Compensadores em Derivação

Modelo do SVC
 
 

A Fig. 1 mostra o esquema básico de um compensador estático convencional. Até hoje, os modelos usados para o estudo do desempenho transitório destes sistemas são baseados no domínio do tempo (por exemplo, em programas tipo EMTP), ou, de uma forma muito simplificada, no domínio da freqüência. Em geral, os modelos baseados no domínio da freqüência são válidos numa faixa de, aproximadamente, 10 Hz. Esta faixa de freqüência é muito baixa para sistemas reais, principalmente se vários sistemas eletrônicos (outros compensadores ou outros dispositivos FACTS) estiverem próximos. Desta forma, o objetivo principal deste sub-projeto foi desenvolver um modelo analítico para o sistema da Fig. 1, incluindo os harmônicos e os efeitos do chaveamento dos tiristores. 0 modelo analítico não-linear foi obtido através de aplicações de técnicas por funções de chaveamento, como já feito para sistemas CCAT. A partir do modelo não-linear, foram obtidas várias funções de transferência linearizadas, para estudos de pequenas perturbações e não-lineares, para estudos dinâmicos. Os objetivos básicos para este período são referentes à utilização destas funções para o estudo e projeto dos sistemas de controle, assim como o estudo das ínterações dos vários equipamentos de controle utilizados em sistemas de potência.
 

Fig. 1: Compensador estático convencional e sua característica de operação

 Compensador Síncrono Estático (STATCOM)

O STATCOM é um equipamento de eletrônica de potência avançado que é utilizado na compensação de potência reativa. Tem como função prover suporte de tensão em áreas críticas do sistema de potência. 0 predecessor do compensador síncrono estático,ou seja, o compensador síncrono rotativo, foi muito usado no passado para a compensação shunt de reativos. O compensador rotativo apresenta várias características funcionais desejáveis, tais como: a capacidade de injetar elevadas correntes capacitivas durante períodos transitórios de subtensão e o fato de possuir uma impedância interna indutiva, cujos valores típicos não causam ressonância com a rede de transmissão. Contudo, o compensador rotativo possui uma série de desvantagens, tais como: (1) um tempo de resposta lento, (2) instabilidade rotacional, (3) baixa impedância de curto circuito e (4) necessita de manutenções freqüentes. Além do mais, ele não atende aos requisitos modernos de flexibilidade no controle em tempo real de fluxo de potência, dentro dos novos conceitos de sistemas FACTS.. 

O STATCOM é o equivalente eletrônico do compensador síncrono ídeal.  Sua principal função é injetar corrente reativa no sistema de potência de forma controlada. Para fazer isso, é necessário que o STATCOM trabalhe como uma fonte de tensão controlada. A Fig. 2 mostra a configuração básica do STATCOM.
 
 

Fig. 2: Configuração básica do STATCOM

 Alguns STATCOMs já se encontram em operação nos EUA e Japão. Certamente será encontrado campo para sua aplicação no sistema elétrico brasileiro. Um dos propósitos desta linha de pesquisa é formar recursos humanos, aprimorando os conhecimentos dos engenheiros e pesquisadores engajados nas empresas brasileiras de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Serão desenvolvidos modelos e técnicas de controle de STATCOM, incluindo a montagem de um protótipo de laboratório.
 

Compensadores Série

Compensador série avançado (SSSC)

A Fig. 3 mostra o diagrama de blocos do compensador série do tipo "Static Series; Synchrnous Condenser - SSSC", em estudo na COPPE/UFRJ.  Vários resultados importantes já foram obtidos, publicados e / ou submetidos à publicação. Neste período, foram desenvolvdas novas técnicas de controle e conclusão de um sistema experimental para validação dos resultados simulados. No  próximo período, pretende-se estudar melhor as topologias de conversores que permitam um melhor controle do fluxo de potência e, ao mesmo tempo, que facilitem a síntese dos conversores. Estas topologias devem tomar por base o chaveamento em baixa freqüência para evitar as perdas devidas ao chaveamento.
 
 

Fig. 3: Compensador série tipo "SSSC"

 

Modelo de TCSC por Função de Chaveamento
 

A Fig. 4 mostra o circuito básico de um Capacitor Série Controlado por Tiristor (TCSC) que, na realidade, não é nada mais do que um compensador estático convencional (SVC) conectado em série com a linha de transmissão..
 

Fig. 4: TCSC – "Thyristor controlled series capacitor"

 

Neste sub-projeto, foram feitas as devidas adaptações nos modelos por função de chaveamento obtidos para o compensador estático (SVC), e, assim, derivadas as funções de transferência. Agora, pretende-se utilizar estas funções de transferência para realizar os estudos relativos aos sistemas de controle, incluindo o seu projeto, o estudo de estabilidade, o amortecimento de ressonâncias subsíncronas e ressonâncias devido às interações de controladores de outros TCSC's, os compensadores estáticos ou outro equipamento FACTS.

Capacitor Série Continuamente Controlado (GCSC)

Até hoje, os compensadores estáticos baseados em tiristores operam controlando a corrente em reatores. Na tecnologia baseada em tiristores, não existe uma forma de se controlar capacítores mas sim de chaveá-los. Porém, com o GTO, é possível construir-se um circuito exatamente dual ao reator controlado por tiristores, que é o capacitor controlado por GTO. Neste circuito, os GTO's operam em paralelo com os capacitores e este conjunto pode ser utilizado em série com uma linha transmissão controlando o fluxo de potência de forma continuamente variável. A Fig. 5 mostra o circuito básico do capacitor série continuamente controlado (GCSC). Este circuito é extremamente promissor, uma vez que é muito mais simples que os atuais TCSC e poderá apresentar desempenho semelhante ou melhor, sem apresentar nenhuma faixa de operação onde possa ocorrer ressonância, como no caso do TCSC. Esta é, na realidade, mais uma importante opção para o dispositivo de compensação de linha de transmissão a ser acrescentada na lista analisada.
 

Fig. 5: Capacitor série continuamente controlado

 

O objetivo básico deste sub-projeto foi o de estudar o funcionamento do circuito da Fig. 5, e analisar outras combinações similares que minimizem os harmônicos gerados, assim como estudar a conexão série de GTOs para operação em alta tensão. A ímplementação da conexão série de GTO no GCSC mostrou-se  muito simples devido ao fato deste operar com chaveamento à tensão nula.
 

Compensadores Série e Shunt Combinados

Modelos de UPFCs ("Unified Power Flow Controller")

0 UPFC (“Unified Power Flow Controller”) foi originalmente proposto por L. Gyugyi, em 1992. 0 UPFC é constituído, basicamente, do agrupamento do STATCOM com o SSSQ, apresentados, anteriormente, num único equipamento. Ou seja, é formado por dois conversores ligados "back-to-back", pelo lado CC, sendo que um deles é ligado em série com a linha de transmissão e o outro, em derivação, pelo lado CA, conforme mostra a Fig. 6.

O UPFC é um compensador universal, capaz de controlar simultaneamente o fluxo de potência que passa por uma linha de transmissão, e a tensão CA de uma barra controlada. Ele tem resposta muito rápida e não existe nenhum substituto, convencional ou de eletrônica de potência, que possa realizar todas suas funções de compensação, com o mesmo desempenho. Ou seja, o UPFC é um equipamento revolucionário, capaz de realizar funções de compensação, dentro da nova concepção de sistemas FACTS, que oferece alternativas para o controle de sistemas de potência até então impossíveis com o uso de equipamentos tradicionais.

O circuito de controle do UPFC pode ser alterado, com base na nova teoria de potência ativa e reativa instantânea que impulsionou o desenvolvimento dos filtros ativos. Mostrou-se, com sucesso, que esta teoria pssibilita a incorporação de novas funções de compensação harmônica, sem prejuízo daquelas originalmente propostas por L. Gyugyi. Outras funções de compensações vêm sendo estudadas pelo grupo de eletrônica de potência da COPPE/UFRJ. O objetivo básico para este período é o estudo comparativo das diversas alternativas, apontando quais são adequadas e economicamente viáveis para os diversos casos de aplicações em sistemas de potência.
 

Fig. 6: Configuração básica e funções de compensação de um UPFC

 

Sistemas de Transmissão em Corrente Contínua (CCAT)

Sistemas CCAT — Conexão Unitária

O Prof. Alquindar de Souza Pedroso colaborou neste trabalho
 

A conexão unitária de gerador síncrono e conversores de corrente contínua é uma importante possibilidade de geração e transmissão de energia da região Amazônica. Nestes sistemas, os geradores são diretamente conectados às pontes retificadoras apenas através de transformadores. Filtros de harmônicos, assim como um barramento ca comum, não existem e, com isto, os custos do projeto são muito menores do que em sistemas CCAT convencionais. No entanto, o funcionamento das pontes conversoras fica muito prejudicado pelo fato das tensões ficarem mais distorcidas. O objetivo básico foi a análise de funcionamento global do sistema. Em especial, foram analisadas as formas de ondas e modos de operação dos conversores de 12 pulsos. Foi mostrado que a tensão subtransitória da máquina é basicamente senoidal para os hidro-geradores convencionais. Pretende- se, agora, estudar os vários modos de operação do sistema, quando em condições de alta corrente (até o curto-circuito). A operação destes sistemas com o uso de diodos no lugar de tiristores também deve ser analisada.

Sistemas CCAT com conversores de comutação forçada

Uma alternativa para a transmissão em corrente continua é oferecida pelos conversores com comutação forçada, montados a partir de dispositivos sernicondutores, com capacidade de corte de corrente. A grande vantagem destes conversores é a possibilidade de controle independente da potência ativa e reativa em ambas estações conversoras (retificadora e inversora). Porém, existem barreiras tecnológicas que limitam a potência dos dispositivos semicondutores auto comutados. Embora já exista um fabricante divulgando a possibilidade de se transmitir uma potência em torno de 100 MW através de elos CC de tensão e conversores PWM, para atender aos altos níveis de potência envolvida na transmissão em corrente contínua evita-se, ainda, o emprego de conversores PM.  Enfim, procura-se empregar conversores  multipulsos ou multiníveis.
 Dois tipos de conversores com comutação forçada podem ser utilizados em sistemas  CCAT: um conversor que é alimentado por tensão (elo CC com características de fonte de tensão), e outro alimentado por corrente (elo CC com características de fonte de corrente).
 Futuramente, pretende-se iniciar as investigações nessa área, acompanhando atentamente as evoluções apresentadas pelos fabricantes.. 

Alimentação de pequenas cargas a partir de sistemas CCAT

Tradicionalmente, os sistemas CCAT se caracterizam pela transmissão ponto a ponto e pela dificuldade em drenar-se baixas potências (1% a 10% da potência nominal do elo CC), de forma economicamente viável, uma vez que é impossível o emprego direto de transformadores nas linhas de transmissão de corrente contínua. O dreno de potência do elo CC deve ser realizado através de conversores de potência, transformando CC para CA. O "Tap HVDC" drena potência do elo CC de corrente principal, e alimenta o capacítor do elo CC de tensão secundário que, por sua vez, entrega potência para a pequena carga CA, através de um circuito igual ao do STATCOM devidamente modificado para controle de potência ativa.

Bons resultados de simulação vem sendo obtidos do sistema acima e espera-se publicar, num tempo curto, os primeiros resultados.
 

Filtros Ativos de Potência

Os filtros passivos para aplicações em altas potências (por exemplo, sistemas CCAT) são a solução natural para a eliminação de harmônicos. No entanto, estes filtros apresentam alguns problemas fundamentais como, por exemplo, a sua natureza intrínseca de eliminar harmônicos gerados pelas cargas para as quais foram projetados, juntamente com harmônicos de outras cargas. Isto, em geral, dificulta muito o projeto destes filtros. Além disto, eles são sintonizados para algumas freqüências e, caso haja variação na freqüência da rede ou dos harmônicos, estes filtros apresentam um desempenho ruim. Os filtros ativos mistos têm o objetivo de eliminar estes problemas.
 
 

Fig. 8: Sistema CCAT com derivação para alimentação de pequenas cargas

Nestes filtros, uma parte passiva é associada em série à uma parte ativa, com a intenção de unir as vantagens dos filtros ativos convencionais às altas potências dos filtros passivos. Dentro deste sub-projeto, foram desenvolvidas técnicas de projeto da parte ativa do filtro, levando-se em consideração as impedâncias da rede CA e sua variações. Foram iniciados estudos para o desenvolvimento de modelos matemáticos no domínio da freqüência para a análise de estabilidade destes filtros e sua interação com o sistema CA. Neste período, pretende-se dar um melhor formalismo aos modelos obtidos e desenvolver estudos de estabilidade de sistemas onde filtros ativos estão presentes.

Dentro deste sub-projeto, também foram estudados filtros ativos, tipo "shunt/série", para eliminação de harmônicos de corrente na entrada de retificadores, e harmônicos de tensão na saída destes.