leandro -tcc v. final
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
LEANDRO COPETTI WALTER
FOZ DO IGUAÇU - PR
2011
LEANDRO COPETTI WALTER
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
Relatório de estágio apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Estadual do
Oeste do Paraná, como parte dos requisitos para
obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. M. Eng. Jonas Roberto Pesente
Supervisor Técnico: Luiz Ricardo Sanches Colman
FOZ DO IGUAÇU
2011
LEANDRO COPETTI WALTER
AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE EVENTOS NO ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE
FURNAS SOBRE O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL A PARTIR DE
SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
Relatório de estágio apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual
do Oeste do Paraná, aprovado pela comissão julgadora:
_____________________________________________________
Docente Supervisor de Estágio: Prof. M. Eng. Jonas Roberto Pesente
Professor da UNIOESTE – Campus de Foz do Iguaçu
_____________________________________________________
Prof. M.Sc. Robson Almir de Oliveira
Professor da UNIOESTE – Campus de Foz do Iguaçu
Divisão de Estudos Elétricos e Normas – ITAIPU BINACIONAL
____________________________________________________
Eng. Jorge Luiz Jacopetti e Silva
Engenheiro do ITAI – Instituto de Tecnologia Aplicada e Inovação
____________________________________________________
Prof. Dr. Elídio de Carvalho Lobão
Coord. de Estágio Supervisionado do Curso de Engenharia Elétrica
UNIOESTE – Campus de Foz do Iguaçu
Foz do Iguaçu, Outubro de 2011
iii
DEDICO ESTE TRABALHO
Este trabalho é dedicado aos meus pais Paulo Peters Walter e
Vera Regina Copetti os quais devo grande parte das conquistas na
vida, minha amada irmã Letícia Copetti Walter e minha namorada
Talita Cardoso Boff que apoiou e me incentivou em muitos
momentos importantes.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à minha família, pelo apoio recebido durante toda a minha
formação como pessoa e como profissional.
Ao Instituto de Tecnologia Aplicada e Inovação (ITAI), pela oportunidade do estágio;
Ao Professor e Mestre Jonas Roberto Pesente idealizador deste trabalho, a quem
agradeço por contribuir com minha formação acadêmica e profissional e por me orientar com
extrema competência e paciência;
Ao Engenheiro Luiz Ricardo Sanches Colman por me supervisionar no estágio e
agregar contribuições a este trabalho.
Aos meus amigos Edison Manuel Smith Rodríguez, Cláudio Augusto Mota e Rafael
Hentz por suas sugestões para com este trabalho;
À UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná, ao Centro de Engenharia
e Ciências Exatas e em especial ao corpo docente de Engenharia Elétrica, os meus sinceros
agradecimentos.
v
"A insatisfação é a principal motivadora do
progresso."
Thomas A. Edison
vi
RESUMO
WALTER, L. C. (2011). Avaliação do impacto de eventos no elo de corrente contínua de
Furnas sobre o Sistema Interligado Nacional a partir de simulações eletromecânicas.
Relatório de Estágio (Graduação) – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do
Oeste do Paraná – UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2011.
Os Elos de Corrente Contínua (Elos de CC) são sistemas de transmissão de energia elétrica
com especificidades que podem reduzir custos da transmissão, aumentar a estabilidade ou
mesmo conectar sistemas de frequências diferentes. Como parte constituinte do chamado
“Sistema de Transmissão de Itaipu”, Furnas é proprietária e opera um Elo de CC com a
capacidade de transmissão de 6300 MW. Esta potência corresponde a uma parcela
considerável da potência elétrica circulante no Sistema de Energia Elétrico Brasileiro,
denominado Sistema Interligado Nacional (SIN). Por esse motivo, eventos neste Elo de CC
podem afetar a operação de todo o SIN, e, em casos específicos desencadear outros eventos
que, podem excitar oscilações eletromecânicas. Neste contexto, este trabalho trata de analisar
as consequências de eventos no Elo de CC de Furnas, a partir de simulações eletromecânicas,
baseadas em critérios bem definidos postulados pelo Operador Nacional do Sistema (ONS),
considerando, por exemplo, diferentes condições de rede e carregamento – parâmetros que
interferem na magnitude das perturbações eletromecânicas. As simulações realizadas
mostraram que há risco de que eventos no Elo de CC de Furnas possam causar desligamentos
em cascata, afundamentos/elevações proibitivas de tensão, tanto transitórias quanto em
regime, assim como elevadas excursões de frequência no SIN.
Palavras-chave: Elos de corrente contínua, critérios de desempenho dinâmico, simulações
eletromecânicas.
vii
ABSTRACT
WALTER, L. C. (2011). Avaliação do impacto de eventos no elo de corrente contínua de
Furnas sobre o Sistema Interligado Nacional a partir de simulações eletromecânicas.
Relatório de Estágio (Graduação) – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do
Oeste do Paraná – UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2011.
The Direct Current links (DC links) are transmission systems with electrical characteristics
that can reduce transmission costs, increase stability or even connect systems with different
frequencies. As a constituent part of the “Sistema de Transmissão de Itaipu” Furnas owns and
operates a DC link with a transmission capability of 6300MW. This power corresponds to a
considerable portion of the circulating power in the Brazilian Power System, called “Sistema
Interligado Nacional” - (SIN). Therefore, events in this DC link may affect the operation of
the entire SIN, and in specific cases trigger other events that, may excite oscillations. In this
context, this paper analyses the consequences of events in Furnas’ DC link, from
electromechanical simulations, based on clearly defined criteria postulated by “Operador
Nacional do Sistema (ONS)”, considering, for example, different network conditions and
loading – parameters that affect the magnitude of the electromechanical disturbances. The
simulations showed that there is a risk that events in the Furnas’ DC link may cause cascading
outages, prohibitive collapsing/increasing voltage, under transient and steady state conditions,
as well as high frequency excursions in the SIN.
Key-words: DC links, performance criteria, dynamic electromechanical simulation.
viii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 – Componentes típicos de HVDC ........................................................................... 20
Figura 2.2 – Circuito trifásico de um retificador de onda completa em ponte. ........................ 23
Figura 2.3 – Forma de onda das tensões de alimentação e sobre a carga para um circuito ponte
de seis pulsos. ................................................................................................................... 23
Figura 2.4 – Forma de onda das correntes CC nas válvulas e no secundário dos
transformadores para um circuito em ponte. .................................................................... 24
Figura 2.5 – Efeito da sobreposição das válvulas em sua comutação. ..................................... 25
Figura 2.6 – Períodos de Ignição da válvula com atraso de ignição. ....................................... 25
Figura 2.7 – Circuito Equivalente durante a condução. ........................................................... 26
Figura 2.8 –Forma de Onda mostrando o efeito de sobreposição durante a comutação da
válvula 1 para 3................................................................................................................. 26
Figura 2.9 –Forma de onda de tensão e períodos de condução das válvulas. .......................... 27
Figura 2.10 – a) Falha por atraso de Disparo e b) Tensão reduzida no lado de corrente
alternada............................................................................................................................ 28
Figura 2.11 – Características de tensão e corrente no Retificador. .......................................... 29
Figura 2.12 – Controle real do conversor – características em regime permanente. ................ 30
Figura 2.13 – Sistema HVDC e Modelo para inclusão no problema de Fluxo de Potência. ... 31
Figura 2.14 – Limites de dependência de Tensão e máxima corrente. ..................................... 33
Figura 2.15 – Circuito Elo HVDC de FURNAS. ..................................................................... 36
Figura 2.16 – Esquema geral de controle do elo CC de Furnas. .............................................. 37
Figura 2.17 – Modelo detalhado do esquema de controle do elo CC de Furnas. ..................... 37
Figura 2.18 – Sinal modulador de potência no elo de corrente contínua. ................................ 38
Figura 4.1 – Subdivisão Sudeste – Norte Nordeste .................................................................. 49
Figura 4.2 – Subdivisão Sul – Sudeste ..................................................................................... 50
Figura 4.3 – Diagrama simplificado mostrando o sentido dos quatro intercâmbios entre áreas
considerados ..................................................................................................................... 50
Figura 4.4 – Comportamento das ondas de tensão do tronco de 765kV de Furnas após
remoção de ponte retificadora. ......................................................................................... 52
Figura 4.5 – Abertura angular entre diversas barras do sistema e a barra de Ilha Solteira após
bloqueio de elo. ................................................................................................................ 53
ix
Figura 4.6 – Oscilação da frequência no sistema elétrico nacional após a remoção de ponte
retificadora. ....................................................................................................................... 53
Figura 4.7 – Proteção contra perda de sincronismo da interligação SE-NE e traçados no tempo
da variação das impedâncias “vistas” pela proteção. ....................................................... 54
Figura 4.8 – Variação da tensão no tronco de 765kV após a aplicação de um Bloqueio de Elo
no sistema HVDC de Furnas com um intercâmbio EXPSE e FSUL. .............................. 55
Figura 4.9 – Variação da frequência no tronco de 765kV após a aplicação de um Bloqueio de
Elo no sistema HVDC de Furnas com um intercâmbio EXPSE e FSUL. ........................ 56
Figura 4.10 – PPS da Interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas pelas mesmas para o
caso 4.6, com a aplicação de um bloqueio de elo no sistema de corrente contínua. ........ 56
Figura 4.11 – Área de atuação da PPS da interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas
pela mesma para o caso EXPSE e FSUL após a remoção de ponte retificadora. ............ 57
Figura 4.12 – Instabilidade de tensão vista no tronco de 765kV após a abertura de uma das
linhas do tronco de 765kV. ............................................................................................... 58
Figura 4.13 – Tensões em diversas áreas do sistema após a aplicação de um Bloqueio de Elo
em corrente contínua ........................................................................................................ 58
Figura 4.14 – Frequência em diversas regiões do Brasil após a aplicação de um Bloqueio de
Elo em corrente contínua. ................................................................................................. 59
Figura 4.15 – Abertura angular entre diversas barras do sistema e a barra de Ilha Solteira após
bloqueio de elo em condição de carga leve no sistema. ................................................... 59
Figura 4.16 – PPS da interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas pela mesma após o
bloqueio de bipólo em situação de carga leve. ................................................................. 60
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Parâmetros do elo de CC de Furnas ..................................................................... 36
Tabela 2.2 – Esquemas de Controle de Emergência de Itaipu ................................................. 39
Tabela 3.1 – Tempos indicativos de eliminação de defeitos. ................................................... 41
Tabela 4.1 – Principais eventos no Sistema Elétrico Brasileiro associados ao elo de Corrente
Contínua de Furnas ........................................................................................................... 47
Tabela 4.2 – Localização das proteções contra perda de sincronismo e limite das linhas
observadas ........................................................................................................................ 51
Tabela 4.3 – Barras sob análise de estabilidade de tensão e intervalos de tensão aceitáveis
durante o evento................................................................................................................ 51
xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANAREDE Aplicativo de Análise de Redes
ANATEM Aplicativo de Análise de Transitórios Eletromecânicos
CCC Capacitor Comuted Converter
CEA Constant Exti0ntion Angle
CIA Constant Ignition Angle
AC Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
ECG Esquema de Corte de Geração
ERAC Esquema Regional de Alívio de Carga
FPTI Fundação Parque Tecnológico
HVDC High Voltage Direct Current
ITAI Instituto de Tecnologia Aplicada e Inovação
EXPSE Intercâmbio onde a região NNE exporta energia para o Sudeste
RNNE Intercâmbio onde a região NNE recebe energia do Sudeste
FSUL Intercâmbio onde a região Sul fornece energia para o Sudeste
RSUL Intercâmbio onde a região Sul recebe energia do Sudeste
LASSE Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Elétricos
ONS Operador Nacional do Sistema
PPS Proteção Contra Perda de Sincronismo
RTDS Real Time Digital Simulator
SIN Sistema Interligado Nacional
SEP Sistemas Elétricos de Potência
UNIOESTE Universidade Estadual do Oeste do Paraná
xii
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 14
1.1 JUSTIFICATIVAS ................................................................................................................... 14
1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 15
1.2.1 Objetivos específicos .......................................................................................................... 15
1.3 DESCRIÇÃO DAS PARTES ENVOLVIDAS NO ESTÁGIO ............................................. 16
1.3.1 Instituição de Ensino ......................................................................................................... 16
1.4 UNIDADE CONCEDENTE DE ESTÁGIO ........................................................................... 16
1.4.1 Instituto de Tecnologia Aplicada e Inovação .................................................................. 16
1.4.2 Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Elétricos .................................... 17
2. TRANSMISSÃO EM ALTA TENSÃO E CORRENTE CONTÍNUA (HIGH
VOLTAGE DIRECT CURRENT – HVDC TRANSMISSION) ........................................ 19
2.1 CONFIGURAÇÕES ................................................................................................................. 19
2.2 ELEMENTOS ........................................................................................................................... 20
2.2.1 Conversores ........................................................................................................................ 20
2.2.2 Reatores de Alisamento ..................................................................................................... 20
2.2.3 Filtros de Harmônicos ....................................................................................................... 21
2.2.4 Fontes de Reativos ............................................................................................................. 21
2.2.5 Eletrodos de aterramento ................................................................................................. 21
2.2.6 Disjuntores CA ................................................................................................................... 21
2.2.7 Bancos Transformadores ou Transformadores-Conversores ....................................... 21
2.2.8 Linhas CC........................................................................................................................... 22
2.3 TEORIA E EQUAÇÕES DE DESEMPENHO DOS CONVERSORES ............................. 22
2.4 OPERAÇÃO ANORMAL........................................................................................................ 27
2.5 CONTROLE DO HVDC .......................................................................................................... 28
2.6 REPRESENTAÇÃO DO ELO DE CC NO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA .. 31
2.7 REPRESENTAÇÃO EM ESTUDOS DE ESTABILIDADE ................................................ 31
2.7.1 Modelo Simples .................................................................................................................. 32
2.7.2 Modelo de Resposta ou Desempenho ............................................................................... 32
2.7.3 Modelo Flexível Detalhado ............................................................................................... 34
2.8 ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS .................. 35
2.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................... 39
xiii
3. MÉTRICA DE AVALIAÇÃO ELETROMECÂNICA DO DESEMPENHO DO
SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL FRENTE À EVENTOS NO ELO DE CC DE
FURNAS .................................................................................................................................. 40
3.1 DIRETRIZES PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CA ......................................................... 40
3.2 CRITÉRIOS PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CA ........................................................... 41
3.3 DIRETRIZES E CRITÉRIOS PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CC .............................. 42
3.3.1 Capacidade de sobrecarga no sistema CC....................................................................... 43
3.3.3 Estudos de desempenho dinâmico envolvendo Elos de CC. .......................................... 44
3.3.4 Recuperação da potência CC ............................................................................................ 44
3.3.5 Faltas e contingências no elo CC ...................................................................................... 45
3.4 METODOLOGIA DE SIMULAÇÃO E CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO ......................... 45
3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................... 46
4. SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS ............................................................................ 47
4.1 OCORRÊNCIAS ENVOLVENDO O ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS 47
4.2 CENÁRIOS DE SIMULAÇÃO ............................................................................................... 48
4.3 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DAS SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS ............... 51
4.4 CASO I – INTERCÂMBIO NO SENTIDO EXPSE e RSUL ............................................... 52
4.5 CASOS II e III ........................................................................................................................... 54
4.5.1 Caso II – Intercâmbio no sentido RNNE e FSUL ........................................................... 54
4.5.2 Caso III – Intercâmbio no sentido RNNE e RSUL ......................................................... 54
4.6 CASOS IV – INTERCÂMBIO NO SENTIDO EXPSE E FSUL .......................................... 55
4.6.1 Bloqueio do Elo de CC de Furnas Centrais Elétricas. ................................................... 55
4.6.2 Remoção de Ponte Retificadora ....................................................................................... 57
4.7 EVENTO NO SISTEMA DE CORRENTE ALTERNADA ................................................. 57
4.8 EVENTOS EM CONDIÇÃO OPERATIVA DE CARGA LEVE ........................................ 58
4.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................... 60
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 61
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES ................................................................................... 63
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 64
14
1. INTRODUÇÃO
Sabe-se que a energia elétrica está presente na natureza na forma de cargas elétricas.
Esta possui a habilidade de ser convertida em outras formas de energia como luz, calor,
trabalho mecânico etc., tornando-se assim essencial para a promoção do bem-estar da
sociedade. De fato, a energia consumida per capita pode indicar, inclusive, o nível de
desenvolvimento de um país.
Uma, entre outras vantagens, é que esta pode ser transportada através de linhas de
transmissão por grandes distâncias com perdas relativamente baixas, por meio de duas formas
diferentes de transmissão: Corrente Alternada e Corrente Contínua.
A transmissão em corrente alternada é o meio mais comum de transmitir energia por
um sistema elétrico de potência. As linhas de transmissão em corrente contínua possuem
vantagens quando comparadas a linhas de corrente alternada, tais como a transmissão com
perdas reduzidas, pois, geralmente a corrente em linhas de CC será menor que as de CA,
devido a não necessidade de circulação de corrente com característica reativa. Outra vantagem
é que espaço físico requerido pela linha de corrente contínua é menor e a linha transmite uma
quantidade maior de energia. Todavia, a transmissão em corrente contínua só é vantajosa sob
condições específicas, uma vez que a eletricidade deve ser retificada, pois o restante do
sistema opera à frequência conhecida.
1.1 JUSTIFICATIVAS
As linhas de transmissão em corrente contínua estão ganhando destaque nos grandes
sistemas de potência. Sua existência era limitada por elevados custos de construção e
manutenção. Porém com o avanço tecnológico, expansão dos parques eólicos e integração das
redes elétricas entre países, os custos de fabricação, manutenção e operação dos elos de
corrente contínua diminuíram consideravelmente. Neste sentido, uma análise do “European
Smart Grid Market – Advanced Compound” produzido pela empresa Frost & Sullivan indica
que o mercado de HVDC recebeu € 550 milhões em receitas em 2008 e as previsões de que
este número atinja € 973,7 milhões em 2015.
No caso específico do Elo de CC de Furnas, eventos como o blecaute de 2009 (ONS,
2009), a contínua expansão da rede de transmissão, geração e conexão de novos
consumidores com características dinâmicas, e os numerosos eventos envolvendo este
15
elemento do SIN, sugerem uma contínua revisão da amplitude do alastramento de eventos que
ocorram no Elo de CC de Furnas e dos riscos associados.
1.2 OBJETIVOS
Este projeto tem por objetivo avaliar o impacto no Sistema Interligado Nacional – SIN
frente a eventos ocorridos no elo de corrente contínua de Furnas em condições operativas
críticas, efetuando uma análise em termos de excursão de tensões, variação de frequência e
fluxos de potência pós perturbação no SIN e aproximação das regiões de ajuste de Proteções
contra Perda de Sincronismo (PPS), sub/sobretensão e sub/sobrefrequência.
1.2.1 Objetivos específicos
i. Acompanhamento das atividades de simulação no Laboratório de Simulação e
Sistemas Elétricos – Lasse.
ii. Capacitação no aplicativo Análise de Redes – Anarede.
iii. Capacitação no aplicativo Análise de Transitórios Eletromecânicos – Anatem.
iv. Revisão bibliográfica acerca dos aspectos físicos dos Elos de Corrente Contínua.
v. Revisão bibliográfica acerca dos modelos de Elos de Corrente Contínua no problema
de Fluxo de Potência.
vi. Revisão bibliográfica acerca dos modelos de Elos de Corrente Contínua para
aplicações em análise da estabilidade eletromecânica.
vii. Revisão bibliográfica acerca das grandezas envolvidas no Elo de Corrente Contínua de
Furnas Centrais Elétricas.
viii. Ajuste de casos de fluxo de potência considerando intercâmbios máximos entre sub-
regiões do SIN.
ix. Definição de critérios de avaliação do impacto eletromecânicos de perturbações no Elo
de CC de Furnas.
x. Escrita de cartões no formato “Anatem” para visualização e análise de grandezas
eletromecânicas.
xi. Análise de diferentes perturbações no Elo de CC à vista dos critérios postulados no
objetivo ix.
16
xii. Documentação da atividade e estabelecimento da biblioteca de simulações realizadas
como contribuição com o Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas
Elétricos – Lasse.
1.3 DESCRIÇÃO DAS PARTES ENVOLVIDAS NO ESTÁGIO
1.3.1 Instituição de Ensino
A Universidade Estadual do Oeste do Paraná, a UNIOESTE1, originou-se da
integração de quatro instituições universitárias municipais de ensino não gratuito localizadas
em Cascavel, Foz do Iguaçu, Marechal Cândido Rondon e Toledo. Após a ocorrência de
seguidos atos regionais, pleiteando a transformação das faculdades isoladas em uma
universidade multi-campi, a instituição foi reconhecida em 23 de dezembro de 1994 através
da portaria 1784-A/94 do Ministério da Educação.
Após três anos de reconhecimento, a UNIOESTE, através da resolução n°. 002/97,
implantou o curso de Engenharia Elétrica2 no campus de Foz do Iguaçu. O curso iniciou-se no
ano seguinte com duas ênfases: em Sistemas de Controle e em Sistemas de Potência. As
disciplinas possuem, de acordo com sua ementa, atividades práticas e teóricas.
Dentro do regulamento vigente do curso, observa-se a obrigação do cumprimento,
como parte indispensável da formação do futuro profissional, de um plano de estágio
supervisionado na área. Tal atividade deve compreender 360 horas e ser acompanhada por um
supervisor técnico, da empresa, e um supervisor docente, da instituição de ensino.
1.4 UNIDADE CONCEDENTE DE ESTÁGIO
1.4.1 Instituto de Tecnologia Aplicada e Inovação
O estágio supervisionado que resultou no presente trabalho cumpriu-se no Instituto de
Tecnologia Aplicada e Inovação (ITAI). O ITAI é uma associação civil, pessoa jurídica de
direito privado, sem fins lucrativos. Criado em 12 de outubro de 1996 por diversas entidades,
1Histórico da Unioeste <http://www.foz.unioeste.br/historico.php>, Acesso em 10 de junho de
2011.
2Histórico do Curso <http://www.foz.unioeste.br/eletrica.php>, Acesso em 10 de junho de
2011.
17
dentre elas, iniciativa privada, empresas do setor público, universidades e centros
tecnológicos.
O ITAI3 iniciou sua constituição no ano de 1995 quando professores do curso de
Ciência da Computação da UNIOESTE fizeram uma série de acordos com prefeituras da
região, universidades e entidades não-governamentais da área de tecnologia com vista à
formação de uma instituição que congregasse esforços para impulsionar uma alternativa de
desenvolvimento para a região trinacional.
Em setembro do ano seguinte, diversas autoridades se reuniram com o objetivo de
discutir os aspectos técnicos e estratégicos para a implantação do instituto, bem como
apresentar as experiências e os resultados obtidos por instituições similares. No mês seguinte
foi realizada uma assembléia de constituição do ITAI sendo que, nesta reunião, foram
aprovados o estatuto social e a diretoria provisória. No início do ano de 1997, iniciaram-se as
atividades do ITAI no campus da UNIOESTE em Foz do Iguaçu.
O objetivo motriz do ITAI, segundo seu estatuto, reside na integração dos principais
agentes do desenvolvimento – setor público, comunidade empresarial e institutos de ensino e
pesquisa – visando à evolução tecnológica da região trinacional através de ações voltadas à
educação, à cultura e ao desenvolvimento sócio-econômico.
1.4.2 Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Elétricos
O Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Elétricos - LASSE4 é um dos
laboratórios geridos pelo ITAI e foi o local específico onde o estágio supervisionado se
realizou. O estágio teve início no primeiro semestre do ano de 2011 e tem previsão para durar
até novembro de 2011.
Inaugurado em novembro de 2008, o laboratório é fruto de uma parceria entre Itaipu
Binacional, Fundação Parque Tecnológico de Itaipu (FPTI) e ITAI e visa preencher uma
lacuna ainda existente no Brasil em termos de simulações digitais em tempo real.
3 Histórico sobre o ITAI <http://www.itai.org.br/historico>, Acesso em 10 de junho de 2011.
4 Institucional – LASSE <http://www.itai.org.br/lasse>, Acesso em 10 de junho de 2011.
18
O LASSE é um centro especializado em estudos, testes e verificações de componentes
indispensáveis aos atuais sistemas elétricos de potência. Tem a sua disposição um simulador
de alto desempenho da empresa canadense RTDS® e uma equipe de engenheiros
especializados em simulações de sistemas elétricos e validação de componentes que os
constituem.
19
2. TRANSMISSÃO EM ALTA TENSÃO E CORRENTE CONTÍNUA (HIGH
VOLTAGE DIRECT CURRENT – HVDC TRANSMISSION)
Este capítulo aborda a teoria geral acerca dos fundamentos dos Elos de Corrente
Contínua, assim como descrito por KUNDUR (1994), ARRILAGA (1983), entre outros.
Aspectos como as configurações típicas implementadas pelos fabricantes, equações de
performance, inclusão no problema de fluxo de potência e representações utilizadas pra
estudos de transitórios eletromecânicos são descritos como segue.
2.1 CONFIGURAÇÕES
Segundo KUNDUR (1994)5, os Elos de CC
6 (ou HVDCs) possuem diferentes
configurações, dependendo da aplicação: monopolares, bipolares e homopolares.
Elos de CC monopolares possuem somente uma linha de transmissão com apenas uma
polaridade, e geralmente são utilizados em aplicações de custo reduzido, estágio inicial da
operação de Elos de CC bipolares ou para transmissão subaquática.
Elos de CC bipolares possuem um condutor na polaridade negativa e outro na positiva.
Cada terminal tem dois conversores de tensão nominal igual e quando operam juntos não há
corrente de terra (podem operar em separado). A conexão entre os pólos é aterrada e a
utilização de bipólos injeta menos harmônicos que a operação monopolar. Esta configuração
permite, inclusive, inverter o fluxo de potência somente invertendo a polaridade dos pólos
(não é necessária nenhuma manobra mecânica). Se, por alta resistividade se necessite de um
cabo de retorno, se pode utilizar um cabo de guarda.
Elos de CC homopolares possuem mais de um condutor, porém todos têm a mesma
polaridade, geralmente negativa para redução do efeito corona. Dentre as modalidades de Elos
de CC, é a menos utilizada.
5 Este capítulo foi baseado, em grande parte, no descrito por KUNDUR (1994). Por simplicidade, em certos
trechos do texto à omissão da citação subentende-se que mantém-se a consulta a tal material de referência. 6 Neste texto, grandezas e dispositivos do sistema de corrente alternada conectado ao Elo de corrente contínua e
do Elo de Corrente Contínua serão tratadas simplesmente seguidas dos acrônimos CA e CC, respectivamente.
20
2.2 ELEMENTOS
Os elementos componentes típicos de HVDCs, ilustrados na Figura 2.1, são:
Figura 2.1 – Componentes típicos de HVDC
Fonte: KUNDUR, 1994.
2.2.1 Conversores
As conversões CA/CC e CC/CA são realizadas por pontes de válvulas e
transformadores com comutadores de derivação sob carga. Tais pontes consistem de válvulas
de alta tensão, conectadas em arranjos de seis ou doze pulsos. Nos conversores de doze pulsos
cada uma das fases CA deve estar defasada trinta graus com relação às outras fases da ponte.
2.2.2 Reatores de Alisamento
São equipamentos com indutâncias da ordem de 1H, conectados em série com cada
pólo da estação conversora. Tem como propósito: reduzir harmônicos de tensão e corrente do
lado CC, limitar a corrente de crista nos retificadores durante curto-circuitos no lado de CC,
prevenir a ocorrência de falhas de comutação nos inversores e prevenir que a corrente CC se
torne descontínua para cargas elevadas.
21
2.2.3 Filtros de Harmônicos
Estes dispositivos têm objetivo de reduzir as tensões e correntes harmônicas tanto no
lado CA quanto no lado CC. Realizam esta tarefa fornecendo uma baixa impedância entre o
condutor energizado e a terra para a frequência indesejada. Os harmônicos geram
aquecimento de capacitores e geradores próximos e interferem nas telecomunicações dos
equipamentos de controle e proteção.
2.2.4 Fontes de Reativos
Conversores inerentemente absorvem potência reativa, em torno de 50 a 60% da
potência ativa transmitida em condições normais de operação e parcelas muito maiores
durante transitórios - (KUNDUR). Em sistemas CA fortes (elevada capacidade de curto-
circuito e com grande suporte de reativos), as fontes são bancos de capacitores, enquanto em
sistemas não tão fortes se utilizam também compensadores síncronos e/ou compensadores
estáticos de reativos.
2.2.5 Eletrodos de aterramento
Elos de corrente contínua são projetados para operar conduzindo pela terra, mesmo
que por períodos curtos de tempo. Esta conexão requer uma superfície condutora de grande
área junto ao aterramento, para reduzir as densidades de corrente e os gradientes de tensão na
superfície. Esta superfície condutora é chamada de eletrodo.
2.2.6 Disjuntores CA
São utilizados para isolar o transformador de falhas no sistema CA ou o conversor
para manutenção. Nos terminais CC não são utilizados disjuntores, pois o controle do disparo
das válvulas permite isolar estas falhas mais rapidamente que a proteção convencional.
2.2.7 Bancos Transformadores ou Transformadores-Conversores
Todo Elo de CC possui bancos de transformadores conectados em série no lado CC e
em paralelo no lado CA, que, com exceção dos HVDCs homopolares, estes possuem
conexões em YY e Y de modo a garantir a defasagem e a magnitude adequada das tensões
nas pontes conversora/inversora. Os transformadores não são aterrados, de forma a auxiliar a
22
tensão apropriada para o funcionamento da ponte. Assim é possível estabelecer a referência
de tensão do conversor ao aterrar o lado CC no terminal positivo ou negativo.
2.2.8 Linhas CC
As linhas de corrente contínua diferem nas torres (devido ao número de condutores –
geralmente somente dois estão energizados) e na disposição dos condutores (devido às
características mais simples de se obter isolamento). Estas possuem resistências tão baixas
quanto 10, por isso pequenas variações indesejadas de tensão podem causar grandes
flutuações de potência, desta maneira torna-se necessário manter a tensão em seus terminais
tão constante quanto possível.
2.3 TEORIA E EQUAÇÕES DE DESEMPENHO DOS CONVERSORES
Os conversores são os equipamentos responsáveis pelas conversões CA-CC e CC-CA
e também por controlar o fluxo de potência entre seus terminais. Assim, incorporam a maior
parte dos fenômenos elétricos e modulações de potência para controle de grandezas
eletromecânicas. Por isso, de uma forma geral, o desempenho do HVDC está associado aos
conversores e sua análise depende do equacionamento dos mesmos.
Os conversores desempenham sua função a partir de válvulas que são chaves
eletrônicas controladas. As válvulas de mercúrio têm valores nominais de tensão entre 50 e
150kV e de corrente entre 1000 e 2000A, porém deixaram de ser utilizadas após 1970,
quando foram adotadas as válvulas tiristorizadas, que são muito menos suscetíveis à falhas e
problemas de operação, além de não precisar de aquecimento. As válvulas tiristorizadas
possuem de valores nominais de tensão entre 3 e 5kV e de corrente entre 2500 e 3000A.
Nos terminais dos conversores empregam-se as válvulas em pontes de GRAETZ,
principalmente por garantir uma menor tensão reversa aplicadas às válvulas bloqueadas. Em
sua análise utiliza-se uma fonte ideal CA em série com uma indutância (que representa
principalmente o transformador conversor), considerando a corrente CC sem ripple e as
válvulas ideais (somente com estado fechado e aberto), tal como ilustrado na Figura 2.2.
23
Figura 2.2 – Circuito trifásico de um retificador de onda completa em ponte.
Fonte: KUNDUR, 1994.
As tensões de fase da fonte CA podem ser representadas pela Equação 2.1.
);150cos(.3
);90cos(.3
);30cos(3
tEEEE
tEEEE
tEEEE
mbccb
mabba
mcaac
(2
.1)
(2.1)
Para a ponte da Figura 2.2 percebe-se que o cátodo das válvulas 1, 3 e 5 estão
conectados. Considerando a ponte operando com ignição dos tiristores em 0o, entre 0
o e
120o a tensão instantânea da fase “b” tem maior módulo, assim a válvula 3 está conduzindo. O
ânodo das válvulas 2, 4 e 6 estão também conectados, e percebe-se que de 60º a 180º a tensão
“a” é mais negativa, então a válvula 4 está conduzindo. Desta análise determina-se que
durante 60 a 120º a tensão sobre a carga é a diferença entre as duas tensões, igual à Vba. Esta
análise pode ser entendida aos demais “estágios de condução”, como ilustrado na Figura 2.3.
Figura 2.3 – Forma de onda das tensões de alimentação e sobre a carga para um circuito ponte de seis pulsos.
24
Durante a análise é considerado que o reator de alisamento é tão grande que a corrente
CC não apresenta variações. Desta maneira, a corrente na válvula que se encontra conduzindo
é constante e varia instantaneamente de zero a Id durante a comutação. Tal corrente também
circula no secundário dos transformadores conversores. A transferência de corrente de uma
válvula para a outra chamada de comutação. Para “LC = 0H” a comutação é instantânea e
somente duas válvulas conduzem por ciclo de condução, como ilustrado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Forma de onda das correntes CC nas válvulas e no secundário dos transformadores para um circuito
em ponte.
A análise do HVDC é realizada em termos da tensão média CC de saída do conversor
com relação à alimentação CA. Dois efeitos reduzem a tensão de saída e são passíveis de
formulação e análise: o disparo dos tiristores e o atraso de comutação entre válvulas oriundo
da reatância indutiva do sistema CA conectado ao conversor.
Aplicando-se a definição de tensão média sobre a carga para o caso da Figura 2.3
obtém-se a relação da Equação 2.2.
mCC EV
330 (2.1)
(2.2)
A tensão VCC0 é chamada tensão ideal sem carga do elo de corrente contínua.
Define-se como ângulo de disparo (também chamado ignição), o ângulo do instante
de recebimento de tensão pelo terminal de disparo (gate). Em um sistema monofásico este
ângulo é limitado à 180º a partir de quando a válvula falha na ignição. Seu efeito sobre a
tensão CC é reduzir a tensão CC por um fator cosseno, como descrito pela Equação 2.2.
);cos(.0 CCCC VV (2.1)
(2.2)
25
Como “” pode assumir valores entre 0o e 180º, VCC pode assumir valores entre +VCC0
e –VCC0, e uma vez que Id não varia, neste caso a defasagem entre a corrente da fase CA e a
tensão da mesma fase é igual a , logo é igual ao ângulo do fator de potência (=).
Na prática, a comutação de corrente de uma válvula para a outra não ocorre
instantaneamente, especialmente devido à indutância da fonte, das linhas e dos
transformadores de corrente alternada. O tempo gasto nesse processo (extinção ou condução)
é chamado tempo de sobreposição sendo denotado pelo ângulo Valores típicos para os elos
HVDC existentes, em carga nominal estão entre 15º e 25º.
Para ângulos de sobreposição entre 0º e 60º (0º<<60º), três válvulas conduzem
simultaneamente durante a comutação, enquanto no resto do período de condução somente
duas conduzem. O efeito da sobreposição das válvulas devido à existência da indutância CA é
ilustrado na Figura 2.5.
Figura 2.5 – Efeito da sobreposição das válvulas em sua comutação.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Pode-se analisar a composição deste efeito ao efeito do ângulo de disparo por iniciar a
comutação da válvula em “t ” (disparo) e encerrar em “t ”, ângulo chamado
“de extinção”, como ilustrado na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Períodos de Ignição da válvula com atraso de ignição.
Fonte: KUNDUR, 1994.
26
O efeito da sobreposição das válvulas durante a comutação sobre a tensão de saída do
conversor é ilustrada na Figura 2.7, onde se percebe que durante a comutação da válvula “1”
para “3”, estas duas válvulas e a válvula “2” estão sob condução.
Figura 2.7 – Circuito Equivalente durante a condução.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Pode-se demonstrar que imediatamente após o disparo da válvula “3” a tensão na
carga vale “(ea+eb)/2” ao invés de “eb”, o que significa que a área efetiva da tensão média na
carga é reduzida, como ilustrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 –Forma de Onda mostrando o efeito de sobreposição durante a comutação da válvula 1 para 3.
Fonte: KUNDUR, 1994.
A magnitude dessa redução é determinada percebendo-se que durante a comutação
“i1 = ICC – i3” e corresponde à relação da Equação 2.12, que permite descrever os conversores
como circuitos de CC em função de “VCC0” e “ICC”.
CC
cCCCC I
XVV
3)cos(.0
(2.1)
(2.12)
Na operação inversora, os tiristores da ponte superior disparam com tensão negativa
no ânodo da válvula, como ilustrado na Figura 2.9.
27
Figura 2.9 –Forma de onda de tensão e períodos de condução das válvulas.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Como a condição de condução dos tiristores é uma queda de tensão positiva do ânodo
com relação ao cátodo, a válvula “1” só comuta a condução para a válvula “3” porque a
tensão em seu ânodo é ainda mais negativa que da válvula “3” (a queda de tensão entre o
ânodo e o cátodo da válvula 3 é positiva e quando a mesma recebe o disparo passando a
conduzir).
Este processo inicia-se normalmente, pois as tensões senoidais estão presentes nos
respectivos terminais das válvulas.
De forma análoga, os tiristores da ponte inferior são disparados com tensão positiva
em seu cátodo, mas de uma maneira que a tensão em seu ânodo seja ainda mais positiva,
garantido a queda de tensão necessária entre ânodo e cátodo para disparo.
Em termos de nomenclatura e análise, também é utilizado nos inversores os ângulos
“” como ângulo de ignição avançada e “” como ângulo de extinção avançada.
Deve-se notar que nas válvulas a corrente nunca é invertida (os tiristores conduzem
sempre no mesmo sentido), assim, o sentido da potência é definido pela polarização da tensão
em seus terminais.
2.4 OPERAÇÃO ANORMAL
A condição mais recorrente de operação anormal dos conversores, e portanto dos
HVDCs, é a falha de comutação. Esta condição corresponde à falha de comutar a condução de
corrente entre válvulas antes que a tensão de comutação se torne negativa entre o ânodo e
cátodo novamente. É mais comum ocorrer em inversores especialmente para correntes CCs
elevadas ou tensões CA reduzidas. O retificador só apresenta falha de comutação caso seu
circuito de disparo falhar.
28
A título de exemplo, considere a Figura 2.10 a). Caso a comutação da válvula T1 para
a válvula T3 não ocorra entre 30º e 150º por atraso de disparo, quando T3 receber o disparo
não conduz porque a tensão entre seu ânodo e seu cátodo “ea-eb” é negativa.
a) b) Figura 2.10 – a) Falha por atraso de Disparo e b) Tensão reduzida no lado de corrente alternada.
Fonte: PESENTE, 2010.
Na Figura 2.10 b) a comutação não ocorre devido ao fato que a tensão CA na fase é
reduzida no momento do disparo, fazendo com naquele instante a tensão entre seu ânodo e
seu cátodo, “ea-ec” seja negativa. Desta análise, percebe-se que curto-circuitos nas fases que
alimentam os conversores podem causar falha de comutação.
Uma vez que a falha de comutação permite à válvula T1 continuar conduzindo na
ponte superior e ainda dispara normalmente a válvula T4 (da ponte inferior), ela sujeita o lado
CC do conversor a um curto-circuito, que é verificado pela queda da tensão no lado CC e a
interrupção de transferência de potência. A válvula T1 acaba por conduzir por um ciclo
elétrico completo (três vezes mais tempo que o normal), quando o conversor recupera-se
automaticamente.
2.5 CONTROLE DO HVDC
Pressupondo que as tensões CA de alimentação dos elos de CC são estáveis, as
correntes, tensões e o fluxo de potência nos HVDCs são estabelecidos apenas através do
disparo de seus tiristores, fazendo destes elementos sistemas altamente controláveis.
Sua eficiência depende do uso apropriado de sua controlabilidade para garantir o
desempenho desejado do sistema de potência.
De modo a usar toda sua flexibilidade e não comprometer o equipamento, vários laços
de controle são implementados de forma hierárquica, considerando a prevenção de flutuações
de ICC devido às oscilações no sistema CA. A tensão CC é mantida próxima da nominal e o
fator de potência nos conversores tão alto quanto possível para prevenir falhas de comutação.
29
Os pontos operativos de regime permanente em que os controles do HVDC mantém o
Elo de CC operando são retas determinadas pelas relações de correntes e tensões em cada um
dos terminais, definidas a partir da Equação 2.13 e chamadas “características VxI”.
CCinversorCC
LinversorCCrretificadoCC IX
RVV )3
()cos(.0
(2.1)
(2.13)
Em operação normal, o inversor tem como finalidade manter a tensão do HVDC
constante, então nesta condição o inversor opera no modo “angulo de extinção () constante”,
(Constant Extintion Angle - CEA). Esta característica é ilustrada na Figura 2.11, com uma
pequena inclinação causada pela queda de tensão na resistência da linha.
Já o retificador tem como função principal controlar a corrente fluindo pela linha,
gerando a linha vertical ilustrada na Figura 2.11. A condição de regime permanente é
determinada então pela intersecção das duas retas, indicada no ponto “E”.
Figura 2.11 – Características de tensão e corrente no Retificador.
Fonte: KUNDUR, 1994.
No retificador, a característica de corrente constante é mantida reduzindo-se “”
sempre que verificado “ICC < ICC desejada”.
No inversor, a tensão do retificador é mantida constante por variar “”, descontada a
queda de tensão na linha “ICC.RL”.
Quando “”atinge seus limites (geralmente 10º e 20º), ocorre a atuação do comutador
de derivações do transformador-conversor. Se esta ação não for suficiente, a modalidade de
controle é modificada modo “angulo de ignição () constante – CIA” originando a reta “FA”
na Figura 2.12. Imediatamente após, o inversor passa a controlar a corrente do HVDC, dando
origem à reta “GH”. A margem de corrente “Im” garante que ambos os terminais não atuem
sobre a mesma variável, que levaria o HVDC a uma condição operativa instável.
30
Considerando estes limites, a característica operativa completa do elo de CC é
apresentada na Figura 2.12.
Figura 2.12 – Controle real do conversor – características em regime permanente.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Além dessas características existem restrições operativas de regime geradas por limites
operativos dos tiristores, que podem sofrer danos térmicos.
Em regime permanente os conversores limitam-se de 1,2 a 1,3 da corrente nominal e
em condições não-usuais limitam-se em mínima corrente, para proteger válvulas de estresse
incomum, flash-overs ou danos nos enrolamentos do transformador.
Os HVDCs possuem uma hierarquia de controle desde o operador até o tiristor: é
chamado de controle mestre aquele que recebe a referência de potência e envia a ordem de
corrente ao controle de pólo, que por sua vez define o ângulo de disparo dos tiristores da
ponte e inclui proteções de válvulas. O controle da ponte recebe a ordem de ângulo do
controle de pólo, determina os instantes de disparo e inclui os limites de min e min.
Os controles do HVDC podem ainda, ser utilizados para melhoria do desempenho do
sistema CA em perturbações. Entretanto, os elos HVDC não isolam completamente as
variações de fluxo de potência entre os dois sistemas e ainda aparecem como cargas
insensíveis à frequência contribuindo negativamente com o amortecimento dos sistemas.
Além disso, os elos CC podem contribuir negativamente para um colapso de tensão durante
oscilações, pois, demandam muita potência reativa.
Nestas condições, o disparo dos tiristores pode ser utilizado para amortecer oscilações
eletromecânicas, aumentar a estabilidade transitória, controlar a frequência de sistemas
pequenos, regular a potência reativa e dar suporte de tensão.
31
2.6 REPRESENTAÇÃO DO ELO DE CC NO PROBLEMA DE FLUXO DE POTÊNCIA
A inclusão do elo de CC no problema de fluxo de potência é realizada considerando
dois sistemas CA conectados a cargas nas barras de interface com o elo, como ilustrado na
Figura 2.13.
Figura 2.13 – Sistema HVDC e Modelo para inclusão no problema de Fluxo de Potência.
Fonte: NETTO, F. M., 2003, CUSTÓDIO, D. T., 2009.
Considerando a formulação típica de Newton-Raphson, o correto equacionamento nas
barras de fronteira deve incluir tanto as equações que relacionam a potência ativa e reativa
com tensões, correntes e ângulos, como as equações que representam os efeitos dos controles
do HVDC a partir das derivações dos transformadores e do ângulo de disparo dos tiristores.
2.7 REPRESENTAÇÃO EM ESTUDOS DE ESTABILIDADE
Em programas de estabilidade convencionais, as equações da rede CA são
quantificadas por meio de suas componentes de sequência positiva, o que impõe uma
limitação fundamental na modelagem de sistemas CC.
De fato, uma falha de comutação não pode ser exatamente prognosticada nestes
aplicativos, dificultando a representação de condições que podem ser originadas a partir desse
fenômeno, como faltas trifásicas severas nas proximidades do inversor e faltas desbalanceadas
no lado CA do sistema, ou ainda saturação dos transformadores do conversor durante
condições dinâmicas de sobretensão.
Alguns dos primeiros esforços para incorporar modelos de sistemas HVDC em
programas de estabilidade utilizavam uma representação detalhada que contava com a
representação dinâmica da linha e do controle do conversor (KUNDUR, 1994).
Nos últimos anos, os pesquisadores têm buscado modelos mais simplificados, que são
adequados para estudos de estabilidade de sistemas nos quais o Elo de CC está conectado a
partes fortes do sistema CA, exceto em sistemas CA enfraquecidos que requeiram sistemas de
controle CC complexos e para sistemas CC multiterminais.
32
Cada sistema CC deverá ter características únicas adaptadas às suas necessidades
específicas e a sua aplicação. Por isso, modelos padronizados com estruturas fixas não têm
sido desenvolvidos para estudos de estabilidade de sistemas com Elos de CC. Em vez disso,
três categorias de modelos são amplamente aceitas: a) modelo simples, b) modelo de resposta
ou desempenho, e c) modelo detalhado com flexibilidade (KUNDUR, 1994).
2.7.1 Modelo Simples
Para elos CC remotos, os quais não geram impactos significantes nos resultados da
análise de estabilidade, modelos simplificados são geralmente adequados. O Elo de CC pode
ser representado como injeções de potência ativa e reativa constante nos terminais CA dos
conversores. Quão mais realísticos são os modelos, o Elo de CC é representado pelas
equações dos conversores estáticos e efeitos funcionais dos controles.
2.7.2 Modelo de Resposta ou Desempenho
Em estudos de estabilidade em modo geral, a parte dinâmica do Elo de CC e dos
controles dos pólos podem ser ignorados. A ação de controle do pólo é assumida como sendo
instantânea e as linhas são representadas por suas resistências.
Muitas das funções de controle são representadas em termos de seus efeitos na rede,
mais que as características de hardware.
Equações do Conversor e linha:
Os três modos de controle implementados nesse modelo, assim como descritos no
subitem 2.5 são:
Retificador em CC e inversor em modo CEA;
Retificador em CIA e inversor em modo CC;
Retificador em CIA e inversor em controle de constante (modo de transição);
O controle lógico associado a estes três modos de controle pode ser incorporado a
soluções de estabilidade. Neste caso, entretanto, as derivações do transformador não são
ajustados, visto que não são rápidos o suficiente para atuar no período de interesse.
33
Forma de controle e limites de corrente:
A forma de corrente é implementada de modo que possa reproduzir a condição de
prover controle de corrente e controle de potência como desejado. Restrições são impostas no
nível de corrente para mantê-la entre limites mínimos e máximos. A máxima corrente é
determinada pelo VDCOL e implica nas características de corrente ilustradas na Figura 2.14.
Na Figura 2.14, os valores de corrente dos conversores podem variar entre IMIN e IMAX,
de acordo com o aumento da tensão CC. Sendo VD a tensão dependente da corrente. De
maneira análoga a corrente de referência “Iord” também é limitada, não ultrapassando valores
de risco mesmo recebendo sinais de controle Idesejada para o mesmo.
Figura 2.14 – Limites de dependência de Tensão e máxima corrente.
Fonte: KUNDUR, 1994.
Ação de controle durante faltas no sistema CA:
Durante faltas no sistema de CA, os controles do HVDC têm funções específicas,
sendo necessário, portanto, uma representação adequada das ações de controle durante tais
eventos.
Na prática, se a tensão diminui em um lado do Elo de CC, por certo tempo maior que o
especificado, a corrente CC é ajustada em zero. Uma rampa limita a taxa de decrescimento da
corrente. A linha é desligada quando a corrente decai a um valor mínimo especificado.
A linha CC é restabelecida após a tensão ser recuperada a um valor aceitável. Se a
tensão se recupera antes da corrente do Elo de CC atingir seu mínimo, a corrente é recuperada
ao valor original. Existem outras formas alternativas de recuperação do elo:
A corrente é aumentada, controlando o ângulo “”, com o ângulo de disparo fixado
em 90 graus. Quando a corrente atinge o valor desejado menos o valor de corrente de
margem, o ângulo de extinção do inversor e decrescido em forma de rampa
normalmente ao seu valor original;
34
A corrente é aumentada, mantendo a tensão no valor máximo possível (min).
A primeira opção garante que durante a recuperação, a potência reativa máxima é
retirada do sistema CA e pode ser utilizada para controlar as sobretensões. A segunda opção
garante que a máxima potência possível é enviada através do Elo de CC.
Verificação de falha de comutação:
O modelo CC geralmente inclui uma lógica de desligamento da linha CC por falha de
comutação, detectada simplesmente a partir do monitoramento da tensão de comutação ou
pelo ângulo do conversor.
2.7.3 Modelo Flexível Detalhado
Em sistemas mais complexos onde é necessário um nível elevado de detalhamento são
comuns os seguintes recursos de modelagem:
Elo de CC – um modelo dinâmico, o qual representa os efeitos de resistência,
capacitância e indutância na linha. O efeito capacitivo pode ser particularmente
importante em cabos.
O Controle do conversor é representado por modelos dinâmicos apropriados para:
Controles Principais;
Dinâmica incluindo VDCOL;
Modulação de Corrente/Potência;
Mudança de lógica rápida para potência, incluindo bloqueio e desbloqueio;
Controles de pólo capazes de representar diferentes opções de controle, como CC,
CEA, tensão CA constante, tensão CC constante, prevenção à falha de comutação, etc.
Interface CA/CC – Representação correta de comutação da tensão, comutação da
reatância e terciário do transformador, com os tiristores, condensadores e outros
componentes conectados.
Modelos detalhados de sistemas HVDC incluem a parte dinâmica do sistema, os quais
são muito mais rápidos que os modelos com um sistema CA junto. Em estudos de estabilidade
envolvendo simulações no domínio do tempo, passos de integração muito pequenos são
necessários para resolver as equações CC.
35
Representação Trifásica Detalhada:
O modelo detalhado descrito acima, baseado na representação fasorial por sequência
positiva, não é preciso para a análise de faltas desbalanceadas e para previsão de falhas de
comutação. Uma simulação exata de tais condições requer um modelo trifásico detalhado,
representado ciclo a ciclo incluindo a parte dinâmica da linha CA, filtros e controles do
conversor durante o distúrbio e o início de sua recuperação.
Assim, os dois tipos de simulação, um utilizando uma representação trifásica
detalhada, de uma pequena parte do sistema próximo ao elo CC e a outra um modelo
monofásico em regime permanente com o sistema de potência completo sendo utilizado de
maneira complementar.
2.8 ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS
O Elo de corrente contínua de Furnas Centrais Elétricas tem terminais nas subestações
de Foz do Iguaçu (PR) e Ibiúna (SP) e foi concebido em 19797 como alternativa de
transmissão da potência gerada por Itaipu Binacional, pois, a energia excedente do Paraguai é
vendida ao Brasil. A frequência de operação no Paraguai é de 50Hz, e portanto para a
utilização desta energia, faz-se necessário a readequação da frequência, retificando e
convertendo em 60Hz novamente.
Este elo de corrente contínua tem capacidade máxima de transmissão de 6300 MW, e
tem seus elementos principais ilustrados na Figura 2.15, onde percebe-se que, em sua
constituição original possui dois bipólos (dois conjuntos retificadores-inversores com
polaridade positiva e negativa), onde cada um dos pólos é constituído de dois conversores em
série, resultando em oito conversores (quatro por retificador/inversor, dois por polaridade). O
elo possui aproximadamente 800 km de extensão, sua tensão de alimentação é de ± 600 kV.
Adicionalmente, para sua operação existem reatores de alisamento em CC, filtros de
harmônicas CA e CC e os eletrodos de aterramento – (anel composto por 841 barras de aço
silício, enterradas a cinco metros de profundidade).
Os elementos que constituem o Elo de Furnas possuem como principais parâmetros os
apresentados na Tabela 2.1, a seguir.
7 ITAIPU HVDC TRANSMISSION SYSTEM 10 YEARS OPERATIONAL EXPERIENCE
<http://www05.abb.com/global/scot/scot221.nsf/veritydisplay/81f41178f000ca94c1256fda00
4aead6/$file/sepope2.pdf >, Acesso em 21 de julho de 2011.
36
Figura 2.15 – Circuito Elo HVDC de FURNAS.
Fonte: ONS – Mapas do Sistema Interligado Nacional.
Tabela 2.1 – Parâmetros do elo de CC de Furnas
Elemento Número Parâmetros Principais
Retificador e elementos
consituintes 2
2 pólos por retificador
2 conversores por pólo
VCCnom / conversor = ±300 kV
Pnom = 471MW
Inom = 2610A
2 pontes de Graetz / conversor
= 12 a 17º, máximo de 163º
Vff/CA = 127,4kV
nom = 17º
Xcomutação = 17,8
2 filtros CA 349 Mvar
3 filtros CA de 280 Mvar
Total de reativos nos filtros = 1538 Mvar
Inversor e elementos consituintes 2
2 pólos por inversor
2 conversores por pólo
VCCnom / conversor = ±300 kV
Pnom = 450MW
Inom = 2610A
2 pontes de Graetz/conversor
min = 100º
Vff/CA = 122kV
nom = 17º
Xcomutação = 17,2
12 filtros CA 220 Mvar
4 Capacitores síncronos ±330/220 Mvar
Total de reativos = 3980 Mvar
Linhas de transmissão 4
Inom = 2610A
L = 1231,9 mH
R = 10,47
Transformadores-convesores 8 Snom 900 MVA
Vnom 345kV
Fonte: Banco de dados ANATEM, 2011.
37
Dinamicamente, no aplicativo de Análise de transitórios eletromecânicos, os seguintes
controles principais estão implementados:
CAC – amplificador para controle de corrente;
VCO – Oscilador controlado por tensão;
VDCOL – limitador de ordem de corrente controlado por tensão;
STOL – sobrecarga por tempo reduzido.
O controle geral dos conversores do Elo de CC de Furnas, implementado no aplicativo
de Análise de Transitórios eletromecânicos está representado na Figura 2.16, onde se percebe
que o controle principal representado está em termos de potência ativa.
O sinal de potência desejada é a referência de controle, que tem em sua malha a
modulação de sinal para controles adicionais, e que é transformado em ordem de corrente pela
divisão direta da tensão aferida no sistema de CC.
Esta ordem de corrente é comparada à corrente aferida no sistema de CC gerando um
erro de corrente que é utilizado como entrada para os blocos dinâmicos do VDCOL, CCA e
VCO, respectivamente.
Figura 2.16 – Esquema geral de controle do elo CC de Furnas.
Fonte: Banco de dados ANATEM, 2011.
Como pode ser verificado na malha de controle da Figura 2.16, a transcrição da ordem
de corrente para ordem de é realizada no elemento VCO.
O detalhamento da Figura 2.16, de modo a mostrar as funções dinâmicas de cada um
dos seus blocos, está ilustrado na Figura 2.17.
Figura 2.17 – Modelo detalhado do esquema de controle do elo CC de Furnas.
Fonte: Banco de dados ANATEM, 2011.
38
Na Figura 2.17, percebe-se que os seguintes blocos possuem as respectivas funções:
CCA: controlador de corrente proporcional-integral;
VCO: converte o sinal de corrente para uma ordem de , com um filtro de entrada;
VDCOL: modula a corrente por um fator redutivo quando percebe uma razão Vcc/Vesp
negativa;
STOL (Short Time Over Load): permite ao Elo de CC operar em sobrecarga por um
período curto de tempo, limitando a corrente superior quando percebe que esta se
aproxima do limite de aquecimento dos tiristores;
O sinal modulador que se soma à potência advém do controle STAB50 (Estabilizador
do setor de 50 Hz) que é ilustrado na Figura 2.18.
Na Figura 2.18, verifica-se que quando ocorre uma variação da frequência com relação
à frequência nominal, é gerado um sinal de referência de forma a compensar esta variação por
modular a potência do Elo de CC no sentido contrário. Este controle permite tanto elevar
quanto reduzir momentaneamente a potência transmitida pelo Elo de CC de Furnas.
Figura 2.18 – Sinal modulador de potência no elo de corrente contínua.
Fonte: Banco de dados ANATEM, 2011.
No Elo de CC de Furnas estão implementados ainda, esquemas de proteção,
principalmente para evitar que eventos no HVDC danifiquem dispositivos ou afetem de
maneira drástica a operação do sistema paraguaio, que possui uma potência relativa pequena
com relação à potência no Elo de CC de Furnas.
Os principais dispositivos de proteção instalados estão relacionados na Tabela 2.2, de
onde se percebe que as principais funções buscam reduzir desbalanços de potência gerados
por eventos no Elo de CC de Furnas (indicado por variações de frequência), por mudança de
topologia (identificação de abertura de linhas), entre outros.
Estas funções adicionais de proteção não estão implementadas no banco de dados do
aplicativo de Análise de Transitórios Eletromecânicos, que, tem como finalidade principal,
representar a resposta dinâmica do sistema para os próprios ajustes dos esquemas de proteção.
39
Tabela 2.2 – Esquemas de Controle de Emergência de Itaipu
SINAL MEDIDO PROVIDÊNCIA TOMADA
Abertura de LI MD-ACY 1 ou 2 OU 1 e 2 Corta carga ANDE
Bloqueio do último conversor Desliga todos filtros
Curto 1 + bloqueio de 3 conversores, OU curto 2 ou 3 Abertura interligação
Desligamento de filtro e IPU50>6400MW Bloqueia TAPs Elo
df/dt > 1,9Hz/s + (sinal de bloqueio de 4 ou + conversores) Corta 1 UG em Itaipu
df/dt > 2,4Hz/s + (sinal de bloqueio de 4 ou + conversores) Corta 2 UG em IPU OU separa 2UG para ANDE + corta carga
f/t>3Hz/s entre 51 e 52 Hz Abre interligação
f<45Hz Abre interligação
f>56Hz, t>3,3s Abre interligação
f>56Hz, t>3,3s (C7) Abre interligação
I>4000A na IPU-MD 1 ou 2 Desconecta LT adjascente
Nconversor < Nfiltros Desliga filtros
Ngerador < Nfiltros Desliga filtros
Perda de UGs em Itaipu Limita Pordem < 1100*NG
Sobrecarga de 38% em transformador SEMD Corta carga ANDE
V>600, t>1,5s Abre LT 500kV com Furnas
V>600, t>350ms e depois cada 250ms Desliga filtros
VCA<250kV t>400ms Abre interligação
VCA<350kV Abre LT 500kV com Furnas
VCA>550kV e I>300A sentido 220kV Abre interligação
VCA>575kV Aumenta Iordem no Elo
VCA>850kV t>200ms Abre interligação
VCA>850kV t>200ms OU VCA>750kV, t>350ms Abre LT 500kV com Furnas
Zero UGs Itaipu e Zero LT 500kV Abre interligação
Fonte: Procedimentos de Rede de Itaipu (2011).
2.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foi apresentada uma revisão bibliográfica sobre as características físicas
dos Elos de Corrente Contínua, assim como de seus aspectos de implementação em
aplicativos de simulações eletromecânicas.
Por fim, foi realizada uma revisão acerca das peculiaridades do Elo de CC de Furnas
Centrais Elétricas, objeto deste trabalho.
40
3. MÉTRICA DE AVALIAÇÃO ELETROMECÂNICA DO DESEMPENHO DO
SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL FRENTE À EVENTOS NO ELO DE CC DE
FURNAS
Neste capítulo são postulados os critérios que delineiam a avaliação das simulações
realizadas da dinâmica do Sistema Interligado Nacional quando da ocorrência de eventos no
Elo de CC de Furnas, determinados, basicamente por procedimentos operativos postulados
pelo Operador Nacional do Sistema (ONS).
3.1 DIRETRIZES PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CA
O ONS, por meio do submódulo 23.38 de Procedimentos de Rede estabelece alguns
critérios que devem ser respeitados no momento de se realizar um estudo em sistemas de
corrente alternada, os quais são, principalmente as condições de carga, geração e configuração
do sistema a serem utilizadas como condições iniciais devem ser condições normais de
operação, para cargas pesada, média, leve e mínima.
Com relação aos tipos de contingências a serem simuladas, devem ser aplicadas
contingências simples, dupla e saída de linha de transmissão com circuito duplo. Em função
da contingência analisada, deve ser considerada a atuação dos Sistemas de Proteção (SEPs)
existentes e relevantes para o desempenho do sistema elétrico.
Nos estudos de estabilidade eletromecânica deve-se ter como referência um conjunto
de situações dos quais se podem citar os seguintes casos:
Falta na barra com atuação correta da proteção;
Falta em circuitos – duplos ou não – com falha de disjuntor;
Perda de uma interligação elétrica que provoque a abertura de outras interligações.
Para os estudos de estabilidade eletromecânica, a modelagem do sistema deve
considerar os seguintes aspectos:
As usinas de pequeno porte podem ser representadas pelo método clássico ou,
simplesmente não serem representadas;
8 Diretrizes e critérios para estudos elétricos - Submódulo 23.3
<http://extranet.ons.org.br/operacao/prdocme.nsf/videntificadorlogico/AB6967420089787483
2577A5006BDD25/$file/Subm%C3%B3dulo%2023.3_Rev_1.1.pdf?openelement>, acesso
em 19 de julho de 2011.
41
Os Sistemas de CC devem ser representados com base no estabelecido no item 3.3 do
respectivo submódulo;
Proteções de distância, de sobretensão, perda de sincronismo e SEPs (Esquemas
Regionais de Alívio de Carga – ERAC, Esquemas de Corte de Geração – ECG, entre
outros) pertinentes à análise devem ser considerados.
Os tempos de isolamento dos defeitos devem ser obtidos com base nos tempos de
manobra de elementos que dependem do arranjo físico da subestação e do tempo de atuação
da própria proteção.
Tempos indicativos de isolamento do defeito são apresentados na Tabela 3.1. Estes
valores só devem ser utilizados quando não houver informações disponíveis nos bancos de
dados ou quando não forem fornecidas pelos agentes. Caso haja necessidade de elaborar
estudos específicos, devem ser solicitados aos agentes os dados de tempo de eliminação de
defeitos.
Tabela 3.1 – Tempos indicativos de eliminação de defeitos.
Fonte: SUBMÓDULO 23.3 ONS.
3.2 CRITÉRIOS PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CA
No estudo de sistema de corrente alternada, sob qualquer condição de carga, o sistema
deve permanecer estável para aberturas intempestivas com ou sem a aplicação de curtos-
circuitos monofásicos, sem religamento, ainda que haja a perda de algum dos elementos do
sistema de transmissão, até mesmo de transformadores.
42
O curto circuito monofásico é usado por ser, entre os defeitos, o de mais alta
probabilidade de ocorrência. Nos casos de contingências do tipo simples ou saída de linha de
transmissão em circuito duplo, que provocam aberturas de parte ou da totalidade de
interligações elétricas entre áreas do SIN, os subsistemas que resultam dessas aberturas
devem se manter estáveis e sem corte de carga. Adicionalmente, o sistema deve ser
dinamicamente estável nas pequenas variações de intercâmbio nessas interligações.
Além de ser estável, o sistema não deve estar sujeito a riscos de sobrecargas
inadmissíveis em equipamentos, à violação de faixas de tensão, nem tampouco a
desligamentos indesejáveis de elementos da rede ou de carga. Em princípio não deve haver
atuação de dispositivos de proteção do banco de capacitores série para faltas externas, à
exceção de faltas que sejam eliminadas em tempo superior ao tempo máximo de eliminação
da falta sem falha do disjuntor (tabela 3.1).
Para a avaliação da estabilidade eletromecânica devem ser considerados os seguintes
critérios:
A tensão mínima para situação pós-distúrbio no SIN, na primeira oscilação, não pode
ser inferior a 60% da tensão nominal de operação (63% para 500kV) e, nas demais
oscilações, deve ser superior a 80% da tensão nominal de operação (84% para 500kV);
A máxima variação de tensão admitida entre o instante inicial e o final da simulação
dinâmica deve ser de 10% da tensão nominal de operação, ou seja,
;
A amplitude máxima de oscilações de tensão eficaz pico a pico deve ser menor ou
igual a 2%, em valor absoluto, 10 (dez) segundos após a eliminação do distúrbio;
A frequência mínima a ser observada após os distúrbios deve ser de 57,0 Hz devendo
se estabilizar em 59,5 Hz, em 20s.
3.3 DIRETRIZES E CRITÉRIOS PARA ESTUDOS EM SISTEMAS CC
De uma forma geral, para os estudos em sistemas CC deve-se realizar simulação da
influência e do comportamento de um elo de corrente contínua em um sistema CA. A
simulação deve permitir representar a modulação de grandeza da rede CA, do sistema CCC
(Capacitor Comuted Converter), back-to-back ou ponto-a-ponto (ICC, VCC), bem como do
sistema CC convencional, cuja representação possibilita melhorar a estabilidade do sistema,
em função da grande velocidade de resposta de seus controles.
43
Para a faixa de tensões CA estabelecida para as barras retificadora e inversora, o
sistema deve ser planejado para operar num nível de tensão CC inferior ao valor nominal
(tensão reduzida). Busca-se, assim, eliminar um curto-circuito nos isoladores estabelecido
entre o condutor e a terra, depois de tentativas, sem sucesso, de religamento a plena tensão.
Com relação à aspectos específicos dos estudos, devem ser considerados:
3.3.1 Capacidade de sobrecarga no sistema CC
Deve ser avaliada a necessidade de sobrecarga de curta duração no sistema CC para
que se obtenha um desempenho estável para o sistema de transmissão diante de situação de
faltas nos sistemas CC e CA.
3.3.2 Forma de representação do controle do sistema CC
Para a representação do controle do sistema CC alguns aspectos são relevantes:
Em estudos de estabilidade, o modelo que representa o Master Control apresenta duas
opções de funcionamento para o sistema CC – potência constante ou corrente
constante –, com possibilidade de aplicação de sinal externo para a modulação do elo
CC;
Em relação aos limites de corrente e modulação:
A corrente de referência Io (Iordem) se limita a um valor máximo da corrente nominal
do sistema CC. Esse valor varia de acordo com o projeto;
O bloco estabilizador ou de modulação representa uma função de transferência
ajustada para permitir a modulação do sinal da corrente ou potência na rede CA. Em
princípio, qualquer variável ou combinação de variáveis do sistema CA ou CC pode
ser utilizada como sinal de entrada para esse bloco;
Em relação à dependência entre a corrente de referência e a tensão do lado CC
(Voltage Dependent Current Order Limit – VDCOL):
A função do VDCOL é reduzir a ordem de corrente quando a tensão CC é reduzida a
menos que um valor previamente determinado; a redução da ordem de corrente é
importante para que o sistema se recupere da falta. Os valores ICC x VCC podem ser
alterados dependendo da conveniência do sistema CA, mas devem respeitar as
limitações do fabricante, que devem ser informadas pelo agente;
44
No caso de conversoras back-to-back, a ordem de corrente pode ser reduzida
dependendo da tensão CA do lado mais afetado. A curva de dependência deve ser
fornecida pelo agente.
A linha de transmissão em corrente contínua, nos casos de sistemas CC ponto-a-ponto,
é expressa pela sua própria constante de tempo “ = L/R”, onde L e R são a indutância e a
resistência total da linha.
3.3.3 Estudos de desempenho dinâmico envolvendo Elos de CC.
Tais estudos, devem:
a) otimizar os parâmetros de controle sistêmico do elo CC;
b) verificar o comportamento do elo CC durante faltas e transitórios do sistema CA e CC;
c) definir os tempos de recuperação pós-defeito no sistema CC e CA;
d) definir a necessidade de controle para amortecimento das oscilações sistêmicas;
e) definir a necessidade de controle de tensão.
O sistema de potência deve ser transitório e dinamicamente estável. Os estudos a ele
relativos devem considerar os seguintes critérios:
Em curto-circuito monofásico em elementos CA eletricamente próximos às barras
conversoras deve ser assumida potência zero na linha CC durante todo o período de
falta;
Para curto-circuito próximo à barra retificadora, deve ser considerada, durante a falta,
uma redução de 80% na potência da linha CC em relação ao seu valor pré falta;
3.3.4 Recuperação da potência CC
A recuperação da potência CC, após a eliminação da falta pode, para efeito de estudo,
ser representada simplificadamente por meio de uma rampa;
O tempo de recuperação, medido desde o instante da eliminação da falta até a potência
CC atingir 90% do seu valor de referência pré-falta, deve estar na faixa de 150 a 400ms e
deve ser avaliado por meio de estudos.
45
3.3.5 Faltas e contingências no elo CC
Para faltas monopolares temporárias na linha CC, os curtos-circuitos são eliminados
em poucos milissegundos pela atuação do controle. As tentativas de religamento
devem esperar cerca de 200ms (tempo estimado para a eliminação do arco) para se
efetivarem. Essas tentativas devem ser representadas, sejam elas com sucesso ou sem
sucesso;
Para falta monopolar permanente na linha CC com o bloqueio de um pólo, deve ser
avaliada a necessidade de outros pólos assumirem a potência perdida até o valor limite
da sobrecarga de corrente de curta duração, a fim de se obter um desempenho estável
para o sistema de potência. Deve ser avaliada também a necessidade de desligamentos
automáticos de filtros CA nos lados retificador e inversor, de forma a evitar
sobretensões ou riscos de auto-excitação de compensadores síncronos ou geradores
próximos ao sistema CC;
Para o tempo de eliminação de faltas monofásicas no sistema de corrente alternada, na
ausência de informações disponibilizadas pelos agentes, devem ser considerados os
valores descritos na Tabela 3.1.
Em relação a colapsos de tensão próximos ao elo CC:
Com relação aos colapsos de tensão em estações próximas às conversoras, o elo CC,
quando operando em controle de potência, deve ter a ordem de corrente limitada para
valores de tensão CC abaixo de um valor de referência, de forma a limitar o aumento
da ordem de corrente, reduzir o risco do elo CC e piorar o desempenho da tensão CA
em situações de colapso de tensão.
3.4 METODOLOGIA DE SIMULAÇÃO E CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO
Baseado nos critérios postulados neste capítulo, se estabelecem as seguintes simulações
para avaliação do desempenho dinâmico objeto deste trabalho:
Bloqueio de pólo;
Curto-circuito monofásico e abertura de linha de transmissão de corrente alternada;
Curto-circuito e abertura de linha de transmissão de corrente contínua;
Falha de comutação;
Rejeição de filtro de CA;
Remoção de Ponte Conversora;
46
Destas simulações, deseja-se que atendam aos critérios de estudo de performance
dinâmica do elo CC estabelecidos no item 3.2, no subitem 3.3.5 e, em senso9, que as
Proteções contra Perda de Sincronismo (PPS) que estejam ajustadas para separação
(ilhamentos controlados) de subsistemas não devem ter, no período transitório, para eventos
no Elo de CC de Furnas Centrais Elétricas, as condições de atuação atendidas. Isso significa
que eventos no Elo de CC de Furnas Centrais não devem ocasionar desligamentos da
interconexão entre subsistemas.
3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foram apresentados os critérios para estudos de estabilidade do sistema
interligado nacional com base em procedimentos de rede adotados pelo operador nacional do
sistema elétrico, a metodologia utilizada para avaliar o sistema e os principais critérios de
avaliação da estabilidade do sistema que possam garantir um mínimo de integridade do
sistema.
Desta forma pode-se avaliar em que condições o sistema opera frente à eventos no elo
de corrente contínua de Furnas, permitindo a observação de possíveis riscos ao sistema
elétrico.
9 Isso porque, esse critério é introduzido consensualmente em reuniões dos grupos ou
comissões de operação.
47
4. SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
Como deliberado no capítulo anterior, a metodologia de simulação e os critérios foram
aplicados como descrito no subítem 4.1, resultando nas avaliações e análises que se seguem.
Inicialmente citam-se ocorrências que envolveram o Elo de Corrente Contínua de
Furnas Centrais Elétricas S.A. verificadas nos últimos anos, com fundamentação da realização
deste trabalho, em seguida são relatados os cenários adotados para simulação, e por fim, são
apresentados os resultados obtidos de simulações, delineando a forma de avaliação e
ilustrando o desempenho dinâmico do Elo de CC.
4.1 OCORRÊNCIAS ENVOLVENDO O ELO DE CORRENTE CONTÍNUA DE FURNAS
Durante os últimos anos (2007 a 2011), diversas ocorrências envolvendo o elo de
Furnas causaram o desligamento total ou parcial. Os eventos mais importantes estão descritos
na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Principais eventos no Sistema Elétrico Brasileiro associados ao elo de Corrente Contínua de Furnas
Principais eventos relacionados ao ELO CC:
Data da Ocorrência Efeito / Energia não gerada
Ano de 2007 Não houve ocorrências relevantes
Ano de 2008 Não houve ocorrências relevantes
10/11/2009
Desligamento do Elo de Corrente Contínua com 5400 MW de fluxo.
Interrupção total de aproximadamente 28.800MW de carga no SIN
e 980MW de carga no Paraguai.
Ano de 2010 Não houve ocorrências relevantes
Ano de 2011 (até março) Não houve ocorrências relevantes
Fonte: IPDO – Informativos preliminares diários de operação.
Verifica-se, da Tabela 4.1, que até o ano de 2008 não houveram ocorrências relevantes
ao sistema. No ano de 2009, ocorreu um grande blackout levando a interrupção de
fornecimento de energia a consumidores. Este foi o caso mais grave relatado nos últimos anos
onde nove estados tiveram o fornecimento de energia interrompido por algumas horas. Após
este evento nenhuma outra perturbação relevante foi verificada no sistema interligado
nacional até o primeiro trimestre de 2011.
48
4.2 CENÁRIOS DE SIMULAÇÃO
Para simulação foram considerados que o carregamento do sistema e o intercâmbio
entre subsistemas são os parâmetros primários de severidade com relação a grandes
perturbações, enquanto perfis de tensão e distribuição de reativos, secundários.
Baseado na Tabela 4.1, foram considerados relevantes, especificamente para o Elo de
Corrente de Furnas Centrais Elétricas e suas conexões, os seguintes casos:
Abertura total de circuito de corrente alternada;
Aplicação de corrente de curto-circuito em barra de corrente contínua;
Bloqueio completo do elo;
Falha de comutação;
Perda de filtro 349 Mvar;
Remoção de ponte conversora.
Desta maneira, foram criados os seguintes cenários de intercâmbio, considerando o
SIN subdividido entre subsistema Norte-Nordeste, Sudeste-Centro-Oeste e Sul, em período
crítico para o sistema, como definido e ilustrado nas Figuras 4.1 e 4.2:
EXPSE e RSUL – NNE exportando para SE (1800 MW) e SUL recebendo do SE (560
MW);
RNNE e FSUL – NNE importando do SE (2050 MW) e SUL exportando para o SE
(3000 MW);
RNNE e RSUL – NNE importando do SE (600MW) e SUL exportando para o SE
(500 MW);
EXPSE e FSUL – NNE exportando para SE (1770 MW) e SUL recebendo do SE
(2200 MW);
49
Figura 4.1 – Subdivisão Sudeste – Norte Nordeste
Fonte: Planejamento da Operação Elétrica de Médio Prazo – ONS – 2010.
50
Figura 4.2 – Subdivisão Sul – Sudeste
Fonte: Planejamento da Operação Elétrica de Médio Prazo – ONS – 2010.
Figura 4.3 – Diagrama simplificado mostrando o sentido dos quatro intercâmbios entre áreas considerados
NNE
SE
SUL
EXPSE e FSUL
NNE
SE
SUL
RNNE e RSUL
NNE
SE
SUL
RNNE e FSUL
NNE
SE
SUL
EXPSE e RSUL
51
4.3 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DAS SIMULAÇÕES ELETROMECÂNICAS
Neste subitem, são explicitados os principais elementos com fatores limitantes aos
quais se submeteram avaliações transitórias e de regime permanente que correspondem ao
desempenho do Sistema Interligado Nacional.
As Tabelas 4.2 e 4.3 ilustram, respectivamente, linhas de transmissão que apresentam
carregamento limitante quando de rejeições no Elo CC abordado, assim como identifica a
existência de proteções contra perda de sincronismo instaladas no intuito de isolar
subsistemas e os barramentos adjacentes às conversoras que podem apresentar problemas
associados ao afundamento ou variação excessiva de tensão pós-perturbação para os eventos
postulados.
Em ambas tabelas, o número associado aos barramentos ou “barras” corresponde ao
cadastro do banco de dados do Operador Nacional do Sistema.
Tabela 4.2 – Localização das proteções contra perda de sincronismo e limite das linhas observadas
Localização da PPS Da Barra Para a Barra Limite da Linha
(MVA)
PPS da SE-NE (Bom Jesus da Lapa - Rio das Éguas LT 500kV) 6349 6444 1992
PPS Presidente Dutra - Teresina - LT 500kV 5580 5500 2123
PPS Presidente Dutra - Boa Esperança - LT 500kV 5580 5510 1905
PPS Ribeiro Gonçalves - Colinas - LT 500kV 5437 7300 1560
PPS da Interligação N-SE (em Miracema) - LT 500kV
7200 7301 2598
7200 7303 2728
PPS da Interligação N-SE (em Gurupi) - LT 500kV
7102 7201 2220
7104 7203 2728
PPS da Interligação N-SE (em Serra da Mesa) - LT 500kV
7236 7101 2220
7237 7103 2728
Fonte: Operador Nacional do Sistema – ONS – 2011.
Tabela 4.3 – Barras sob análise de estabilidade de tensão e intervalos de tensão aceitáveis durante o evento.
Barra Tensão Limites de Tensão em
Regime Permanente (pu)
Limite de Tensão Primeira
Oscilação (pu) /
depende de Vpré
Limite de Tensão Após
10 segundos (pu) /
depende de Vpos (t = 0+)
60 765kV 0,9 - 1,046 0,57 - 0,63 0,88 - 1,025
65 765kV 0,9 - 1,046 0,57 - 0,63 0,88 - 1,026
70 765kV 0,9 - 1,046 0,57 - 0,63 0,88 - 1,027
72 765kV 0,9 - 1,046 0,57 - 0,63 0,88 - 1,028
76 765kV 0,9 - 1,046 0,57 - 0,63 0,88 - 1,029
80 500kV 0,95 - 1,1 0,60 - 0,68 0,93 - 1,083
Fonte: Operador Nacional do Sistema – ONS – 2011.
52
Com o objetivo de mostrar o comportamento do sistema interligado nacional foi criada
uma determinada condição de operação do sistema pré-falta simulando quatro situações de
intercâmbio entre áreas e cinco perturbações distintas ao qual o sistema está sujeito. Destas
simulações, podem ser extraídos os resultados mostrados à seguir:
4.4 CASO I – INTERCÂMBIO NO SENTIDO EXPSE e RSUL
Por meio do software Anarede foi ajustado o intercâmbio EXPSE e RSUL com carga
pesada e carga leve, atingindo valores de 1800MW e 560MW respectivamente.
Posteriormente foram simulados os eventos de bloqueio de elo, curto-circuito em barra CC,
falha de comutação, perda de filtro e remoção de ponte retificadora. Neste modo de
intercâmbio o sistema elétrico se comportou de forma estável e satisfatória para critérios de
tensão, frequência, variação angular e atuação das PPS. O comportamento das ondas de
tensão do tronco de 765kV de Furnas foi semelhante para todos os casos simulados, atingindo
no pior caso um valor de 0,933 p.u. de mínimo. Um caso típico de comportamento da tensão
está ilustrado na Figura 4.4 onde após a perturbação, a tensão no tronco se estabilizou.
Figura 4.4 – Comportamento das ondas de tensão do tronco de 765kV de Furnas após remoção de ponte
retificadora.
A excursão angular relativa entre os rotores das massas girantes do SIN e a oscilação
na frequência também não foi significativa, o que é ilustrado Figuras 4.5 e 4.6,
respectivamente.
53
Figura 4.5 – Abertura angular entre diversas barras do sistema e a barra de Ilha Solteira após bloqueio de elo.
Figura 4.6 – Oscilação da frequência no sistema elétrico nacional após a remoção de ponte retificadora.
Com relação a análise do risco de atuação das proteções contra perda de sincronismo
do SIN neste caso, é possível notar o não atendimento às condições de atuação (também
chamada no jargão técnico de “não atuação”) de nenhuma das PPSs do sistema, fato ilustrado
na Figura 4.7.
Em tempo, nesta figura assim como nas demais que são apresentadas, há risco de
atuação quando a impedância da linha medida em seus terminais pela razão fasorial Z = V/I,
(também chamada no jargão de “impedância vista”) pela proteção adentra a região interna
delimitada pelas formas retangulares da Figura 4.7, permanecendo nesta região por um tempo
igual ou superior ao ajuste, de cada proteção.
Esse fato é coerente com a excursão das demais grandezas (tensão, frequência e
ângulo), de onde espera-se que para esta perturbação o sistema se recupere de forma
satisfatória.
54
Figura 4.7 – Proteção contra perda de sincronismo da interligação SE-NE e traçados no tempo da variação das
impedâncias “vistas” pela proteção.
4.5 CASOS II e III
4.5.1 Caso II – Intercâmbio no sentido RNNE e FSUL
Nesta situação de intercâmbio o fluxo de potência de regime permanente pré-
perturbação foi ajustado em 2050MW na interligação “RNNE” e de 3000MW na interligação
“FSUL”. Os eventos simulados nesta situação são análogos aos do caso I, resultando em
respostas bastante semelhantes aos do item 4.4, ou seja, não incluindo informações adicionais
às análises.
4.5.2 Caso III – Intercâmbio no sentido RNNE e RSUL
Neste caso, o fluxo de potência de regime permanente pré-perturbação foi ajustado em
600MW no sentido RNNE e 500MW no sentido RSUL, também resultando em um
desempenho dinâmico muito similar aos das Figuras 4.4 à 4.7.
Ou seja, em termos de estabilidade, excursões de grandezas e risco de atuações
indevidas, esta perturbação não submete o sistema a riscos excessivos. A título de exemplo,
valores mínimos de tensão em regime permanente para a pior situação atingiram cerca de 0,93
pu.
55
4.6 CASOS IV – INTERCÂMBIO NO SENTIDO EXPSE E FSUL
Neste caso, o fluxo de potência de regime permanente pré-perturbação foi ajustado em
1770MW no sentido EXPSE e 2200MW no sentido FSUL. Nos eventos de curto-circuito em
barra de corrente contínua, falha de comutação e perda de um filtro de 349Mvar o sistema se
mostrou operar de modo satisfatório, no entanto a simulação dos outros dois eventos restantes
sugerem condições de risco, infrações de critérios de desempenho ou até mesmo
instabilidades no sistema. Tais análises são descritas separadamente com detalhes deliberados
como segue.
4.6.1 Bloqueio do Elo de CC de Furnas Centrais Elétricas.
Neste caso, como ilustrado na Figura 4.8, a tensão no “tronco de 765kV” oscila
atingindo um valor mínimo de 0,91 p.u., superior ao limite estabelecido, e por isso, atendendo
os critérios de desempenho dinâmico postulados pelo ONS.
Figura 4.8 – Variação da tensão no tronco de 765kV após a aplicação de um Bloqueio de Elo no sistema HVDC
de Furnas com um intercâmbio EXPSE e FSUL.
A frequência do sistema, ilustrada na Figura 4.9, também apresenta um valor superior
o limite mínimo de 57 Hz estabelecido pelo ONS (mínimo de 59,71 Hz).
56
Figura 4.9 – Variação da frequência no tronco de 765kV após a aplicação de um Bloqueio de Elo no sistema
HVDC de Furnas com um intercâmbio EXPSE e FSUL.
Apesar de atender os critérios de tensão e de frequência, as simulações sugeriram que
a PPS da interligação SE-NNE pode atingir uma condição de atuação e levar à abertura da
interligação N-NE, como ilustrado na Figura 4.10. Neste caso, esta atuação acarretaria a
interrupção da importação de aproximadamente 1800 MW pela região Sudeste, o que poderia,
inclusive, causar outros desligamentos em cascata agravando os efeitos da perturbação.
Figura 4.10 – PPS da Interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas pelas mesmas para o caso 4.6, com a
aplicação de um bloqueio de elo no sistema de corrente contínua.
57
4.6.2 Remoção de Ponte Retificadora
A exemplo do caso anterior, caso ocorra uma remoção de ponte retificador por falha,
há novamente o risco de atendimento das condições de atuação de PPS do Sistema Interligado
Nacional. Neste caso, mais de um dos ajustes associados à interligação SE-NNE adentram a
região de atuação, como ilustrado na Figura 4.11.
Figura 4.11 – Área de atuação da PPS da interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas pela mesma para o
caso EXPSE e FSUL após a remoção de ponte retificadora.
4.7 EVENTO NO SISTEMA DE CORRENTE ALTERNADA
Nas quatro condições de fluxo ajustadas, foi simulada a titulo de comparação, a
abertura de um circuito de corrente alternada, mais especificamente a abertura de uma das
linhas do tronco de 765kV de Furnas.
Após analisar os resultados, foi possível observar que em qualquer situação de fluxo, a
variação nas tensões e frequências foi maior, o que evidencia uma tendência maior a
instabilidade no sistema frente a perturbações no sistema de corrente alternada. Uma das
situações notáveis pode ser vista na figura 4.12, onde tem-se evidenciada uma instabilidade de
tensão no tronco de 765kV de Furnas, fazendo com que se perca a geração de Itaipu 60Hz.
58
Figura 4.12 – Instabilidade de tensão vista no tronco de 765kV após a abertura de uma das linhas do tronco de
765kV.
4.8 EVENTOS EM CONDIÇÃO OPERATIVA DE CARGA LEVE
Outra condição operativa existente é a operação em carga leve, período que ocorre
diariamente em períodos de baixo consumo de energia (madrugada). Ao simular as mesmas
perturbações em condições operativas diferentes, pode-se notar que o sistema permaneceu
com características predominantemente estáveis. Todas as simulações realizadas atenderam
aos requisitos de estabilidade postulados pelo ONS.
O evento mais impactante ao sistema foi a aplicação de um bloqueio de bipólo do elo
de corrente contínua de Furnas. As tensões, frequências e aberturas angulares podem ser
observadas nas Figuras 4.13, 4.14 e 4.15 respectivamente.
Figura 4.13 – Tensões em diversas áreas do sistema após a aplicação de um Bloqueio de Elo em corrente
contínua
59
Figura 4.14 – Frequência em diversas regiões do Brasil após a aplicação de um Bloqueio de Elo em corrente
contínua.
Figura 4.15 – Abertura angular entre diversas barras do sistema e a barra de Ilha Solteira após bloqueio de elo
em condição de carga leve no sistema.
A excursão das impedâncias aparentes verificadas pelos relés instalados na
interligação NE-SE, a qual apresenta maiores oscilações de potência dentre as demais, é
ilustrada na Figura 4.16, para a ocorrência de um bloqueio de bipólo.
É possível notar que existe o risco da ocorrência da abertura da interligação para esta
condição de carga, e por esse motivo, a possibilidade de abertura da interligação, evento
bastante crítico com relação a operação do Sistema Interligado Nacional.
Adicionalmente, com relação ao período de carga leve, verificou-se que as grandezas
neste sistema de transmissão oscilam com maiores amplitudes que com relação à carga
60
pesada. Suspeita-se, baseado nas simulações realizadas, que este aspecto ocorra devido à
menor inércia sistêmica conectada ao SIN no período de carga leve.
Figura 4.16 – PPS da interligação SE-NE e traçados de reatâncias vistas pela mesma após o bloqueio de bipólo
em situação de carga leve.
4.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foram apresentadas as simulações realizadas por meio de aplicativo para
analisar o desempenho dinâmico do sistema interligado nacional frente à eventos associados
ao Elo de Corrente Contínua.
De maneira geral, o sistema elétrico brasileiro se manteve estável, não apresentando
grandes riscos de instabilidade. Num total de 24 eventos simulados, foram gerados 96
gráficos. Após a aplicação dos critérios de estabilidade em todos os gráficos, foram
observadas 4 situações em que critérios de estabilidade não foram atendidos. Duas possíveis
atuações das proteções contra perda de sincronismo e mais dois gráficos de tensão no tronco
765 kV. Pode-se notar também que qualquer perturbação no sistema CA gera instabilidades
mais facilmente no sistema.
61
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi realizado um estudo visando a avaliação do desempenho dinâmico
do sistema elétrico brasileiro, frente a distúrbios no principal elo de corrente contínua
existente neste sistema, do ponto de vista eletromecânico, a partir de simulações.
Este trabalho foi motivado pela necessidade de constante avaliação do desempenho do
Sistema Interligado Nacional frente a eventos neste elemento, que corresponde a uma parcela
significativa da potência gerada e consumida no Sistema brasileiro de Energia Elétrica.
Inicialmente foi realizada uma revisão bibliográfica acerca das características físicas
dos Elos de Corrente Contínua e suas características para simulação em programas de fluxo
de potência e de análise de transitórios eletromecânicos.
Evidenciou-se que a performance dos Elos de Corrente Contínua está principalmente
associada às estações conversoras e pode ser indicada pela tensão média apresentada em sua
saída.
Esta tensão é afetada por dois fenômenos em especial: redução de tensão por atraso do
disparo nos tiristores e redução causada pela superposição de válvulas originada na “inércia”
de corrente associada à alta indutância do sistema CA conectado aos conversores.
Em seguida, foi realizada uma revisão bibliográfica dos critérios de avaliação de
simulações eletromecânicas para sistemas em CA e CC de acordo com diretrizes postuladas
pelo Operador Nacional do Sistema.
Baseada nesta revisão, uma metodologia de simulação e de análise das grandezas
apresentadas como resultado da simulação foi realizada.
Neste sentido, foi proposta a avaliação de cinco eventos no sistema de corrente
contínua e um evento no sistema CA, a saber: bloqueio de elo de CC, falha de comutação,
bloqueio de ponte conversora, perda de filtro, curto circuito CC e abertura de linhas de CA;
aplicadas em quatro modos diferentes de intercâmbio entre as regiões do sistema interligado
nacional, dados pelas combinação de importação/exportação pelo subsistemas sul, sudeste e
norte-nordeste.
Em geral as simulações realizadas mostraram que o sistema elétrico brasileiro atende
os requisitos postulados pelo Operador Nacional do Sistema na maioria dos casos, exceto nos
casos de Bloqueio de Elo e Remoção de Ponte Retificadora no sistema CC, onde possíveis
62
atuações das proteções contra perda de sincronismo poderiam separar a região sudeste da
Nordeste.
Esta indicação é relevante, pois este tipo de separação pode causar desligamentos em
cascata e levar o sistema à instabilidade. Foi verificado, adicionalmente, que em geral, as
simulações envolvendo distúrbios no sistema de corrente alternada causam maiores oscilações
nas unidades geradoras de Itaipu 60 Hz e por isso tendem a causar oscilações de maior
abrangência no Sistema Interligado Nacional.
Nos casos simulados com carga leve, existe um risco de atuação da proteção da
interligação SE-NE, após a aplicação de um bloqueio de bipólo. Adicionalmente percebe-se
que a oscilação na frequência do sistema é maior em casos de carga leve no sistema.
63
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
ATIVIDADES NO
ANO 2011 Mar. Abr. Mai. Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov.
Revisão bibliográfica acerca
da modelagem de elos de
corrente contínua.
Levantamento do histórico de
desempenho do elo de
corrente contínua de Furnas
frente à perturbações no
Sistema Interligado Nacional.
Ajuste de casos de fluxo de
potência.
Simulação da dinâmica
eletromecânica do Sistema
Interligado Nacional frente à
perturbações no elo de
corrente contínua de Furnas.
Análise de risco sistêmico
induzido por perturbações no
elo de corrente contínua de
Furnas.
Simulação dinâmica do SIN
baseadas nas diretrizes e
critérios para estudos em
sistemas CC dos
Procedimentos de Rede do
ONS – Submódulo 23.3.
Elaboração e emissão do
relatório final.
Legenda: - atividades previstas
- atividades realizadas
64
REFERÊNCIAS
KUNDUR, P. Power System Stability and Control. McGraw-Hill, 1994.
KIMBARK, E. W., Direct Current Transmission, Vol. 1, John Wiley and Sons Inc., New
York,1971.
ARRILAGA, J. A., C. P. e Harker, B. J., Computer Modelling of Electrical Power Systems,
John Wiley and Sons Inc., New York, 1983.
FERNANDES, B., S. – Elos de Transmissão em Corrente Contínua em Programas de
Estabilidade Transitória. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro –
UFRJ, 2005.
CUSTÓDIO, D., T. – Utilização do Elo de Corrente Contínua para Amortecimento de
Oscilações Eletromecânicas em Sistemas Elétricos de Potência. Dissertação de Mestrado.
Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, 2009.
CEPEL, Programa ANAREDE - Programa de Análise de Redes – Manual do Usuário,
V09.04.06, Rio de Janeiro, CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica, 2002.
CEPEL, Programa ANATEM - Programa de Análise de Transitórios Eletromecânicos –
Manual do Usuário, V10.04.01, Rio de Janeiro, CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia
Elétrica, 2002.
CEPEL. – ANATEM, V– Manual do Usuário. 2009.
ONS. Procedimentos de Rede. Operador Nacional do Sistema Elétrico. 2009. Disponível em:
<http://extranet.ons.org.br/operacao/prdocme.nsf/videntificadorlogico/AB6967420089787483
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em: 19 de Julho de 2011. Submódulo 23.3
PESENTE, J. R., Notas de aula da disciplina de eletrônica de potência – UNIOESTE, Foz do
Iguaçu, 2011.
IPDO. Informativo Preliminar Diário de Operação. Disponível em:
<http://www.ons.org.br/publicacao/ipdo/> Acesso em: 09 de Novembro de 2011.