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Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013
ANÁLISE DO DESEMPENHO DE SISTEMAS DE TRANSMISSÃO CA COM
MÚLTIPLOS COMPENSADORES ESTÁTICOS E FORTE PRESENÇA DE
BANCOS DE CAPACITORES SÉRIE: O EXEMPLO DA INTERLIGAÇÃO TUCURUÍ
– MACAPÁ - MANAUS
Manfredo Correia Lima* Fernando Rodrigues Alves*
Marcio de Oliveira** Per-Emil Eliasson** Mikael Åberg**
*Chesf
**ABB
RESUMO
Para a realização do leilão ANEEL 004/2008, o sistema de transmissão associado à Interligação Tucuruí – Macapá - Manaus foi dividido em três lotes. O lote C, objeto deste artigo é composto pelas linhas Oriximiná - Silves e Silves - Lechuga, além das subestações 500/138kV Silves e 500/230kV Lechuga e seu leilão teve como vencedor o Consórcio Manaus Transmissora de Energia (MTE), formado por Abengoa, Chesf e Eletronorte. Foi definida pela Empresa de Planejamento Energético (EPE) a instalação neste lote de bancos de capacitores série com grau de compensação de 70% em todos os trechos das linhas de 500kV e de um compensador estático (CE) com nominais (-200 a +300Mvar, 500kV) na subestação de Silves. A presença dos CEs Oriximiná e Jurupari (-200 a +300Mvar, 500kV), integrantes do Lote B, requer especial atenção, tendo em vista a sua proximidade elétrica do CE Silves. Para avaliar o desempenho do CE Silves, particularmente face aos efeitos aqui destacados (elevado montante de compensação série capacitiva e compensação shunt indutiva, além da proximidade elétrica de outros compensadores), estudos em simulador digital em tempo real (RTDS) foram realizados. Os resultados obtidos são analisados e comentados, destacando-se as interações entre os compensadores estáticos e a presença de oscilações não amortecidas associadas a ressonâncias de baixa freqüência (subsíncrona) decorrentes de interações entre o CE Silves e os bancos de capacitores série na eliminação de faltas em linhas de 500kV.
PALAVRAS-CHAVE
Amortecimento, Compensadores Estáticos, Compensação Série, Desempenho, Grau de Compensação, Interações, Ressonância Subsíncrona, Simulador Digital, Tempo Real, Transmissão em 500kV.
1. INTRODUÇÃO
Para a região Norte do Brasil, o programa de expansão da transmissão da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) definiu a instalação da interligação Tucuruí-Macapá-Manaus, contemplando 1490km de linhas de transmissão em 500kV conectando Tucuruí a Manaus (Lechuga), com quatro subestações intermediárias (Xingu, Jurupari, Oriximiná e Silves) e 339km de linhas em 230kV de
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Jurupari a Macapá, com uma subestação intermediária em Laranjal, utilizando estruturas de circuito duplo e corrente alternada. A referida interligação permitirá a integração ao Sistema Interligado Nacional (SIN) da região da Amazônia Brasileira, atualmente operando isolada e suprida principalmente por geração térmica baseada em gás e óleo. Para a realização do leilão ANEEL 004/2008, o sistema de transmissão associado à Interligação Tucuruí – Macapá - Manaus foi dividido em três lotes (Figura 1). O lote C, objeto deste artigo é composto pelas linhas Oriximiná - Silves e Silves - Lechuga, além das subestações 500/138kV Silves e 500/230kV Lechuga e seu leilão teve como vencedor o Consórcio Manaus Transmissora de Energia (MTE), formado por Abengoa, Chesf e Eletronorte. Foi definida pela EPE a instalação neste lote de bancos de capacitores série (BCS) com grau de compensação de 70% em todos os trechos das linhas de 500kV e de um compensador estático (CE) com nominais (- a +300Mvar, 500kV) na subestação de Silves. A presença dos CEs Oriximiná (-200 a +300Mvar, 500kV) e Jurupari, (±200Mvar, 500kV), integrantes do Lote B, requer especial atenção, tendo em vista a sua proximidade elétrica do CE Silves. Para análise do desempenho do CE Silves na presença de efeitos tais como elevado grau de compensação série e proximidade elétrica do CE Oriximiná, testes em RTDS foram realizados. Nesta etapa, foi utilizada uma representação detalhada da rede elétrica a partir de Jurupari, onde foi conectado um equivalente de 60Hz, até Lechuga (Figura 3). Nestas condições, testes de aplicação de pequenas e grandes perturbações foram realizados, descritos no decorrer deste trabalho, variando-se os níveis de curto-circuito em Silves 500kV, com os BCS inseridos e by-passados. A energização da subestação de Silves através de Lechuga foi também estudada, considerando uma configuração de operação degradada da rede elétrica. Os resultados obtidos são analisados e comentados, destacando-se as interações entre os compensadores estáticos e a presença de oscilações não amortecidas associadas a ressonâncias de baixa freqüência decorrentes de interações entre o CE Silves e os bancos de capacitores série na eliminação de faltas em linhas de 500kV.
2. COMPENSADOR ESTÁTICO DE SILVES
O compensador estático de Silves é composto pelos seguintes elementos (Figura 2):
Banco de transformadores 500/20kV, 300MVA, unidades monofásicas, Y aterrado – ∆, uma unidade reserva. Dois reatores controlados a tiristores (TCR) de 148Mvar cada. Dois capacitores manobrados a tiristores (TSC) de 139Mvar cada. Dois filtros de harmônicos de 37Mvar sintonizados na quinta harmônica.
Figura 1 - Composição dos lotes da Interligação Tucuruí-Macapá-Manaus
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independente conectada eletricamente próxima do CE Silves, o que dificulta a determinação do coeficiente de sensibilidade tensão x potência reativa em Silves 500kV. Com o CE Oriximiná em operação manual, o Otimizador de Ganho do CE Silves comporta-se de forma satisfatória, mas quando este opera em automático, o desempenho do CE Silves é afetado. Este efeito é claramente identificado nos testes de resposta ao degrau do CE Silves após a ativação do seu Otimizador de Ganho e torna-se mais crítico na configuração de sistema fraco (carga leve). Esta interação é esperada, devido à proximidade elétrica entre os CE Oriximiná e Silves.
2.3 Esquema que Considera a Influência de Outros Compensadores sobre o CE Silves
Um esquema de controle para considerar a influencia de outros compensadores operando nas proximidades do CE Silves foi proposto durante os estudos aqui descritos. Os resultados dos testes indicam que o ganho calculado pelo Otimizador de Ganho deve ser ligeiramente reduzido se outro CE encontra-se operando em automático nas suas proximidades, sendo este efeito particularmente relevante para condições de sistema fraco e sua ativação efetuada através da ação do operador via Interface Humano Máquina (IHM).
3. TESTES REALIZADOS EM RTDS
Esta seção apresenta os resultados dos testes em RTDS realizados para verificar o atendimento aos requisitos de desempenho especificados para o CE Silves, realizados após a conclusão da primeira etapa denominada FAT (Factory Acceptance Tests), onde foram testadas todas as funções de controle e proteção do CE Silves [2]. Três diferentes configurações da rede elétrica foram estudadas, conforme indicado na Tabela I, onde o parâmetro Rel_gain (ganho calculado pelo otimizador de ganho) é expresso em percentagem do máximo ganho integral de 4900 s-1^ definido para o CE Silves [2]. Table I – Ganho do CE Silves x Níveis de Curto-Circuito em Silves 500kV Configuração do Sistema S 3 (GVA) Rel_gain (%) Sistema Forte 10,60 93, Sistema Fraco 2,60 15, Rede Degradada 1,10 -x-
Os fluxos de potência utilizados nos testes correspondentes às configurações de sistema fraco e forte baseiam-se respectivamente nos anos 2015 (carga pesada) e 2012 (carga leve). Para a configuração correspondente à operação degradada, representada durante a energização via Lechuga, as cargas de Silves 138kV e Lechuga 230kV foram consideradas respectivamente iguais a 100% e 25% dos valores usados na configuração de sistema fraco. O CE Oriximiná foi representado através de um modelo built-in disponível no RTDS.
3.1 Casos Simulados
Os seguintes grupos de testes foram realizados, com o CE Oriximiná em automático e manual. Resposta ao degrau: sistemas forte e fraco. Energização de transformador externo: sistemas forte, fraco e degradado. Aplicação e eliminação de faltas: sistemas forte, fraco e degradado.
3.1.1 Resposta ao degrau
Um estatismo ( slope ) de 2% foi utilizado, em conjunto com os valores de ganho relativo (Rel_gain) da Tabela I. Os testes apresentados nesta seção foram realizados com o CE Oriximiná em manual, 0Mvar. A Figura 4 apresenta os sinais correspondentes ao teste de aplicação de degrau de 2% no CE Silves, estatismo de 2%, sistema forte e ganho relativo de 93%.
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Tabela II – Resposta ao Degrau: Parâmetros de Performance (CE Oriximiná em Manual) Parâmetro Valor Especificado Sistema Forte Sistema Fraco Tempo de Subida 10 – 90% (mseg) 30,0 20,4 23, Overshoot Percentual (%) 20,0 9,1 11, Tempo de Estabilização (mseg) 100,0 103,4 82,
Na Figura 4, são plotados os seguintes sinais do CE Silves: VRESP [pu]: Sinal de saída do controlador principal. BREF [pu]: Susceptância equivalente do CE Silves. ITCR22_AB, BV, VA [kA]: Correntes dentro do delta do TCR22.
Com base nos resultados apresentados, é comprovado o atendimento aos requisitos de especificação para a resposta ao degrau do CE Silves, embora o tempo de estabilização seja ligeiramente superior a 100mseg para operação com sistema forte. O ripple no sinal Vresp deve-se à forte presença de bancos de capacitores série em linhas de transmissão próximas ao compensador, produzindo as ressonâncias descritas em [1].
3.2 Influência do CE
Oriximiná na Resposta ao Degrau do CE Silves
Durante os testes aqui descritos, foi constatado que a presença do CE Oriximiná em automático provoca elevação no ganho relativo do CE Silves (Rel_gain), pois este procura compensar o pequeno degrau introduzido na tensão de referência do CE Silves pelo Otimizador de Ganho durante o processo de ajuste do ganho. Esta elevação no ganho relativo produz impacto na resposta ao degrau do CE Silves, que passa a apresentar valores mais elevados de overshoot, quando comparado aos testes con o CE Oriximiná em manual, sendo este efeito mais pronunciado na configuração de sistema fraco. Conforme seção 2.3, uma função especial para considerar a influencia de outros compensadores operando eletricamente próximos foi implementada no CE Silves. Com esta função ativada, o ganho relativo do CE Silves é ajustado pelo Otimizador de Ganho em um valor mais baixo, resultando em um desempenho mais conservativo para o referido equipamento. Com base nos resultados dos testes, o ganho do CE Oriximiná foi ajustado em 75% do valor utilizado para o CE Silves e um estatismo de 5% foi utilizado para este equipamento. A aplicação de degraus de 3,5% foi realizada no CE Silves, em condições de sistema fraco e forte. Duas condições foram estudadas para o sistema fraco, como resumido nas Tabelas III e IV, denominados Testes 1 e 2.
Tabela III – Ajustes dos CEs (Teste 1 - Sistema Fraco) Tabela IV – Ajustes dos CEs (Teste 2 - Sistema Fraco) Degrau 1 Rel_gain (%) Slope (%) Degrau 2 Rel_gain (%) Slope (%) Silves SVC 15,0 2,0 Silves SVC 19,0 2, Oriximiná SVC 0,75x15,0 5,0 Oriximiná SVC 0,75x15,0 5,
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
VRESP [pu]
File: CNT AKEU_S1P1CNTB1 1 20110519 04;33;23_973000.CFG
-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
-0.
0
1
BREF [pu]
-4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
0
2
4
Time [s]
ITCR22_AB [kA]ITCR22_BV [kA]ITCR22_VA [kA]
Figura 4 - Resposta ao Degrau para o CE Silves, sistema forte
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Em todos os casos, a falta é aplicada em uma das linhas Oriximiná-Silves 500kV, lado Silves e eliminada em 100 mseg com abertura da linha em falta. Nos testes de número 5 (sistema forte) e 6 (sistema fraco), a falta é eliminada com desligamento da linha, sendo esta religada após 800 mseg.
Os casos simulados para a condição de sistema fraco são resumidos na Tabela VII. Os ajustes utilizados para os compensadores para os casos de falta com sistema fraco são:
CE Silves: Rel_gain = 15% e Estatismo = 2%. CE Oriximiná: Rel_gain = 0,75x15% e Estatismo = 5%. Tabela VII - Casos de Falta Realizados na Configuração de Sistema Fraco Número da Falta Tipo da Falta CE Silves CE Oriximiná (^1 1) UBS Ativado () Desconectado (^2 1) UBS Desativado Desconectado (^3 1) UBS Ativado () Automático (^4 3) -T UBS Ativado () Automático (^5 3) -T UBS Ativado () Rel_gain elevado Automático (^6 3) -T com religamento UBS Ativado () Automático () UBS = Esquema de Bloqueio por Subtensão do CE Silves [2]
A Figura 5 apresenta os resultados do caso n 4 da Tabela VII (sistema fraco), uma falta 3-T no terminal Silves, eliminada com abertura de uma das linhas Oriximiná – Silves em 100 mseg. O esquema de bloqueio por subtensão encontra-se ativado em ambos os compensadores e os seguintes sinais são plotados: Tensões em Silves 500kV em por unidade. Correntes primárias do CE Silves em kA. VRESP [pu]: Sinal de saída do controlador principal do CE Silves. BREF [pu]: Susceptância de referencia do CE Silves. Rel_gain (%): Ganho Relativo do CE Silves. Vresp [pu]: Sinal de saída do controlador principal do CE Oriximiná. Bprim [pu]: Susceptância de referencia do CE Oriximiná.
Após a aplicação da falta, o CE Silves tem sua estratégia de subtensão ativada. Na eliminação da falta, o overshoot na tensão de controle é cerca de 19%. Devido a oscilações na susceptância de referência na eliminação da falta, ocorre a atuação do Supervisor de Ganho em torno de 0,47 seg, reduzindo Rel_gain para 3%. Devido a esta ação, as oscilações são satisfatoriamente amortecidas e BREF desloca- se suavemente em direção ao novo ponto de operação pós-defeito.
5. ENERGIZAÇÃO DO LOTE C VIA LECHUGA
Considerando a possibilidade de atrasos na conclusão dos Lotes A e B, foi analisada a viabilidade da energização do Lote C a partir da SE Lechuga (Figura 3). Neste caso o nível de curto-circuito em Silves é bastante inferior ao valor mínimo especificado e esta configuração não foi contemplada na Especificação [3]. Casos de energização do CE Silves e faltas em linhas de 500kV foram realizados para várias condições de operação do reator de barra de Silves (500kV/200Mvar) e dos bancos de capacitores série do Lote C. O Otimizador de Ganho foi ativado e o ganho relativo ( Rel_gain ) do CE Silves variou entre 8 e 12%. Os casos simulados são resumidos na Tabela VIII.
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
0
1
UP1-A [pu]UP1-B [pu]UP1-C [pu]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
-0.
0
IP1-A [kA]IP1-B [kA]IP1-C [kA]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
0
1
VRESP [pu]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
0
2
4
BREF [pu]
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
REL-GAIN
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
Time [s]
Vresp [pu]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
0
2
4
Bprim [pu]
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
(^00) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.
1
Time [s]
Figura 5 – Sinais do RTDS para o Teste 4 (Falta 3-T em uma linha Oriximiná – Silves 500kV)
Tabela VIII – Casos de Energização do Lote C via Lechuga Configuração Casos Simulados Reator e BCS ON Energização do CE (^) Falta 1 100mseg Silves 138kV Falta 3-T 138kV^ 100mseg Silves
Reator OFF / BCS ON Energização do CE Falta 1 100mseg Silves 138kV -x- Reator e BCS OFF Energização do CE (^) Falta 1 100mseg Silves 138kV -x-
A Figura 6 apresenta para o sistema energizado via Lechuga, os resultados da aplicação de uma falta 1 em Silves 138kV eliminada em 100mseg, reator de barra de Silves desconectado e bancos série inseridos. O CE Silves opera em automático com Rel_gain = 9%. As oscilações em torno de 6 Hz [1] registradas na eliminação da falta são de baixo amortecimento, caracterizando uma condição de operação inaceitável. Os seguintes sinais são plotados na Figura 6: Tensões em Silves 500kV em pu.. Corrente primária do CE Silves em kA. VRESP [pu]: Sinal de saída do controlador principal do CE Silves. BREF [pu]: Susceptância de referencia do CE Silves.
A repetição deste caso com os bancos de capacitores série by-passados produz um overshoot de 20% em VRESP na eliminação da falta e um amortecimento satisfatório para as oscilações registradas. Conforme indicado na Tabela VIII, esta falta é também aplicada considerando-se o reator de barra e os BCS conectados, com um ganho relativo de 12% para o CE Silves. O overshoot em VRESP na eliminação da falta é de 56%, mas as oscilações são satisfatoriamente amortecidas, resultando em uma condição de operação aceitável.
