aplicações de eletrônica de potência em sep prof. porfírio cabaleiro cortizo 1 parte 2:...
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Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1
Parte 2:Parte 2:
Compensadores “Shunt”:Compensadores “Shunt”:
1.1. SVC: Static Var CompensatorSVC: Static Var Compensator
2.2. Statcom: Static Synchronous CompensatorStatcom: Static Synchronous Compensator
prof. Porfirio Cabaleiro Cortizoprof. Porfirio Cabaleiro Cortizo
Grupo de Eletrônica de Potência -GEP Grupo de Eletrônica de Potência -GEP
Depto. Engenharia Eletrônica - DELT-UFMGDepto. Engenharia Eletrônica - DELT-UFMG
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Características ideais dos compensadores ativos
Do ponto de vista da rede elétrica:
1. Corrente absorvida da rede elétrica com baixa distorção harmônica total;
2. Fator de potência de entrada unitário
Do ponto de vista da carga:
1. Tensão na carga regulada;
2. Tensão sobre a carga com baixa distorção harmônica total
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Conversores empregados nos compensadores ativos
1. TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
2. TSR – “Thyristor Switched Reactor”
3. TSC – “Thyristor Switched Capacitor”
4. SVG – “Static Var Generator”
5. SVC – “Static Var Compensator”
6. STATCOM – “Static Synchronous Compensator”
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Princípio de funcionamento do filtro ativo paralelo.Princípio de funcionamento do filtro ativo paralelo.
Carga não LinearGerador – rede c.a.
Compensador estático de reativos
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (I)
VTCR
VL
ITCR
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (II)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100
-50
0
50
100Tensão e corrente na rede elétrica
tempo
Vc
aIt
cr
Vca Itcr
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100
-50
0
50
100Tensão no Indutor
tempo
VL
VL
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (III)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100
-50
0
50
100Tensão e corrente na rede elétrica
tempo
Vc
aIt
cr
Vca
Itcr
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-50
0
50Tensão no Indutor
tempo
VL
VL
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (IV)
)t.cos(cosL.
V)t(i
;0)t(i :C.I.
;C)t.cos(.L
V)t(i
;)t.(VsenL
1)t(i
;dt
diL)t.(Vsen)t(v
:tiristores dos conduçãode tempo oDurante
TCR
TCR
TCR
TCR
TCRL
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100Tensão, corrente na rede elétrica e seu fundamental
tempo
Vc
aIt
cr
Ictr
1
Vca
Itcr
Itcr1
TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (V)
)t.cos()cos(L.
V)t(ITCR
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VI)
A corrente no indutor do TCR é não senoidal e a análise de Fourier é usada para encontrar a componente fundamental da corrente:
Onde b1=0 devido a simetria de onda par e os harmônicos pares não existem devido a simetria de meia onda.
L.
1B:onde
).2(sen2
.2BB :doconsideran
B.V).2(sen
2.2
L.
VIa
max
max)(TCR
)(TCR)(11
)t.(senb)t.cos(a)t(I 11)(1
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VII)
A susceptância do TCR pode ser variada continuamente desde um máximo (BTCR=V/L) em = até um mínimo (BTCR=0 ) em
90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Susceptancia Indutiva do TCR
Angulo de Disparo - alfa
BT
CR
/ B
ma
x
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VIII)
A análise de Fourier mostra que não há harmônicos pares presentes na corrente do TCR:
n
).n(sen)cos(
)1n.(2
)1n.(sen
)1n.(2
)1n.(sen
L..
V.4I )(n
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14Espectro Harmônico da Corrente do TCR
Angulo de Disparo - alfa (º)
%I 1
I3
I5
I7
I9
I11
I13
TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (IX)
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (X)
TCR a 6 pulsosA
B
C
L/2
L/2
L/2
L/2
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (XI)
TCR a 6 pulsos
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100
-50
0
50
100Tensão e corrente na rede elétrica
tempo
Vc
aIc
a
Vca Ica
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200Tensão entre fases e corrente no indutor
tempo
Va
bIL
Vab
IL
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (XII)
TCR a 12 pulsosA
B
C
Redução dos harmônicos da corrente na rede alternada
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (XIII)
Características dos TCR
1. Perdas dependentes do fator de Qualidade do indutor: O fator de Qualidade (Q) varia entre 40 e 100;
2. Limitação da capacidade de sobrecarga devido a construção dos indutores com núcleo de ar;
3. Tempo de resposta da ordem de 1,5 a 3 ciclos
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TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (XIV)
IL
Vca
BL máximo
para = 90o
BL mínimo = 0
para = 180o
XL variável e dependente de
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TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (I)
VTSC
VC
ITSC
VcaTh1
Th2
C
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TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (II)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-100
-50
0
50
100Tensão e corrente no capacitor
tempo
Vc
aIc
Vca
Ic
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-100
-50
0
50
100Tensão no capacitor e ordem de condução
tempo
Vc
co
ma
nd
o
Vc
comando
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TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (III)
IC
Vca
BC fixo
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SVC – “Static Var Compensator ” (I)
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SVC – “Static Var Compensator ” (II)
IL
Vca
IC
BLBC
ILmaxICmax
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SVC – “Static Var Compensator ” (III)
Tiristor disparado por pulso elétrico
Tiristor disparado por Luz
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SVC – “Static Var Compensator” (IV)
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SVC – “Static Var Compensator ” (V)
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SVC – “Static Var Compensator ” (VI)
Filtros sintonizados e passa-altas
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Vca
L
Vt SVC
I q
SVC – “Static Var Compensator” (VII)
Vt = Vca - XLIq
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SVC – “Static Var Compensator” (VIII)
IL
Vt
IC ILmaxICmax
Com Compensação
Sem Compensação
VT=Vref
Linha de carga 1
Linha de carga 2
IC2
Linha de carga 3
IL2
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SVC – “Static Var Compensator ” (IX)
V=Vref – XSL.ISVC
XSL varia de 0 a 5%
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TSC194 Mvar
TCR109 Mvar
TSC294 Mvar
TSC394 MVar
Q<------
+300 Mvar/-100 Mvar Static Var Compensator (SVC) ; 1 TCR - 3 TSCs
P A B CP A B CP A B CP A B C
Va_Ia
Q(Mv ar)
Vmeas Vref
alpha TCR (deg)
nTSC
Signals &Scopes
A
B
C
a
b
c
Secondary(16 kV)
Vabc_prim
Vabc_sec
TCR
TSC1
TSC2
TSC3
SVC ControllerSVC
N
A
B
C
ProgrammableVoltage Source
A
B
C
a
b
c
Primary(735 kV)
Vabc_Prim
Vabc_Sec
A
B
C
A
B
C
735kV 6000 MVA
A
B
C
a
b
c
735/16 kV333 MVA
A B C
200 MW
Va (pu) Ia (pu/100MVA)
Vmeas Vref (pu)
number of TSCs
Q (Mv ar)
alpha TCR (deg)
SVC – “Static Var Compensator ” (X)
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Firing pulses TCR
3 C2 B1 A
g ak
ThCA-
g ak
ThCA+
g ak
ThBC-
g ak
ThBC+g a
k
ThAB-
g ak
ThAB+
[Cm]
[Cp]
[Bm]
[Bp]
[Am]
[Ap]
[Cm]
[Cp]
[Bm]
[Bp]
[Am]
[Ap]
Demux1
P
SVC – “Static Var Compensator” (XI)
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Firing pulses TSC1
3 C2 B1 A
g ak
ThCA-
g ak
ThCA+
g ak
ThBC-
g ak
ThBC+
g ak
ThAB-
gm
ak
ThAB+
LcaLbcLab
Vth_TSC1ab
[Cm]
[Cp]
[Bm]
[Bp]
[Am]
[Ap]
[Cm]
[Cp]
[Bm]
[Bp]
[Am]
[Ap]
Demux
CcaCbcCab
1
P
SVC – “Static Var Compensator ” (XII)
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SVC – “Static Var Compensator ” (XIII)
Pulses
SVC Controller
used for misfiringsimulation
used for open-looptime constant evaluation
4
TSC3
3
TSC2
2
TSC1
1
TCRVmes
Bref
Vref
Bsv c
VoltageRegulatorTimer2
Timer
Vabc Vmes
MeasurementSystem
Manual Switch
OR
?
Info
TSC2pulses
TSC3_On
TSC2_On
TSC1pulses
TSC1_On
TCRpulses
BSVCVrefTSC3pulses
Vmeas
alpha
Vabc
Alpha
TSC1_On
TSC2_On
TSC3_On
TCR_Pulses
TSC1_Pulses
TSC2_Pulses
TSC3_Pulses
Firing Unit
Bsv c
Alpha
TSC1_On
TSC2_On
TSC3_On
DistributionUnit
Demux
Bref
-C-abc
3-phasesignal generator
2
Vabc_sec
1
Vabc_prim
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SVC – “Static Var Compensator” (XIV)
Xs -> Slope in pu/100MVA Ki -> Integral gain (puB/puV/s)
where:
Closed-loop time constant --> Tc = [ Xs / ( Xr + Xs ) ] * To
Open-loop time constant --> To = 1 / ( Ki * Xs )
1
Bsvc
1/z
~=
K Ts
z-1
Ki
Kp
Xs
Droop
1
OpMode
3
Vref
2
Bref
1
Vmes err
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SVC – “Static Var Compensator” (XV)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-3
-2
-1
0
1
2
3Tensão e corrente na rede elétrica
tempo
Va
Ia
Va
Ia
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-100
-50
0
50
100
150
200
250
300Potencia Reativa em MVAr
tempo
Q
Q
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SVC – “Static Var Compensator ” (XVI)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.9
0.95
1
1.05
1.1Tensão eficaz de referencia e Tensão eficaz medida
tempo
Vre
fV
me
a Vref
Vmea
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
50
100
150
200Angulo de Disparo do TCR e número de TSC ativos
tempo
Alf
an
TS
C Alfa
nTSC
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Phasor Simulation of a Static Var Compensator
A
B
C
a
b
c
Three-PhaseV-I Measurement
Signal Processing
Scope
m
A
B
C
SVC
SVC(Phasor type)
2
V1
B1
BusSelector
N
A
B
C
500 kV
A
B
C
A
B
C
3000 MVAX/R = 10
A B C
10 MW
Bactual Bcontrol (pu/100 MVA)
Vactual Vm (pu)
pu/100 MVA<B (pu)>
<Vm (pu)>
SVC – “Static Var Compensator ” (XVII)
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.50.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Reactive Current (pu/100 MVA)
Pos.
Seq.
Voltage (
pu)
Capacitive Inductive
SVC V-I Characteristic
Red: Specified V-I characteristic
Blue: Measured V-I characteristic
Xs= 0.03 pu/200 MVA
Vref=1.0 pu
B=2 pu/100 MVA
B=1 pu/100 MVA
SVC – “Static Var Compensator” (XVIII)
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Compensador Statcom (I)Compensador Statcom (I)
Four Legs
Capacitor Split
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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qI
Ia
Ib
Ic
a,b,c
d,q
qi~
iq
id
a,b,c
Ia*
Ib*
Ic* d,q
Compensador Statcom (II)Compensador Statcom (II)
icomp
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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2
Icomp
1
Vdc
3 Vc
2 Vb
1 Va
v+-
Voltage Measurement1
g
A
B
C
+
-
Universal Bridge1
z
1 Va
bc
Iab
c
A B C
a b c
Three-PhaseV-I Measurement3
A B C
A B C
Three-PhaseSeries RLC Branch5
A
B
C
A
B
C
Three-PhaseSeries RLC Branch4
A
B
C
A
B
C
Three-PhaseSeries RLC Branch2
A
B
C
A
B
C
Three-PhaseParallel RLC Branch
UrefPulses
DiscretePWM Generator
Cb
Ca
1
PWM
Compensador Statcom (III)Compensador Statcom (III)
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Carga desequilibrada e Tensão de rede equilibrada.Carga desequilibrada e Tensão de rede equilibrada.
As correntes na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Corrente na rede ca
tempo
ica
icb
icc
icaIcb icc
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Tensão e corrente da rede - fase A
tempo
vc
aic
a
vca
ica
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500
0
500Corrente na carga e no compensador - fase A
tempo
ilaic
om
pa ila icompa
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Carga e Tensão de rede desequilibradas.Carga e Tensão de rede desequilibradas.
As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Corrente na rede ca
tempo
ica
icb
icc
icaIcb icc
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Tensão e corrente da rede - fase A
tempo
vca
ica
vca
ica
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500
0
500Corrente na carga e no compensador - fase A
tempo
ilaic
om
pa ila icompa
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As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.
Carga e Tensão de rede desequilibradas + HarmônicosCarga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Corrente na rede ca
tempo
ica
icb
icc
icaIcb icc
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200
-100
0
100
200Tensão e corrente da rede - fase A
tempo
vc
aic
a
vca
ica
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500
0
500Corrente na carga e no compensador - fase A
tempo
ilaic
om
pa ila icompa
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Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos. Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos. Limitação da freqüência de chaveamento do inversor.Limitação da freqüência de chaveamento do inversor.
0.201 0.2015 0.202 0.2025 0.203 0.2035 0.204 0.2045 0.205 0.2055 0.206-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500Corrente na rede ca, carga e compensador
tempo
ica
ilaic
om
pa
2*ica
Ila
iccompa
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Compensador Statcom (IV)Compensador Statcom (IV)
IL
Vt
IC
Com Compensação
Sem Compensação
VT=Vref
Linha de carga 1
Linha de carga 2
IC2
Linha de carga 3
IL2 ILmaxICmax
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Compensador Statcom (V)Compensador Statcom (V)
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Compensador Statcom (VI)Compensador Statcom (VI)
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
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Compensador Statcom (VII)Compensador Statcom (VII)
Controle da tensão no capacitor no barramento cc
1. Tensão no barramento cc deve ser maior que o valor de pico da tensão fase-neutro da entrada;
2. Compensador deve absorver uma potência ativa para compensar perdas e controlar tensão no barramento cc.
Injeção de corrente ativa : qI
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Compensador Statcom (VIII)Compensador Statcom (VIII)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25300
400
500
600
700
800
900
1000Tensão de referência e medida no barramento cc
tempo
vre
fv
cc
vref
vcc
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 52
Vantagens
•Filtragem seletiva de harmônicos;
•Sintonia em tempo real;
•Não introduz ressonâncias adicionais;
•Possibilidade de equilibrar a carga do ponto de vista da concessionária;
•Capaz de compensar desbalanços tanto da carga quanto da rede elétrica.
Desvantagens
•Equipamento de eletrônica de potência sofisticado e caro;
•Limitação de potência.
Dificuldades Tecnológicas atual
•Tempo de processamento do elevado, limita a banda passante do filtro ativo, provocando “spikes” na forma de onda da corrente na rede elétrica.
Compensador Statcom (IX)Compensador Statcom (IX)
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