 2 π f C eq V 2 XL SVC = XL SVC = 2 V2 XL XC SVC = XC SVC SVC 2 1 2 π f C SVC 2 L SVC = XL SVC 2 π f =, 66Ω = 1, 75mH Assim: C eq α = 680μF α 1 = 123 o 30
Exemplo 2 Circuitos Circuito de Potência 31
Exemplo 2 Circuitos Circuito de Controle 32
Exemplo 2 Resultados (carga máxima) Tensões nas Barras sem Compensação 33
Exemplo 2 Resultados (carga máxima) Tensões nas Barras com Compensação 34
Exemplo 2 Resultados (carga máxima) Correntes no SVC 35
Exemplo 2 Resultados (carga máxima) Variação da Tensão V R em função do ângulo α de disparo do tiristor. 36
Exemplo 2 Circuito (variação de carga 0-100%) Considerando uma malha fechada de controle, na qual se controla a tensão no ponto V R, atuando no ângulo de disparo α do tiristor. Controlador (PI) com Ganhos empíricos: 37
Exemplo 2 Resultados (variação de carga 0-100%) Corrente e Tensão na Carga e ângulo de disparo do Tiristor α min = 110 o α max = 180 0 38
Exemplo 2 Resultados (variação de carga 0-100%) Correntes no SVC 39
Conclusão Os SVC s possibilitam maximixar a capacidade de transmissão das linhas de distribuição (ponto central). O mesmos não agem por step de reativos, ou seja, atuam linearmente de acordo com as necessidades do sistema. O controle de reativos é feito pela variação no ângulo de disparo dos tiristores. Os SVC s também podem ser instalados junto as cargas, tendo o mesmo papel dos bancos de capacitores, com a vantagem de uma atuação linear. Os mesmos requerem um controle simples, focado no ângulo de disparo das chaves, sem necessidade de malhas de controle rápidas, ou mesmo circutito complexo é caros de processamento. Podem injetar ou mesmo consumir reativos. 40
Referências 1. Prof. Domingo Ruiz Caballero CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos 2. Jean CUNHA, "Sistema automático para regulação de tensão em redes de baixa tensão," UDESC, Joinville, Trabalho de Conclusão de Curso 2012. 3. ANEEL. Procedimentos de distribuição (PRODIST). http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idarea=82, 2012. 4. Narain G. Hingorani, Laszlo Gyugyi Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems, Wiley-IEEE Press, December 1999. ISBN 978-0- 7803-3455-7 5. Xiao-Ping Zhang, Christian Rehtanz, Bikash Pal, Flexible AC Transmission Systems: Modelling and Control, Springer, March 2006. ISBN 978-3-540-30606-1. http://www.springer.com/3-540-30606-4 6. A. Edris, R. Adapa, M.H. Baker, L. Bohmann, K. Clark, K. Habashi, L. Gyugyi, J. Lemay, A. Mehraban, A.K. Myers, J. Reeve, F. Sener, D.R. Torgerson, R.R. Wood, Proposed Terms and Definitions for Flexible AC Transmission System (FACTS), IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 4, October 1997. doi: 10.1109/61.634216 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00634216 41