Controles para Sistema em Corrente Contínua - CCAT · VDCOL –Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão (Voltage Dependent Current Order Limiter) Controles para Sistema

Controles para Sistema em Corrente

Contínua - CCAT

Controles para Sistema em Corrente Contínua - CCAT

Disciplina: Transmissão de Corrente Contínua

Professor: José Eduardo Telles Villas

Alunos:

• André Lima

• Felipe Gomes

• Felipe Souza

• Gustavo Soares

• Júlia Potratz• Marina Calegari


Sistemas de Transmissão em Corrente Contínua

Linhas de transmissão 600 HVDC e 765 kv da Usina

de Itaipu


• Circuito Equivalente de um Sistema CAAT – CCAT

- Tensão Interna no Retificador

- Tensão Interna na Inversora

- Resistência no lado da retificadora

VdR

Vdi

Rd

- Resistência no lado da inversoraRi

- Indutância no lado da retificadoraLd

- Indutância no lado da inversoraLiFig. 1: Circuito equivalente da linha CC, incluindoo efeito capacitivo da linha e do efeito das

resistências e indutâncias dos reatores de

alisamento dos lados do retificador o do inversor



Fig. 2: Representação básica de um sistema CCAT

- Resistência de comutação do retificador

- Resistência de comutação do inversor

- Resistência da linha CC

Rcr

Rci

Rl

- Soma das resistências dos reatores

de alisamentoRA



A Corrente na linha CC, durante o regime permanente, é dada pela diferença

entre a tensão no retificador e a tensão do inversor , dividida pela resistência Rd.

Considerando-se Rd constante, o controle de tensão das linhas CC poderão ser

controladas unicamente por variações nas tensões internas do retificador e/ou do

inversor.


• Existem dois meios básicos para controle de um Sistema de

Transmissão em Corrente Contínua:

→ Mudança no tape dos transformadores dos conversores para

compensar possíveis variações na rede CA.

→ Alterações do ângulo de disparo (α) para o retificador e o ângulode extinção (γ) para o inversor.

Meios Básicos de Controle e Velocidades de Controle


→ Mudança nos Tapes dos Transformadores nas subestações


▪ O tempo de mudança gira

em torno de 5 a 6 segundos

por estágio.

▪ Utilizado como ação

complementar no controle

dos sistemas CCAT.

Fig. 3: Diagrama de um

transformador de tape variável.


→ Alterações do ângulo de disparo (α) para o retificador e o ângulo de

extinção (Y) para o inversor.

• A variação desses ângulos é feita por meio de um Sistema de

Geração de Pulsos.

• O tempo para a variação dos ângulos (a) e (Y) vai de 1 a 10ms.

• Utilizado como ação rápida no controle dos sistemas CCAT.



• A tensão média CC varia em função do ângulo de disparo α :

ângulo de disparo → valor médio da tensão

Característica Básica de Operação


ângulo de disparo > 90º → Tensão CC média > 0O conversor atua como retificador

ângulo de disparo = 90º → Tensão CC média = 0O conversor opera a circuito aberto

ângulo de disparo < 90º → Tensão CC média < 0O conversor atua como inversor



Abaixo nota-se o exemplo de comutação do conversor para operação como

inversor



• Um ponto muito importante a se considerar é a qualidade da energia

que está sendo transmitida e, posteriormente, distribuída aos

consumidores.

• A realização do controle de um sistema de transmissão em corrente

contínua está ligado diretamente à qualidade e ,

consequentemente, aos níveis de tensão e corrente. Pois esse

controle promove a eliminação e/ou atenuação das distorções

harmônicas presentes no sistema.

Observações: Sistemas de geração de pulsos


→ Tipo de modulação para os sistemas de geração de pulso

• Modulação por onda quadrada simples

• Modulação por largura de pulso (PWM)

• Modulação com eliminação seletiva de harmônicos

Observações: Sistemas de geração de pulsos


Variação da tensão no meio da linha de corrente contínua em função da

corrente Id, para diferentes níveis de tensão CA.

Controle Manual


• A analise é feita com base na regulação de tensão no meio da linha CC

• Inclinação da reta tensão-corrente é negativa (equação de Vd) para o

retificador

• O efeito da reatância de comutação faz com que a inclinação da reta

tensão-corrente no inversor seja positiva.

Controle Manual


• Se controla a corrente Id ou a potência CC em um dos terminais do elo

(Pdr no retificador ou Pdi no inversor)

• Normalmente fixa-se o valor da potência de transmissão através do

elo no lado do retificador (Pdr).

• Para um controle de tenção CC pode-se fixar Vdi (tensão interna no

inversor), considerando uma baixa queda de tensão, a corrente CC

também é controlada.

Controle Manual


▪ Limitação da Corrente CC máxima, evitando danos nas válvulas e

demais dispositivos

▪ Limitação das flutuações das correntes (Id)

▪ Manutenção do fator de potência alto

▪ Minimização da possibilidade de falhas de comutação no inversor

pela fixação dos ângulos mínimos de extinção

▪ Fixação do ângulo de disparo para minimizar falhas de disparo

nos tiristores do retificador.

Características desejadas para o Sistema de Controle

Hierarquia do Controle de Elos CCAT


Os sistemas de controle de um elo CC contém as seguintescaracterísticas:

• Alta complexibilidade

• Necessidade de malhas de controle

• Coordenação por controle hierárquico


Configuração hierárquica típica

de controle de uma estação

conversora operando como

retificador em um sistema CCAT

constituído de um bipolo.



Os níveis hierárquicos são:

• Controle do Bipolo

• Controle de Polos

• Controle de Conversores



Controle do Bipolo

• Função principal: produzir a ordem das correntes (Iord) para os

Controles de Polo

• Formas de controle do bipolo:

• Controle de potência constante

• Controle de corrente constante

• Melhor opção (segundo o CCAT): controle de potência constante



Controle do Bipolo

• Controle de potência constante

- Realizado através do cálculo da corrente de ordem

computando-se a potência de ordem recebida do Despacho

Central e a tensão CC medida em um dos conversores do elo.

- O valor da ordem de corrente Iord não é um valor estático,

pois está sujeito a variações impostas pelo controle de

potência constante.


Figura: Diagrama de Blocos Típico de um controle do Bipolo



Controle do polo

• Com a ordem de corrente (Iord) definida ocorrem os seguintes

passos:

• Os Controles de Polo no retificador e no inversor processam o

sinal e geram um sinal de tensão proporcional (tensão de

controle) ao erro de corrente.

O novo sinal é enviado aos Controles das Pontes Conversoras



Controle do polo

• Este conjunto pode ser divido em dois blocos, quais sejam:

• CCC – Controle de Corrente Constante

• VDCOL.- Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão

CCC – Controle de Corrente Constante


• Elemento central do sistema de controle do elo CCAT

• Controla a corrente transmitida pelo elo (regulador de corrente)

• O sinal de entrada é dado pelo erro da corrente existente na

ordem de controle da retificadora.

• Um sinal é gerado e enviado aos controles das pontes

conversoras (altera o ângulo de disparo das válvulas de tiristores)



A função de transferência do CCC deve possuir as características

dinâmicas necessárias para um bom desempenho do sistema de

controle. Atualmente são utilizadas funções de transferência do tipo PI

(Proporcional-Integral).



Figura: Diagrama de Blocos e Função de Transferência do CCC



• Diferenças entre regulador CCC em retificadores e inversores:

• Limite de ângulo de disparo máximo (α)

• Inversor – Valor dinâmico (ângulo de extinção deve ser

mínimo)

• Retificador – Valor estático



• Os limites inferiores do CCC (α min)

• Inversor – a princípio estático

• Retificador – a princípio estático (pode variar se o controlador

AML estiver ativo)

Obs.: Limitador de Alfa Mínimo (AML)

VDCOL – Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão (VoltageDependent Current Order Limiter)


• É um limitador que altera a ordem da corrente quando ocorre uma

redução da tensão CC

• Evita colapsos de tensão CA na recuperação de faltas CC ou CA.

• É basicamente uma tabela ajustada para uma região de

operação considerada anormal.

• Entrada: valor de tensão CC (VdcI) medido nos conversores.

• Fator multiplicativo kr (para o retificador) e ki (para o inversor)• O fator é aplicado à corrente de ordem advinda do controle do bipolo.

• Resulta em uma nova ordem de corrente a ser controlada pelo CCC.



Observação

• O VDCOL tem uma atuação bem definida para grandes distúrbios

do sistema. Para situações de decréscimo ou elevação gradual na

tensão medida, faz-se necessário um cuidado adicional a fim de

limitar a sua atuação.



• Quando a tensão CC é crescente:

• O sistema está se recuperando de uma falta

• Limita-se a taxa de crescimento da corrente de forma a evitar

uma possível falha de comutação no inversor.

• Procedimento realizado introduzindo um atraso adicional no

circuito de medição da tensão ajustando-se as constantes de

tempo Tc e Td, de forma a Tc ser, aproximadamente, 10 vezes

maior que Td.


Diagrama de Blocos do VDCOL


• O controle se baseia no método da margem de corrente

(modo normal e reduzido)

• Modo normal de operação

• Ângulo de extinção (Y) do inversor ajustado para o valor mínimo

• O inversor ajusta a tensão da linha

• O ajuste da linha é realizado por comutadores sob carga dos

transformadores da conversora do conversor.

Controle da Pontes Conversoras


• Modo reduzido de operação

• Corrente controlada pelo retificador, por meio de um sistema de

controle de corrente em malha fechada

• Compara-se a corrente de linha com uma corrente de referência

• O erro da corrente agirá, excitando o controle do ângulo de

disparo da retificadora, ajustando o mesmo.



Em caso de quedas acentuadas de tensão:

• Para o retificador o limite de tensão é alcançado com facilidade.

• O controle de corrente passa a ser realizado pelo inversor através

da elevação do ângulo de extinção (Y).





A Figura abaixo mostra uma característica estática

simplificada, considerando a existência de α e γ mínimos. O

ponto de operação normal representado na figura é a

interseção dos segmentos de reta.


VdRetificador

a mínimo

Inversor

g mínimo

Ponto de Operação

Id 0 Id


Quando a tensão CA do lado inversor

subitamente atinge valores maiores que a

tensão CA do lado retificador, o controle do

retificador atua no sentido de diminuir o

ângulo de disparo e de manter a corrente

de ordem. No entanto, caso o ângulo a

atinja seu valor mínimo e a tensão CC do

inversor continue maior do que a do

retificador, a corrente, e portanto a

potencia transmitida, decairá a zero, poisnão haverá ponto de operação possível. A

Figura abaixo exemplifica esta condição.


Vd

g mínimo

a mínimo

Id

0

Id


De maneira a evitar a condição apresentada

anteriormente, o inversor é equipado com

um controlador de corrente idêntico ao do

retificador. No entanto, o controle do inversor

tem a sua corrente de ordem ajustada paraum valor mais baixo, de forma que, na

operação normal, este controlador não atue.

A diferença entre as ordens de corrente no

retificador e inversor é denominada margem

de corrente (Did) e situa-se normalmente em

torno de 10% da corrente nominal da linha.


VdRetificador

a mínimo Inversor

g mínimo

Ponto de Operação

Did

Id0i Id0r Id


Em determinadas condições desfavoráveis do sistema, o

ângulo α do retificador pode ser levado ao valor mínimo pelo

controle. Isto indica que há necessidade de se aumentar ainda

mais a tensão CC do retificador para manter a corrente

constante. Quando este ângulo fica preso no valor mínimo, a

resposta natural do elo CCAT é ter a sua corrente diminuída.

Ao cair abaixo do valor de ordem de corrente do inversor, o

controle deste atuará no ângulo de disparo do inversor e,

conseqüentemente no respectivo ângulo de extinção. A

tensão CC será diminuída, através do aumento de γ,

mantendo assim a diferença de potencial necessária para a

transmissão desejada.

Neste novo modo de operação do elo CCAT, conhecido como

modo de operação de tensão reduzida, tem-se o inversor

controlando a corrente enquanto o retificador é mantido em

seu ângulo mínimo de disparo (αmin). A Figura exemplifica este

modo de operação na característica estática.


Vd

Retificador

a mínimoInversor

g mínimo

Ponto de Operação

Did

Id0i Id0r Id


Consideremos a equação abaixo:

Xc = Xt + Xs

Onde:

Xc = Reatância de ComutaçãoXt = Reatância do Transformador

Xs = Reatância equivalente do sistema CA

Nesta composição deve-se aplicar um fator de ponderação à reatância

equivalente do sistema, de forma a se considerar que a queda de tensão

no lado CA ocorre em função da corrente livre de harmônicos, ou seja, na

freqüência fundamental.




Inclinações Dependem de X S

Id

Vd

Inversor fraco

Pontos de Operação Possíveis

Id

Retificador

Vd

Uma vez que as inclinações nas características dos conversores dependem desta

reatância, poderá ocorrer a situação em que o sistema CA do lado do inversor

apresente um alto valor de Xs, caracterizando um sistema fraco. Desta forma, passam

a existir três pontos de operação possíveis. O sistema CC fica oscilando entre os três

pontos de operação gerando uma condição de instabilidade.


As características estáticas apresentadas são

passíveis de alterações constantes, uma vez que

novos modos de controle são adicionados ao elo de

acordo com a experiência acumulada. Novas

implementações foram incorporadas ao controle, tais

como o VDCOL (Voltage Dependent Current Order

Limiter), o CEC (Current Error Control), o AML (Alpha

Min Limiter). Apesar destas implementações não

serem padronizadas, a característica estática de um

controle real tem basicamente a forma da figura

abaixo. Cada segmento da característica estática

completa é o resultado da ação de um determinado

elemento de controle, cuja atuação está limitada a

uma faixa de operação pré-definida.


Vd

ARetificador

B Inversor

KC

L

JD

Ponto de

Operação

I

E

GH

DId

F

Id0i Id0r Id

CONTROLE DA PONTE CONVERSORA


1. O Controle da Conversora recebe do Controle do Pólo o sinal de

tensão de controle, resultante do processamento do sinal de erro de

corrente pelo CCC.

2. Este sinal é então enviado ao VCO (Voltage Controlled Oscillator)

que produz os pulsos de disparo que são então distribuídos às

válvulas componentes da ponte conversora.



3. Os instantes de liberação destes pulsos determinam o ângulo de

disparo da válvula, cujo valor foi definido pelos níveis

hierarquicamente superiores do controle.

4. O Controle da Conversora é também responsável pela limitação

dos ângulos de disparo.



O controle da ponte conversora se divide em:

1. VCO – Oscilador Controlado a Tensão (Voltage Controlled

Oscilator)

2. CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )

3. AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)

4. Modulação Gama

VCO – Oscilador Controlado a Tensão (Voltage Controlled Oscilator)


O VCO é um oscilador cuja frequência é dependente do CCC e sua função é

emitir um trem de pulsos para as válvulas conversoras de forma a manter o ângulo

de disparo desejado.

Diagrama de Blocos VCO

CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )


Quando o sistema Ca do lado do inversor tem baixo valor de SCR (Short CircuitRatio)

• Sistema Fraco

• Passam a existir três pontos de operação (instabilidade dos Três Pontos)

Obs.: Para evitar a instabilidade dos três pontos basta alterar a característica

estática de operação do inversor através de uma ação de controle que torne

possível a operação do elo CC.



O CEC é um controlador que se propõe a modificar a característica do inversor

através da inserção de uma região de transição, onde nem o retificador nem o

inversor controlam a corrente. Quando a corrente estiver entre Iordr e Iordi, o

controle altera ligeiramente o valor de γ de modo a encontrar um ponto de

operação possível para o sistema.



Diagrama de Blocos CEC

AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)


• É o Controle de Polo do retificador

• Atua somente em situações de falta CA do lado do retificador

• A ação de controle associada a este regulador é dependente da tensão CA do lado do

retificador. Quando esta tensão cair abaixo de um determinado valor de referência

especificado, é gerado um erro de tensão que passa por um ganho e resulta em um sinal

a ser adicionado ao αmin normal de operação. O sinal proveniente desta soma passa a

ser o novo limite αmin adotado pelo regulador de corrente (CCC) do retificador.

AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)


Diagrama de Blocos AML

Modulação de Gama


Exemplo prático

SISTEMA DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA DE ±800 kV PARA REFORÇO À INTERLIGAÇÃO NORTE – SUDESTE ASSOCIADO AO ESCOAMENTO DA UHE BELO

MONTE

CONVERSORAS 500 kVCA/±800 kVCC NAS SUBESTAÇÕES XINGU e ESTREITO E LINHA DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA DE ±800 kV

Composição:

Estação Conversora CA/CC, ±800 kV, 4.000 MW, junto à SE 500 kV Xingu;

Estação Conversora CA/CC, ±800 kV, 3.850 MW, junto à SE 500 kV Estreito e

Linha de Transmissão em Corrente Contínua de ±800 kV Xingu - Estreito.


Exemplo prático

CONTROLES DO ELO CC

O sistema de controle do elo CC deverá ser implementado com os seguintes níveis hierárquicos:

• Controle de nível hierárquico superior: Controle Mestre ou Controle de Estação

• Controle do Bipolo

• Controle de Pólos

• Controle de Conversores

Foto de um dos trechos da Linha de Transmissão em Corrente Contínua de ±800 kV

Xingu - Estreito.


Exemplo prático

DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC

• Requisitos Gerais

Os modos de controle de corrente e de potência devem estar disponíveis paratoda a faixa operativa.

Os controles dos conversores devem ser projetados para assegurar que nãoocorram mudanças de modo de controle devidas a variações de até 3% datensão nominal CA do sistema.


Exemplo prático


• Requisitos Gerais

O controle deve ser capaz de alterar, automaticamente, o modo de controle depotência para controle de corrente após perda da telecomunicação, problemasno suporte de reativos, proximidade de condições de instabilidade de tensão oufalha de comutação, retornando ao modo de controle de potênciaimediatamente após a estabilização do sistema.

O sistema deve ter um controle que use os comutadores de derivação em cargados transformadores conversores para auxiliar no controle das válvulas, otimizandoo uso de potência reativa, bem como a margem do ângulo alfa e o nominal degama.


Exemplo prático


• Tempo de Resposta

Considerando a possibilidade de operação do elo CC com fluxo de potência nos dois sentidos.

• O erro do controle de potência não deve ser superior a 1,5%.

• O erro do controle de corrente não deve ser superior a 0,7%.


Exemplo prático


• Tempo de Resposta

Em caso de recuperação após qualquer falta transitória, no lado CA, o elo CCdeve recuperar a potência transmitida para o valor de 90% daquela transmitidaantes da falta em, no máximo, 220 ms, sem posterior redução da potência.Durante o período de recuperação não deve ocorrer nenhuma falha decomutação. Estão incluídos nesse caso ,os religamentos com ou sem sucesso. Emcaso de faltas na linha CC, o sistema de controle deve restabelecer 90% dapotência que era transmitida antes do defeito, em 150 ms , sem incluir o tempo dearco e de ionização.


Exemplo prático


• INVERSÃO NO FLUXO DE POTÊNCIA NA LINHA CC

Os controles devem ser capazes de reverter o fluxo de potência do elo CC, que deve operar com qualquer potência entre a potência mínima e a capacidade de transmissão do elo CC , assim como nas condições de sobrecarga.


Exemplo prático


• LIMITADOR DE CORRENTE

O sistema de controle do elo CC deve ser provido de um limitador da ordem decorrente, dependente da tensão CC, para limitar transitoriamente a ordem decorrente no retificador durante abaixamento da tensão CC. Esse limitador deve serdimensionado com base nos estudos de sistema.


Exemplo prático


• CONTROLE DE DESBALANÇO DOS POLOS

O controle de desbalanceamento dos polos pertencentes ao controle da estaçãoconversora deve ser projetado para minimizar a corrente na linha do eletrodo. Acorrente de desbalanço entre polos da transmissão bipolar deve ser inferior a 1,5%da corrente nominal.


Exemplo prático


• TELECOMUNICAÇÃO

Falhas do sistema de comunicações não devem causar operação incorreta dosistema de controle do elo CC. Caso ocorra falha da comunicação entre asestações, a transmissão de potência deve ser mantida no mesmo nível existenteantes da falha. Durante falha de telecomunicação entre as estações, deve serpossível partir, operar e parar manualmente o elo da sala de controle local de umadas estações. Nesse caso, a comunicação entre os operadores das estaçõesconversoras é mantida por telefone ou por outro meio de comunicação.


Exemplo prático


• CONFIABILIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE

O sistema de controle deve ser duplicado e projetado para que um dos sistemaspossa ser mantido, testado ou reparado durante operação do elo CC, sem afetaresse sistema. A perda de um dos dois sistemas de controle não deve causardistúrbio na potência transmitida nem perda de um polo.


Referências

• FERREIRA, José R. B. L., Transmissão em corrente contínua com conversor multinívelmodular em ponte semi-completa,www.pee.ufrj.br/teses/textocompleto/2014041501.pdf, acesso em 14 de janeiro de2019.

• CRUZ, Waldenir A. S., Efeito estabilizante de elo de corrente contínua na operaçãode sistemas de transmissão em corrente alternada,www.pee.ufrj.br/index.php/pt/producao-academica/dissertacoes-de-mestrado/2005-1/2005042602-2005042602/file, acesso em 14 de janeiro de 2019.

• Notas de aula do professor José Eduardo Telles Villas.

• SATO, Andre K. C., Transmissão de potência em corrente contínua e correntealternada: estudo comparativo,www.repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121076/000734882.pdf?sequence=1, acesso em 14 de janeiro de 2019.

• Psim, LLC Resonant Converter Design withScripting,https://powersimtech.com/applications/llc-resonant-converter/

• EDITAL DE LEILÃO NO 011/2013-ANEEL ANEXO6AB – LOTE AB- BIPOLO HVDC XINGU -ESTREITO CONVERSORAS E LT-CC XINGU - ESTREITO


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