Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Desempenho dos Sistemas de Protees na Vizinhana de Ligaes de Corrente Contnua em

Alta Tenso

Jorge Miguel da Silva Gonalves

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

Orientador: Prof. Dr. Helder Leite

29 de Julho de 2013

Jorge Miguel da Silva Gonalves, 2013

iii

Resumo

Presses ambientais e polticas cada vez maiores incentivam a alterao dos parques

eletroprodutores baseados em centrais trmicas para um parque que incorpore cada vez mais

recursos renovveis e permitem antever o progressivo comissionamento de ligaes de

Corrente Continua em Alta Tenso. assim importante analisar o impacto desta migrao da

composio dos parques eletroprodutores no comportamento dinmico nos Sistemas de

Proteo dos Sistemas Eltricos de Energia, nomeadamente no valor da tenso disponvel na

localizao dos Rels de Proteo, atendendo importncia deste parmetro para a operao

dos Rels-

De forma a avaliar se esta alterao da composio dos parques eletroprodutores afeta o

comportamento dos Sistemas de Proteo, foi desenvolvida uma metodologia que permite

prever, em regime de curto-circuito, a tenso num barramento qualquer de uma rede com

uma dimenso e topologia quaisquer, bem como a tenso disponvel numa qualquer

localizao de um Rel associado aos Sistemas de Proteo. A metodologia genrica e

permite avaliar e quantificar a variao da magnitude da tenso num barramento quando um

Gerador Sncrono substitudo por uma ligao de Corrente Contnua em Alta Tenso num

barramento qualquer da rede.

A metodologia desenvolvida foi aplicada a um Caso de Estudo, o qual foi igualmente

modelizado em ambiente PSCAD/EMTDC, tendo sido analisadas diferentes potncias nominais

do Gerador Sncrono e da ligao de Corrente Contnua em Alta Tenso que o substitui. A

comparao entre os resultados obtidos pelos dois mtodos permite concluir que a

proximidade entre os valores obtidos atravs da metodologia e do modelo de simulao

depende do valor da potncia nominal do Gerador Sncrono e da ligao que o substitui,

embora a diferena mxima seja bastante reduzida quando comparada com os valores

obtidos. A tenso disponvel num Rel de Proteo varia muito pouco perante a alterao da

composio e para diferentes valores de potncia em causa, o que permite concluir que

bastante improvvel que as alteraes aos parques eletroprodutores que consistam em

alteraes diretas de Geradores Sncronos por ligaes de Corrente Contnua em Alta Tenso

de potncia igual afetem o comportamento e operao dos Sistemas de Proteo.

v

Abstract

Increasing environmental and political pressure forces the migration of current thermal-

based Electric Power Systems to an increasing renewable-based one, which allows foreseeing

the progressive commissioning of High Voltage Direct Current links. Thus, it is important to

analyze the impact of the migration of power plants composition on the dynamic behavior of

Power Systems Protective Relays, namely in the voltage magnitude available in relays

location, taking into account the importance of this parameter to the relay operation.

In order to evaluate if the changes in the composition of Power Systems power plants

affects Protective Relays behavior, a simple method was developed to allow the forecast,

under short-circuit situations, of the voltage magnitude on any bus of a network with every

possible topology and size, as well as the voltage available on any Protective Relay location.

The method is generic and flexible and allows the evaluation and quantification of the

voltage magnitude variation on a bus, when a High Voltage Direct Current link replaces a

Synchronous Generator on any bus of the network.

A Case Study was defined and the corresponding model built in PSCAD/EMTDC. The

developed method was applied and the results analyzed for different power capacities of the

Synchronous Generator and its replacing High Voltage Direct Current link. The comparison

between the results from the developed method and the simulation ones allows concluding

that the proximity between the results obtained by both methods depends on the

Synchronous Generator and its replacing High Voltage Direct Current link power capacity,

although the maximum difference is quite small when compared with voltage magnitude. The

voltage available on Protective Relay location varies very little when the Synchronous

Generator is replaced, as well as for the analyzed capacities. This allows concluding that is

very unlikely that changes in power plants composition, consisting in the direct replacement

of a Synchronous Generator by a High Voltage Direct Current link with equal capacity, affect

the behavior and operation of Power Systems Protective Relays.

vii

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer minha famlia por todo o apoio, carinho e pacincia

que sempre me dedicaram ao longo destes 5 anos: aos meus avs, aqueles que tive o prazer

de conhecer e aos que infelizmente no me viram crescer e aos meus pais e ao meu irmo.

Seguidamente, aos meus colegas, de curso e fora dele, e que me acompanharam na minha

jornada na FEUP e na pequena jornada no INESC TEC, que embora num nmero no muito

alargado sempre foram os suficientes e teis para me ajudar nos bons e nos maus momentos.

Uma palavra de apreo especial queles com quem troquei ideias acadmicas e sociais, e que

ajudaram a passar os bons momentos e a ultrapassar os maus.

Por fim, mas no menos importante, ao Prof. Dr. Hlder Leite, meu orientador, pelo

grande voto de confiana e esperana em mim depositados, os quais tentei honrar da melhor

maneira com tudo quanto pude e sabia.

ix

Beyourself;everyoneelseisalreadytaken.

OscarWilde

xi

ndice

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

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

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

ndice ............................................................................................... xi

Lista de figuras .................................................................................. xiv

Lista de tabelas ............................................................................... xviii

Abreviaturas e Smbolos ....................................................................... xix

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

Introduo ......................................................................................................... 1 1.1 - mbito da Dissertao ................................................................................ 1 1.2 - Motivao e Objetivos da Dissertao.............................................................. 2 1.3 - Estrutura da Dissertao.............................................................................. 2

Captulo 2 .......................................................................................... 5

Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua ......................................... 5 2.1 - Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso ................. 5 2.1.1 - Transmisso de Corrente Alternada em Alta Tenso ....................................... 6 2.1.2 - Transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso ........................................ 7 2.2 - Configuraes e Topologias da Transmisso em CCAT .......................................... 9 2.3 - Tipos de Semicondutores de Potncia ........................................................... 11 2.4 - Conversores utilizados na Transmisso em CCAT .............................................. 11 2.4.1 - Transmisso Clssica em CCAT (CFC-CCAT) ................................................ 12 2.4.2 - Transmisso em CCAT utilizando CFTs (CFT-CCAT) ...................................... 13 I. Topologias dos CFTs ................................................................................ 17 II. Modulao de Largura de Impulsos em CFTs ................................................... 19 III. Aplicaes da Transmisso em CCAT utilizando CFTs ........................................ 22 2.5 - Modelizao dos Conversores de Fonte de Tenso ............................................. 23 2.6 - Controlo dos Conversores de Fonte de Tenso ................................................. 25 2.6.1 - Princpios do Controlo Vetorial ............................................................... 27 I. Referencial Sncrono d-q ........................................................................... 27 II. Malha de Sincronizao de Fase ................................................................... 30 III. Controlo Vetorial ..................................................................................... 30 2.6.2 - Malha de Controlo Interior .................................................................... 33

2.6.3 - Controladores Exteriores ...................................................................... 33 2.6.4 - Ajuste dos Parmetros dos Controladores PI............................................... 36 2.7 - Resumo ................................................................................................ 38

Captulo 3 ......................................................................................... 39

Sistemas de Proteo em Linhas de Transmisso ........................................................ 39 3.1 - Constituio, Caractersticas e Seleo dos Sistema de Proteo .......................... 39 3.2 - Comportamento dos Sistemas Eltricos de Energia perante a ocorrncia de curto-

circuitos em Corrente Alternada .................................................................. 41 3.3 - Proteo das Linhas de Transmisso e Distribuio ........................................... 44 3.3.1 - Fatores que influenciam a Proteo de Linhas de Transmisso e Distribuio ...... 45 3.3.2 - Proteo de Linhas de Transmisso ......................................................... 45 Proteo de Distncia ..................................................................................... 48 3.4 - Problemas que Afetam a Proteo de Distncia de Linhas de Transmisso ............... 50 3.4.1 - Configurao do Sistema ...................................................................... 51 I. Comprimento da Linha .............................................................................. 51 II. Topologia da Linha .................................................................................. 53 III. Sistemas Eltricos Fracos ........................................................................... 53 IV. Linhas em Paralelo .................................................................................. 54 V. Linhas com retorno pela terra de alta impedncia ............................................ 55 3.4.2 - Aplicao de Rels de Distncia a Linhas Mdias e Curtas .............................. 55 I. Rapidez de operao ................................................................................ 57 II. Sobre-alcance e sub-alcance transitrios ....................................................... 57 III. Integridade Direcional .............................................................................. 58 IV. Baixas Parametrizaes dos Rels de Distncia ................................................ 59 3.4.3 - Consideraes Adicionais ...................................................................... 60 3.5 - Resumo ................................................................................................ 61

Captulo 4 ......................................................................................... 63

Influncia de uma Ligao CFT-CCAT no Comportamento de Sistemas de Proteo de Linhas de Transmisso ................................................................................. 63

4.1 - Avaliao da Estabilidade e Comportamento de uma Rede de Transmisso .............. 63 4.2 - Influncia de uma Ligao CFT-CCAT no Comportamento de uma Rede de

Transmisso ........................................................................................... 66 4.3 - Possvel Influncia de uma Ligao CFT-CCAT no comportamento da Proteo de

Distncia .............................................................................................. 70 4.4 - Limitaes da Metodologia ......................................................................... 71 4.5 - Resumo ................................................................................................ 72

Captulo 5 ........................................................................................ 73

Caso de Estudo e Anlise Crtica dos Resultados ......................................................... 73 5.1 - Caractersticas do Sistema de Transmisso CFT-CCAT ........................................ 73 5.1.1 - Estratgias de Controlo da Ligao CFT-CCAT ............................................. 74 5.1.2 - Modelizao das Malhas de Controlo ........................................................ 75 5.1.2 - Dimensionamento dos Filtros ................................................................. 78 5.1.4 - Avaliao da Resposta Dinmica do Sistema de Transmisso CFT-CCAT .............. 80 5.2.2 - Modelizao das Cargas e Dimensionamento dos Condensadores ...................... 87 5.2.3 - Modelizao dos Transformadores ........................................................... 88 5.3.1 - Resultados Tericos ............................................................................ 89 5.3.2 - Resultados Prticos ............................................................................. 91 5.3.3 - Comparao dos Resultados .................................................................. 92

Captulo 6 ......................................................................................... 97

Concluses e Possveis Trabalhos Futuros ................................................................. 97 6.1 - Concluses ............................................................................................ 97 6.1 - Contribuio do Trabalho .......................................................................... 98 6.2 - Limitaes da Metodologia ......................................................................... 99

xiii

6.3 - Possveis Trabalhos Futuros ........................................................................ 99

Referncias ..................................................................................... 101

Anexo I - Parmetros dos componentes do Caso de Estudo ........................... 107

Anexo II Resposta Dinmica da Ligao CFT-CCAT em condies de curto-circuito111 I. Curto-Circuito Fase-Terra ......................................................................... 111 II. Curto-Circuito Trifsico ............................................................................ 113

Lista de figuras

Figura 2.1 Capacidade de Transmisso de Potncia em funo da Distncia para linhas AC e DC (Adaptado de [10]). .......................................................................... 6

Figura 2.2 - Comparao dos custos de investimento nos equipamentos de transmisso em AC e DC, em funo da distncia de transmisso (Adaptado de [13]). ........................ 7

Figura 2.3 Configuraes de transmisso em CCAT: (a) Monopolar; (b) Bipolar; (c) Homopolar. (Adaptado de [10, 11, 13, 25]). ..................................................... 10

Figura 2.4 Configurao de transmisso em CCAT Back-to-Back (Adaptado de [10, 25]). .... 10

Figura 2.5 - Transmisso CCAT multi-terminal para a ligao de parques elicos em mar aberto (Adaptado de [16]). .......................................................................... 10

Figura 2.6 - Ponte Conversora (Adaptado de [10]). ................................................... 12

Figura 2.7 - Sistema de Transmisso CFT-CCAT (Adaptado de [26]). ............................... 14

Figura 2.8 - Conversor de Fonte de Tenso ligado a uma rede de CA : (a) - Circuito equivalente; (b) - Diagrama fasorial (Adaptado de [26]). ..................................... 14

Figura 2.9 - Diagrama P-Q de um CFT-CCAT: (a) Ideal; (b) Real (Adaptado de [39]). ....... 16

Figura 2.10 - Conversor de dois nveis: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]). ................................................................................... 17

Figura 2.11 - Conversor multinvel: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]). ................................................................................... 18

Figura 2.12 - Conversor Multinvel Modular: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]). ................................................................................... 18

Figura 2.13 - Modulao de Largura de Impulsos Sinusoidal com 5.fm ........................ 20

Figura 2.14 - Mapa de comutaes da MLI no Espao Vetorial (Adaptado de [1]). ............... 22

Figura 2.15 Estrutura de Custos tpica de uma instalao CCAT baseada em CFTs de dois ou trs nveis (Adaptado de [37]). ................................................................. 24

Figura 2.16 Modelo Detalhado de um Conversor de Dois Nveis (Adaptado de [18]), .......... 25

Figura 2.17 - Transformao de eixos para o Controlo Vetorial. .................................... 28

xv

Figura 2.18 - Operao das Transformadas de Clarke e de Park (Adaptado de [62]). ........... 28

Figura 2.19 - Diagrama de blocos da Malha de Sincronizao de Fase. ............................ 30

Figura 2.20 - Esquema unifilar a ligao entre a rede de CA e um conversor de uma ligao CFT-CCAT. .................................................................................... 31

Figura 2.21 - Malha de Controlo Interior. ............................................................... 33

Figura 2.22 - Ligao entre as Malhas de Controlo Exteriores e Interior. ......................... 34

Figura 2.23 - Malhas de Controlo Exterior: (a) Vcc; (b) - Vca. ..................................... 34

Figura 2.24 - Malha de Controlo de P. ................................................................... 35

Figura 2.25 Princpio do Controlo Vetorial das componentes d e q da corrente (Adaptado de [11]). ................................................................................................ 36

Figura 3.1 Constituio tpica de um Sistema de Proteo. ........................................ 40

Figura 3.2 - Evoluo temporal da corrente de curto-circuito: (a) situao mais favorvel; (b) situao mais desfavorvel. ..................................................... 42

Figura 3.3 Comportamento temporal da corrente de curto-circuito: (a) Corrente de curto-circuito assimtrica; (b) Componentes da corrente de curto-circuito (Adaptado de [74]). ................................................................................... 42

Figura 3.4 Representao temporal dos perodos nos quais ocorre a variao da componente fundamental da corrente de curto-circuito (Adaptado de [74]). ............. 43

Figura 3.5 - Tipos de Proteo de Linhas de Transmisso (Adaptado de [77]). ................... 46

Figura 3.6 - Diferentes Caractersticas de Operao dos Rels de Distncia: (a) Mho com offset; (b) - Poligonal; (c) - Losango............................................................... 49

Figura 3.7 - Zonas de proteo de um rel de distncia para uma rede radial (Adaptado de [72]). .................................................................................................... 50

Figura 3.8 Circuito equivalente de um sistema eltrico em regime de curto-circuito (Adaptado de [86]). ................................................................................... 55

Figura 3.9 Evoluo da tenso no rel em funo do SIR e da tenso na fonte. ............... 56

Figura 3.10 - Evoluo da tenso no rel face tenso na fonte em funo do SIR. ............ 56

Figura 3.11 - Tempo de operao mximo do rel vs. localizao do defeito (Adaptado de [77]). .................................................................................................... 57

Figura 3.12 Estrutura bsica de um Transformador de Tenso Capacitivo (Adaptado de [90]). .................................................................................................... 58

Figura 3.13 - Alcance aparente do rel vs. tenso no rel (Adaptado de [77]). .................. 59

Figura 3.14 - Variao do tempo de operao com a distncia ao defeito (Adaptado de [77]). .................................................................................................... 60

Figura 4.1 Circulao da corrente de defeito entre um barramento e a terra. ................ 64

Figura 4.2 - Esquema Equivalente de Thvenin para a determinao do ESCR. .................. 65

Figura 4.3 Modelizao de um Gerador Sncrono em regime de curto-circuito. ................ 67

Figura 4.4 Circuito equivalente a montante de um barramento para um Rel de Distncia. ............................................................................................... 70

Figura 4.5 Relao entre a tenso no Rel de Distncia e o ESCR e impedncia equivalente da rede a montante. .................................................................. 71

Figura 5.1 - Sistema de transmisso CFT-CCAT em estudo. .......................................... 74

Figura 5.2 Transformao de grandezas no referencial trifsico para o referencial de Park. ..................................................................................................... 75

Figura 5.3 - Malha de Controlo da Tenso do lado de CA. ............................................ 75

Figura 5.4 Malha de Controlo da Tenso do lado de CC. ............................................ 76

Figura 5.5 Malha de Controlo da Potncia Ativa. .................................................... 76

Figura 5.6 Malha de Controlo Interior de um Conversor. ........................................... 77

Figura 5.7 Gerao das Sinusoides de Referncia para a Modulao de Largura de Impulsos. ............................................................................................... 77

Figura 5.8 Gerao dos Impulsos dos IGBTs atravs de Modulao de Largura de Impulsos. ............................................................................................... 78

Figura 5.9 - Esquema unifilar do filtro. .................................................................. 78

Figura 5.10 - Resposta em Frequncia da FTMF do Filtro (Diagrama de Bode). .................. 80

Figura 5.11 - Tenses dos lados de CA e CC nos conversores: Retificador (cima) e Inversor (baixo): (a) Evoluo temporal; (b) - Pormenor. .............................................. 81

Figura 5.12 - Correntes trifsicas nos lados de CA dos conversores: Retificador (cima) e Inversor (baixo) : (a) Evoluo temporal; (b) - Pormenor.................................... 81

Figura 5.13 Grandezas aos terminais dos Conversores - Retificador (cima) e Inversor (baixo): (a) - Potncias Ativas e Reativas; (b) - Evoluo do valor eficaz da tenso do lado de CA dos conversores e do valor de referncia. ......................................... 82

Figura 5.14 Componentes d e q da corrente da malha de controlo interior dos Conversores: (a) - CFT 1; (b) CFT2. .............................................................. 82

Figura 5.15 Caso de Estudo para a Anlise da Influncia das Caractersticas do Parque Produtor no Comportamento dos Sistemas de Proteo de Linhas de Transmisso. ...... 83

Figura 5.16 - Sistema de excitao do tipo AC1A (Adaptado de [103]). ........................... 84

Figura 5.17 Turbina a Vapor com Reaquecimento Simples: (a) Diagrama Esquemtico; (b) Diagrama de Blocos (Adaptado de [98]). ................................................... 85

Figura 5.18 - Sistema de Regulao de uma Turbina a Vapor com Reaquecimento Simples: (a) Diagrama Funcional; (b) Diagrama de Blocos (Adaptado de [98]). ................... 86

Figura 5.19 - Gerador Sncrono e respetivos sistemas de regulao e turbina implementados em PSCAD. .......................................................................... 87

Figura 5.20 - Modelo de carga utilizado em PSCAD (Caracterstica P-Q fixa). .................... 87

xvii

Figura 5.21 - Modelo de transformador utilizado em PSCAD para a ligao dos Geradores Sncronos. ............................................................................................... 88

Figura 5.22 - Evoluo dos valores tericos da tenso U0 para diferentes valores da potncia nominal do Gerador Sncrono e da Ligao CFT-CCAT: (a) 200 MVA; (b) 250 MVA; (c) 300 MVA. ............................................................................. 90

Figura 5.23 - Evoluo dos valores tericos da tenso U0 nos barramentos da rede de teste para diferentes valores de potncia nominal de: (a) - Gerador Sncrono G1; (b) Ligao CFT-CCAT. .................................................................................... 90

Figura 5.24 - Evoluo da tenso U0 para diferentes valores da potncia nominal do Gerador Sncrono e da Ligao CFT-CCAT: (a) 200 MVA; (b) 250 MVA; (c) 300 MVA. ..................................................................................................... 91

Figura 5.25 - Evoluo da tenso U0 nos barramentos da rede de teste para diferentes valores de potncia nominal de: (a) - Gerador Sncrono G1; (b) Ligao CFT-CCAT. ... 92

Figura 5.26 - Comparao entre os valores tericos e prticos da tenso U0 para os diferentes valores de potncia analisados quando o gerador sncrono G1 se encontra em servio. ............................................................................................. 92

Figura 5.27 - Comparao entre os valores tericos e prticos da tenso U0 para os diferentes valores de potncia analisados quando a ligao CFT-CCAT se encontra em servio. ............................................................................................. 93

Figura 5.28 - Comparao dos valores tericos e prticos da tenso para os diferentes valores de potncia analisados quando o gerador G1 e a ligao CFT-CCAT se encontram em servio: (a) G1 em servio, tericos e prticos; (b) Ligao CFT-CCAT em servio, tericos e prticos; (c) G1 e Ligao CFT-CCAT em servio, tericos; (d) G1 e Ligao CFT-CCAT em servio, prticos. ................................. 94

Lista de tabelas

Tabela I Semicondutores de potncia totalmente controlveis. ................................. 11

Tabela III Comutao das vlvulas atravs de MLI no Espao Vetorial. ......................... 21

Tabela III - Designao e Principais Funes Ativas nos Sistemas de Proteo Primria dos painis da REN (Adaptado de [80])................................................................. 47

Tabela IV - Principais Funes Ativas nos Sistemas de Proteo Secundria dos painis da REN. ..................................................................................................... 47

Tabela V - Parametrizaes dos Rels de MI e MIHD dos painis da REN. ......................... 48

Tabela VI Parmetros Especificados para o Dimensionamento dos Filtros. ...................... 78

Tabela VII - Parmetros tpicos do Sistema de Excitao AC1A (Adaptado de [103]). .......... 84

xix

Abreviaturas e Smbolos

Lista de abreviaturas

CAAT Corrente Alternada em Alta Tenso

CCAT Corrente Contnua em Alta Tenso

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CFC Conversor de Fonte de Corrente

CFT Conversor de Fonte de Tenso

CIGRE Conference Internationale des Grandes Reseaux Electriques a Haute Tension

ESCR Effective Short Circuit Ratio

FACTS Flexible AC Transmission Systems

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

LCC Line Commutated Converter

MLI Modulao de Largura de Impulsos

SCR Short Circuit Ratio

SIR Source Impedance Ratio

Lista de smbolos

A Ampere

f Frequncia

Frequncia angular

kV Kilovolt

km Quilmetro

MW Megawatt

MVA Megavolt-ampere

MVAr Megavolt-ampere Reativo

Captulo 1

Introduo

O trabalho desenvolvido tem como objetivos principais a anlise das consequncias da

progressiva migrao do parque eletroprodutor no comportamento dos Sistemas de Proteo

de Linhas de Transmisso, atendendo ao progressivo comissionamento de ligaes de

Corrente Contnua em Alta Tenso e o abandono da explorao de centrais trmicas

convencionais.

De forma a cumprir os objetivos propostos foi desenvolvida uma metodologia que permite

determinar a tenso num barramento qualquer da rede em regime de curto-circuito,

atendendo importncia crtica deste parmetro no comportamento dos Sistemas de

Proteo. A metodologia permite quantificar e avaliar a alterao de tenso sofrida num

barramento em regime de curto-circuito qualquer quando ocorrem alteraes na composio

do parque eletroprodutor, em especial quando um Gerador Sncrono substitudo por uma

ligao de Corrente Contnua em Alta Tenso.

1.1 - mbito da Dissertao

A progressiva procura por energia eltrica originou uma explorao das Redes de

Transporte e Distribuio em pontos de operao prximos dos seus limites. O planeamento

da expanso dos Sistemas Eltricos de Energia dificultado por cada vez mais obstculos e

presses polticas, ambientais, socias e paisagsticas, pelo que a resposta dos Operadores de

Rede se tem vindo a fazer atravs da otimizao dos recursos disponveis.

Este panorama ainda agravado por iniciativas de reduo da pegada ecolgica atravs

da produo de energia para uma base mais renovvel, suportadas pela Unio Europeia [2],

nomeadamente atravs do aproveitamento do enorme potencial elico em mar aberto

disponvel na Europa, essencialmente no Mar no Norte [3]. Apesar de esta soluo aparente

ser capaz de mitigar os inconvenientes acima referidos, na verdade a acomodao da

produo elica em mar aberto necessita tambm ela de investimentos em novas

infraestruturas [4], o que agrava o exposto acima. Uma soluo tambm bastante adotada o

aproveitamento de recursos hdricos a longa distncia, desde a fonte at aos pontos de

consumo [5].

2 Introduo

A considerao simultnea de reduo das emisses poluentes e da pegada ecolgica e do

aproveitamento dos recursos renovveis permite antever uma progressiva migrao do parque

eletroprodutor, na qual se assiste progressiva sada de servio de centrais trmicas, para o

progressivo comissionamento de parques elicos em mar aberto. Este comportamento

esperado atendendo ao elevado nmero e variedade de propostas para a criao de uma

gigantesca rede multi-terminal de Corrente Contnua em Alta Tenso em terra e em mar

aberto, a SuperGrid Europeia [6-8].

Alternativamente transmisso clssica em Corrente Alternada, para as aplicaes

especficas acima referidas, a Transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso apresenta

vantagens e desvantagens, do ponto de vista tcnico e econmico, embora as vantagens

suplantem largamente as desvantagens. Este tipo de ligao , alis, atualmente reconhecido

como a soluo de referncia para estas aplicaes [9].

1.2 - Motivao e Objetivos da Dissertao

Atendendo ao expectvel comissionamento de ligaes de Corrente Contnua em Alta

Tenso destinadas, em especial, a substituir geradores sncronos associados a centrais

trmicas convencionais, necessrio compreender at que ponto estas alteraes podem

afetar o comportamento dinmico dos Sistemas Eltricos de Energia.

Um dos aspetos mais crticos reside no comportamento dos Sistemas de Proteo. Em

Regime Permanente a ao dos Sistemas de Proteo independente da constituio do

parque eletroprodutor e foi j largamente analisada na literatura. Contudo, em regime de

curto-circuito o comportamento dos Sistemas de Proteo pode depender do comportamento

do tipo de fonte de energia e como tal das respetivas contribuies durante este regime.

Com o objetivo de analisar a influncia que as alteraes esperadas aos parques

eletroprodutores possam ter no comportamento e desempenho dos Sistemas de Proteo, os

objetivos passam por avaliar e quantificar alteraes no comportamento dos Sistemas de

Proteo de Redes de Transmisso quando um gerador sncrono substitudo por uma ligao

de Corrente Contnua em Alta Tenso. Atendendo complexidade e diversidade de topologias

existentes, pretende-se desenvolver uma metodologia genrica que permita quantificar, de

forma to aproximada quanto possvel, as alteraes no comportamento dos Sistemas de

Proteo. A metodologia deve ser aplicada a uma Rede de Teste que reflita, de forma to

realista quanto possvel, as caractersticas de Redes e Transmisso reais, devendo os

resultados obtidos por esta metodologia ser ainda validados recorrendo a ferramentas de

simulao.

1.3 - Estrutura da Dissertao

A Dissertao encontra-se estrutura em seis Captulos. O Captulo 1 contextualiza o tema

abordado e enquadra-o com o mbito deste trabalho, cuja descrio detalhada apresentada

nos captulos subsequentes.

O Captulo 2 apresenta e compara a transmisso de Corrente Alternada em Alta Tenso e

Corrente Contnua em Alta Tenso. Para a transmisso em Corrente Contnua, so

apresentadas as caractersticas particulares, vantagens e desvantagens deste tipo de

transmisso e caracterizadas as topologias, configuraes e tecnologias existentes a nvel

Estrutura da Dissertao 3

comercial. Por ltimo so apresentadas e fundamentadas as opes tomadas para a

modelizao do sistema de transmisso, de acordo com os objetivos da Dissertao.

O Captulo 3 apresenta os aspetos associados aos Sistemas de Proteo em Linhas de

Transmisso. So apresentadas as caractersticas dos Sistemas de Proteo, em especial da

Proteo de Distncia e analisados os principais desafios que as caractersticas intrnsecas s

Redes de Transmisso apresentam e a forma como estas caractersticas podem afetar o bom

comportamento dos Sistemas de Proteo. A anlise do impacto que as caractersticas

apresentadas podem ter nos Sistemas de Proteo tem em considerao os aspetos associados

transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso e a forma como a progressiva migrao

do parque eletroprodutor pode afetar o comportamento da Proteo de Distncia.

O Captulo 4 apresenta a metodologia desenvolvida, a qual permite determinar o valor da

tenso num barramento qualquer de uma rede, em regime de curto-circuito. Atendendo a

que a tenso um parmetro crtico operao da Proteo de Distncia em regime de

curto-circuito, o impacto da alterao da composio no comportamento da Proteo de

Distncia avaliado do ponto de vista terico,

No Captulo 5 definido um Caso de Estudo que permita a anlise dos fenmenos cujo

estudo se pretende nesta Dissertao e so apresentados os resultados obtidos a partir da

aplicao da metodologia proposta no Captulo 4. O Caso de Estudo modelizado em

ambiente PSCAD/EMTDC e efetuada uma anlise crtica dos valores obtidos por simulao e

fornecidos pela metodologia proposta.

O Captulo 6 encerra a Dissertao apresentando as principais concluses do trabalho

desenvolvido. As limitaes da metodologia desenvolvida so analisadas de forma crtica,

sendo ainda propostos progressos e trabalhos futuros que possam dar continuidade ao

trabalho desenvolvido.

4 Introduo

Captulo 2

Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Neste Captulo so apresentadas as caractersticas, incluindo vantagens e desvantagens,

da transmisso em Corrente Continua e Corrente Alternada. Sero ainda referidas as

caracterstica da transmisso em Corrente Contnua em Alta Tenso que a tornam mais

adequada para certas aplicaes particulares, como por exemplo a transmisso a longa

distncia e transmisso da energia de parques elicos em mar aberto.

Na Seco 2.4 sero apresentadas as configuraes das estaes conversoras, linhas e

cabos utilizadas na transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso, bem como as

topologias ponto a ponto e multi-terminal, apresentando esta ltima caractersticas que a

tornam bastante adequada explorao de recursos em mar aberto.

Por ltimo, nas Seces 2.5 e 2.6 sero apresentados os Conversores utilizados na

transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso, benefcios e limitaes tcnicas, bem

como a modelizao dos conversores analisados neste trabalho e respetivo controlo.

2.1 - Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua

em Alta Tenso

Os mritos relativos da transmisso em Alta Tenso, quer em Corrente Alternada (CA),

quer em Corrente Contnua (CC) podem ser avaliados com base num conjunto de diferentes

fatores, entre os quais [10, 11]:

Economia de Transmisso;

Desempenho Tcnico;

Fiabilidade.

Cada forma de transmisso possui associada um conjunto de vantagens e desvantagens, as

quais so mais ou menos preponderantes dependendo do tipo de aplicao.

6 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

2.1.1 - Transmisso de Corrente Alternada em Alta Tenso

A tecnologia utilizada na transmisso de Corrente Alternada em Alta Tenso (CAAT)

apresenta um elevado grau de maturidade e sobre a qual se possuem largos conhecimentos

das suas caractersticas de explorao. Quando aplicada na transmisso a longa distncia, a

transmisso apenas vivel, do ponto de vista econmico, quando so utilizados elevados

nveis de tenso de forma a minimizar as perdas por Efeito Joule. Nos nveis de tenso mais

elevados, i.e. acima de 500 kV, frequente a designao de Muito Alta Tenso em Corrente

Alternada (UATCA, da designao inglesa UHVAC - Ultra High Voltage Alternating Current).

A transmisso de potncia nas linhas condicionada pela diferena de fase entre os

fasores das tenses nas duas extremidades. Para um determinado fator de potncia, este

esfasamento aumenta com a distncia [10], sendo a transferncia mxima de potncia

limitada pelas condies de estabilidade em regime permanente e em regime transitrio [10,

12].

A capacidade de transmisso de potncia de uma linha de CA encontra-se representada na

Figura 2.1, estando tambm representada a capacidade de transporte de uma linha de CC, a

qual independente da distncia de transmisso, sendo apenas limitada pela capacidade de

transporte de corrente dos condutores utilizados1.

Figura 2.1 Capacidade de Transmisso de Potncia em funo da Distncia para linhas AC e DC

(Adaptado de [10]).

O controlo de tenso em linhas de CA dificultado pela corrente capacitiva da linha e

pelas quedas de tenso indutivas [13]. O perfil de tenso na linha relativamente estvel

apenas para um determinado nvel de potncia a transmitir, dado que varia com a carga

alimentada. Desta forma, a manuteno de nveis de tenso constantes nas duas

extremidades requer um controlo da potncia reativa injetada, medida que varia o valor da

carga alimentada. Os requisitos de potncia reativa aumentam tambm com o aumento da

distncia de transmisso da linha ou cabo. Desta forma, para grandes distncias necessrio

adotar medidas para mitigar os inconvenientes da corrente capacitiva e de estabilidade. Isto

conseguido atravs de condensadores inseridos em srie e indutncias shunt [13].

O progressivo comissionamento de parques elicos em mar aberto, associado a um

aumento da capacidade instalada e da distncia costa, devido a melhores potenciais de

aproveitamento elico, originou um aumento considervel das perdas nos cabos [14]. Esta a

1 frequente a designao de limite trmico dos condutores para expressar a limitao que estes possuem em transportar corrente eltrica, a qual origina o aquecimento dos mesmos por Efeito Joule.

Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso 7

principal limitao da transmisso em CAAT.O aumento da distncia de transmisso origina

tambm o aumento da potncia reativa produzida pelos cabos, originando desequilbrios da

tenso em ambos os terminais. Desta forma necessrio proceder ao consumo do excesso de

potncia reativa, sendo tipicamente utilizados compensadores nos dois terminais, de forma a

manter nveis de tenso constantes e adequados em ambos os terminais [15].

2.1.2 - Transmisso de Corrente Contnua em Alta Tenso

Alm da instalao de parques elicos a distncias cada vez maiores relativamente

costa, as potncias propostas dos parques tambm tm vindo a ser cada vez mais elevadas,

havendo inclusive propostas de 500 MW [16]. A transmisso desta potncia implica a

utilizao de Alta Tenso de forma a minimizar as perdas nos cabos; contudo, isto implica

uma maior capacidade dos cabos e os problemas de regulao de tenso associados.

Tipicamente, medida que a distncia costa aumenta, mais consistente o perfil do

vento e menores so as objees relacionadas com o impacto visual. A tendncia consiste,

portanto, em optar por instalaes de potncia instalada cada vez maior e mais afastadas da

costa2, com cabos de transmisso cada vez mais longos e a operar com tenses elevadas [16].

Desta forma o custo dos cabos e dos equipamentos associados regulao de tenso pode

rapidamente tornar-se o fator econmico dominante da instalao.

As perdas na transmisso de Contnua em Alta Tenso (CCAT) so, em geral, inferiores

CAAT, estando o valor das perdas condicionado pela seco dos condutores utilizados.

Repare-se que os cabos em CA ou CC, utilizados quer em linhas areas, quer ao nvel

subaqutico, podem originar menores perdas custa de um maior investimento em

condutores com maiores seces [17].

Na Figura 2.2 est representada a evoluo dos custos de investimento nos equipamentos

de transmisso em CA e CC, em funo da distncia de transmisso.

Figura 2.2 - Comparao dos custos de investimento nos equipamentos de transmisso em AC e DC, em funo da distncia de transmisso (Adaptado de [13]).

Como se pode verificar, a transmisso em CA mais econmica para pequenas distncias

do que em CC, essencialmente devido ao custo considervel dos conversores. Contudo, a

opo pela transmisso em CC mais econmica para distncias de transmisso

2 O aumento da potncia instalada no se prende apenas com a possibilidade de aproveitar melhor o potencial elico existente em mar aberto, mas tambm garantir uma maior previsibilidade na potncia injetada na estao continental, de forma a mitigar os inconvenientes associados previsibilidade e intermitncia do vento.

8 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

progressivamente mais elevadas dado que, contrariamente transmisso em CA, no

necessita de compensao da potncia reativa gerada pelos cabos. Existe, contudo, uma

distncia crtica para a qual a opo pela transmisso em CC mais econmica que a

transmisso em CA. Esta distncia crtica toma o valor de cerca de 25-40 km para cabos

subaquticos [10, 13, 16, 17] e de cerca de 500-800 km para linhas areas [10, 13].

parte da energizao inicial do cabo, no existem correntes de carga, como a

capacitiva, e portanto no existem problemas de regulao de tenso na transmisso em CC,

dado que no existe a produo de energia reativa [15, 16].

Em condies normais de operao, a ligao CCAT procede ao desacoplamento dos

sistemas que interliga, sendo a potncia ativa transportada controlada independentemente

das alteraes que possam suceder na frequncia ou nas fases dos fasores de tenso nos

terminais. Mesmo sob condies anormais ou de defeito, a interrupo do fornecimento de

potncia permite isolar o sistema com perturbaes do sistema so, evitando o colapso de

sistemas vizinhos interligados [10, 11], os quais podem ter frequncias nominais diferentes.

Os conversores utilizados nos terminais da ligao CCAT no contribuem para a potncia

de curto-circuito [10, 11] nos terminais aos quais esto ligados e portanto a sua instalao

no requer, em princpio, grandes procedimentos de atualizao dos disjuntores e demais

equipamentos dos Sistemas de Proteo existentes nas redes AC. Adicionalmente, a ligao

pode operar para melhorar a estabilidade num ou em ambos os terminais atravs da

modulao da potncia em funo das oscilaes da potncia nos sistemas que interliga [10,

11, 18-21].

Contudo existem tambm desvantagens associadas transmisso em CC, como o tamanho

e custo dos conversores e dos equipamentos necessrios para o fornecimento de energia

reativa. Alguns dos custos podem ser compensados pelo facto de, como referido

anteriormente, a transmisso em CC necessitar apenas de dois cabos para a mesma

capacidade de transmisso dos trs cabos necessrios em CA.

At recentemente a dimenso das estaes conversoras constitua uma desvantagem

considervel, especialmente quando a mesma se destinava a ser instalada numa plataforma

em mar aberto. Contudo, o desenvolvimento recente da tecnologia baseada em Conversores

de Fonte de Tenso (CFTs, VSCs Voltage Source Converters na terminologia inglesa), os

quais no necessitam do fornecimento de energia reativa, levou a uma compactao eficiente

dos equipamentos, tornando-os perfeitamente capazes de serem colocados nas plataformas

de forma econmica [16].

Contudo o mbito da aplicao da transmisso CCAT limitado por alguns fatores, entre

os quais [10]:

A dificuldade em interromper a CC, o que resulta no custo elevado de disjuntores

de CC;

Incapacidade de utilizar transformadores para alterar o nvel de tenso;

Elevados custos dos Conversores;

Produo de componentes harmnicas que necessitam de filtros de CA e CC, cujos

custos tm que ser adicionados aos dos conversores;

Complexidade do controlo.

Relativamente dificuldade em interromper a CC, principalmente em situaes de

defeito, embora tenham sido propostos vrios tipos de disjuntores para a aplicao na

Configuraes e Topologias da Transmisso em CCAT 9

transmisso em CCAT, os mais relevantes e com maior potencial foram relatados em [22] e

em [23]. Em [24] apresentada uma descrio do estado da arte que analisa os problemas e

implicaes da aplicao de disjuntores na transmisso em CC, sendo ainda referidas as reas

de investigao futuras de onde podero surgir resultados prometedores para a conceo de

dispositivos capazes de interromper de forma eficaz e segura a CC para nveis de tenso

elevados.

2.2 - Configuraes e Topologias da Transmisso em CCAT

As estaes conversores, linhas e cabos da transmisso em CCAT podem ser concebidas e

instaladas de acordo com vrias configuraes:

Monopolar: nesta configurao os dois conversores encontram-se ligados por um

nica linha de um nico polo, positivo ou negativo. Apenas existe um condutor

isolado instalado e a terra ou o oceano fornecem o caminho para a corrente de

retorno [13]. Alternativamente, um condutor metlico pode ser utilizado como

caminho de retorno [10, 11, 25].

Bipolar: esta a configurao mais comummente adotada, sendo utilizados dois

condutores isolados, para os polos positivo e negativo. Os dois polos podem ser

operados independentemente se ambos os neutros estiverem ligados terra,

aumentando a capacidade de transferncia de potncia [11, 25]. Em condies

normais de operao, a corrente em ambos os polos idntica e no h corrente

nos condutores de neutro. Se num dos polos ocorrer uma avaria, o outro pode ser

operado independentemente do polo afetado, o que permite uma fiabilidade

acrescida face configurao monopolar [10, 11, 13].

Devido aos elevados custos dos equipamentos empregues na transmisso em

CCAT, e necessidade de integrar o planeamento da transmisso e os planos de

investimento em um ou mais horizontes temporais, bem como atendendo aos

interesses existentes e maximizao dos objetivos envolvidos, a configurao

monopolar pode ser adotada inicialmente, sendo posteriormente atualizada para

a configurao bipolar [10].

Homopolar: nesta configurao dois ou mais condutores da mesma polaridade,

geralmente negativa [10], so operados com retorno metlico ou pela terra. Com

dois polos a operar em paralelo, esta configurao permite reduzir os custos de

isolamento. Contudo a grande desvantagem est relacionada com a elevada

corrente de retorno pela terra [11, 25].

As diferentes configuraes encontram-se representadas na Figura 2.3.

Em [26] considerada a ligao Back-to-Back (B2B), frequentemente utilizada na ligao

assncrona de dois sistemas, como uma configurao individual. Neste tipo de instalaes, as

duas estaes conversoras encontram-se localizadas na mesma instalao e no necessria

a interligao das mesmas por qualquer linha ou cabo. Os dois sistemas interligados podem,

ou no, possuir frequncias diferentes, como na interligao das ilhas do arquiplago Japons

10 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

ou na Amrica do Sul [27]. Nos Estados Unidos existem ainda vrias destas ligaes, quer com

o Canad, quer na interligao das redes eltricas do Este e Oeste do pas [10, 11, 25, 28].

Figura 2.3 Configuraes de transmisso em CCAT: (a) Monopolar; (b) Bipolar; (c) Homopolar.

(Adaptado de [10, 11, 13, 25]).

As ligaes B2B tiram partido das propriedades previamente referidas das possibilidades

de controlo e de desacoplamento entre os terminais dos conversores, sendo exclusiva da

transmisso em CCAT. Esta configurao encontra-se representada na Figura 2.4.

Figura 2.4 Configurao de transmisso em CCAT Back-to-Back (Adaptado de [10, 25]).

As topologias da transmisso CCAT so essencialmente duas: ponto a ponto e multi-

terminal. A transmisso ponto a ponto a mais simples do ponto de vista de construo e

operao e requer menos equipamento, embora apresente uma reduzida fiabilidade uma vez

que qualquer problema existente nos conversores ou no cabo de ligao das estaes

conversoras implica a perda da ligao fonte produtora.

A explorao de vrias ligaes CCAT ponto a ponto pode servir de base para uma

implementao futura de uma rede de CC multi-terminal (MTDC Multi-terminal Direct

Current). Contudo esta alterao exige algoritmos de controlo mais complexos, sendo uma

das reas de investigao para a qual tm surgido vrios contributos, alguns dos quais podem

ser encontrados em [29-34].

Na Figura 2.5 encontram-se representadas as duas topologias de transmisso em CCAT,

para a ligao de parques elicos em mar aberto.

Figura 2.5 - Transmisso CCAT para a ligao de parques elicos em mar aberto: (a) Ponto a ponto; (b) - Multi-terminal (Adaptado de [16]).

Conversores utilizados na Transmisso em CCAT 11

2.3 - Tipos de Semicondutores de Potncia

Os dispositivos semicondutores utilizados na rea de Eletrnica de Potncia, como na

transmisso CCAT e em dispositivos FACTS, podem ser classificados de acordo com a sua

capacidade de controlo de entrada (ON) e sada (OFF) de conduo. Atendendo a esta

classificao, uma possvel designao para os dispositivos pode ser [35]:

Incontrolveis, e.g. dodos de potncia;

Semi-controlveis, e.g. tirstores, nos quais a entrada em conduo controlvel;

Totalmente controlveis, e.g. transstores, nos quais a entrada e sada so

totalmente controlveis3. Dentro desta categoria incluem-se os interruptores

eletrnicos (de potncia), comummente designados por switches.

Apesar de os transstores de potncia consistirem nos interruptores mais comuns, existem

tambm alguns tipos especiais de tirstores totalmente controlveis.

Na Tabela I esto includos alguns dos semicondutores totalmente controlveis utilizados

em aplicaes industriais [36].

Tabela I Semicondutores de potncia totalmente controlveis.

Acrnimo Tipo Designao

GTO Tirstor Gate Turnoff Thyristor

GCT Tirstor Gate Commutated Turnoff Thyristor

IGCT Transstor Integrated Gate Commutated Thyristor

IEGT Transstor Injection Enhanced Gate Transistor

IGBT Transstor Insulated Gate Bipolar Transistor

Atendendo aos elevados nveis de tenso e corrente a que estes dispositivos se destinam a

ser utilizados face aos seus valores individuais, a sua aplicao industrial exige o

empilhamento destes dispositivos em srie e paralelo, sendo controlados simultaneamente,

de forma a obter as caractersticas de tenso e corrente, respetivamente, necessrias.

2.4 - Conversores utilizados na Transmisso em CCAT

Os conversores utilizados na transmisso em CCAT diferem consoante o tipo de converso

utilizada. Os conversores so de dois tipos, os quais apresentam caractersticas tcnicas e

funcionais diferentes:

3 Esta controlabilidade total pressupe a instalao de circuitos auxiliares, snubbers, destinados, entre outras funes, a auxiliar o funcionamento e a proteger os semicondutores de potncia perante perturbaes como situaes de defeito, por exemplo.

12 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Conversores de Fonte de Corrente: CFC-CCAT (LCC-HVDC Line Commutated

Converter High Voltage Direct Current, na terminologia inglesa);

Conversores de Fonte de Tenso: CFT-CCAT (VSC-HVDC Voltage Source

Converter High Voltage Direct Current, na terminologia inglesa).

A configurao bsica de um conversor trifsico, do tipo CFC ou CFT, uma ponte

conversora alimentada a partir dos enrolamentos secundrios de um transformador, ligados

em Estrela ou Tringulo. O transformador que alimenta o conversor cumpre vrios objetivos,

entre os quais [10]:

Separao galvnica entre os lados Corrente Contnua e Alternada;

Transformao de tenso entre as redes CA e CC,

Ajuste da tenso do lado de CA, aplicada ao conversor atravs dos Reguladores de

Tenso em Carga;

O esquema unifilar de uma ponte conversora encontra-se representado na Figura 2.6. Os

interruptores (switches - S), tambm designados por vlvulas [25], encontram-se numerados

pela ordem pela qual entram em conduo (estado ON).

Figura 2.6 - Ponte Conversora (Adaptado de [10]).

Num conversor do tipo CFC os interruptores so constitudos por tirstores, enquanto num

CFT so constitudos por IGBTs. As caractersticas de cada tipo de converso encontram-se

apresentadas de seguida.

2.4.1 - Transmisso Clssica em CCAT (CFC-CCAT)

A transmisso recorrendo a conversores do tipo CFC foi a primeira a ser adotada e

permaneceu como a soluo de referncia durante vrios anos, razo pela qual apelidada

de Clssica, face ao tipo mais recente de conversores baseados em CFTs.

A primeira ligao CCAT entrou em servio em 1954 e destinava-se a ligar a ilha de

Gotland, na Sucia, ao continente e possua uma extenso de 96 km. Os interruptores

utilizados consistiam em Vlvulas de Mercrio, as quais possuam alguns problemas de

funcionamento como falhas de comutao e escorvamentos [10, 25], tendo sido rapidamente

substitudas por tirstores. Estes dispositivos so a soluo de referncia utilizada nos

conversores do tipo CFC.

S1 S3 S5

S4 S6 S2

P

N

a

b

c

Conversores utilizados na Transmisso em CCAT 13

As principais vantagens da transmisso utilizando CFCs residem na transmisso a longa

distncia de grandes quantidades de potncia [5, 11]. Aplicaes como a ligao assncrona

de dois sistemas CA e ligao de parques elicos em mar aberto so exclusivas da tecnologia

CFT-CCAT.

Duas limitaes particulares da transmisso baseada em CFCs, as quais so aqui referidas

pois no o so na transmisso utilizando CFTs, so [10, 11, 25]:

Impossibilidade de controlar individualmente as potncias ativa e reativa;

Incapacidade para contribuir para a recuperao do sistema, em caso de colapso,

sendo necessrio um sistema auxiliar para esse fim.

2.4.2 - Transmisso em CCAT utilizando CFTs (CFT-CCAT)

A procura crescente por energia eltrica, associada s restries de construo de novas

linhas levou a uma explorao prxima do limite das infraestruturas de rede. Alm de um

maior risco de violao dos valores dos ndices de Qualidade de Servio, existem igualmente

riscos associados quer explorao dos prprios componentes, quer propenso para a

ocorrncia de instabilidade na rede. Uma estratgia passa por adaptar os sistemas de

transmisso tradicionais de forma a permitir a transferncia uma maior quantidade de

potncia utilizando as mesmas infraestruturas, i.e. apoios e corredores areos.

A utilizao de um novo tipo de conversores baseados em Conversores de Fonte de Tenso

(CFTs) pode ser uma soluo para este problema. Neste tipo de conversores, cuja primeira

aplicao foi em 1999 na atualizao da ligao entre a ilha de Gotland e a Sucia [37], a

polaridade da tenso na ligao em CC fixada quando os conversores operam quer como

retificador quer como conversor, contrariamente aos conversores baseados em tirstores nos

quais a polaridade da corrente que fixada para ambos os modos de operao [10, 11, 25]-

Cada empresa comercializadora apresenta vrias solues de transmisso em CCAT, quer

para a transmisso a longa distncia, quer para a ligao de parques elicos em mar aberto.

O nome comercial das tecnologias so HVDC Light para a ABB e HVDC PLUS para a

Siemens. Existem ainda outros fabricantes de renome mundial com solues nesta rea,

embora de menor extenso, como a AREVA [38] e a ALSTOM [28], embora com uma presena

bastante forte no mercado de dispositivos FACTS baseados em CFTs.

A topologia do conversor a mesma que a representada na Figura 2.6, sendo a comutao

assegurada por IGBTs, aos quais se encontram associados dodos numa configurao

antiparalela. A forma de onda da tenso e os seus parmetros como frequncia, magnitude e

fase podem ser ajustados atravs do recurso Modulao de Largura de Impulsos (MLI/PWM -

Pulse Width Modulation, na terminologia inglesa) aplicados aos IGBTs.

A estrutura tpica de um sistema de transmisso do tipo VSC-HVDC encontra-se

representada na Figura 2.7.

14 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Figura 2.7 - Sistema de Transmisso CFT-CCAT (Adaptado de [26]).

Os componentes deste tipo de transmisso so [11]:

Filtros AC;

Transformadores;

Reatncias de Fase;

Conversores;

Condensadores DC;

Linhas ou Cabos DC.

Conversores

So constitudos por IGBTs com dodos colocados em antiparalelo e numa ligao um

conversor funciona como Retificador e o outro como Inversor. A topologia de ligao pode ser

uma das apresentadas na Figura 2.3 e Figura 2.4.

A designao de Conversores de Fonte de Tenso prende-se com o facto de na explicao

do funcionamento das ligaes CCAT recorrendo a este tipo de conversores se considerar cada

terminal como uma fonte de tenso ligada a uma rede de CA atravs de reatncias, conforme

representado na Figura 2.8. Como se pode verificar, o sistema de CA encontra-se ligado ao

conversor atravs das reatncias de fase. O conversor modelizado no lado de CA como uma

fonte de tenso controlada de magnitude vu e do lado de CC como uma fonte de corrente controlada de intensidade DCi .

Figura 2.8 - Conversor de Fonte de Tenso ligado a uma rede de CA : (a) - Circuito equivalente; (b) - Diagrama fasorial (Adaptado de [26]).

A fonte de corrente determinada com base no equilbrio de potncia entre os lados de

CA e CC do conversor, no qual a magnitude, fase e frequncia podem ser controladas de

forma independente [10, 11].

A fonte de tenso controlada pode ser descrita atravs da expresso

1

sin termos harmnicos2

v DCu u M t (2.1)

Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso 15

Onde M corresponde razo entre o valor de pico da onda modeladora e o valor de pico

da onda portadora, i.e. a tenso do lado de CC, a frequncia angular e o esfasamento

da tenso de sada. M, e so variveis de controlo que podem ser ajustadas pelo sistema

de controlo do CFT. Desta forma, a queda de tenso V atravs da reatncia pode ser variada

de forma a controlar os fluxos de potncia ativa e reativa.

Na Figura 2.8 (b) est representado o diagrama fasorial da frequncia fundamental de um

CFT a operar como um retificador, absorvendo potncia reativa do sistema de CA (repare-se

que o fluxo de potncia reativa, e ativa tambm, no sentido do conversor). A tenso de

sada do CFT possui uma menor magnitude e encontra-se em atraso de fase relativamente

tenso do sistema de CA.

Desprezando as perdas nas reatncias de fase, o fluxo de potncia ativa entre o sistema

de CA e o conversor pode ser determinado pela expresso:

sinf v

v

u uP

X

(2.2)

Onde o valor da reatncia de fase. O fluxo de potncia reativa determinado pela

expresso:

cosf f v

v

u u uQ

X

(2.3)

O fluxo de potncia ativa pode ser controlado atravs da alterao do ngulo de fase

entre a tenso frequncia fundamental vu gerada pelo CFT e a tenso fu do lado de CA no secundrio no transformador que alimenta o conversor, permitindo uma operao nos quatro

quadrantes de potncia ativa-reativa [10, 11].

Numa ligao do tipo CFT-CCAT a potncia ativa nos lados de CA e CC igual em regime

permanente, se as perdas forem desprezadas. Isto pode ser conseguido se um dos dois

conversores controlar o fluxo de potncia ativa, enquanto o outro controla a tenso na

ligao em CC. A tenso nas redes de CA pode ser controlada atravs da injeo ou consumo

de potncia reativa, dado que o controlo independente do controlo de potncia reativa,

como se pode verificar nas eqs. (2.2) e (2.3).

A capacidade de operao nos diferentes quadrantes de potncia ativa-reativa (Diagrama

PQ) para uma ligao do tipo CFT-CCAT encontra-se representada na Figura 2.9.

A partir deste diagrama observa-se que um sistema baseado em CFTs pode operar em

qualquer ponto dentro do crculo. Contudo, atendendo a que o raio do crculo representa a

potncia de conversor, a qual corresponde injeo da mxima corrente tenso do lado de

CA atual, a capacidade ir diminuir proporcionalmente com a queda de tenso [10].

16 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Figura 2.9 - Diagrama P-Q de um CFT-CCAT: (a) Ideal; (b) Real (Adaptado de [39]).

Condensadores DC

No lado de CC, e associado a cada conversor, existem dois condensadores de capacidades

iguais, sendo que o valor da capacidade depende da tenso pretendida para o circuito. O

objetivo da utilizao de condensadores passa por fornecer armazenamento de energia de

forma a manter o equilbrio durante fenmenos transitrios e reduzir o serrilhado (ripple) da

tenso no lado de CC [10, 25].

A escolha dos valores nominais dos condensadores uma etapa importante na conceo

de um sistema de transmisso CCAT. Devido s comutaes dos IGBTs, definidas pela

Modulao de Largura de Impulsos (cf. Seco 2.4.2-II), a corrente do lado de CC do

conversor possui componentes harmnicas que originam um serrilhado na tenso do lado de

CC. A magnitude deste serrilhado depende da frequncia de comutao dos IGBTs e da

capacidade dos condensadores do lado de CC.

A escolha de uma capacidade pequena resulta numa resposta mais rpida do conversor,

fornecendo tambm, como referido previamente, a capacidade para o armazenamento de

energia de forma a controlar o fluxo de potncia ativa e reativa. O condensador

caracterizado por uma constante de tempo definida como a razo entre a energia armazenada tenso nominal

NCCU do lado de CC e a potncia aparente nominal do

conversor NS [25, 26]:

21

2

N

CC CC

N

C U

S

(2.4)

O valor da constante de tempo corresponde ao necessrio para carregar o condensador

desde zero at tenso nominal NCCU se o condensador for alimentado com uma potncia

ativa constante e igual a NS [26]. Um valor pequeno para a constante de tempo significa um serrilhado mais pequeno e sobretenses transitrias mais pequenas na tenso do lado de CC.

P

Q

Uv

(a) (b)

Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso 17

Linhas ou Cabos DC

Os cabos utilizados na transmisso CFT-CCAT possuem uma isolao em polietileno

reticulado (XLPE), o que lhe permite suportar inverses rpidas do sentido da corrente,

necessrias inverso do sentido do fluxo de potncia no cabo. Cabos com isolao

polimrica adequam-se especialmente para a aplicao em CCAT devido s suas boas

propriedades, nomeadamente elevada resistncia mecnica, flexibilidade e baixo peso [40,

41]. Se a configurao bipolar for adotada os campos magnticos produzidos pelos cabos so

quase totalmente eliminados [10, 11].

A alma condutora constituda por Alumnio ou Cobre multifilar. semelhana dos cabos

utilizados em redes de CA e na transmisso com recurso a CFCs, possuem os demais

elementos constituintes necessrios a um bom desempenho do ponto de vista eltrico,

nomeadamente ecr isolante, blindagem, bainha metlica, armadura e bainha exterior

anticorrosiva [42, 43].

A nova tecnologia XLPE empregue nos cabos permitiu tornar a opo CCAT econmica

para baixos nveis de potncia, at 200 MW, e para distncias de transmisso de apenas 60

km [37], tornando esta forma de transmisso ainda mais competitiva.

I. Topologias dos CFTs

At recentemente, a implementao de CFTs para aplicaes de transmisso em CCAT

baseou-se em conversores de dois ou trs nveis, o que permitia a comutao em dois ou trs

nveis de tenso para o terminal de CA do conversor. Para estas topologias, um nmero

elevado de vlvulas, com uma capacidade de bloqueio de alguns quilovolts, eram ligadas em

srie de forma a assegurar uma distribuio uniforme da tenso aplicadas s vlvulas, e todos

os dispositivos de um brao do conversor deveriam comutar simultaneamente, mesmo em

regime transitrio. Variaes bruscas nos sistemas de CA que alimentam os conversores

provocavam desgaste nos componentes e exigiam extensivas medidas de filtragem [11].

Na Figura 2.10 est representado um exemplo de um conversor de dois nveis, o qual se

baseia na ponte da Figura 2.6, estando tambm representada a forma de onda da tenso

produzida pelo conversor.

(a) (b)

Figura 2.10 - Conversor de dois nveis: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]).

a

b

c

Vd/2

Vd/2

18 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Este tipo de conversores apenas possui dois nveis instantneos de tenso, razo pela qual

se atribui a designao de dois nveis. Existem ainda topologias de conversores de trs

nveis, utilizadas a nvel comercial [44].

Se a tenso do lado de CA produzida pelo conversor poder ser selecionada em

incrementos mais pequenos do que aqueles utilizados pelos conversores de dois ou trs

nveis, ento os degraus e gradientes de tenso podem ser reduzidos ou minimizados. Quantos

mais degraus forem utilizados, menor a proporo de harmnicos e menor o rudo de alta-

frequncia [20, 44]. Conversores com um nmero elevado de degraus designam-se por

multinvel. Para um elevado nmero de nveis, a frequncia de comutao dos

semicondutores individuais reduzida, o que permite reduzir eficazmente as perdas [45-47].

Na Figura 2.11 est representada a topologia de um conversor multinvel e a forma de

onda da tenso de sada do conversor. A conceo de conversores multinvel seguiu diferentes

vertentes, podendo ser agrupados segundo trs grandes grupos [31, 36]: Diode Clamped,

Flying Capacitor e Cascaded Multilevel Converters4.

Figura 2.11 - Conversor multinvel: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]).

Uma abordagem recente consiste na utilizao de Conversores Multinvel Modulares - CMM

(Modular Multilevel Converter - MMC, na terminologia inglesa). Estas topologias j so

adotadas comercialmente pela Siemens [44, 48] e a Alstom [28]. A ideia bsica de um

conversor deste tipo encontra-se representada na Figura 2.12, onde tambm se encontra

representada a tenso produzida pelo conversor.

(b) (b)

Figura 2.12 - Conversor Multinvel Modular: (a) Topologia; (b) Forma de onda da tenso (Adaptado de [44]).

4 Na falta de uma traduo adequada da denominao das topologias para a lngua portuguesa, optou-se por manter a designao em lngua inglesa.

(a) (b)

Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso 19

Um CMM constitudo por vrios braos, cada um composto por um nmero elevado de

Submdulos ou Mdulos de Potncia - MP (Power Modules - PM) e uma indutncia ligada em

srie. Cada MP pode ser constitudo por um conversor de meia ponte de dois nveis, capaz de

produzir dois nveis de tenso, 0 e +V, ou conversores de ponte completa de dois nveis,

capazes de produzir aos seus terminais trs nveis de tenso: +V, 0 e -V.

Os CMMs so uma tecnologia escalvel. O nvel de tenso determina o nmero de MP

necessrios, podendo os mesmos ser utilizados em nveis de tenso bastante elevados.

Contudo um CMM com MP com meias pontes de dois nveis requer o dobro do nmero de

IGBTs de um CFT de dois nveis de valores nominais semelhantes. Este valor quadruplica

quando comparado com um CMM com MP com ponte completa de dois nveis.

II. Modulao de Largura de Impulsos em CFTs

A Modulao de Largura de Impulsos (MLI, PWM Pulse Width Modulation, na terminologia

inglesa) consiste na gerao de impulsos de entrada e sada de conduo dos IGBTs dos

conversores de dois e trs nveis, utilizando uma onda modeladora de frequncia sf , relacionada com a frequncia fundamental 0f do sistema de CA atravs do ndice de Modulao fm definido como

0

sf

fm

f (2.5)

Se o ndice de Modulao tomar valores elevados, e.g. >21, os sub-harmnicos sero

pequenos e a fm podem atribuir-se valores no inteiros. Caso tome um valor pequeno, i.e.

20 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

Existem vrias tcnicas de MLI utilizadas nos CFTs:

MLI Sinusoidal (da designao inglesa SPWM - Sinusoidal PWM);

MLI Sinusoidal com Injeo de 3 Harmnico;

MLI Otimizada (da designao inglesa OPWM Optimized PWM);

MLI no Espao Vetorial (da designao inglesa SVPWM - Space Vector PWM).

MLI Sinusoidal

a forma mais simples de MLI, na qual o sinal de impulsos de largura modulada gerado

atravs da comparao do valor instantneo de uma onda triangular, vulgo dente de serra

com uma onde sinusoidal de referncia. Atendendo alimentao do conversor por um

sistema trifsico de tenses, a MLI e os impulsos para os IGBTs dos diferentes braos dos

conversores tomam as formas representadas na Figura 2.13.

Figura 2.13 - Modulao de Largura de Impulsos Sinusoidal com 5.fm

MLI Sinusoidal com Injeo de 3 Harmnico

Neste tipo de MLI a componente harmnica de 3 ordem injetada nas trs fases de

forma a aumentar a magnitude da tenso composta. Esta MLI tira partido da decomposio da

forma de onda da tenso em Srie de Fourier e considera o termo de 3 ordem, alm do

fundamental. Atendendo que a tenso resulta da soma de componentes de vrias ordens, a

considerao desta ordem, alm da fundamental, permite obter uma maior magnitude do

vetor da tenso.

MLI Otimizada

Esta tcnica tambm designada por Eliminao Seletiva de Harmnicos (SHE Selective

Harmonic Elimination, na terminologia inglesa) [10] e utilizada, tal como o nome indica,

para eliminar harmnicos seletivamente atravs de formas de onda de MLI pr-calculadas.

Tambm pode ser desenvolvida de forma a minimizar o nmero de comutaes prximas do

Modulao de Largura de Impulsos Sinusoidal

t (s) 0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 0.0100 ... ... ...

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

y

Portadora Triangular Vref_A Fase_B Fase_C

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

y

Impulsos_A Impulsos_B Impulsos_C

Transmisso em Corrente Alternada e Corrente Contnua em Alta Tenso 21

instante de corrente mxima, o que permite reduzir as perdas comparativamente MLI

Sinusoidal com a portadora triangular.

Harmnicos de baixa ordem podem ser seletivamente eliminados, embora a magnitude

dos harmnicos de alta frequncia possa ser aumentada, apesar de os harmnicos de corrente

no serem significativamente alterados devido caracterstica passa-baixo do sistema de CA

[10]. Contudo, possui tambm a desvantagem de implicar uma maior complexidade

computacional e frequncias de comutao variveis durante a operao das vlvulas.

MLI no Espao Vetorial

Este tipo de modulao tem como objetivo minimizar o nmero de comutaes e como tal

o valor das perdas. Da aplicao desta tcnica resulta tambm numa melhor utilizao do

barramento de CC atravs do aumento da magnitude da tenso de sada em cerca de 15%,

i.e. 3 2,CC

U face MLI Sinusoidal, o que origina uma magnitude mxima de fase de

2CC

U [50].

Neste tipo de modulao a tenso de referncia mapeada no espao vetorial de

comutao: cada conversor tem que ser controlado para que em cada instante no possam

estar em conduo duas vlvulas do mesmo brao (cf. Figura 2.7), o que provocaria um curto-

circuito dos condensadores de CC. Este requisito conseguido atravs da conduo

complementar das vlvulas em cada brao, o que origina oito possveis vetores de comutao

para o conversor, embora apenas seis sejam vlidos e dois correspondam a vetores nulos [50],

conforme representado na Tabela III.

Tabela III Comutao das vlvulas atravs de MLI no Espao Vetorial.

Estado das Vlvulas Vetor da Tenso de

Sada Coordenadas

S1 S3 S5 S4 S6 S2

0 0 0 1 1 1 V0 (Vetor nulo) (0,0)

1 0 0 0 1 1 V1 2 3 , 0

1 1 0 0 0 1 V2 1 6 , 1 2

0 1 0 1 0 1 V3 1 6 , 1 2

0 1 1 1 0 0 V4 2 3 , 0

0 0 1 1 1 0 V5 1 6 , 1 2

1 0 1 0 1 0 V6 1 6 , 1 2

1 1 1 0 0 0 V7 (Vetor nulo) (0,0)

Na Figura 2.14 encontra-se representado o mapa de comutaes das vlvulas de um

conversor. O fasor de tenso necessrio encontra-se representado por Vref. De forma a

determinar os ciclos de funcionamento das vlvulas, i.e., das propores dos vetores de

tenso que produzem Vref, o setor no qual Vref se encontra tem que ser primeiramente

22 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

determinado. Uma vez identificado o setor, os ciclos de funcionamento so determinados

atravs do equilbrio tenso-tempo durante um perodo de comutao [50].

III. Aplicaes da Transmisso em CCAT utilizando CFTs

Algumas das vantagens da aplicao desta tecnologia foram referidas previamente

aquando da comparao entre a transmisso em CAAT e CCAT. Contudo, existem ainda

diferenas entre a transmisso recorrendo a conversores do tipo CFC ou do tipo CFT, estando

a principal relacionada com a maior controlabilidade conseguida quando so empregues

CFTs, o que possibilita uma maior versatilidade de aplicaes. Algumas das vantagens e

aplicaes desta tecnologia de transmisso que a tornam mais performante so [26]:

Controlo independente da potncia ativa e reativa sem necessidade de recorrer a

equipamentos de compensao, atravs da utilizao da Modulao de Largura de

Impulsos (MLI). Enquanto a potncia ativa transmitida mantida constante, o sistema

de controlo permite o controlo da tenso do lado de CA. A capacidade de um CFT

gerar e consumir potncia reativa, dentro dos seus limites, pode ser utilizada para o

controlo da tenso na rede qual o mesmo se encontra ligado.

Atenuao das perturbaes da Qualidade de Servio. Atendendo s propriedades de

controlo da potncia reativa dos conversores, os CFTs podem ser utilizados para o

controlo da tenso do lado de CA e desta forma para melhor qualidade de servio

[37]. A rpida resposta dos conversores, dada pela elevada frequncia de comutao

qual operam os IGBTs atravs de MLI, permite um novo nvel de desempenho em

problemas como componentes harmnicas e flicker [25].

Risco de falhas de comutao reduzido. Na transmisso clssica em CCAT

perturbaes nos sistemas de CA que alimentam os conversores podiam originar

falhas de comutao dos tirstores [10]. Atendendo autocomutao dos IGBTs, j

no necessrio que a tenso aos terminais dos conversores possua um valor mnimo,

o que permite que o risco de falhas de comutao seja menor, possibilitando a

aplicao dos CFTs no controlo de estabilidade, como em [18, 19, 21].

Figura 2.14 - Mapa de comutaes da MLI no Espao Vetorial (Adaptado de [1]).

Modelizao dos Conversores de Fonte de Tenso 23

Independncia de Sistemas de Comunicao, na medida em que as estaes inversora

e retificadora operam independentemente [10], no dependendo de uma

infraestrutura de telecomunicaes. Deste modo a operao do sistema mais rpida

e fivel.

Alimentao de Redes Passivas e Ilhas. Dado que o CFT possui a capacidade de

controlar a magnitude e frequncia da tenso aos seus terminais, a ligao em CCAT

pode ser utilizada para conectar instalaes industriais [26], grandes parques elicos

ou ilhas [51].

Redes CCAT Multi-terminal. Os CFTs so adequados para a criao de uma rede de

CC com vrios conversores dado que pouca coordenao necessria entre os

mesmos [10, 11, 30, 52, 53]. A inverso do sentido do fluxo de potncia conseguida

atravs da inverso do sentido da corrente, o que mais favorvel na operao em

multi-terminal, comparativamente utilizao de CFCs nos quais o sentido de

corrente no pode ser alterado.

Esta tecnologia apresenta, contudo, algumas desvantagens face transmisso recorrendo

a conversores do tipo CFC, nomeadamente [11, 37, 41].

Custo mais elevado que a transmisso em CFC-CCAT devido ao maior custo dos

IGBTs face aos Tirstores;

Maiores perdas devido elevada frequncia de comutao dos IGBTs;

Menor capacidade de transporte que a transmisso em CFC-CCAT.

Apesar destas desvantagens, as vantagens sobrepe-se e ao longo deste trabalho sero

considerados apenas os Conversores de Fonte de Tenso.

2.5 - Modelizao dos Conversores de Fonte de Tenso

O estudo do comportamento de uma ligao CCAT requer uma modelizao adequada dos

conversores. Esta modelizao pode seguir diferentes abordagens e torna-se necessrio, em

primeiro lugar, identificar os atributos e limitaes de cada abordagem utilizada em estudos

de simulao em redes de CC/CA de forma a identificar qual o modelo mais adequado a

utilizar.

Normalmente os CFTs podem ser modelizados atravs de uma das seguintes abordagens

[54]:

1) Modelo detalhado que inclui a capacidade de conduo e comutao dos

semicondutores e o equilbrio das tenses nos condensadores nos conversores

multinvel.

2) Modelo com incluso da comutao, no qual os semicondutores so assumidos

como interruptores ideais. Neste modelo no considerada a capacidade de

24 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

conduo dos dispositivos, sendo contudo incorporado o equilbrio das tenses nos

condensadores para conversores multinvel.

3) Modelo de valor mdio no qual o efeito de comutao do conversor substitudo

pelo seu efeito mdio ao longo do ciclo fundamental, no qual todos os harmnicos

so desprezados. O equilbrio das tenses nos condensadores para conversores

multinvel pode ou no ser tido em considerao, dependendo da sua

importncia. Para estudos nos quais modelos de valor mdio so utilizados, o

equilbrio das tenses nos condensadores pode ser ignorado.

A adequao de cada modelo depende do tipo de estudo e, portanto, do nvel de detalhe

necessrio. Conforme referido previamente, os CMMs so a tecnologia mais recente e que

apresenta caractersticas mais vantajosas face aos conversores mais antigos de dois e trs

nveis. Contudo, necessitam de um nmero bastante superior de IGBTs face aos CFTs

clssicos, o que os torna muito mais dispendiosos. Este facto facilmente concludo na

anlise Figura 2.15, onde est representada a estrutura tpica de custos de uma instalao

CCAT baseada em CFTs de dois ou trs nveis.

Engenharia 10%

Comissionamento 8%

Filtros CA 10%

Semicondutores 20%

Transformadores 16%

Mo de Obra e Seguros 5%

Construo Civil 14%

Controlo 7%

Outros Equipamentos 10%

Figura 2.15 Estrutura de Custos tpica de uma instalao CCAT baseada em CFTs de dois ou trs nveis

(Adaptado de [37]).

Como se pode verificar, a maior parte dos custos recai nos semicondutores. Atendendo a

que num projeto de especificaes tcnicas semelhantes nos quais so utilizados CMMs os

restantes componentes so igualmente necessrios e necessrio o dobro ou o qudruplo dos

semicondutores, dependendo da constituio de cada Mdulo de Potncia, o custo global do

projeto ser substancialmente maior7. Desta forma, e atendendo ao elevado nmero de

instalaes de ligaes CCAT baseadas em CFTs de dois e trs nveis face s instalaes que

empregam CMMs, apenas sero analisados os modelos dos CFTs de dois nveis. Ser avaliado

o modelo detalhado de um conversor de dois nveis.

7 Partindo do princpio que no existem restries oramentais. Uma anlise tcnico-econmica do projeto de investimento ser a ferramenta adequada para avaliar se a eventual presena de outras restries no tornam esta soluo mais atrativa do ponto de vista econmico, nomeadamente ao valor do nvel de perdas, por exemplo.

Controlo dos Conversores de Fonte de Tenso 25

O modelo detalhado de um CFT de dois nveis inclui a modelizao da capacidade de

conduo e comutao dos semicondutores e encontra-se representado na Figura 2.16, onde

tambm se encontra representada a forma de onda da tenso sada do conversor.

Figura 2.16 Modelo Detalhado de um Conversor de Dois Nveis (Adaptado de [18]),

Este modelo capaz de reproduzir os fenmenos transitrios associados componente

fundamental e componentes harmnicas das tenses e correntes, incluindo uma boa

representao das interaes entre os lados de CC e CA. Atendendo a que os interruptores

deste modelo imitam o comportamento dos IGBTs, este adequado para estudos detalhados

com pequenas escalas de tempo como interaes entre os lados de CC e CA durante defeitos

no lado de CC, bem como quaisquer estudos onde importante obter um comportamento

detalhado do conversor [54]. Contudo no vlido para estudos de Estabilidade de Pequeno

Sinal [18].

De forma a obter-se este bom comportamento, necessrio incluir o efeito dos filtros de

harmnicos do lado de CA. O grande detalhe deste modelo implica um tempo de simulao

proibitivo para grandes sistemas.

Atendendo ao mbito deste trabalho sero analisados os conversores trifsicos de dois

nveis. Esta razo prende-se tambm com a larga utilizao a nvel comercial de ligaes

CCAT baseadas em CFTs deste tipo, pelo que se justifica analisar os desafios atuais e futuros

com bases em premissas atuais.

2.6 - Controlo dos Conversores de Fonte de Tenso

A escolha das estratgias de controlo depende do grau de controlabilidade pretendido e

do tipo de rede ou redes qual o sistema de transmisso ser conectado. Uma rede de CA na

qual a nica fonte de alimentao o CFT a funcionar como Inversor diz-se passiva e o nico

objetivo de controlo manter um nvel de tenso (VAC) constante e aceitvel entre fases.

Contudo, para uma rede dita ativa, alm de se pretender manter um nvel constante da

tenso no ponto de ligao do Inversor rede de CA8, dependendo do tipo de ligao com o

sistema de CA, podem existir diferentes modos de operao [31]. Se a ligao for considerada

8 Point of Common Coupling - PCC, em lngua inglesa.

26 Transmisso em Corrente Alternada versus Corrente Contnua

forte, ento a tenso pouco variar aos terminais do Inversor e este controlar o fluxo de

potncia reativa da rede de CA. Por outro lado, se a ligao for fraca, a tenso no terminal

de CA dever ser controlada atravs da injeo de potncia reativa (Q).

Considerando diferentes tipos de ligao rede de CA e estratgias baseadas no controlo

da potncia ativa (P) ou reativa (Q) constante ou tenso na ligao em CC (VCC), ou nas redes

de CA constante (VCA), podem ser definidos quatro modos distintos de operao dos

conversores [34]:

Modo A: Controlo VCA-P constante

o Este modo aplicado quando o CFT est ligado a uma rede fraca,

enquanto um fluxo de potncia constante necessrio. Uma vez que a

tenso numa rede fraca no ela prpria constante, esta deve ser

mantida num nvel constante e aceitvel pelo CFT. O sistema de controlo

do fluxo de potncia ativa garante um fluxo de potncia constante na

ligao em CCAT, sendo o valor de referncia para o fluxo proveniente de

um centro de despacho ou definido manualmente no local por

operadores.

Modo B: Controlo VCA-VCC

o A necessidade de manter numa rede fraca um nvel de tenso constante

do lado de CC determina a aplicao des