STANLEY EIDI TOKUNO

ANLISE DE MODELOS E APLICAO DO UPFC EM SISTEMA DE

138 KV

SO PAULO

2016

STANLEY EIDI TOKUNO

ANLISE DE MODELOS E APLICAO DO UPFC EM SISTEMA DE 138 KV

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Cincias.

SO PAULO

2016

STANLEY EIDI TOKUNO

ANLISE DE MODELOS E APLICAO DO UPFC EM SISTEMA DE 138 KV

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Cincias. rea de Concentrao: Sistemas de Potncia Orientador: Luiz Cera Zanetta Junior

SO PAULO

2016

Catalogao-na-publicao

TOKUNO, STANLEY

ANLISE DE MODELOS E APLICAO DO UPFC EM SISTEMA DE 138 KV / S. TOKUNO -- verso corr. -- So Paulo, 2016.

108 p.

Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So

Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas.

1.CE625.3.1 - SISTEMAS ELTRICOS DE POTNCIA 2.CE625.3.1.1.5 -

DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA 3.CE625.3.1.1.5.1 - REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA I I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas II.t.

Este exemplar foi revisado e corrigido em relao verso original,sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador.

So Paulo,19 de Setembro de 2016.

Assinatura do autor:

Assinatura do orientador:

Aos meus pais e irm

minha esposa e filhos

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Luiz Cera Zanetta Jr., cuja orientao foi fundamental para a

elaborao deste trabalho.

minha famlia que sempre incentivou meus estudos, me ensinando que esta uma

das maiores heranas que os pais podem deixar aos filhos.

minha esposa e filhos pela compreenso e motivao para a realizao deste

trabalho.

A todos os amigos pelo incentivo e colaborao, contribuindo direta e indiretamente

para o meu desenvolvimento profissional e produo do presente trabalho.

Os investimentos em conhecimento geram

os melhores dividendos.

(Benjamin Franklin)

RESUMO

Este trabalho trata do UPFC (Unified Power Flow Controller), que corresponde

a um dos mais promissores dispositivos FACTS de ltima gerao, pois apresenta a

capacidade de controle independente de todos os parmetros bsicos do sistema

eltrico de potncia (tenso, impedncia e ngulo de fase). Com base nos modelos

j propostos para representao deste equipamento em regime permanente,

realizada anlise e proposta de um modelo que permite uma abordagem prtica,

para simulao do UPFC em softwares de fluxo de potncia comerciais que no

possuem modelos dedicados para este dispositivo. So revisitados os conceitos

associados ao UPFC, com apresentao dos modelos analisados e seus respectivos

parmetros, assim como os equipamentos instalados e estimativa de custos para

implantao. Atravs de simulaes utilizando o modelo de transformador ideal

associado impedncia do transformador srie e compensador esttico, so obtidos

os parmetros para o modelo de injeo de potncias e realizadas simulaes que

demonstram a equivalncia entre estes modelos. Finalmente, realizada a anlise

de aplicao do UPFC em um sistema de distribuio de alta tenso, onde h forte

presena de gerao distribuda com sua sazonalidade caracterstica e linhas que

realizam a interligao entre diferentes fontes do sistema, havendo a necessidade

de controle do fluxo de potncia e melhoria dos nveis de tenso em funo dos

critrios tcnicos e aspectos regulatrios.

Palavras-chave: Sistemas de Potncia, FACTS, UPFC, Sistemas de distribuio de alta tenso, Planejamento da expanso do sistema eltrico.

ABSTRACT

This work is about UPFC which corresponds to one of the most promising last

generation FACTS device, for it presents independent control in all basic parameters

of the electrical power system (voltage, impedance and phase angle). Based on

models that have already been proposed to represent this equipment in steady state,

an analysis has been made and a model that permits practical approach is proposed

to simulate the UPFC in commercial power flow softwares that do not yet support this

device. The associated UPFC concepts are revisited with the presentation of

analyzed models and their respective parameters as well as the installed equipments

and cost estimate for implementation. Through simulations using ideal transformer

associated to the series transformer impedance and static Var compensator model,

parameters are obtained for the power injection model and simulations were run that

showed a similarity between these models. Finally, a UPFC application analysis was

done for a region of high voltage distribution system, where there is a strong

presence of distributed generation typically seasonal and lines which connect

different sources of the system, having the necessity of controlling the power flow

and improvement of the voltage levels due to the technical criteria and regulatory

aspects.

Keywords: Power Systems, FACTS, UPFC, High-voltage distribution system, Electric system expansion planning.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Complementaridade anual das diversas fontes de gerao ..................... 17 Figura 2 Capacitor Srie ........................................................................................ 24 Figura 3 Diagramas do TCR, TSC e SVC .............................................................. 24 Figura 4 SVC .......................................................................................................... 25 Figura 5 Diagrama do STATCOM .......................................................................... 25 Figura 6 Statcom .................................................................................................... 26 Figura 7 Diagrama do TCSC .................................................................................. 26 Figura 8 Sistema simplificado com duas mquinas ................................................ 28 Figura 9 Sistema de duas mquinas com a fonte Vpq representando o UPFC ..... 29 Figura 10 Regies de controle do sistema com o UPFC ........................................ 30 Figura 11 Diagrama esquemtico do UPFC ........................................................... 31 Figura 12 Sistema de duas mquinas com insero de transformador defasador . 32 Figura 13 Regies de controle do sistema para o transformador defasador e o UPFC ........................................................................................................................ 33 Figura 14 Configurao do IPFC para compensao de 'n' linhas de transmisso 34 Figura 15 Modelo tipo fonte de tenso para o IPFC ............................................... 34 Figura 16 Modelo do UPFC como fonte de tenso inserida na linha de transmisso .................................................................................................................................. 35 Figura 17 Representao unifilar do UPFC ............................................................ 36 Figura 18 Modelo de UPFC (PQ-PV) proposto por Nabavi-Niaki e Iravani ............ 36 Figura 19 Representao do conversor srie......................................................... 37 Figura 20 Substituio da fonte de tenso pela fonte de corrente ......................... 38 Figura 21 Modelo de injeo de potncias para o conversor srie ........................ 39 Figura 22 Modelo de injeo de potncias (PIM) do UPFC ................................... 40 Figura 23 Modelo do UPFC atravs de admitncias shunt .................................... 41 Figura 24 Modelo do UPFC com transformador defasador e barra PV .................. 42 Figura 25 Modelo do UPFC com transformador defasador e reatncia varivel .... 42 Figura 26 Foto UPFC Inez...................................................................................... 45 Figura 27 Foto inversores UPFC Inez GTO ........................................................ 45 Figura 28 Diagrama do sistema da Coreia e ponto de instalao do UPFC .......... 46 Figura 29 Diagrama unifilar do CSC em Nova Iorque ............................................ 47 Figura 30 Foto CSC em Nova Iorque ..................................................................... 47 Figura 31 Estimativa de custos para SVC e Statcom ............................................. 48 Figura 32 Estimativa de custos para Capacitor Srie (FSC), TCSC e UPFC ......... 48 Figura 33 Modelo do UPFC com transformador defasador com a respectiva reatncia, e reatncia shunt varivel ......................................................................... 51 Figura 34 Modelo do UPFC com transformador defasador, impedncia srie e SVC (PST+SVC) ............................................................................................................... 54 Figura 35 Modelo de injeo de potncias (PIM) do UPFC ................................... 54 Figura 36 Modelo com barra de carga e gerador (PQ+PV) do UPFC .................... 55 Figura 37 Caso 1: Diagrama unifilar simplificado do sistema de 138 kV com insero do UPFC entre as subestaes 4 e 5 ......................................................... 56 Figura 38 Caso 1: Diagrama de simulao com os modelos analisados ............... 57 Figura 39 Caso 2: Diagrama unifilar simplificado do sistema de 138 kV com a insero do UPFC entre as subestaes 9 e 11 ....................................................... 58 Figura 40 Caso 2: Diagrama de simulao c