Transmissão em CA Segmentada

Transmissão de Energia Elétrica a Grandes Distâncias Transmissão em CA Segmentada A Pedroso

Transmissão em CA Segmentada 1 TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A GRANDES DISTÂNCIAS 1. Introdução 2. Fatores no Planejamento de Sistemas Elétricos 3. Realidade Nacional 4. Linhas de Transmissão Segmentadas 4. 1 Áreas Elétricas Assincronas 4. 2 Combinação de Linhas Segmentadas com Linhas com Suporte de Tensão 4. 3 Linhas de Transmissão de Projeto Não Convencional 4. 4 Linhas de Transmissão Controladas em Tensão 5. Estudo de Casos 2

Transmissão em CA Segmentada 2 1. Introdução Transmissão a Longa Distância no País Itaipu (800 km,.) Norte - Sul (1400 km, 100% comp shunt, 50% comp série) SENE (1054 km, 100% comp shunt) Tucurui - Manaus (1457 km,.) P.Velho Araraquara (2250 km,.) Transmissão a Longa Distância no Mundo Cahora Bassa (1500 km, 2000 MW) Ligação CCAT Estrutura Híbrida CC/CA China Sistemas de Grande Porte (Multi-Infeed / processo em cascata / oscilações emec Interareas) 3

Transmissão em CA Segmentada 2A CAHORA - BASSA 4

Transmissão em CA Segmentada 2B CHINA 5

Transmissão em CA Segmentada Referência EPRI SHOCK ABSORBERS 6 2B/B

Transmissão em CA Segmentada 3 2. Fatores no Planejamento Sistemas Elétricos TÉCNICOS ECONÔMICO FINANCEIROS SOCIO AMBIENTAIS (políticos-etnicos) ECONÔMICO FINANCEIROS SOCIO AMBIENTAIS (políticos-etnicos) TÉCNICOS SOCIO AMBIENTAIS (políticos-etnicos) ECONÔMICO FINANCEIROS TÉCNICOS Não obstante o aumento dos requisitos: satisfação da demanda, confiabilidade e incertezas dos cenários de expansão 7

Transmissão em CA Segmentada 4 3. Realidade Nacional Os planos decenais elaborados pela EPE apontam para cenários de expansão com hidrelétricas a partir da exploração dos potenciais das bacias da Região Amazônica. Conclui-se assim pela necessidade de conceber uma Estratégia de Expansão da Malha com ênfase na integração deste potencial, capaz de gerar uma estrutura de transmissão otimizada no que tange: confiabilidade (limitação de propagação de processos em cascata); flexibilidade; atendimento às questões sócio ambientais (inserção regional). 8

Transmissão em CA Segmentada 5 3. Realidade Nacional (continuação) A aplicação da Estratégia em todos os empreendimentos futuros se opõe a um tratamento individualizado que resulta, muitas vezes, em custosas adaptações da Rede existente. O procedimento tem reflexos econômicos importantes pois sinaliza direções preferenciais de P&D de equipamentos para um mercado estimado em cerca de 160 GW. Alternativas de transmissão com linhas segmentadas, e dotadas de controle de tensão, atendem aos condicionamentos apontados para a transmissão a grandes distâncias no País. 9

Transmissão em CA Segmentada 6 4. Linhas de Transmissão Segmentadas Linhas de Transmissão em CA interconectadas por ligações assíncronas O objetivo é eliminar eventuais restrições / limitações de estabilidade eletromecânica entre os extremos gerador e recebedor. Com o emprego de conversores eletronicos de potênca CA/CC e CC/CA, divide-se / corta-se a linha em secções. As secções de um lado do conversor operam de modo assíncrono em relação as secções do outro lado (modo assíncrono tem aqui o sentido de independência de frequência) Linha A Linha B CONVERSOR Linha C Linha D Linha E Venikov 1980 Subdivision of Power Systems as a mean for maintaining transient stability The subdivision of power systems into separate sections asynchronous to each other may be considered as a mean of preventing the violation of stability 10

Transmissão em CA Segmentada 7 4.1 Aplicação da Transmissão Segmentada na Expansão da Malha Principal no País Áreas Elétricas Assincronas 11

Transmissão em CA Segmentada 8 4.2 Combinação de Estruturas de Transmissão Segmentadas e Linhas com Suporte de Tensão Linhas com Suporte de Tensão 0 1250 2250 km Estação Conversora HVDC VSC B2B Linhas Segmentadas com Suporte de Tensão são podem ser caracterizadas pelos seus atributos de controle da potência e da tensão 12

Transmissão em CA Segmentada 9 4.3 Linhas de Transmissão de Projeto Não Convencional Linhas de Potência Natural Elevada (alta capacidade) Para fixar idéias considere a LT empregada nos trabalhos (Portela e outros-xix SNPTEE) LNC500: Tensão: 500 kv (tensão nominal, 550 kv tensão mx em permanência) Impedância Característica: 146.6 Potência Característica: 1632 MW Parâmetros (60 Hz): R = 0.0126 / km X L = 0.1913 / km L = 0.507439 10-3 H / km B C = 8.901168 10-6 S / km C = 23.611 10-9 F / km ( line charging em 500kV = 2.2252 Mvar / km) Nos nossos estudos as LT são consideradas como idealmente transpostas, seus parâmetros independentes de freqüência; a depêndencia com relação ao solo também não é levada em conta. Estas aproximações são pertinentes em estudos à freqüência fundamental. Em alguns momentos buscando examinar os impactos dos diferentes modos / tipos de compensação série, paralela (shunt) numa ampla gama de freqüências, estas simplificações são mantidas, com prejuízo da precisão dos resultados, sem contudo invalidar os aspectos qualitativos do desempenho elétrico. 13

Transmissão em CA Segmentada 10 Velocidade de propagação: v 1 km 288902 LC s (0.963 c ) Comprimento elétrico (60 Hz): 3 rad graus XL BC 1.3049 10 (0.0747658 ) km km ângulo de transmissão SIL x (graus) x (km) 30 401.253 60 802.506 90 1203.76 120 1605.01 180 2407.52 Parâmetros de LTs em 500 kv - Comparação Característica LNC LC (Ref:Kundur pg 209) Z c 146.6 350 P c 1632 MW 1000 MW R 0.0126 /km 0.028 /km X L 0.1913 /km 0.325 /km line charging 2.2252 Mvar/km 1.30 Mvar /km 1.3049 10-3 rad/km 1.30 10-3 rad/km 14

Transmissão em CA Segmentada 11 4.4 Linhas de Transmissão Controladas em Tensão 4.4.1 Aplicação de Compensação Estática Versão atual dos sonhados voltage supported systems, nos quais as linhas de transmissão de grande comprimento seriam dotadas de SE intermediárias estações de chaveamento -, que possibilitariam a instalação de compensadores síncronos (CS), com o objetivo de suportar a tensão ao longo da linha, melhorando a estabilidade. Na implementação atual os compensadores síncronos são substituídos por reatores controlados (CER) ou compensadores estáticos (STATCOM). 15

Transmissão em CA controlada 12 barra #1 barra # 2.. CS #1 CS #2 Transmissão com suporte de tensão ( Ref: Crary, Venikov ) barra #1 barra # 2.. CER #1 CER #2 Transmissão com controle de tensão ( Ref: Gyugi, Edris, Hammad, Reichert ) 16

Transmissão em CA Segmentada 13 4.4.2 Efeito do Controle da Tensão na Estabilidade do Ponto de Equilíbrio Representação simplificada de transmissão com compensação shunt 17

Transmissão em CA Segmentada 14 4.4.3 Efeito do Controle da Tensão na Estabilidade do Ponto de Equilíbrio Relações Básicas P E E x 1 2 12 12 1 2 1 2 12 s e n x x x x x B 1 2 2 V (E1x 2) (E2x 1) 2E1E2x1x 2 cos x 18

Transmissão em CA Segmentada 15 4.4.4 Efeito do Controle da Tensão na Estabilidade do Ponto de Equilíbrio Expressão do Torque Sincronizante dp P P x12 d x 12 dp E E P x x K d x V x 2 1 2 1 2 cos 2 12 0 12 0 19

Transmissão em CA Segmentada 16 CURVA POTÊNCIA ÂNGULO Potencia transf MW 4000 Curva Potencia- Angulo 3000 2000 1000 50 100 150 200 d -1000-2000 -3000 20

ΔX 12 K 3 Transmissão em CA Segmentada 17 TRANSIENT STABILITY AS AFFECTED BY SVC CONTROL ΔP K 1 _ Δω Δδ ΔP m + 1/2Hs 377/s _ K 2 K 4 ΔX 12 ΔB ΔV + -X 1 X 2 GCER + outros + sinais 21

Transmissão em CA Segmentada 18 4.5 Conversores Configurados para Operação em Back to Back HVDC CSI Current Source Inverters CCC Capacitor Current Converter VSI Voltage Source Converter HVDC Light-ABB e HVDC Plus-Siemens 22

23 Transmissão em CA Segmentada 19

Transmissão em CA Segmentada 20 VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001) (Ref: Electra, April 2005) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -VSC advantages over LCC No commutation failures, can operate at very small SCR, and can energize passive and dead grid (blackstart capability); Non minimum DC current; Q can be controlled at both ends independently, and independent P control, within the rating of the equipament (cost of the ancillary services); Harmonic filtering at HF; Footprint considerably smaller (25%-40%) than that of the LCC HVDC; Can operate w/o intercom between VSC SEs 24

Transmissão em CA Segmentada 21 VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001) (Ref: Electra, April 2005) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -VSC disadvantages over LCC Higher power losses (2% over 0.8% in LCCs); Practical experiences with ovh lines: Needs SC detection schemes. -Conclusions of the Report The report did not identify any technical barriers to VSC at power levels. 25

Transmissão em CA Segmentada 22 Tipos de Conversores VSC (ref: ABB-www.abb.com/cables dez 2007) Dados de Estação Conversora B2B-VSC Potência 500 MW HVDC Light + / - 150 kv (Mod 6) Dimensões da SE incluindo transformadores e equipamento de refrigeração 50 x 120 metros 26 Custo: US$ 120 milhões por conversor (out 2007) (Válvulas conversoras %, transformadores 20%, proteçãoe controle 10%, obras civís e montagem 20%, outros equipamentos elétricos 20%)

Transmissão em CA Segmentada 23 Combinação de Estruturas de Transmissão Segmentadas e Linhas com Suporte de Tensão Linhas com Suporte de Tensão 0 1250 2250 km Estação Conversora HVDC VSC B2B P E V x 1 conversor 12 se n x x x x x B 12 1 2 1 2 CER conversor 27

Transmissão em CA Segmentada 24 5. Estudo de casos Aplicação do B2B-VSC na Interligação das Usinas do Rio Madeira Aplicação do B2B-VSC na Interligação Norte/Sul 28

Transmissão em CA Segmentada 25 Integração do Complexo do Madeira Rio Branco S.Antônio Jirau Rio Madeira 320 km Samuel CE Ariquemes 300 km Jiparaná Pimenta Bueno Vilhena 1ª Fase: Escoamento de 3200 MW da AHE S.Antonio 2CAB2B Coxipó 500 kv 3150 MW - 2450 km FUTURO CE 320 km CE 335 km Jauru 360 km Coxipó Cuiabá Ribeirãozinho B2B 2655 MW 242 km Intermediária 202 km Itumbiara 29 Araraquara 500 kv 3 x 1200 250 km Sudeste Atibaia 1 X 900 1 X 1200 350 km N. Iguaçu 3 x 600

Transmissão em CA Segmentada 26 Integração do Complexo do Madeira De forma a retratar os casos mais severos e a funcionalidade do equipamento B2B-VSC, são mostrados os seguintes testes: Teste de desempenho dinâmico frente a aplicação de falta severa; Teste do desempenho dinâmico frente a uma rejeição total de carga. 30

Transmissão em CA Segmentada 27 Integração do Complexo do Madeira 1300 1200 1150 1230 200 1300 1200 1150 1230 1,030 1,040-265 1,066 1,075 1,066-352 -269 1,040 Capacidade de 1632 MVA em regime normal Capacidade de 2015 MVA em emergências Comprimento 31 total da linha 1275 km Tensões em p.u Fluxos em MW QCES em MVar

Transmissão em CA Segmentada 28 Integração do Complexo do Madeira Teste de desempenho dinâmico frente a aplicação de falta severa eliminada com perda de transmissão, e conseqüente sobrecarga da LT que permanece em operação Descrição dos eventos: 32

Transmissão em CA Segmentada 29 Integração do Complexo do Madeira Alteração da ordem de potência no B2B-VSC Redução de 850 MW Limite de regime normal Carregamentos nas LTs Jiparaná-Vilhena 33

Transmissão em CA Segmentada 30 Integração do Complexo do Madeira Sem chaveamento de reatores Com chaveamento de reator 300 MVar 34

Transmissão em CA Segmentada 31 Integração do Complexo do Madeira Comportamento da Frequência Potência reativa no B2B-VSC 35

Transmissão em CA Segmentada 32 Integração do Complexo do Madeira Teste do desempenho dinâmico frente a uma rejeição total de carga redução do despacho de potência do conversor em serviço Descrição dos eventos: 36 36

Transmissão em CA Segmentada 33 Integração do Complexo do Madeira Bloqueio do B2B-VSC Tensão na SE 500 kvjauru Abertura das LTs Jauru-Coxipó Comportamento da Frequência 37

Transmissão em CA Segmentada 34 Impactos na CEMAT Integração do Complexo do Madeira Os impactos de potência nas máquinas ligadas ao sistema da CEMAT por efeito da brusca diminuição de potência na ligação B2B são elevados Considerando a existência de proteção contra sobreacelerações nas referidas máquinas (à semelhança do que ocorre no caso de turbinas a gás), elas são desligadas/ cortadas. 38

Transmissão em CA Segmentada 35 Custos Duas LTs em 500 kv, com 1.275 km cada uma, entre Santo Antônio Coxipó, cabo Rail 6x954 MCM R$ 1.861.500.000,00 SEs 500 kv Custo Estimado (R$) S.Antonio 141.400.000,00 JiParaná 335.860.000,00 Os custos totais por subestação indicados a seguir, incluem a compensação estática de ±700 MVars por subestação (US$ 78 por kva) e a interligação com a CEMAT (44,14 milhões de dólares). Vilhena 335.860.000,00 Jaurú 351.000.000,00 Coxipó 141.400.000,00 Total 1.305.520.000,00 Custo dos conversores B2B-VSC (6 x 500 MW) R$ 1.296.000.000,00 HVDC Light + / - 150 kv (outubro de 2007) Chega-se assim um custo total de R$ 4.463.020.000,00 para a integração da geração de S.Antônio desde Porto Velho até Coxipó. 39

Transmissão em CA Segmentada 36 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO N GER IPU RSE FNS (MW) FNS NE 5600 5400 1600 Itaipu RSE SE/CO Atualmente composta por dois circuitos de 500 kv S Devido a interatividade entre os sistemas, o FNS deve ficar limitado a 1600 MW, para contingências no tronco 40 de 765 kv. A região Norte exporta seus excedentes energéticos para as regiões SE/CO e NE 40

Transmissão em CA Segmentada 37 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO Caso sem Segmentação - intercâmbio limitado a 1600 MW Contingência de LTs de 765 kv, com corte de 4 máquinas em Itaipu e atuação da PPS A atuação da PPS procede a abertura da interligação entre os sistemas Norte e Sudeste separando-os em ilhas 41

Transmissão em CA Segmentada 38 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO Caso sem Segmentação - intercâmbio limitado a 1600 MW A atuação da PPS, garante a continuidade do atendimento livrando o sistema do colapso, porém a transferência de potência fica reduzida. 42

Transmissão em CA Segmentada 39 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO GER IPU RSE FNS RSE FNS N NE (MW) 5600 5400 3000 Itaipu SE/CO S Caso com segmentação da interligação, possibilitando o aumento do limite FNS até o valor de carregamento máximo dos circuitos (3000 MW) com um acréscimo de 1400 MW, mantidos inalterados os valores de GER IPU e FNS 43

Transmissão em CA Segmentada 40 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO 1500 MW A segmentação da NS permite operar com intercâmbios maiores entre as regiões Norte e Sudeste, sem que ocorra a separação dos sistemas quando de contingências no 765 kv de Itaipu Fluxo que sai da subestação B2B-VSC de Miracema 500 kv => 3000MW 44

Transmissão em CA Segmentada 41 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO (com intercâmbio NS de 3000 MW) Regionalização parcial do distúrbio (restou a SENE) 45

Transmissãoem CA Segmentada 42 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO (com intercâmbio NS de 3000 MW) Demanda de potência reativa Tensões nas barras Subsistema SE B2B-VSC controlando as tensões nas barras terminais 46

Transmissão em CA Segmentada 43 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO (com intercâmbio NS de 3000 MW) A segmentação da NS traz um aumento significativo (de 1400 MW) no limite de intercâmbio 47

Transmissão em CA Segmentada 44 Segmentação da Interligação Norte-SE/CO (com intercâmbio NS de 3000 MW) CUSTOS Conversores B2B-VSC (6 x 500 MW) = R$ 1.296.000.000,00 Adaptação da subestação de Miracema 500 kv = R$ 50.000.000,00 Total ~ 1,35 bilhões de reais. Ao levar em conta que o custo médio de operação das usinas térmicas a óleo é da ordem de R$ 500,00/MWh, a operação de cerca de 1.000 MW na base representa um dispêndio com combustível da ordem de R$ 360 milhões/mês. Com a segmentação da NS são ampliados os limites de transmissão possibilitando deslocar esta geração em todos os períodos de carga, anulando os dispêndios correspondentes (24 x 30 x 1000 x 500 = 360 milhões ). Os custos de instalação do B2B-VSC seriam plenamente ressarcidos com o custo evitado de geração de 1000 MW com as usinas térmicas em apenas 4 meses, 48

Transmissão em CA Segmentada 45 FIM V 21.07.2008 49

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