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Edição 116 – Setembro de 2015
Por Alcebíades Bessa, Lucas Encarnação e Paulo Menegaz*
Análise da aplicação do dispositivo SVC na subestação Viana II – 500 kV.
O sistema elétrico de transmissão brasileiro é composto, em sua maioria, por linhas de tensão na faixa de 230 kV a 750 kV. O controle destes níveis de tensão dentro da faixa de valores determinados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), muitas vezes, ocorre por meio de dispositivos eletromecânicos, dentre eles autotrafos, banco de capacitores e compensadores síncronos.
A partir do desenvolvimento da eletrônica de potência, surgiu um novo conceito de dispositivos que permitem o controle do fluxo de potência, bem como do perfil de tensão nas linhas de transmissão, tornando sua operação mais flexível e confiável. Estes dispositivos, comumente conhecidos como FACTS (Flexible AC Transmission Systems), têm sido pesquisados a fim de atender a dois principais objetivos:
– Aumentar a capacidade de transmissão de potência das redes;
– Controlar diretamente o fluxo de potência em rotas específicas de transmissão.
Dentre os dispositivos FACTS normalmente utilizados, o SVC (Static Var Compensator) é um compensador utilizado em aplicações que envolvam o controle de fator de potência, a regulação de tensão, o aumento da capacidade de transmissão e da estabilidade de sistemas de transmissão.
O SVC é constituído por reatores e capacitores chaveados por tiristores, capaz de injetar ou absorver reativos da rede. Estes dispositivos, por usarem o chaveamento dos circuitos por meio de semicondutores no lugar das chaves eletromecânicas, elevam a confiabilidade do sistema, com diminuição da interrupção para manutenção de componentes que desgastam com o uso.
A confiabilidade do sistema elétrico, com o passar dos anos, tornou-se um ponto–chave para o sistema. Este fator destacou-se com a desregulamentação do setor elétrico brasileiro, ocorrida na década de 1990. Neste cenário, a relação entre produtores e consumidores de energia elétrica passou por uma mudança substancial, tendo em vista que os consumidores passaram a comprar energia livremente de qualquer agente gerador. Dessa forma, foi garantida uma maior competitividade entre os agentes do mercado de energia elétrica. Em contrapartida, o sistema de transmissão teve de se adequar a novos padrões de carregamento e a novas exigências de controle e operação.
Com isso, a necessidade de investimento dos agentes transmissores em novas tecnologias que aumentem a confiabilidade do sistema e ao mesmo tempo seja competitivo dentro deste novo cenário fomentam cada vez mais a aplicação destes dispositivos FACTS.
Sistema elétrico de potência ES/MG
O estado do Espírito Santo é atendido em sua totalidade por duas companhias de distribuição de energia: a EDP ESCELSA e a Empresa de Luz e Força Santa Maria S.A., que, além de realizar a distribuição de energia para os consumidores, também administra pequenas usinas geradoras do tipo PCH em sua maioria. Além destas pequenas usinas hídricas, ao longo dos últimos anos, o estado recebeu algumas usinas termelétricas para suprimento da demanda em condições específicas de baixo nível dos reservatórios ou condições de pico do sistema.
A geração de energia no estado é responsável por menos de 20% da energia total consumida, demonstrando sua forte dependência da energia produzida em outras regiões do país. Conforme mostrado na Figura 1, atualmente, o Espírito Santo é interligado ao Sistema Interligado Nacional (SIN) por meio das seguintes linhas de transmissão:
– Mesquita/Viana II, com tensão de 500 kV, pertencente a MGE Transmissão, consórcio formado por FURNAS (49%), J. Malucelli Construtora (20%) e Engevix Engenharia S.A (31%);
– Campos/Vitória e Ouro Preto II/Vitória, ambas de 345 kV, pertencentes a Furnas;
– Aimorés/Mascarenhas e Mascarenhas/Verona sob responsabilidade, respectivamente, da Evrecy e ETS, ambas com tensão de 230 kV.
Figura 1 – Ligação do sistema elétrico do ES ao SIN.
A linha de transmissão Mesquita/Viana II entrou em operação no segundo semestre de 2014 e terá o objetivo de aumentar a estabilidade e a confiabilidade do sistema elétrico capixaba, além de aumentar a flexibilidade no despacho de energia no estado. Além destes fatos, poder-se-ia dizer que outro fator de grande importância diante da construção desta linha é a expectativa de crescimento nos investimentos em geração térmica no Espírito Santo que poderão utilizar esta linha como meio de conexão ao SIN.
Levantamento dos dados da área do sistema em estudo
Inicialmente, foram obtidos junto ao ONS os parâmetros elétricos da malha de todo o sistema elétrico nacional, nos cenários de carga previstos para 2015. A partir destes dados, utilizou-se o programa Anarede para isolar apenas a área de interesse de estudo deste trabalho, compreendida entre as subestações de Mesquita e Viana II. Dessa forma, o programa foi utilizado para obter os dados do equivalente externo do sistema nas fronteiras de interesse deste estudo, conforme apresentado na Figura 2.
As impedâncias do sistema mostradas na Figura 2 estão representadas em p.u. no Quadro 1, sendo calculadas considerando a base de 100 MVA.
As linhas LA1, LA2, LA3, LA4, LA5 e LA6 são linhas auxiliares geradas durante a obtenção do equivalente externo nas fronteiras do sistema. Elas representam a contribuição da interligação da área em estudo com o SIN por meio de outras linhas de transmissão não representadas no diagrama. As impedâncias Z1 a Z18 representam as impedâncias equivalentes do sistema elétrico na região de fronteira e dos transformadores. As demais impedâncias LTs representam as impedâncias das linhas de transmissão.
Quadro 1 – Impedâncias em p.u. do sistema da área em estudo
2 < span style=”color: black;”>– Sistema elétrico equivalente da área em estudo.
A Figura 3 apresenta, em forma de diagrama de blocos, a representação do sistema equivalente da área em estudo, sendo este modelado e simulado pelo programa PSCAD/EMTDC.
Figura 3 – Sistema modelado no PSCAD/EMTDC.
Para modelagem do sistema foi definido por meio do Mapa do Sistema Elétrico de Transmissão (ONS, 2014) e do Submódulo 23.3 – Diretrizes e critérios para estudos elétricos (ONS, 2010), presente nos Procedimentos de Rede do ONS, o número de barras necessárias. Segundo este submódulo, entre a barra focalizada no estudo e a barra de fronteira, cuja representação é realizada por meio do equivalente do sistema naquele ponto, deve existir pelo menos duas outras barras.
Além da modelagem do sistema a partir dos dados elétricos, também foram modelados os dados de montagem das torres, conforme as características apresentadas nas Figuras 4 e 5 detalhadas nos Quadros 2 e 3.
Figura 4 – Silhueta típica das linhas de transmissão com tensão 500 kV.
Figura 5 – Silhueta típica das linhas de transmissão com tensão 345 kV.
Quadro 2 – Dimensões das torres de transmissão (metro)
Quadro 3 – Cabos das torres de transmissão
A seguir, é apresentada a descrição de cada bloco do diagrama mostrado nas Figuras 2 e 3:
– Sistema A – Equivalente elétrico da subestação Viana, sendo esta uma região de fronteira com equivalentes externos modelando a interligação desta às subestações de Campos-345 kV e Vitória-345 kV, além da UTE Viana e circuitos ligados ao barramento de 138 kV;
– Sistema B – Equivalente elétrico da subestação Neves I, sendo esta uma região de fronteira com equivalentes externos modelando a interligação desta às subestações de Bom Despacho III-500 kV, Barreiro I-345kV e Sete Lagoas IV-345kV, além de diversas Usinas Hidrelétricas e Termelétricas, dentre elas UHE Três Marias, UHE Igarapé, UTE Aureliano Chaves, outras e circuitos ligados ao barramento de 138kV;
– Sistema C – Equivalente elétrico da subestação Vespasiano II, sendo esta uma região de fronteira com equivalentes externos modelando a interligação desta à subestação e a circuitos de saída no barramento de 138 kV;
– Sistema D – Equivalente elétrico da interligação da subestação Mesquita 230 kV às linhas Mesquita/Usiminas 230 kV, Mesquita/Ipatinga 230 kV, Mesquita/Timoteo II, Mesquita/Governador Valadares 230 kV e Mesquita/Baguari 230 kV;
– Subestação Mesquita – Bloco que apresenta os equipamentos da subestação de Mesquita, dentre eles, transformadores, banco de capacitores e compensador síncrono;
– Subestação Viana II – Bloco que apresenta os equipamentos da subestação de Viana II, composta basicamente pelo transformador de 900 MVA – 500/345 kV;
– LT Mesquita-Viana II – Bloco que representa a linha de transmissão Mesquita/Viana II – 500 kV – simples;
– LT Viana-Viana II C1 – Bloco que representa a linha de transmissão Viana/Viana II – 345 kV no circuito 1 – duplo;
– LT Viana-Viana II C2 – Bloco que representa a linha de transmissão Viana/Viana II – 345 kV no circuito 2 – duplo;
– LT Vespasiano II-Neves I – Bloco que representa a linha de transmissão Vespasiano II/Neves I – 500 kV – simples;
– LT Vespasiano II-Mesquita – Bloco que representa a linha de transmissão Vespasiano II/Mesquita – 500 kV – simples;
– LT Neves I-Mesquita – Bloco que representa a linha de transmissão Neves I/Mesquita – 500 kV – simples;
– LA 1, LA 2, LA 3, LA 4, LA 5 e LA 6 – Blocos que representam as linhas auxiliares de interligação da área de estudo ao SIN por outras linhas de transmissão.
Sendo o objetivo do trabalho estudar a regulação de tensão da barra de 500 kV da subestação Viana II devido à entrada em operação da nova linha Mesquita-Viana II, apresentaremos a seguir o modelo de simulação implementado no PSCAD. Dessa forma, na próxima seção, será realizada a validação deste modelo, utilizando como base dados de operação obtidos junto ao ONS.
Modelo de simulação da subestação Viana II
A Figura 6 e a 7 apresentam, respectivamente, o modelo implementado no PSCAD/EMTDC para simular a subestação de Viana II – 500 kV e a imagem real da subestação modelada. No modelo apresentado, pode ser observado um transformador de três enrolamentos e o reator de linha shunt na barra de 500 kV.
Figura 6 – Modelo de simulação da subestação Viana II sem o SVC.
7 – Vista aérea da subestação Viana II.
Validação do sistema simulado
Para fins de comparação e de validaç&ati
lde;o dos modelos de simulação propostos, foram utilizados os valores apresentados nos “casos de referência utilizados para estudos elétricos de fluxo de potência dentro do horizonte do Plano de Ampliações e Reformas da rede básica PAR para os anos de 2014 a 2016”, disponibilizados no site do ONS.
A partir destes dados, o comportamento da área em estudo foi simulado por meio do modelo proposto usando a plataforma do PSCAD/EMTDC, sendo considerado o cenário de junho de 2015 com cargas leve, média e pesada. Os resultados de simulação obtidos foram então comparados com os valores disponibilizados pelo ONS, a fim de validar o modelo de simulação proposto. A Tabela 1 apresenta a comparação destes valores apenas na situação de carga pesada e a Tabela 2 apresenta os erros percentuais dos valores simulados, tomando como base os valores fornecidos pelo ONS.
Tabela1 – Comparação da tensão e dos fluxos de potência obtidos para a barra Viana II – 500 kV no cenário de carga pesada
Tabela 2 – Erros percentuais entre valores simulados e valores fornecidos pelo ONS na barra Viana II-500 kV para cenário de carga pesada
Observando a Tabela 2, pode-se verificar que os erros percentuais dos valores simulados são pequenos, com exceção do fluxo reativo na linha de transmissão Mesquita/Viana II. Porém, em valor absoluto, tal erro é pequeno diante dos fluxos de potência da linha de transmissão. Tal situação acontece para que, na modelagem do sistema, obtenham-se os valores de tensão de barra próximos ao valor real fornecido pelo ONS. O mesmo acontece quando se comparam os valores obtidos por simulação nos cenários de carga média e carga pesada na barra Viana II – 500 kV e dos demais sistemas da área em estudo, validando o modelo de simulação desenvolvido no PSCAD/EMTDC.
Modelo do SVC
O compensador SVC do tipo TCR-TSC foi desenvolvido inicialmente com o objetivo de oferecer uma compensação dinâmica para sistemas de transmissão, diminuindo suas perdas em regime permanente e aumentando sua flexibilidade de operação. Para isto, o compensador terá uma faixa de variação de reativos que estarão dentro de uma faixa com potência injetada capacitiva (QC) até uma faixa de potência absorvida indutiva (QL).
A configuração básica do SVC do tipo TCR-TSC e a imagem real deste dispositivo típico são apresentadas respectivamente nas Figuras 8 e 9, compondo o sistema dessa maneira pelo TCR, TSC e o filtro de correntes harmônicas, geralmente de 5ª e 7ª ordem.
Figura 8 – Configuração geral do SVC.
Figura 9 – SVC caso real – Alstom Grid FACTS.
TCR – Tiristor controlando reator
O TCR é um dos componentes do dispositivo SVC, que também pode ser encontrado na compensação de reativos de maneira isolada. Na maioria dos projetos de compensador de reativos, o TCR é encontrado em paralelo com um banco de capacitores fixo ou com capacitores chaveados por tiristor.
O TCR é composto por um par de tiristores em antiparalelo, T1 e T2, ligado em série com um reator linear de núcleo a ar, conforme ilustrado na Figura 10. O ângulo de disparo de tiristor será medido a partir do momento que a tensão nos seus terminais Vs passa por zero.
Figura 10 – Configuração do TCR.
A faixa de controle do ângulo de disparo α dos tiristores está entre 90º e 180º. Para o ângulo α=90º, a corrente sobre o indutor será senoidal, enquanto para o ângulo α=180º, a corrente no indutor será nula. Para ângulos α com valores intermediários, a corrente no indutor será descontínua, variando com o valor de α. Operação com ângulo de disparo α abaixo de 90º introduzirá componentes de corrente contínua no sistema, causando distúrbio na atuação simétrica dos dois tiristores em antiparalelo e, portanto, deverá ser evitada. Outro ponto importante do controle da indutância com tiristores é que a chave formada por tiristores terá como características de seccionamento da condução de forma independente do ângulo de disparo, ou seja, não haverá este controle. A interrupção se dará no momento em que a corrente no ramo do tiristor passar por zero, conhecido como comutação de linha. Além disso, outra característica da comutação de linha é que após iniciada, em determinado momento, qualquer alteração de disparo só poderá ocorrer no próximo meio ciclo de onda. As equações 1, 2 e 3 apresentam o comportamento da corrente sobre o TCR.
TSC – Tiristor Chaveando Capacitor
O TSC monofásico é apresentado na Figura 11, sendo composto por um capacitor e uma chave bidirecional formada por dois tiristores em antiparalelo com um pequeno indutor limitador de corrente. Este limitador de corrente terá a função de limitar a corrente de pico sobre o tiristor em correntes anormais ocasionadas, por exemplo, pelo mau funcionamento dos tiristores e chaveamento em momento errado, evitando a ressonância entre dispositivos da rede para frequências múltiplas do sistema.
Figura 11 – Configuração do TSC.
A chave tiristorizada do TSC terá a função básica de conectar ou não o banco de capacitores ao sistema. Atuando desta forma como uma chave ON-OFF para o banco de capacitores, ao contrário do TCR na qual a chave irá controlar a indutância total do banco de indutores visto pelo sistema.
SVC modelado
O SVC adotado neste projeto foi instalado na barra de Viana II/500 kV (Figura 12) e será composto por 2 TCRs, 1 TSC e 1 filtro de harmônicas, conforme ilustrado na Figura 13.
Figura 12 – Subestação Viana II-500kV com SVC.
Figura 13 – Bloco SVC.
Para dimensionamento do SVC foram feitas simulações com perfil de carga leve, média e pesada, avaliando a inserção do SVC com valores variados. De acordo com a variação do valor dos bancos de capacitores do TSC e dos reatores do TCR, buscou-se manter o perfil de tensão do barramento da subestação de Viana II entre valores de 1,02 p.u. e 1,06 p.u.
Com base nestas simulações, os valores dimensionados para o SVC foram desenvolvidos conforme as Tabelas 3 e 4.
Tabela 3 – Parâmetros do SVC dimensionado
Tabela 4 – Faixa de operação SVC dimensionado
Controle do SVC
Para o controle do SVC desenvolvido, foi implementada uma malha do tipo PI na qual é medida a tensão do barramento e comparado com uma tensão de referência (PADIYAR, 2007), conforme mostra a Figura 14.
A saída desta malha de controle apresenta o valor de admitância do SVC necessário para manter a tensão do barramento no valor de referência.
Figura 14 – Malha de controle do SVC.
A partir do valor de Bsvs será avaliada a necessidade de inserção do TSC e calculado o ângulo de disparo α do TCR. Tal decisão é avaliada como:
– Bsvs indutivo – o TSC é retirado variando-se apenas o TCR, o valor do Bsvs será o somatório da admitância do TCR e o filtro de harmônicas;
– Bsvs capacitivo – mantem o TSC ativo variando o ângulo α, o valor do Bsvs será o somatório da admitância do TCR, TSC e filtro de harmônicas.
A malha de cálculo do ângulo α desenvolvida no PSCAD/EMTDC é apresentada na Figura 15.
Figura 15 – Malha de calculo do ângulo α.
Na Figura 15, o bloco F(x)→α terá a função de indicar o ângulo α a partir do valor do Btcr desejado. Para tanto é feita a linearização da função de transferência apresentada nas equações 1 a 3, conforme ilustrado na Figura 16.
Figura 16 – Curva de disparo Btcr versus α.
Resultados
Na simulação do sistema, foi considerado o tempo variando de 0 a 24 segundos para que haja um equivalente à variação da carga no tempo real de 0 a 24 horas ao longo do dia. Desta maneira, é possível visualizar a variação de carga em regime nos modos leve (00h às 07h), médio (07h às 18h e 21h às 24h) e pesado (18h às 21h). Além disso, foram feitas três simulações do sistema, sendo a primeira sem o SVC (gráfico vermelho), a segunda com o SVC ajustado para tensão do barramento Viana II em 1,02 pu (gráfico azul) e para 1,06 pu (gráfico verde).
As Figuras 17 e 18 ilustram, respectivamente, a resposta da carga ativa e reativa da linha de transmissão Mesquita/Viana II, com e sem a injeção de potência reativa do SVC. Ao longo do dia, a barra Viana II – 500 kV absorve potência ativa fornecida pela linha de transmissão e, dependendo
do período, fornece ou recebe reativos, por isso, na Figura 18 é apresentado o fluxo de reativos ora com valor positivo (SE Viana II absorvendo) ora negativo (SE Viana II fornecendo).
Figura 17 – Potência Ativa LT Mesquita-Viana II.
Figura 18 – Potência Reativa LT Mesquita-Viana II.
As Figuras 19 e 20 apresentam, respectivamente, as alterações dos valores do módulo e ângulo da tensão do barramento de Viana II ao longo do dia. Observa-se que a tensão no barramento de Viana II muda naturalmente numa faixa de 1,032 a 1,092 pu, sendo para classe de tensão de 500 kV os limites de tensão entre 1,0 e 1,1pu (ONS, 2010).
No entanto, a potência ativa na linha não sofre variação com a mudança de perfil de tensão na barra de Viana II, fato este associado à não alteração da abertura angular na barra para os três perfis de tensão. Todavia, é importante ressaltar que a mudança de perfil de tensão altera o fluxo de potência reativa na linha, tendo este fato influência direta na injeção de reativos do SVC no sistema.
Para o aumento da tensão na barra Viana II, com perfil de tensão fixa em 1,06 pu, ocorre a diminuição de injeção de potência reativa por meio da linha para a barra Viana II-500kV. Nesta situação, a injeção de energia reativa pelo SVC apresenta características capacitivas em certos instantes, conforme a Figura 18. De forma contrária para o ajuste de tensão em 1,02 pu, a tensão na barra deverá ser mantida abaixo de sua condição natural sem SVC, sendo desta forma demandada potência reativa por meio da linha e o SVC tende a manter características indutivas em todo a simulação.
Com o controle do SVC, pode ser observado na Figura 19, que a tensão do barramento é estabilizada nos valores predeterminados na malha de controle sem alteração da abertura angular, conforme mostra a Figura 20. No ajuste de tensão para 1,06 pu, nos instantes de tempo entre 0h e 7h e 17h e 20h, são observados no perfil de tensão alguns picos na ordem de 0,015 pu devido à retirada e à inserção dos capacitores do TSC 1 e TSC 2.
A resposta de controle do sistema SVC pode ser observada na Figura 21. Esta curva possui o formato idêntico ao apresentado pela injeção de reativos do SVC (Figura 22). Desta maneira, comprova-se que o dispositivo SVC desenvolvido está trabalhando da forma esperada, ou seja, tendo a injeção de reativos de acordo com a demanda solicitada pela malha de controle.
Figura 19 – Tensão barramento Viana II – 500 kV.
Figura 20 – Ângulo de fase barramento Viana II – 500 kV.
Figura 21 – Sinal de controle Bsvs.
Figura 22 – Potência reativa SVC.
A potência reativa disponibilizada pelo SVC será a soma do reativo de todos seus componentes, TCR, TSC 1, TSC 2 e filtros. Sendo assim, na situação de controle em 1,02 pu,
pode ser observado nas Figuras 24 e 25 que os TSCs 1 e 2 não são ativados, havendo apenas a injeção de reativos do filtro de harmônicas que se mantém praticamente constantes ao longo do tempo (Figura 26), com a variação do TCR conforme ilustrado na Figura 23. Esta situação ocorre, porque a malha de controle Bsvs tenta manter o SVC com características indutivas ao longo do dia, não necessitando dos TSCs.
A situação de controle de tensão em 1,06 pu exigirá a atuação dos TSCs 1 e 2 em certos momentos do dia. Na maior parte do dia, a tensão natural do sistema tende a ser superior a referência. Neste momento, ocorre o desligamento dos dois TSCs, conforme pode ser observado nas Figuras 24 e 25.
Figura 23 – Potência reativa TCR.
Figura 24 – Potência reativa TSC 1.
Figura 25 – Potência reativa TSC 2.
Figura 26 – Potência reativa filtro.
O fluxo de reativos do filtro, apresentado na Figura 26, mantém-se praticamente fixo ao longo de toda a simulação, com afundamentos entre os instantes 4 e 19 horas, que são os momentos de pequeno afundamento de tensão do barramento. Tal situação é esperada, tendo em vista que o filtro é um elemento passivo conectado em paralelo ao barramento.
Conclusões
Por meio deste trabalho foi simulado e validado o sistema que interliga o estado Espírito Santo ao de Minas Gerais pela linha Mesquita/Viana II 500 kV no software PSCAD/EMTDC. Além disso, foi elaborado o dispositivo SVC para controle de tensão na barra de Viana II.
A proposta deste foi alcançada de forma satisfatória, com a modelagem do sistema atendendo às expectativas embasadas nos valores disponibilizados pelo ONS. O SVC desenvolvido também apresentou o controle e o desempenho esperados, conforme expectativas teóricas, com o chaveamento do TCR e TSCs, ocorrendo de acordo com a demanda feita pela malha de controle em seu sinal Bsvs.
O problema de controle de perfil de tensão na barra de Viana II, objeto de estudo deste projeto, foi corrigido de forma satisfatória com a inserção do SVC projetado, sendo apresentadas neste artigo duas situações dentro da faixa de controle projetada.
Agradecimentos
Agradecemos as informações cedidas pela equipe do ONS e da Cemig necessárias para elaboração deste projeto.
Referências
*Alcebíades Rangel Bessa é engenheiro eletricista e mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Atualmente, é engenheiro eletricista da Eletrobras Furnas, atuando na manutenção eletromecânica de equipamentos e linhas de transmissão da Gerência de Produção Vitória.
Lucas Frizera Encarnação é engenheiro eletricista e doutor em Engenharia Elétrica. Atualmente, é professor adjunto da UFES e atua nas áreas de eletrônica de potência, qualidade de energia elétrica, filtragem ativa, compensadores estáticos e conversores multiníveis.
Paulo J. M. Menegáz é doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Atualmente, é professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica da UFES e atua nas áreas de transmissão de energia elétrica, fontes renováveis de energia, eletrônica de potência e conversores estáticos.
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