alta tensão em corrente contínua (hvdc) · circuito cc equivalente diferenciação dos...
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Alta Tensão em Corrente
Contínua (HVDC)
Componentes: Danilo Barreto
Igor Alves
Luiz Carlos
Rafael Saback
Salvador, 2012
Sumário
Histório do HVDC
Principais esquemas HVDC
Conversores utilizados
Principais Componentes
Aplicações reais
Histórico
Por que HVDC?
◦ A transmissão e distribuição se iniciou com HVDC
◦ Surgimento da transmissão e distribuição CA-vantagens sobre a tecnologia CC
◦ Transmissão CA – Limitações
Elementos indutivos e capacitivos
Limitação na transmissão e comprimento
Conexão entre sistemas CA de frequências diferentes impossível
Conexão entre dois sistemas de frequências iguais também não possível em alguns casos
Histórico
Conversores Fonte de Corrente
Comutados em Linha
◦ Formado por tiristores
◦ Capaz de conduzir altas correntes
◦ Ângulo de disparo – controle do nível de
tensão DC (controle da potência fornecida)
◦ Operado na frequência da rede (50 ou 60Hz)
Histórico
Conversores Fonte de Corrente Auto Comutados (alta frequência)
◦ Requerem semicondutores com capacidade de desligamento
◦ O desenvolvimento do IGBT permitiu a sua aplicação em larga escala
◦ Principais características:
Baixas perdas
Desenho compacto
Operado na frequência de chaveamento (Modulação PWM)
Histórico
Vantagens técnicas da HVDC
◦ Transmissão de potência entre duas linhas CA
de frequências diferentes
◦ Não sofre efeito pelicular (a seção do
contudor é totalmente utilizada para
condução)
◦ Para linhas ou cabos longos (acima de 40km)
a transmissão HVDC oferece a única solução
possível (alto mar, grandes cidades)
Histórico
Questões ambientais
◦ Tamanho menor se comparado a uma rede
CA
Histórico
Questões ambientais
◦ Ruído audível
◦ Impacto visual
◦ Compatibilidade eletromagnética
◦ Uso do caminho de retorno pela terra ou
mar em operação monopolar
Em geral, é um sistema que não
compromete as questões ambientais
Histórico
Questão Financeira
Principais esquemas HVDC
Circuito CC equivalente
◦ Diferenciação dos conversores HVDC
Circuito monopolar
Principais esquemas HVDC
Circuito equivalente monopolar
◦ Corrente controlada pela diferença entre as
tensões controladas
◦ Direção da corrente fixa
◦ Fluxo de potência controlado pela polaridade
da tensão
Principais esquemas HVDC
Conversor “back-to-back” ◦ “Back-to-back”: retificador e inversor na
mesma estação
◦ Usados principalmente para transmissão de
potência entre redes CA de frequências
diferentes
Principais esquemas HVDC
Transmissões monopolares a grandes
distâncias
◦ Caminho de retorno com eletrodos
Principais esquemas HVDC
Transmissões monopolares a grandes
distâncias
◦ Caminho com retorno metálico usado em
situações de restrições ambientais
Principais esquemas HVDC
Transmissões bipolares a grandes
distâncias
◦ Usada quando a capacidade de transmissão
excede a de um polo
◦ Divisão da capacidade em dois polos por:
Maior disponibilidade de energia
Potência de rejeição de carga menor
◦ Durante a manutenção de um polo, ainda há
transmissão de potência
Principais esquemas HVDC
Bipolo com Caminho de Retorno pela Terra
◦ Solução mais usada
◦ Elevado grau de flexibilidade durante faltas ou
manutenção
Principais esquemas HVDC
Bipolo com Caminho de Retorno pela
Terra
◦ Caso de falta em um polo
Principais esquemas HVDC
Bipolo com Caminho de Retorno pela
Terra
◦ Interrupção de um polo causada pelo
conversor
Principais esquemas HVDC
Bipolo com Caminho de Retorno
Metálico para Operação Monopolar
◦ Solução para distâncias curtas
◦ Restrições para o uso temporário de eletrodos
Principais esquemas HVDC
Bipolo sem Caminho de Retorno
Metálico para Operação Monopolar
◦ Oferece menor custo inicial
Principais esquemas HVDC
Bipolo sem Caminho de Retorno
Metálico para Operação Monopolar
◦ Operação monopolar possível através de chaves
bypass durante interrupção do polo do
conversor
◦ A chave não opera no caso de uma interrupção
no condutor HVDC
Teoria de Conversores
Função Circuito Fonte (válvulas)
◦ Tensão entre anodo e catodo positiva
Condução de corrente
Depende do pulso de disparo
◦ Tensão entre anodo e catodo negativa
O pulso de disparo não tem efeito
O fluxo de corrente é interrompido quando a
tensão torna-se negativa
◦ Válvula: Retificador Controlado de Seis
Pulsos
Teoria de Conversores
Função circuito fonte
◦ Alteração do valor médio na saída
Adiamento do pulso de disparo
Feito através de controle eletrônico
Deslocamento do ponto de “disparo natural”
Denominado controle de fase
Teoria de Conversores
Válvula a tiristores (Retificador
Controlado de Seis Pulsos)
Teoria de Conversores
Característica
◦ a = 0° => Vmáx
◦ a = 90° => V = 0
Valor médio da tensão CC
Teoria de Conversores
Característica de condução do conversor
Teoria de Conversores
Grupo 12 Pulsos e Transformador
Conversor
◦ Conexão série de duas pontes de 6 pulsos
◦ Dois sistemas trifásicos defasados em 30
graus elétricos
◦ Defasagem necessária ao cancelamento dos
harmônicos de 6 pulsos nos lados CA e CC
Teoria de Conversores
Grupo 12 Pulsos e Transformador
Conversor
Teoria de Conversores
Potência Reativa como Função da Carga
◦ Determinação da potência reativa a partir da
carga
Teoria de Conversores
Controle da Demanda de Potência
Reativa do Conversor
Teoria de Conversores
Controle da Potência Reativa
◦ Controle eletrônico válido apenas para cargas
leves
Aumento da potência reativa associado ao aumento
da corrente (maiores perdas)
◦ Compensação feita através de bancos de
capacitores e filtros
Teoria de Conversores
Controle da Potência Reativa
◦ Esquema para compensação reativa
Teoria de Conversores
Deslocamento da corrente
Teoria de Conversores
Potência Reativa devido aos Conversores
◦ Determinação da Potência Reativa
Apenas as componentes fundamentais nas saídas
dos conversores são consideradas para a
determinação da potência
O ângulo do fator de potência neste caso é dado
por:
Obs: Considera-se a indutância de comutação no
lado AC desprezível
Teoria de Conversores
Determinação da Potência Reativa
◦ Potência reativa necessária ao conversor de 6
pulsos (para o sistema total basta apenas
duplicar):
◦ Valor rms da componente fundamental da
corrente:
◦ Potência reativa no conversor:
Teoria de Conversores
Determinação da Potência Ativa
Para o conversor atuando como inversor:
Sendo g o ângulo de interrupção.
Principais Componentes
Válvulas
Transformador de entrada
Reator amaciador
Filtros do lado AC e DC
Protetor de surto
Linhas de transmissão
Válvulas
Válvulas dos conversores compostas de
tiristores
◦ Atenção quanto ao resfriamento
Transformador de Entrada
Converte tensão AC para o nível requerido de entrada
do conversor
◦ Sofrem stress das tensões AC, DC e dos transientes como raios
ou comutações
Reator amaciador
Limitação da corrente DC de falta
Prevenção de ressonância do circuito DC
Prevenção de corrente intermitente
Redução de harmônicos
2 Tipos principais:
◦ Air insulated dry type
◦ Oil insulated reactor in a tank
Filtros do lado AC e DC
AC
◦ Objetivos: Absorver harmônicos e suprir
energia reativa
◦ Critério para projeto: Energia Reativa
necessária, requerimentos quanto ao nível dos
harmônicos
DC
◦ Objetivo: Reduzir harmônicos que causam
correntes AC de alta freqüência
Filtros do lado AC e DC
Filtros do lado AC e DC
Filtros do lado AC e DC
Filtro AC ativo
◦ Produz harmônicos de amplitude igual e fase oposta aos harmônicos da
linha
Filtros do lado AC e DC
Filtro AC ativo
Protetor de surto
Protege o equipamento contra
sobrevoltagem
Linhas de transmissão
Monopolar, bipolar ou back-to-back
Linhas de transmissão
Circuito da estação transmissora
Exemplos de aplicações reais
Itaipu – Brasil/Paraguai
6300MW a 600kV
2 linhas de aprox 800km de extensão
cada
Itaipu
Grande distancia na transmissão
Incompatibilidade de frequências
Itaipu
Subestações
Foz do Iguaçu
Ibiúna
Itaipu
Equipamentos utilizados:
◦ Conversores
◦ Transformadores Conversores
◦ Bancos de filtros para harmônicos
◦ Bancos High-Pass
Exercícios
Com uma tensão de entrada AC constante Vll e
uma corrente contínua constante Id, Plote o
lugar no plano P-Q quando o ângulo de atraso
dos conversores de 12 pulsos é variado.
Explique qual a diferença entre um projeto para
transmissão HVDC com esquema Back-to-Back.
Diferencie um projeto com esquema
Monopolar ou Bipolar e enumere as vantagens
ou desvantagens de um ou outro sistema.