Alta Tensão em Corrente Contínua (HVDC) · Circuito CC equivalente Diferenciação dos...

Alta Tensão em Corrente

Contínua (HVDC)

Componentes: Danilo Barreto

Igor Alves

Luiz Carlos

Rafael Saback

Salvador, 2012

Sumário

Histório do HVDC

Principais esquemas HVDC

Conversores utilizados

Principais Componentes

Aplicações reais

Histórico

Por que HVDC?

◦ A transmissão e distribuição se iniciou com HVDC

◦ Surgimento da transmissão e distribuição CA-vantagens sobre a tecnologia CC

◦ Transmissão CA – Limitações

Elementos indutivos e capacitivos

Limitação na transmissão e comprimento

Conexão entre sistemas CA de frequências diferentes impossível

Conexão entre dois sistemas de frequências iguais também não possível em alguns casos

Histórico

Conversores Fonte de Corrente

Comutados em Linha

◦ Formado por tiristores

◦ Capaz de conduzir altas correntes

◦ Ângulo de disparo – controle do nível de

tensão DC (controle da potência fornecida)

◦ Operado na frequência da rede (50 ou 60Hz)

Histórico

Conversores Fonte de Corrente Auto Comutados (alta frequência)

◦ Requerem semicondutores com capacidade de desligamento

◦ O desenvolvimento do IGBT permitiu a sua aplicação em larga escala

◦ Principais características:

Baixas perdas

Desenho compacto

Operado na frequência de chaveamento (Modulação PWM)

Histórico

Vantagens técnicas da HVDC

◦ Transmissão de potência entre duas linhas CA

de frequências diferentes

◦ Não sofre efeito pelicular (a seção do

contudor é totalmente utilizada para

condução)

◦ Para linhas ou cabos longos (acima de 40km)

a transmissão HVDC oferece a única solução

possível (alto mar, grandes cidades)

Histórico

Questões ambientais

◦ Tamanho menor se comparado a uma rede

CA

Histórico

Questões ambientais

◦ Ruído audível

◦ Impacto visual

◦ Compatibilidade eletromagnética

◦ Uso do caminho de retorno pela terra ou

mar em operação monopolar

Em geral, é um sistema que não

compromete as questões ambientais

Histórico

Questão Financeira


Circuito CC equivalente

◦ Diferenciação dos conversores HVDC

Circuito monopolar


Circuito equivalente monopolar

◦ Corrente controlada pela diferença entre as

tensões controladas

◦ Direção da corrente fixa

◦ Fluxo de potência controlado pela polaridade

da tensão


Conversor “back-to-back” ◦ “Back-to-back”: retificador e inversor na

mesma estação

◦ Usados principalmente para transmissão de

potência entre redes CA de frequências

diferentes


Transmissões monopolares a grandes

distâncias

◦ Caminho de retorno com eletrodos


Transmissões monopolares a grandes

distâncias

◦ Caminho com retorno metálico usado em

situações de restrições ambientais


Transmissões bipolares a grandes

distâncias

◦ Usada quando a capacidade de transmissão

excede a de um polo

◦ Divisão da capacidade em dois polos por:

Maior disponibilidade de energia

Potência de rejeição de carga menor

◦ Durante a manutenção de um polo, ainda há

transmissão de potência


Bipolo com Caminho de Retorno pela Terra

◦ Solução mais usada

◦ Elevado grau de flexibilidade durante faltas ou

manutenção


Bipolo com Caminho de Retorno pela

Terra

◦ Caso de falta em um polo


Bipolo com Caminho de Retorno pela

Terra

◦ Interrupção de um polo causada pelo

conversor


Bipolo com Caminho de Retorno

Metálico para Operação Monopolar

◦ Solução para distâncias curtas

◦ Restrições para o uso temporário de eletrodos


Bipolo sem Caminho de Retorno


◦ Oferece menor custo inicial


Bipolo sem Caminho de Retorno


◦ Operação monopolar possível através de chaves

bypass durante interrupção do polo do

conversor

◦ A chave não opera no caso de uma interrupção

no condutor HVDC

Teoria de Conversores

Função Circuito Fonte (válvulas)

◦ Tensão entre anodo e catodo positiva

Condução de corrente

Depende do pulso de disparo

◦ Tensão entre anodo e catodo negativa

O pulso de disparo não tem efeito

O fluxo de corrente é interrompido quando a

tensão torna-se negativa

◦ Válvula: Retificador Controlado de Seis

Pulsos


Função circuito fonte

◦ Alteração do valor médio na saída

Adiamento do pulso de disparo

Feito através de controle eletrônico

Deslocamento do ponto de “disparo natural”

Denominado controle de fase


Válvula a tiristores (Retificador

Controlado de Seis Pulsos)


Característica

◦ a = 0° => Vmáx

◦ a = 90° => V = 0

Valor médio da tensão CC


Característica de condução do conversor


Grupo 12 Pulsos e Transformador

Conversor

◦ Conexão série de duas pontes de 6 pulsos

◦ Dois sistemas trifásicos defasados em 30

graus elétricos

◦ Defasagem necessária ao cancelamento dos

harmônicos de 6 pulsos nos lados CA e CC


Grupo 12 Pulsos e Transformador

Conversor


Potência Reativa como Função da Carga

◦ Determinação da potência reativa a partir da

carga


Controle da Demanda de Potência

Reativa do Conversor


Controle da Potência Reativa

◦ Controle eletrônico válido apenas para cargas

leves

Aumento da potência reativa associado ao aumento

da corrente (maiores perdas)

◦ Compensação feita através de bancos de

capacitores e filtros


Controle da Potência Reativa

◦ Esquema para compensação reativa


Deslocamento da corrente


Potência Reativa devido aos Conversores

◦ Determinação da Potência Reativa

Apenas as componentes fundamentais nas saídas

dos conversores são consideradas para a

determinação da potência

O ângulo do fator de potência neste caso é dado

por:

Obs: Considera-se a indutância de comutação no

lado AC desprezível


Determinação da Potência Reativa

◦ Potência reativa necessária ao conversor de 6

pulsos (para o sistema total basta apenas

duplicar):

◦ Valor rms da componente fundamental da

corrente:

◦ Potência reativa no conversor:


Determinação da Potência Ativa

Para o conversor atuando como inversor:

Sendo g o ângulo de interrupção.

Principais Componentes

Válvulas

Transformador de entrada

Reator amaciador

Filtros do lado AC e DC

Protetor de surto

Linhas de transmissão

Válvulas

Válvulas dos conversores compostas de

tiristores

◦ Atenção quanto ao resfriamento

Transformador de Entrada

Converte tensão AC para o nível requerido de entrada

do conversor

◦ Sofrem stress das tensões AC, DC e dos transientes como raios

ou comutações

Reator amaciador

Limitação da corrente DC de falta

Prevenção de ressonância do circuito DC

Prevenção de corrente intermitente

Redução de harmônicos

2 Tipos principais:

◦ Air insulated dry type

◦ Oil insulated reactor in a tank


AC

◦ Objetivos: Absorver harmônicos e suprir

energia reativa

◦ Critério para projeto: Energia Reativa

necessária, requerimentos quanto ao nível dos

harmônicos

DC

◦ Objetivo: Reduzir harmônicos que causam

correntes AC de alta freqüência


Filtro AC ativo

◦ Produz harmônicos de amplitude igual e fase oposta aos harmônicos da

linha


Filtro AC ativo

Protetor de surto

Protege o equipamento contra

sobrevoltagem


Monopolar, bipolar ou back-to-back

Circuito da estação transmissora

Exemplos de aplicações reais

Itaipu – Brasil/Paraguai

6300MW a 600kV

2 linhas de aprox 800km de extensão

cada

Itaipu

Grande distancia na transmissão

Incompatibilidade de frequências

Itaipu

Subestações

Foz do Iguaçu

Ibiúna

Itaipu

Equipamentos utilizados:

◦ Conversores

◦ Transformadores Conversores

◦ Bancos de filtros para harmônicos

◦ Bancos High-Pass

Exercícios

Com uma tensão de entrada AC constante Vll e

uma corrente contínua constante Id, Plote o

lugar no plano P-Q quando o ângulo de atraso

dos conversores de 12 pulsos é variado.

Explique qual a diferença entre um projeto para

transmissão HVDC com esquema Back-to-Back.

Diferencie um projeto com esquema

Monopolar ou Bipolar e enumere as vantagens

ou desvantagens de um ou outro sistema.

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