Rui Jovita G. C. da SilvaJose Maria Sanchez Tilleria

ITAIPU BINACIONAL

INFLUENCE OF ITAIPU HVDC ON POWER SYSTEM DYNAMIC PERFORMANCE

Introdução

Nos setores de 50 Hz e 60 Hz de Itaipu existem registradores de longa duração, com tempo de amostragem de 55 ms, apropriados para analisar o desempenho dinâmico do sistema e da usina.Eles registram quatro grandezas: a tensão no 500 kV, a freqüência desta tensão, potência ativa total do setor e potência reativa total do setor. A análise do histórico de ocorrências, de mais de 10 anos, produz conclusões sobre o desempenho operacional do sistema de interligado. Este artigo apresenta uma análise do desempenho dinâmico do Elo de Corrente Contínua (Elo CC) de Itaipu sob o ponto de vista da usina, de ambos setores, 60 Hz e 50 Hz. É considerado que uma perturbação é relevante quando os registradores de longa duração dos dois setores partem simultaneamente.

Localização dos Registradores

Espaço para Imagem

Figura 1 – Sistema de Transmissão de Itaipu.

REC

REC

Motivação

A diferença entre a potência nominal do Elo CC e da interligação Itaipu-SIP era a grande preocupação na época do projeto e construção do Elo CC, sendo responsável pela instalação de diversos Esquemas Especiais de Proteção [2], visto que era necessário proteger o SIP contra perturbações no SIB.

Esta diferença era muito grande quando o Elo CC iniciou sua operação, mas até hoje ainda é uma preocupação. Na próxima figura é possível observar a evolução dos sistemas de transmissão e geração em 50 Hz ao longo do tempo e a repartição da energia de Itaipu 50 Hz entre o Brasil e o Paraguai, onde a empresa que transmite a energia se chama Ande.

Repartição da Energia de Itaipu 50 Hz

Espaço para Gráficos

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

ANDE/50 FUR50/50

Ocorrências no 50 Hz que

Afetam o 60 Hz

A influência no sistema de 60 Hz de distúrbios originados no sistema de 50 Hz depende do montante de redução resultante na potência transmitida pelo Elo CC e da condição operativa das interligações no sistema de 60 Hz.

Perda de unidade geradora: reduz a potência transmitida pelo Elo CC, em função do controle da freqüência em 49,8 Hz realizado pelo STAB50. Baixo impacto no 60 Hz, variação de freqüência transitória da ordem de 0,15 Hz.

Perda de duas unidades geradoras: Redução grande na potência transmitida pelo Elo CC, com elevado impacto no 60 Hz, que pode gerar oscilações entre áreas.

Curto-circuito no 500 kV/50 Hz: Grande impacto no 60 Hz quando háperda de unidade geradora associada ao curto-circuito.

Perda da Interligação Itaipu-Ande: Não há impacto significativo no sistema de 60 Hz.

Curto-circuito no 220 kV: O Elo CC não é sensível.

Curto-circuito no 500 kV/50 Hz

Espaço para Gráficos

40.0 s 40.0 s

1,800 MW 250 MW

1,700 Mvar 500 Mvar

0.80 Hz 0.20 Hz

60.0 kV 20.0 kV

Curto-circuito no 500 kV/50 Hz:

Perda de 2 UG 50 Hz - Abertura N-S

Espaço para Gráficos

35.0 s 35.0 s

2,000 MW 400 MW

3,600 Mvar 1,400 Mvar

35.0 kV 60,0 kV

1.30 Hz 0.75 Hz

Perda da Interligação Itaipu-Ande

Espaço para Gráficos

40.0 s 40.0 s

1,100 MW

700 Mvar

200 MW

100 Mvar

10.0 kV 20.0 kV

0.70 Hz 0.20 Hz

Ocorrências no Elo CCAs ocorrências analisadas mostram que os Esquemas Especiais de Proteção fornecem garantia adicional ao sistema, visto que eles quase nunca atuam.

Bloqueio de Conversor: não causa impacto significativo em nenhum sistema. Aumenta consumo de reativo do Elo CC.Bloqueio de Pólo: os outros pólos assumirem a potência perdida, atéque ocorra a atuação do STOL. O impacto no 60 Hz é relevante apenas quando o há curto-circuito no 345 kV. Variação de freqüência no 50 Hz. A potência reativa consumida pelo Elo CC aumenta, mesmo com a redução na potência do Elo CC.

Bloqueio de Bipolo: grande impacto para 50 Hz e 60 Hz. Pode resultar em desligamento de UG, abertura da interligação Itaipu-Ande e abertura da interligação Sul-Sudeste ou Norte-Sul.

Perda de Linha CC: o impacto depende da quantidade de tentativas dereligamento e da condição operativa dos sistemas.

Perda de Filtro CA: possibilidade de atingir o limite de excitação em Itaipu.

Falha na Partida de Conversor: pode causar problemas para ambos os sistemas, dependendo das condições de operação. Aumento no consumo de potência reativa, até o bloqueio do conversor em falha.

Bloqueio de Conversor

50.0 s 50.0 s

500 MW 10.0 kV

350 Mvar 0.25 Hz

50.0 s 50.0 s

650 MW 15.0 kV

700 Mvar 0.80 Hz

Bloqueio de Pólo

Bloqueio de Bipolo

50,0 s

50,0 s

2.400 MW 300 MW

2.100 Mvar 250 Mvar

25,0 kV 35,0 kV

2,35 Hz 0,80 Hz

Bloqueio de Bipolo:

Abertura N-S

50.0 s

50.0 s

2,800 MW 3,100 MW

1,700 Mvar 4,100 Mvar

30.0 kV 170.0 kV

4.05 Hz 2.25 Hz

Perda de Linha CC

30.0 s

30.0 s

1,700 MW 300 MW

1,300 Mvar 400 Mvar

20.0 kV 30.0 kV

0.60 Hz 0.20 Hz

Perda de Filtro CA

100 MW 4,0 kV

500 Mvar 0,20 Hz

30,0 s 30,0 s

Falha na Partida de Conversor

400 MW

10.0 kV

1,300 Mvar

0.20 Hz

60.0 s

60.0 s

200 MW

250 Mvar

20.0 kV

0.70 Hz

Ocorrências no 60 Hz que

Afetam o 50 Hz

Essas ocorrências são principalmente:

Faltas no sistema: afetam quando próximas ao lado inversor do Elo CC, em qualquer nível de tensão. A resposta do Elo CC a essas faltas pode ser em conseqüência de falha de comutação nos conversores.

Colapso de tensão: está entre os outros tipos de ocorrências no 60 Hz que afetam o 50 Hz. Provoca a perda total do Elo CC, de formanão simultânea.

Falta nas proximidades do Elo CC:

Abertura N-S

25.0 kV 30.0 kV

1.50 Hz 0.30 Hz

2,200 MW 350 MW

750 Mvar 700 Mvar

102.0 s 102.0 s

Colapso de Tensão no 60 Hz

6,000 MW 1,300 MW

6,100 Mvar 2,700 Mvar

50.0 kV 80,0 kV

6.0 Hz 1.40 Hz

229.0 s

238.0 s

Indicadores de Desempenho

60 Hz

Evento FreqüênciaNatural

Fator deAmortecimento

Curto-Circuito no 500 kV/50 Hz 0,40 a 1,25 Hz 5 a 30 %Perda de Unidade Geradora em Itaipu 50 Hz 0,40 a 1,25 Hz 5 a 30 %Perda da Interligação Itaipu-Ande 0,30 a 0,50 Hz 10 a 20 %Bloqueio de Conversor 0,45 a 0,90 Hz 15 a 30 %Bloqueio de Pólo 0,45 a 0,90 Hz 10 a 30 %Bloqueio de Bipolo 0,30 a 0,80 Hz 10 a 20 %Perda de Linha CC 0,40 a 0,80 Hz 10 a 20 %Falha na Partida de Conversor 0,9 a 1,25 Hz 5 a 20 %

Indicadores de Desempenho

50 Hz

Evento Variação deFreqüência

Erro de Tempo

Ocorrência no 60 Hz 49.8 to 51.2 Hz 0.01 s to 0.1 sBloqueio de Conversor 49.9 to 50.2 Hz 0.01 s to 0.1 sBloqueio de Pólo 49.9 to 51.2 Hz 0.05 s to 0.5 sBloqueio de Bipolo 50.0 to 55.0 Hz 1.0 s to 1.5 sBloqueio do Elo CC > 55.0 Hz > 1.5 sPerda de Linha CC 49.5 to 51.2 Hz 0.05 s to 0.5 sPerda da Interligação Itaipu-Ande 50.0 to 51.5 Hz 0.5 s to 1.0 sPerda de unidade geradora (1 or 2) 49.2 to 50.0 Hz 0.1 to 1.0 s

Registros de Oscilações no 50 Hz

São raras as perturbações no sistema de 50 Hz que produzem oscilações de potência. A perda de uma unidade de Itaipu, seguida da redução na potência transmtida pelo Elo CC pelo STAB50 pode produzir uma oscilação bastante reduzida com freqüência natural de 0,85 Hz e fator de amortecimento de 5 %. É importante destacar que as unidades geradoras de Itaipu 50 Hz operam sem PSS.

Uma oscilação importante no 50 Hz foi registrada durante o blackoutde 1999. O Elo CC permaneceu em operação por alguns segundos após o colapso no lado inversor. Durante este período ocorreram oscilações com freqüência natural de 0,7 Hz e fator de amortecimento de 8,2 %.

Blackout 1999

25.0 s

1,100 MW

Conclusões

A análise do desempenho dinâmico do Elo CC apresentada neste artigo foi feita baseada em registros de perturbações que ocorreram no sistema, coletados nos setores de 50 Hz e 60 Hz da Usina de Itaipu.

As perturbações no Sistema Interligado Paraguaio não afetam o Elo CC de forma a impactar o desempenho do Sistema Interligado Brasileiro.

Perturbações na rede de 500 kV/50 Hz podem se refletir em outros desligamentos em cascata no SIB, como a abertura da Interligação Norte-Sul, dependendo das condições de operação do sistema.

A perda da Interligação Itaipu-Ande pode se refletir no SIB, com impacto reduzido, mesmo nos casos de máxima transferência nesta interligação.

Conclusões

Perturbações no Elo CC se refletem tanto no SIB quanto no SIP, mas a existência de EEP reduz a propagação de suas conseqüências. Podem ocorrer tanto a abertura da Interligação Itaipu-Ande quanto a perda de interligações regionais no SIB.

A falha na partida de conversores pode impactar tanto o SIB quanto o SIP. É necessário realizar a modelagem deste evento nos programas de análise de transitórios eletromecânicos, para que ele possa ser estudo no horizonte de planejamento da operação.

Conclusões

Perturbações no SIB, nas proximidades do lado inversor do Elo CC, se refletem no SIP, normalmente em termos de variação de freqüência de curta duração. Apesar de numerosas, cerca de 100 ocorrências por ano, o impacto dessas perturbações na causa incômodo à operação do SIP.

É importante destacar que em quase todas grandes perturbações no SIB que levaram à perda do Elo CC, como conseqüência também ocorreu a abertura da Interligação Itaipu-Ande.