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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Anlise e Modelao de Dispositivos FACTS Aplicados nas Redes de Transporte e de

Distribuio de Energia Elctrica

Justino Miguel Ferreira Rodrigues

VERSO FINAL

Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Prof. Dr. Armando Lus Sousa Arajo

Junho de 2010

ii

Justino Miguel Ferreira Rodrigues, 2010

iii

Resumo

As limitaes de um SEE (Sistema Elctrico de Energia) podem ser resumidas em trs

aspectos: distncia de transmisso, estabilidade do sistema e controlo do fluxo de potncia.

Essas limitaes h dcadas atrs eram principalmente resolvidas atravs do reforo dos SEE

com novas linhas de transmisso e novas centrais de produo. Essas limitaes ainda existem

nos dias de hoje, mas o reforo de um SEE da maneira tradicional tem-se tornado cada vez

mais difcil e menos atractiva (entraves legislativos, de opinio publica, ambientais,

econmicos, etc.).

A Produo Dispersa e a liberalizao dos mercados de energia elctrica so dois desafios

recentes robustez e capacidade de controlo de um SEE. Existe uma forte promoo com

respeito soluo destes novos desafios.

Esta dissertao pretende elucidar de que maneira a tecnologia FACTS aplicada nas Redes

de Transporte e de Distribuio de Energia Elctrica pode solucionar em grande parte os

problemas referidos. O acrnimo FACTS identifica basicamente sistemas de transmisso em

corrente alternada que incorporam controladores baseados em electrnica de potncia com o

objectivo de aumentar a sua controlabilidade e a sua capacidade de transmisso.

Numa primeira parte desta dissertao efectuou-se uma descrio dos aspectos mais

importantes dos dispositivos FACTS mais relevantes, assim como os principais benefcios que

podem conferir s Redes de Transporte e de Distribuio.

Numa segunda e ltima parte foi efectuada a simulao de um STATCOM inserido numa

Rede de Transporte e numa Rede de Distribuio, comprovando-se a capacidade do STATCOM

em solucionar alguns dos principais problemas existentes nas Redes de Transporte e de

Distribuio.

iv

v

Abstract

The limitations of a Power System can be summarized in three aspects: transmission

distance, system stability and power flow control. Decades ago, these limitations were mostly

resolved by strengthening the Power Systems with new transmission lines and new power

generation plants. These limitations still exist today, but the enhancement of a Power System

through a traditional way has become increasingly more difficult and less attractive

(legislative barriers, adverse public opinion, environmental restrictions, unfavorable

economic scenarios, etc.).

The Dispersed Generation and the liberalization of electricity markets are two recent

challenges to the strength and ability to control the Power Systems. There is a strong

promotion to solve these new challenges.

This dissertation aims to elucidate how the FACTS technology applied in Transmission

System and Distribution of Electricity can largely solve the problems mentioned. The acronym

FACTS basically identifies transmission systems with alternating current including controllers

based on power electronics in order to increase its controllability and its transmission

capacity.

In the first part of this thesis took place a description of the most important aspects of

the most relevant FACTS devices, as well the main benefits that they can afford to the

Transmission and Distribution Systems.

In the second and last part was made the simulation of a STATCOM inserted into

Transmission System and in a Distribution System, proving the ability of the STATCOM in

solving some major problems in the Transmission and Distribution Systems.

vi

vii

Agradecimentos

Em primeiro lugar deixo o meu profundo reconhecimento aos meus pais e a familiares

prximos, que sem a sua disponibilidade e apoio incondicionais, jamais teria chagado a esta

etapa. Deixo tambm o meu agradecimento ao Professor Doutor Armando Lus Sousa Arajo

pelos conselhos valiosos e pela sua disponibilidade sempre presente.

viii

ix

ndice

Resumo .............................................................................................. iii

Abstract .............................................................................................. v

Agradecimentos ................................................................................... vii

ndice ................................................................................................ ix

Lista de figuras ....................................................................................xii

Lista de tabelas ................................................................................... xix

Abreviaturas e Smbolos ......................................................................... xx

Captulo 1 ............................................................................................ 1

Introduo ...................................................................................................... 11.1 - Motivao e objectivos.............................................................................. 21.2 - Plano da Dissertao ................................................................................ 3

Captulo 2 ............................................................................................ 4

Princpios de compensao na transmisso de potncia em corrente alternada. ................... 42.1 - Limites de operao de um SEE em corrente alternada ....................................... 4

2.1.1 - Limites de estabilidade esttica ............................................................ 52.1.2 - Limites trmicos .............................................................................. 92.1.3 - Limites de isolamento ........................................................................ 9

2.2 - Controlo do fluxo de potncia e compensao de linhas de transmisso: conceitos base ................................................................................................... 10

2.2.1 - Compensao paralelo ideal ............................................................... 102.2.2 - Compensao srie .......................................................................... 122.2.3 - Compensao do ngulo de fase ........................................................... 13

2.3 - Limitaes dinmicas na transmisso de energia de um sistema elctrico ............... 142.3.1 - Melhorar a estabilidade transitria ....................................................... 152.3.2 - Melhorar e aumentar a estabilidade dinmica do sistema e amortecer

oscilaes de potncia ........................................................................ 152.3.3 - Evitar colapsos de tenso, aumentando o limite de estabilidade da tenso ....... 162.3.4 - Ressonncia Subsncrona (SSR) ............................................................. 17

2.4 - Sumrio ............................................................................................... 17

Captulo 3 .......................................................................................... 19

Dispositivos de compensao: Resenha Histrica e Tecnologias FACTS .............................. 19

x

3.1 - Antes do surgimento dos dispositivos FACTS ................................................... 193.1.1 - Dispositivos MSR (Mechanical switching of shunt reactor) e MSC (Mechanical

switching of shunt capacitors) .............................................................. 203.1.2 - Condensadores Sncronos ................................................................... 203.1.3 - Reactncias Saturadas ...................................................................... 213.1.4 - Transformador Esfasador e Transformador Regulador de Tenso

(convencionais) ................................................................................ 223.2 - Dispositivos FACTS e a sua classificao ........................................................ 243.3 - Dispositivos FACTS baseados em impedncias passivas ....................................... 26

3.3.1 - SVC (Static Var Compensator) ............................................................. 273.3.2 - TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor) ............................................. 383.3.3 - GCSC (Gate Controlled Series Compensator) ........................................... 393.3.4 - TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) ...................................... 423.3.5 - TCSR (Thyristor Controlled Series Reactor) e TSSR (Thyristor Switched

Series Reactor) ................................................................................. 483.3.6 - TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) .......................................... 493.3.7 - TCVL (Thyristor Controlled Voltage Limiter) ........................................... 503.3.8 - TCPST (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer) ou TCPAR

(Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) e o TCVR (Thyristor Controlled Voltage Regulator) ............................................................................ 50

3.3.9 - DFC (Dynamic Flow Controller) ........................................................... 533.3.1