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HVDC APLICADO NA TRANSMISSÃO EM ALTA TENSÃO

Gustavo Luís dos Santos Riêra Rafael Alvares Bragança William Akio de Oliveira

Orientador: Prof. Dr. José Manuel Esteves Vicente

Co-orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo – A crescente utilização do HVDC (High-

Voltage Direct Current) nos setores de transmissão de

energia elétrica é bastante notória, provando ser

bastante vantajosa a sua utilização quando

comparado a transmissão CA em longas distâncias.

Diante disso, buscou-se através deste Trabalho Final

de Graduação, desenvolver uma estrutura

laboratorial a fim de simular o funcionamento do

HVDC. As atividades envolveram a verificação de

operação do transdutor de corrente, que em seguida

foi implementado ao sistema CC. Foi feito um estudo

fazendo uso da plataforma computacional MATLAB,

na qual foi utilizado o modelo de sistema de

transmissão HVDC de 12 pulsos de 1000MW (500kV-

2kA) 50/60Hz para exemplificar um modelo padrão

com base tiristorizada.

Palavras-Chave: HVDC, Sistema CC, Transmissão de

energia.

I – INTRODUÇÃO

Na história da indústria da eletricidade foi

amplamente documentado que inicialmente utilizava-se

corrente contínua(CC), porém sua transmissão em baixa

tensão não era viável em longas distâncias, dando espaço

para o desenvolvimento e ampliação do comércio de

corrente alternada(CA)[1]. O desenvolvimento das

válvulas de alta tensão tornou possível transmitir potência

CC para longas distâncias e altas tensões, possibilitando o

crescimento do sistema de transmissão HVDC em

diversas partes do mundo.[2]

Com a crescente globalização e visão capitalista com

que grande parte das pessoas tende atualmente, a

indústria elétrica, juntamente com as preocupações

ambientais vem espaço no mercado com soluções mais

eficientes e menos degradantes ao meio ambiente [1], [2].

O HVDC proporciona uma série de vantagens em relação

à transmissão de potência em alta tensão (AT) em CA,

algumas delas são:

Menores impactos ambientais;

Melhor escolha econômica;

Interligação assíncrona;

Controle do fluxo de potência;

Benefícios na transmissão quanto à estabilidade e

qualidade.

Um ambiente de programação e simulação que vem

sendo bastante utilizado é o MATLAB. Trata-se de um

software interativo de alto desempenho e que neste

trabalho final de graduação foi utilizado para se realizar a

análise numérica e modelamento do sistema HVDC em

questão. Através do software foi emulado o modelo de

sistema de transmissão HVDC de 12 pulsos, verificando

o seu comportamento operacional.

Dentro deste contexto, avaliou-se o comportamento

do Transdutor de corrente em laboratório a fim de

implementá-lo ao sistema HVDC. Este por sinal tem

como objetivo injetar uma corrente de realimentação ao

sistema, que é comparada a uma corrente de referência. O

erro presente entre ambas é corrigido por um sistema de

controle, responsável pela regulação de corrente do

sistema.

II – REFERENCIAL TEÓRICO

II.1 – Transmissão CC

Dentre as vantagens apresentadas pela transmissão CC

em relação à CA, destacam-se [3], [4]:

Maior quantidade de energia transmitida por

condutor;

O terra pode ser utilizado como retorno;

Não necessidade de torres tão robustas e elevadas;

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

JUNHO/2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

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Pode interconectar sistemas CA em diferentes

frequências;

O fator de potência da linha é sempre unitário, ou

seja, não requer compensadores reativos.

Não ocorre efeito “skin” nos condutores;

Menos efeito corona e interferência de rádio;

Sem problemas de estabilidade;

Não há contribuições sobre as correntes de curto-

circuito nos sistemas CA;

Baixas correntes de curto-circuito nos sistemas CC;

Potência de intercomunicação pode ser facilmente

controlada.

Dentre as desvantagens, tem-se:

Custos elevados dos conversores;

Conversores requerem potência reativa,

Harmônicos gerados pelos conversores requerem a

presença de filtros;

Os conversores possuem baixa capacidade de

sobrecarga.

II.2 – Componentes de um sistema de transmissão HVDC

Os três principais componentes do HVDC são:

Estações de conversão na transmissão e recepção do

sinal, meio de transmissão e eletrodos [5].

As estações de conversão consistem de um conjunto

de equipamentos necessários para converter CA/CC ou

vice-versa. Os principais equipamentos são [5], [6], [7]:

Válvulas tiristorizadas: As válvulas tiristorizadas

podem ser construídas de modo diferente, dependendo da

aplicação e do modo de produção. Entretanto o arranjo

mais comum de válvulas tiristorizadas é o de 12 pulsos.

Válvulas VSC: O conversor VSC consiste em

conversores de dois ou mais níveis, reator de fase e filtros

CA.

Transformadores: Os transformadores conversores

adaptam o nível de tensão CA para tensãoCC.

Geralmente eles são monofásicos de três enrolamentos,

mas podem ter arranjos diferentes dependendo do modo

de transporte e quantidade de energia solicitada.

Filtro CA e banco de capacitores: No lado CA de um

conversor HVDC de 12 pulsos são gerados harmônicos

de corrente e são instalados filtros para limitar a

quantidade de harmônicos formados na rede. No processo

de conversão o conversor consome potência reativa, que é

compensado em partes pelos filtros e o restante pelos

bancos de capacitores conectados à rede.

Filtro CC: O conversor HVDC cria harmônicos em

todos os modelos operacionais. Tais harmônicos podem

criar distúrbios no sistema de telecomunicação, que

podem ser reduzidos pela inserção de filtros CC, uma vez

que são projetados com características especiais para esta

finalidade.

O meio mais comum de transmissão terrestre é

realizado por linhas aéreas. Normalmente são linhas

bipolares, com dois condutores de diferentes polaridades.

Os cabos de transmissão HVDC são também utilizados

para transmissão submarina. Os tipos mais comuns de

cabos são os sólidos e os preenchidos com óleo. Sendo os

do tipo sólido o mais econômico, na maioria dos projetos

[8], [9].

II.3 – Viabilidade de implantação

O HVDC tem menor custo de implantação da linha

por unidade de comprimento quando comparado a um

sistema CA de mesmo nível de confiabilidade, devido ao

menor número de condutores e menores tamanhos de

torre. Todavia, o sistema CC necessita de duas estações

de conversão, que possuem custo elevado, chegando a

custar de duas a três vezes o preço de uma

correspondente estação de transformação CA [10].

Na maioria das vezes, a transmissão HVDC para

pequenas distâncias não é economicamente viável.

Porém, um fator determinante para a aplicação ou não de

corrente contínua em alta tensão, é o custo das linhas

aéreas. Acima de uma distância (cerca de 500km), a

economia obtida nas linhas CC é maior do que os custos

extras oriundos das estações terminais, tornando a opção

de transmissão mais vantajosa [11].

III – METODOLOGIA

O método utilizado para gerar os resultados esperados

foi baseado em ensaios experimentais com um transdutor

de corrente, ligando o mesmo no módulo HVDC do

laboratório. Além disso, através do modelo em software

desenvolvido na plataforma MATLAB, foi verificado o

seu exemplo de funcionamento.

Para se atingir as metas definidas nos objetivos deste

projeto, a seguinte metodologia foi utilizada:

Levantamento Bibliográfico: Objetivou conhecer o

estado da arte sobre o tema enfocado e fornecer os

subsídios disponíveis e necessários às análises de

transmissão de energia em corrente contínua, bem

como buscou-se conhecimentos com relação ao

próprio HVDC e a sua analise econômica. Para tal,

foram consultadas várias fontes de pesquisas, como

periódicos, anais de congressos, dissertações e teses

de Universidades nacionais e internacionais;

Testes Computacionais: Após as análises teóricas, foi

simulado um modelo no software da plataforma

computacional MATLAB apropriado para se cumprir

os objetivos do trabalho e exemplificar uma aplicação

do HVDC. Foram realizados análises e estudos dos

valores e formas de ondas obtidas durante a

3

simulação. É válido destacar que a UNIFEI já possuía

a plataforma computacional utilizada;

Medições Laboratoriais: Nesta etapa, já com a

estrutura laboratorial completa, foram realizados os

ensaios com o transdutor de corrente e posteriormente

com o módulo HVDC, alvo principal deste plano de

trabalho;

Análise dos Resultados: Foram realizadas as análises

dos dados registrados na etapa anterior e, no que

tange à aplicação do HVDC, foi verificado o

funcionamento do processo de transmissão em

corrente contínua [14], [15];

Artigo Final: Como última etapa, tem-se a elaboração

deste artigo, contemplando os resultados obtidos nas

pesquisas, nas medições realizadas no experimento

em laboratório e nas simulações através do software

MATLAB.

IV – RESULTADOS E DISCUSSÕES

IV.1 – Transmissão em CC

A transmissão em corrente contínua não é afetada pela

capacitância e a indutância da linha. Sob condições CA, a

corrente não está distribuída uniformemente através da

secção transversal do condutor. A densidade de corrente

é mais elevada na região exterior (Efeito Skin) e resulta

na utilização da secção transversal do condutor.

Efeito Skin em condições de d.c. é completamente

ausente e, portanto, há uma corrente uniforme no

condutor, e o condutor de metal é melhor utilizada. Além

disso propicia um controle de potência estável.

Com corrente alternada, as interligações entre os

sistemas de energia deve ser síncrono. Deste modo

sistemas de frequências diferentes não podem ser

interligadas. Tais sistemas podem ser facilmente

interligados por meio de ligações de HVDC. Para

diferentes frequências de interligações ambos os

conversores podem ser confinado a mesma estação.

Além disso, as diferentes demandas de energia podem

precisar manter diferentes tolerâncias sobre as suas

entregas, embora nominalmente a mesma frequência.

Esta opção não está disponível com corrente alternada e

em CC não existe tal problema.

Em ca, mesmo pequenas diferenças de frequências

nos dois sitemas acarretam grandes correntes de

interligação, com a proteção atuando para desconectá-las.

O emprego de corrente contínua resolve facilmente este

problema, sem nada a acrescentar a potência de curto-

circuito das áreas interligadas. Isto equivale a não ser

necessário alterar potência de transformadores, reforços

em barramentos ou empregos de disjuntores com maior

capacidade de interrupção.

IV.2 – Análise Econômica

Todos os fatos mencionados anteriormente tem

tornado cada vez maior o emprego da transmissão em

corrente contínua no mundo. O custo de um sistema de

transmissão HVDC depende de vários fatores, como a

capacidade de energia a ser transmitida, o tipo do meio de

transmissão, condições ambientais, dentre outros. Um

fator determinante para a aplicação de Corrente Contínua

em Alta Tensão, é o baixo custo das linhas aéreas em

corrente contínua.

Apesar do investimento nas estações conversoras do

sistema HVDC ser maior que as estações de transmissão

em alta tensão CA, o custo acaba sendo compensado pois

acima de uma certa distância, a economia obtida nos

cabos das linhas é maior do que os custos extras oriundos

das estações terminais, tornando a opção de transmissão

em corrente contínua vantajosa. E, Além disso, os custos

de operação e manutenção são menores no sistema

HVDC.

A figura a seguir mostra a comparação do custo:

Fig.1 – Comparação Custo de Transmissão CCxCA

Um sistema de transmissão em corrente contínua com

dois condutores metálicos equivale na prática a um

circuito duplo de corrente alternada, dispondo da mesma

confiabilidade.

Fig.2 – Comparação Torre de Transmissão CCxCA

4

IV.3 – Análise Laboratorial

Primeiramente foi realizado com o transdutor de

corrente, um experimento para verificar a linearidade da

tensão que o transdutor de corrente apresenta para

posteriormente implementá-lo ao sistema HVDC e

simular as variações de tensão, obtendo assim a tabela e

gráfico abaixo.

TABELA 1 – VALORES DE TENSÃO E CORRENTE DO TRANSDUTOR

Tensão [mV]

Corrente [mA]

68,4 1,6

136,8 3,3

204,6 5,6

270 7,4

335,6 9,3

Fig.3 – Gráfico da relação entre tensão e corrente

IV.3.1 – Módulo em Manual

Fig.4 – Módulo didático HVDC

A operação do módulo didático em manual, foi um

sucesso. Houve o controle de corrente a partir do ângulo

de disparo. O controle de corrente foi realizado variando

o ângulo de disparo de 50° à 10° no retificador,

observando que a relação é inversa, ou seja, quanto maior

o ângulo, menor a corrente. Fazendo dessa maneira o

controle de corrente continua. Já no inversor manteve-se

o ângulo fixo em 150°. Portanto a operação em manual

ocorreu como esperado.

Fig.5 – Forma de onda do Retificador com 30º

Fig.6 – Forma de onda do Inversor com 150º

IV.3.2 – Módulo em Automático

Foi montado um Amp-op [13] para multiplicar o

ganho, a fim de ajustar a tensão para a operação no modo

automático do modulo didático do HVDC. O Rf é um

potenciômetro de 1M[ohm], o valor ajustado foi de

23,7K[ohm]. O ganho A1=-Rf/R1 =-23,7/0,5=-47,4 e o

A2=-15K/15K=-1. Sabemos que o ganho total do circuito

é dado: A=A1.A2=47,4.

5

Fig.7 – Amplificador Operacional

Fig.8 – Montagem do Amplificador Operacional

Para alimentar os CI’s 741 foi utilizada uma fonte de

alimentação CC, +-15 V.

Fig.9 – Fonte de alimentação do Amp. Op.

Para alimentar a entrada V1 do Amplificador foi

utilizado o transdutor, que ao alimentar a entrada do

amplificador, teve um ganho de 47,4. Retornando para o

modulo didático, sendo possível operá-lo em modo

automático. Da seguinte maneira:

Fig10 – Controle em modo automático

O modo automático foi utilizado no retificador para a

transmissão do HVDC de 6 pulsos e foi possível fazer o

controle de corrente em modo automático. O ângulo do

inversor foi regulado em 120º, estando o inversor em

modo manual. Segue a forma de onda do inversor:

Fig.11 – Forma de onda no inversor com o retificador

operando em modo automático

O controle de corrente no modelo didático no

retificador em modo automático funcionou conforme o

esperado.

IV.4 – Conversor 12 pulsos

Os conversores de doze pulsos são utilizados quando

a potência a ser convertida de CA para CC. é elevada de

modo a melhorar [12]:

- o fator de potência

- o fator de distorção

- a evitar o sobredimensionamento dos semicondutores de

potência.

A desvantagem é o maior número de semicondutores

de potência, aumento na complexidade do sistema de

refrigeração e transformadores com conexões especiais.

6

IV.4.1 – Conversor 12 pulsos do tipo I

Para obter-se um sistema de 12 pulsos necessita-se de

duas pontes conectadas em série com defasamento igual

a:

º3012

º360

Isto significa que se pode utilizar um transformador

com conexão estrela-estrela e outro com a conexão

triângulo-estrela, como apresentado na figura 12.

Inicialmente para facilidade de análise é suposto uma

relação de 1:1 no transformador T1 (Y-Y). Como a

tensão fase-fase a ser retificada pela unidade retificadora

2 deve ser igual a tensão fase-fase retificada pela unidade

retificadora 1, a relação de transformação, de bobina para

bobina, deve ser de 3 no transformador T2.

Fig.12 – Esquema de ligação do conversor tipo I

O diagrama fasorial das tensões nos transformadores

T1 e T2 estão mostrados na figura 13. Através da técnica

de análise fasorial, as defasagens entre as tensões de T2

para T1 são iguais a 30º em adianto (isto é, as tensões de

T2 estão adiantadas de 30º em relação as tensões de T1).

Fig.13 – Defasagem angular

Em termos de formas de ondas isto significa que a

corrente da fase A, por exemplo, no secundário de T2

estará adiantada de 30° em relação a corrente na mesma

fase do secundário de T1, como mostradas na figura 14.

Fig.14 – Relação de corrente

As correspondentes correntes no primário, obtidas

através das equações abaixo possuem as seguintes

amplitudes:

T1:

dAda

A IiI

11

ii

T2:

3

I'i

13

I

13

'i'i d

Ada

A

Estas formas de ondas estão mostradas nas figuras 15

e 16, juntamente com a corrente.

t

ia ia’

7

Fig.15 – Correntes do T1

Fig.16 – Correntes Primário do T2

A corrente injetada na linha da fase A do primário de

T2 é dada por,

CAA 'i'i''i

De modo que nos seguintes intervalos pode-se obter

as amplitudes desta corrente:

TABELA 2 – AMPLITUDES DA CORRENTE I’’A

Intervalos Amplitude – i’’A

t0t2 3

I0

3

I''i ddA

t2t3 3

I2

3

I

3

I''i dddA

t3t5 3

I

3

I''i ddA

O formato da corrente i’’A está plotado na figura 17.

Para a obtenção do formato final da corrente injetada na

fase A da concessionária basta apenas somar as

amplitudes de iA e i’A , sendo que o formato de iA está

indicado em vermelho na figura 17 e é uma imagem da

corrente ia do secundário da fase A do transformador T1.

Fig.17 – Correntes i’’A e iA

Considerando-se os respectivos intervalos de t0 até t5

vem que:

TABELA 3 – AMPLITUDES DA CORRENTE IAA

Intervalos Amplitude - iAA

t0t1 ddAA I0Ii

t1t2 3

IIi d

dAA

t2t3 3

I2Ii d

dAA

t3t4 3

IIi d

dAA

t4t5 ddAA I0Ii

O formato final de iAA está mostrado na figura 18,

calculado por:

''iii AAAA

Fig.18 – Corrente iAA

O correspondente valor eficaz de iAA é dado por:

21

6/2

6/2

2

dd

6/2

6/

2

dd

6/

0

2

d

AA

...td3

I2I

2

1

td3

II

2

1tdI

2

1

2i

Resolvendo vem que:

ddAA I58,1I313

2i

Observar que para o caso real, a relação de

transformação deve ser considerada na equação (isto é,

t

ia=iA ib=iB ic=iC

iA'=ia’/ 3 iB'=ib’/ 3 iC'=ic’/ 3

t

t

t

iA’’ iA

8

dividir a equação pela relação de transformação do

transformador YY).

IV.4.2 – Conversor 12 pulsos do tipo II

A figura 19 ilustra uma outra opção para a obtenção

de um sistema de 12 pulsos, com a mudança da conexão

de estrela para triângulo no secundário do transformador

T2.

Fig.19 – Esquema de ligação do conversor tipo II

Fig.20 – Correntes do T1

Fig.21 – Corrente do primário de T2

Fig.22 – Corrente do secundário de T2 no

enrolamento entre fases B e C - ib22’

Respeitando a relação entre espiras N1:N2 no

transformador 2, encontra-se iB12:

2222B1212B N'iNi

então,

12

2222B12B

N

N'ii

Analisando o circuito da Fig. 19 é possível determinar

a corrente iBB.

12B11BBB iii

Fig.23 – Corrente iBB

V – CONCLUSÃO

Finalmente, pode-se perceber que os objetivos do

trabalho foram alcançados. Com a estrutura laboratorial

desenvolvida, foi possível simular o funcionamento de

um sistema HVDC de forma manual e automatizada,

verificando o comportamento do sistema com base nas

tensões e correntes obtidas, por meio de multímetros e

mili-amperímetros, respectivamente. A utilização do

osciloscópio foi indispensável para comprovar o

funcionamento do sistema montado, possibilitando a

verificação das formas de onda e pulsos emitidos para a

simulação do experimento.

Operacionalmente, o sistema se mostrou muito

satisfatório. Identificou-se na estrutura uma grande

importância, simplicidade de implantação e utilização no

sistema de transmissão de energia elétrica em alta tensão.

Setor que vem sendo muito explorado no Brasil e em

países de grande extensão territorial.

Na aplicação, o software MATLAB mostrou-se

adequado, de fácil programação e operação.

Proporcionou uma interface operacional com aspecto

t

t

t

ib21=iB11

t

ib22

21

9

profissional, que foi essencial para obter uma fácil

visualização e compreensão dos ensaios e aspectos

estudados.

REFERÊNCIAS

[1] KIMBARK, E. W. “Direct current transmission”. v.1.

cap.1-4. p.2-147.

[2] RUBENS, L. J. “High voltage direct current transmis-

sion”. cap.11. p. 184-204.

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energia em corrente alternada e corrente contínua”.

Instituto Federal Espírito Santo.

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Iguaçu” – Foz do Iguaçu/PR. 17 Ago . 2011.

[5] RUDERVALL, R.; CHARPENTIER, J. P.; SHARMA, R.

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technology review paper”.

[6] PAWANI, K.; MISHRA R.; “Recent advances in

high-voltage direct-current power transmission sys-

tem”. International Journal of Advanced Technology &

Engineering Research (IJATER).

[7] AGELIDIS, V.G; DEMETRIADES, G.D.;

FLOURENTZOU, N. “Recent advances in High-

Voltage Direct-Current Power Transmission Systems”. Tese de Pós-Graduação.

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[9] Energy Sector; SIEMENS AG. “High Voltage direct cur-

rent transmission”. Proven technology for power ex-

change. Disponível em:

<www.siemens.com/energy/hvdc>. Acesso em 14 de maio

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[10] Energy Sector; SIEMENS AG. “High Voltage direct cur-

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<www.siemens.com/energy/hvdc>. Acesso em 14 de maio

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[11] Carvalho, A. P. S. D. D. “Análise técnico-econômica de

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tensão: estudos de caso”. Ago, 2012.

[12] SILVA, V. F. D. S.; REZEK, A. J. J.; RODRIGUES, R. R.

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potência – Universidade federal de Itajubá.

[13] BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L.; “DISPOSITIVOS ELE-

TRÔNICOS E TEORIAS DE CIRCUITOS”. CAP.14 P.478-486, 8ª ED.,

2005.

[14] GRAHAM, J. “O uso de HVDC para usinas hidroelé-tricas

remotas”. Disponível em:

<www.tec.abinee.org.br/2007/arquivos/S1104.pdf>. Acesso em

25 de maio de 2015.

[15] PAUCAR, B. C. “Sistema HVDC baseado em con-versores

multinível modulares”. Disponível em: <www.pee.ufrj.br>.

Acesso em 27 de maio de 2015.

BIOGRAFIA

Gustavo Luís dos Santos

Riêra

Nascido em Pouso Alegre-

MG, em 1991. Atualmente

gradua-se Engenharia Elétrica

na Universidade Federal de

Itajubá, com previsão de

conclusão do curso em

dezembro/2015. Atua como

estagiário na empresa

BALTEAU produtos elétricos

SA, em Itajubá-MG.

Rafael Alvares Bragança

Nascido em Porto Velho-RO,

em 1986. Atualmente gradua-se

em Engenharia Elétrica na

Universidade Federal de Itajubá,

com previsão de conclusão do

curso em Dezembro/2015. Atuou

como estagiário na empresa

ESBR Usina Hidrelétrica Jirau

em Rondônia, atualmente monitor

de Geração de Energia no ISEE.

William Akio de Oliveira Nascido em Mogi das

Cruzes-SP, em 1991.

Atualmente gradua-se em

Engenharia Elétrica na

Universidade Federal de Itajubá,

com previsão de conclusão do

curso em Dezembro/2015. Atua

como monitor do Centro de

Excelência em Redes Elétricas

Inteligentes (CERIn), em

Itajubá-MG.