OTIMIZAC˘A~O DE UM TAP HVDCfelipo/pub/trabalhos/projetofinal.pdf · 2003-03-14 · otimizac˘a~o...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ELETROTECNICA

OTIMIZACAO DE UM TAP HVDC

FELIPO CORREA MACHADO

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Janeiro de 2003


FELIPO CORREA MACHADO

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ELE-

TROTECNICA DA ESCOLA DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA

A OBTENCAO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovado por:

Maurıcio Aredes, Dr.-Ing.(Orientador)

Jose Luiz da Silva Neto, Ph.D.

Luis Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Janeiro de 2003

AGRADECIMENTOS

Agradeco a Deus por tudo, pois a ele devemos a vida...

Aos meus pais, Jose Candido Machado e Maria Helena Correa Machado, pelo amor,

carinho e dedicacao que sempre dispensaram a mim, e por todo apoio e suporte que sempre

me deram para que eu, hoje, pudesse estar apresentando este trabalho.

Ao meu professor, orientador e amigo Maurıcio Aredes pela confianca em mim de-

positada na realizacao deste trabalho e pela sua valiosa orientacao, discutindo e propondo

problemas e solucoes, esclarecendo duvidas e tracando os rumos deste projeto.

E aos verdadeiros amigos, que sempre nos apoiam tanto nos momentos bons quanto

nos momentos difıceis da vida.

i

RESUMO

Felipo Correa Machado Projeto de Final de Curso

UFRJ - EE Janeiro 2003


A grande vantagem do sistema HVDC esta no fato da transmissao de energia atraves

de longas distancias em corrente contınua ser mais economica. Por outro lado, este sis-

tema apresenta uma grande desvantagem quando comparado a transmissao em corrente

alternada, que e a dificuldade em se drenar ou injetar potencia em qualquer ponto da

linha de transmissao. Ou seja, o Sistema HVDC, ou simplesmente HVDC, e considerado

como um sistema de transmissao ponto-a-ponto. Drenar potencia ao longo da linha de

transmissao de um HVDC seria interessante desde que de forma economica e confiavel,

devido as dimensoes continentais do Sistema Interligado Brasileiro (SIB).

Este trabalho apresenta uma otimizacao do modelo de um novo Conversor CC-CA,

o Tap HVDC, concebido para suprir pequenas cargas quando comparadas a potencia do

HVDC ao qual esta conectado. Este conversor, que e conectado em serie com o HVDC,

consiste em uma chave semicondutora em serie com o primario de um transformador com

nucleo de ar. A chave e composta de dois dispositivos controlados, dois diodos e um

capacitor snubber, conectados numa configuracao ”H”. Esta e tal que permite o bloqueio

das chaves com tensao zero, caracterizando assim o chaveamento suave. O secundario

do transformador, atraves de um retificador, carrega um capacitor ao qual podem ser

conectados inversores para o suprimento de cargas CA.

E tambem apresentada uma topologia para real implementacao do Tap HVDC com

base em especificacoes tecnicas de fabricantes nacionais de capacitores e no atual estagio

de desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores e dos cabos isolados para CC. Por

ultimo sao apresentados resultados de simulacao digital do modelo atual confrontados com

os resultados obtidos de modelos anteriores.

ii

Sumario

RESUMO ii

LISTA DE ABREVIACOES v

LISTA DE ILUSTRACOES viii

1 Introducao 1

1.1 Identificacao do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Objetivos do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Estrutura do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 O Tap HVDC e sua conexao com o Sistema HVDC 7

2.1 Princıpios Basicos de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1 Chave-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.3 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Redimensionamento do Tap HVDC 16

3.1 Chave-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Capacitor Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 Capacitor CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Analise do Conversor CC-CC 20

iii

4.1 Simulador Saber DesignerTM

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2 Simulacao Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3 Comparacao com o Modelo de 5 MW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.4 Construcao da Chave-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5 Otimizacao do Tap HVDC 28

5.1 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2 Chave-H e Capacitor Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6 Analise de defeitos 34

6.1 Defeitos nas Chaves-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.1.1 Perda de um capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.1.2 Capacitores em serie: em Chaves-H diferentes . . . . . . . . . . . . 35

6.1.3 Capacitores em paralelo: em uma mesma Chave-H . . . . . . . . . 36

6.2 Defeito no barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7 Conclusao 41

7.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Referencias Bibliograficas 43

iv

LISTA DE ABREVIACOES

C Capacitor Principal

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contınua

CCAT Corrente Contınua Alta Tensao

CH Capacitor da Chave H

CCC Capacitor do barramento CC do Tap HVDC

CDC O mesmo que CCC

CEQ Capacitancia Equivalente

D Ciclo de trabalho

DEE Departamento de Engenharia Eletrica/Eletrotecnica

D1, D2 Diodos

EE Escola de Engenharia

GTO Gate Turn-Off Thyristor

HVDC High Voltage Direct Current

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

II Corrente de fase na saıda da estacao inversora

IR Corrente de fase na entrada da estacao retificadora

IDI1, IDI2 Corrente no elo CC nos terminais da inversora

IDR1, IDR2 Corrente no elo CC nos terminais da retificadora

v

ID Corrente do elo CC do HVDC

IL1, IL2 Corrente nos enrolamentos primario e secundario do transformador

L Indutancia

L11, L22 Indutancias dos enrolamentos primario e secundario do transformador

M Indutancia mutua entre os enrolamentos do transformador

N1, N2 Numero de espiras dos enrolamentos primario e secundario do transformador

PI Controlador com acoes Proporcional + Integral

RMS Root Mean Square

R11, R22 Resistencias dos enrolamentos primario e secundario do transformador

SIB Sistema Interligado Brasileiro

STATCOM Static Synchronous Compensator

S1, S2 Chaves semicondutoras controladas

T Perıodo

Tap Derivador ou derivacao

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

VSI Voltage Source Inverter

VI Tensao no barramento CA na estacao inversora

VR Tensao no barramento CA na estacao retificadora

VCC Tensao do barramento CC do Tap HVDC

VDC O mesmo que VCC

VDI1, VDI2 Tensao no elo CC na estacao inversora nos polos positivo e negativo

vi

VDR1, VDR2 Tensao no elo CC na estacao retificadora nos polos positivo e negativo

VL1, VL2 Tensao sobre os enrolamentos primario e secundario do transformador

VLIM Tensao limite para o capacitor principal

Vref Tensao de referencia

XL Reatancia indutiva

ZCS Zero Current Switching

ZVS Zero Voltage Switching

f Frequencia

fp Fator de potencia

k Fator de acoplamento

ki Ganho integral do Controlador PI

kp Ganho proporcional do Controlador PI

pinst Potencia instantanea

tON Tempo de permanencia da chave no estado ligada

ω Frequencia angular

τ Constante de tempo

vii

Lista de Figuras

1.1 Principais linhas de transmissao, centros geradores e consumidores do SIB. 3

2.1 Diagrama do Tap HVDC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Conversor CC-CC do Tap HVDC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 O Tap HVDC em detalhes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Funcionamento da Chave-H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5 Arranjo do Transformador com nucleo de ar do Tap HVDC. . . . . . . . . 13

2.6 Controlador do Tap HVDC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.7 Sinais do controlador do Tap HVDC: D, ramp e gate. . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Associacao de cinco Taps de 5MW para drenar um total de 25MW. . . . . 16

3.2 Transformador do Tap HVDC redimensionado para 25 MW. . . . . . . . . 19

4.1 O Tap HVDC redimensionado em detalhes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2 Algumas formas de onda do Conversor CC-CC. . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3 Tensoes e Correntes sobre os componente da Chave-H. . . . . . . . . . . . 23

4.4 Tensoes e Correntes sobre os enrolamentos do transformador. . . . . . . . . 24

4.5 Partida do Tap HVDC de 5MW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.6 Partida do Tap HVDC de 25MW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.7 Associacoes de Chaves-H em serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.1 Partida do Tap HVDC antes e apos a otimizacao. . . . . . . . . . . . . . . 30

5.2 Variacoes de carga no Tap HVDC otimizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.3 Gate, tensao e corrente sobre o conjunto de Chaves-H do Tap HVDC

otimizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

viii

5.4 Associacoes de Chaves-H em serie do Tap HVDC otimizado. . . . . . . . . 32

5.5 Tensoes e Correntes sobre os enrolamentos do transformador do Tap HVDC

otimizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.6 Tabela: Resumo das principais mudancas implementadas no Tap HVDC. . 33

6.1 Defeito: um capacitor aberto em qualquer das Chaves-H. . . . . . . . . . . 35

6.2 Defeito: dois capacitores abertos em Chaves-H diferentes. . . . . . . . . . . 36

6.3 Defeito: dois capacitores abertos em uma mesma Chave-H. . . . . . . . . . 37

6.4 Bypass de uma Chave-H sob defeito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.5 Defeito no barramento CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.6 Tabela: Resumo dos principais defeitos estudados. . . . . . . . . . . . . . . 40

ix

Capıtulo 1

Introducao

Desde que os primeiros sistemas de distribuicao de energia eletrica foram construı-

dos, a partir do primeiro sistema de distribuicao de energia eletrica concebido e

construıdo por Thomas Alva Edison, entre 1878 e 1882, muito se tem evoluıdo no sentido

de disponibilizar a energia eletrica a toda a populacao, aumentar a potencia transmi-

tida de linhas ja construıdas, diminuir as perdas no sistema eletrico, diminuir custos de

operacao e melhorar a qualidade do servico prestado a sociedade.

Mais de um seculo depois do projeto piloto, a concepcao dos sistemas de transmissao

e distribuicao de energia eletrica continua praticamente a mesma, assim como os trans-

formadores e as maquinas rotativas eletricas. Porem o mesmo nao se pode dizer quanto

aos nıveis de potencia em questao, que se tornaram infinitamente maiores, assim como a

diversidade de fins de consumo, as tecnicas utilizadas e os materiais empregados.

Muitos paıses ja tem construıdos grandes sistemas de transmissao e distribuicao de

energia eletrica, atuando como sistemas fortemente malhados sobre regioes de densidades

populacionais medias ou altas. Mas e notavel tambem que em muitos dos paıses citados,

paıses estes desenvolvidos, as regioes a serem cobertas e atendidas com o fornecimento de

energia eletrica nao se comparam as dimensoes do nosso paıs, onde muitas regioes com

grandes potenciais de desenvolvimento e crescimento economico nao dispoem de atendi-

mento adequado. A fim de atingir um nıvel de desenvolvimento maior e necessario que

potenciais hıdricos ainda nao explorados venham a contribuir no montante de geracao

disponıvel e que grandes linhas de transmissao venham cruzar todo o paıs por regioes nao

atendidas e fortalecendo a malha que interliga todo o Sistema Interligado Brasileiro (SIB)

1

CAPITULO 1. INTRODUCAO 2

a fim de oferecer maior robustez, estabilidade e confiabilidade a este.

A maior parte do potencial hıdrico disponıvel e a ser explorado em nosso paıs se

encontra muito afastada dos grandes centros consumidores, e quase todo o potencial

disponıvel nas regioes sul e sudeste ja foi aproveitado, restando apenas locais para peque-

nas usinas geradoras. Para melhor aproveitar a energia vinda de regioes mais afastadas,

a transmissao em Corrente Contınua (CC) e a melhor opcao, se comparada a transmissao

em Corrente Alternada (CA). Mas ha o problema do HVDC (High Voltage Direct Cur-

rent) se caracterizar como sistema de transmissao ponto-a-ponto, da estacao retificadora

a estacao inversora, nao oferecendo a possibilidade de drenar ou injetar potencia ao longo

da linha pela conexao atraves de um transformador. Com isto as regioes que seriam

atravessadas pelos grandes sistemas de transmissao HVDC continuariam sem serem aten-

didas pelo servico de fornecimento de energia eletrica, direito garantido de todo cidadao

brasileiro e regulamentado por leis e decretos proprios.

Somos todos grandemente dependentes desta forma de energia. No Brasil mais de

93% da populacao e atendida com o fornecimento de energia eletrica, ındice que ultrapassa

a telefonia (59%) e o saneamento basico (67%). Porem em muitos locais o atendimento

fica longe dos padroes estabelecidos e cumpridos no grandes centros urbanos no que se

refere a qualidade. Contudo o mais preocupante e a parcela da populacao que ainda nao e

atendida com o fornecimento de energia eletrica. Esta parcela da populacao se localiza em

grande parte em regioes de baixa densidade populacional e distantes dos grandes centros

consumidores, onde grandes distancias a serem transpostas para conecta-las aos sistemas

existentes mais proximos tornam a distribuicao desinteressante economicamente, o que e

agravado por ser a distribuicao um servico prestado por empresas privadas. Pode-se ter

uma ideia do problema de isolamento de varias regioes observando a Figura 1.1.

1.1 Identificacao do Problema

Um dos fatores que possibilitou grande avanco na distribuicao de energia eletrica foi o de-

senvolvimento e aperfeicoamento dos transformadores, que permitiram a transmissao em

nıveis elevados de tensao, minimizando as perdas para transmissao em grandes distancias


Figura 1.1: Principais linhas de transmissao, centros geradores e consumidores do SIB.

e elevando a capacidade de transmissao, e a distribuicao em nıveis de tensao ideais para os

diversos tipos de consumidores. Assim, os potenciais hıdricos disponıveis em regioes afas-

tadas dos grandes centros consumidores puderam ser aproveitados e os sistemas eletricos

existentes puderam ser interligados, para maior aproveitamento dos recursos energeticos

e incremento da confiabilidade dos mesmos. Com isto temos na atualidade os diversos

nıveis de tensao e a frequencia padronizados, o que permitiu que os subsistemas de difer-

entes nıveis de tensao, e anteriormente de diferentes frequencias, fossem interconectados

formando o SIB, como visto na figura anterior.

Ao longo das linhas de transmissao, onde ha a necessidade de realizar algum inter-

cambio de energia, constroem-se subestacoes de acordo com a potencia exigida e capaci-

dade da linha. Ao longo de uma mesma linha temos varias subestacoes alimentando zonas


industriais, urbanas ou rurais, ou mesmo fazendo intercambio de potencia conectando esta

linha a outras ou a unidades geradoras, com os transformadores conectando sistemas de

diferentes nıveis de tensao. O mesmo ja nao pode ser feito com a corrente contınua, onde

emprega-se neste caso conversores CC-CC.

Na atualidade a maior parte do avanco da Engenharia Eletrica tem se dado com

o desenvolvimento das chaves semicondutoras de potencia, no ramo da Eletronica de

Potencia, com aplicacoes em varios campos. Com isto foram desenvolvidos os Sistemas

HVDC. Estes sistemas compoem-se de uma estacao retificadora, a linha de transmissao

(monopolar ou bipolar), e uma estacao inversora. Estes sistemas podem conectar sistemas

assıncronos como o Sistema HVDC de Itaipu, por onde vem a energia comprada dos

geradores paraguaios que trabalham em 50Hz, e a estacao Back-to-Back de Garibi que

interliga a Argentina (50Hz) ao Brasil (60Hz).

Para descaracterizar os sistemas HVDC como sistemas de transmissao ponto-a-ponto

e torna-los flexıveis quanto a extracao de potencia ao longo da linha, como sao os sistemas

de transmissao em CA, surge o Tap HVDC, dispositivo que atua como um conversor CC-

CC, um transformador eletronico, com a funcao de drenar potencia do HVDC.

1.2 Motivacao

Com base na possibilidade de se drenar potencia do HVDC para alimentacao de cargas

situadas proximas a este e que apresentamos este trabalho. Isto torna a construcao de

um Sistema HVDC mais viavel quando comparado aos sistemas de transmissao em CA

quando se tem em mente grandes blocos de energia. A expansao do SIB que ocorrera na

Regiao Norte com a conclusao da segunda metade da Usina Hidreletrica de Tucuruı e com

a construcao da Usina Hidreletrica de Belo Monte totalizarao mais 15GW de geracao que

precisarao estar disponıveis para consumo em todo o paıs, devido a alternancia dos perıo-

dos de chuva e seca entre as regioes. Atravessar o paıs com linhas de transmissao em CC

de grandes comprimentos e capacidades de potencia atendendo a todos os consumidores

circunvizinhos deve ser um alvo importante do nosso governo.

Proporcionar menor custo para a expansao do SIB, que pode ganhar maior margem


de estabilidade e confiabilidade mesmo sem a construcao de grandes usinas geradoras,

apenas com mais linhas reforcando sua malha existente, e o desejo de qualquer operador

de um sistema eletrico. E mais complicado e custoso construir uma usina hidreletrica para

aproveitar um grande potencial existente, como os citados anteriormente, do que linhas

de transmissao. Estas sao, dentre outras, as grandes vantagens que o Tap HVDC pode

nos trazer.

1.3 Objetivos do Trabalho

Este trabalho propoe uma otimizacao do modelo digital de um Tap HVDC concebido para

suprir cargas pequenas e medias, como pequenas industrias e municıpios de ate cerca de

cinquenta mil habitantes, quando comparadas ao Sistema HVDC ao qual esta conectado

(ate 25MW ou cerca de 1% da potencia deste).

A partir de um primeiro modelo de 5MW serao realizadas mudancas para redimensiona-

lo a fim de se drenar 25MW . O controle, agora em pu, permanecera o mesmo, exceto

pela alteracao de algumas constantes e ganhos necessarias para adequa-lo as novas bases

que venham a surgir.

Sera proposta uma topologia para real implementacao da Chave-H desenvolvida no

modelo digital, com base em especificacoes tecnicas de fabricantes nacionais de capacitores

e no atual estagio de desenvolvimento da tecnologia dos dispositivos semicondutores de

potencia.

Tambem serao apresentados os resultados de simulacoes obtidos com o programa

SaberTM

do Tap HVDC em operacao normal e sob defeito nos capacitores das chaves em

algumas das possıveis situacoes mais comuns que podem ocorrer.

1.4 Estrutura do Texto

O texto deste projeto foi organizado em sete capıtulos. Os proximos capıtulos dispoem

dos seguintes conteudos:

No capıtulo 2 e apresentado o Tap HVDC. E mostrado como ele funciona no sentido

de drenar potencia do Sistema HVDC ao qual esta conectado.


O capıtulo 3 apresenta o redimensionamento de alguns elementos do Tap HVDC

anteriormente proposto para drenar 5MW a fim de que possa drenar 25MW .

O capıtulo 4 apresenta o funcionamento do Tap HVDC redimensionado para drenar

25MW e e comparado ao modelo de 5MW . Tambem e feito um estudo sobre a construcao

da Chave-H com associacao de diodos, GTO’s e capacitores.

No capıtulo 5 e feita uma otimizacao do modelo de 25MW , na intencao de torna-lo

mais rapido, ou seja, com um melhor desempenho dinamico.

O capıtulo 6 apresenta o resultado das simulacoes de alguns dos defeitos que podem

ocorrer no Tap HVDC, tanto no lado de alta tensao, conectado diretamente ao HVDC

quanto ao lado de baixa tensao.

O capıtulo 7 apresenta as conclusoes e as propostas para futuros trabalhos.

Capıtulo 2

O Tap HVDC e sua conexao com o

Sistema HVDC

Oobjetivo do Tap HVDC e drenar potencia da linha de transmissao a qual estara

conectado. O Sistema HVDC convencional, baseado em Estacoes Conversoras

(Retificadora e Inversora) a tiristores, se caracteriza como um elo CC ou fonte de corrente,

por conter reatores de alisamento (filtros) na conexao da linha com cada estacao [1],

conforme ilustrado na Figura 2.1. Para um Tap HVDC cuja potencia seja muito inferior

a nominal do Sistema HVDC, a melhor maneira de conexao e em serie com um dos polos,

positivo ou negativo, no caso do HVDC ser bipolar. Para um Tap HVDC da mesma

ordem de potencia do Sistema HVDC, como a propria estacao inversora deste, a conexao

mais adequada e a em paralelo.

A funcao do Conversor CC-CC do Tap HVDC sera carregar o capacitor CC ao

qual serao conectados inversores trifasicos VSI (Voltage Source Inverter) visando atender

cargas trifasicas ou, no caso destas cargas estarem a alguns quilometros da linha do HVDC

e consequentemente do Tap HVDC, pequenas linhas de sub-transmissao CC com o inversor

conectado no final destas linhas e proximo as cargas.

A insercao do Tap HVDC tem de ser de tal modo que nao perturbe a operacao das

principais estacoes do HVDC e que nao comprometa a seguranca e estabilidade do mesmo.

Para isto e necessario que tenha o menor numero possıvel de componentes diretamente

conectados ao polo e a operacao destes tem de ser simples, bem como o bypass no caso de

algum defeito no Tap HVDC que comprometa seu funcionamento. A Figura 2.1 apresenta

o diagrama esquematico do Tap HVDC inserido no polo positivo de um HVDC bipolar,

7

CAPITULO 2. O TAP HVDC E SUA CONEXAO COM O SISTEMA HVDC 8

CCCC

CCCAVCC

LTVIVR

IRI I

TAP HVDC

EstaçãoRetificadora

EstaçãoInversora

Cargas CA

VDR2

VDR1

VDI2

VDI1

IDI2IDR2

Figura 2.1: Diagrama do Tap HVDC.

a linha de transmissao e as duas estacoes deste e o inversor conectado ao capacitor CC.

Sendo o Tap HVDC dimensionado para drenar ate 25MW e o modelo de HVDC utilizado

de 2GW , numa adaptacao do modelo de 1GW em First CIGRE HVDC Benchmark [2], a

potencia drenada estara em torno de 1% da potencia do HVDC e, portanto, muito inferior

a esta, para que nao influa no funcionamento do HVDC.

2.1 Princıpios Basicos de Funcionamento

Na Figura 2.2 apresentamos o diagrama do Conversor CC-CC do Tap HVDC. No lado de

alta tensao estao conectados, diretamente no polo positivo do HVDC, uma chave ideal, o

capacitor principal e o primario do transformador com nucleo de ar. Quando a chave esta

aberta o capacitor se carrega. Quando ela se fecha a tensao do capacitor e aplicada nos

terminais do transformador, e o capacitor se descarrega. Com este chaveamento, aparecera

uma tensao alternada nos terminais do transformador e o Tap HVDC drena potencia do

Sistema HVDC. A potencia drenada pelo Tap HVDC obedece a seguinte equacao:

PTAP RMS= VCRMS

· IHV DCNominal(2.1)

Para que o Tap HVDC drene 25MW, pela equacao acima VCRMS= 12.5kV , pois

IHV DCNominal= 2kA. Esta e a queda de tensao que o Tap HVDC causa na linha de


transmissao do Sistema HVDC e sera adiante a tensao base para o controle com relacao

ao lado de alta tensao do conversor.

tensão CC

transformador (núcleo de ar)corrente da linha CC

ID

capacitor principal

ponteretificadora

Chaveamento não dissipativo

alta tensão

baixa tensão

Figura 2.2: Conversor CC-CC do Tap HVDC.

O Tap HVDC e apresentado em detalhes na Figura 2.3, onde e mostrada a Chave-

H que substitui a chave ideal da Figura 2.2, com os dois diodos, os dois GTO’s e o

capacitor que funciona como um snubber regenerativo. O capacitor CH e assim chamado

por devolver ao sistema ao qual esta conectado toda a energia que acumulou durante

uma parte do ciclo de operacao da Chave-H. Em serie com a Chave-H esta o primario do

transformador com nucleo de ar (L11). Paralelo a este conjunto o capacitor principal C.

2.1.1 Chave-H

O Tap HVDC drena potencia atraves do chaveamento dos GTO’s. Para elevadas frequen-

cias e em conversores de elevada potencia a perda devida a comutacao pode ser inaceitavel,

comprometendo o rendimento do conversor e mesmo a confiabilidade deste em relacao ao

sistema ao qual esta conectado.

Nesta topologia, mantidos os valores nominais de potencia drenada pelo Tap HVDC

e corrente nominal do HVDC, garantidos em funcionamento normal ou pela acao de limi-

tadores no controlador quando sob defeito, o chaveamento se dara sempre com tensao nula


VCC

ID ID

CCC

CH

C

ML11

L22

D2

Controladordo Tap HVDC

Vref

VCC

S2

S1D1

IL1

IL2

VL1

VL2Σ

Figura 2.3: O Tap HVDC em detalhes.

- Zero Voltage Switching (ZVS), ou com corrente nula - Zero Current Switching (ZCS).

Alem disto CH sempre estara em serie no circuito quando os diodos ou os GTO’s estiverem

conduzindo e, portanto, armazenando ou devolvendo energia, conforme os sentidos da

corrente e tensao sobre ele.

O funcionamento da Chave-H e simples e sera analisado a seguir, com o acompanha-

mento pela Figura 2.4. Para ilustrar o estado das chaves colocamos as chaves fechadas

com preenchimento e as chaves abertas sem preenchimento.

I - inıcio do perıodo de conducao dos GTO’s S1 e S2

Partimos considerando que o capacitor CH esta carregado e que nenhuma chave

estava conduzindo no instante anterior. Isto equivale ao estado final do ultimo

estagio IV. Aplicando sinal no gate dos GTO’s estes conduzem e o capacitor se

descarrega, dado o sentido da corrente. Durante este perıodo, os diodos permanecem

reversamente polarizados (bloqueados).

II - inıcio do perıodo de conducao dos diodos D1 e D2

Quando o capacitor estiver totalmente descarregado, portanto com tensao nula em

seus terminais, os diodos passam a conduzir naturalmente e a corrente atraves da

chave e dividida em seus dois ramais.


III - abertura dos GTO’s S1 e S2

Este terceiro estagio e marcado pela abertura dos GTO’s sob tensao nula (ZVS),

pois o capacitor esta descarregado. Isto faz com que a corrente tenha agora que

passar pelo capacitor carregando-o. Como existe uma grande indutancia em serie

com a Chave-H, o primario do transformador e mesmo a linha de transmissao do

HVDC, a corrente nao vai instantaneamente a zero e o capacitor vai se carregando.

IV - abertura dos diodos D1 e D2

Quando a corrente finalmente vai a zero e tenta se reverter os diodos param de

conduzir e a chave fica aberta com o capacitor carregado. Termina aqui o ciclo de

operacao e o proximo passo e aplicar sinal no gate dos GTO’s e reiniciar o processo a

partir do estagio I. Como a corrente aqui e nula, o fechamento dos GTO’s no proximo

estagio se dara com corrente nula (ZCS), com di/dt limitado pelas indutancias do

transformador (L11, M e L22).

CHD2

S2

S1

D1

CHD2

S2

S1

D1

D2

S2

S1

D1

CHD2

S2

S1

D1

I II III IV

Figura 2.4: Funcionamento da Chave-H.

Estes quatro estagios de operacao da ponte correspondem a operacao da Chave-H

em condicoes normais. Nestas condicoes tem-se o chaveamento suave ou nao dissipativo.

O funcionamento e equacionamento completo para todos os possıveis casos e estagios de

operacao da chave podem ser encontrados em [3, 4].


2.1.2 Transformador

O Transformador do Tap HVDC, alem de ajustar a tensao ou corrente para os nıveis

desejados no seu secundario, tem como funcao isolar o equipamento conectado ao seu

secundario (retificador, capacitor CCC e inversor ou linhas CC), do nıvel de tensao do link

HVDC (500kV ).

O conversor CC-CC do Tap HVDC trabalhara com frequencia maior que o comu-

mente encontrado em sistemas eletricos. A utilizacao de transformadores convencionais

em frequencias de algumas centenas de Hertz traria perdas por histerese e correntes par-

asitas que comprometeriam a eficiencia do Tap HVDC como um todo. Alem disso o

isolamento entre os seus dois enrolamentos teria de ser muito confiavel para que nao ocor-

resse um defeito como um curto circuito entre os dois enrolamentos, o que seria quase

como um curto para o terra da linha de transmissao do HVDC.

Para contornar o problema das perdas e do isolamento a proposta e utilizar um trans-

formador com nucleo de ar. Como as perdas por comutacao no conversor CC-CC do Tap

HVDC serao reduzidas, devido a acao do chaveamento nao dissipativo na Chave-H, este

podera trabalhar em frequencias elevadas, o que permite reduzir a indutancia necessaria

nos enrolamentos do transformador, ja que a reatancia e proporcional a frequencia (2.2).

XL = 2 · π · f · L (2.2)

As principais caracterısticas do transformador serao:

• Deve ser capaz de isolar tensoes contınuas de ate 500kV em relacao ao potencial de

terra (primario);

• Deve ser capaz de suportar corrente contınua de 2kA (primario);

• Deve suportar tensoes alternadas de ate 130kVpico aplicadas no enrolamento primario

(gerada pelo chaveamento);

• Deve suportar picos de corrente de ate 9kA.

O arranjo proposto e seu dimensionamento fısico de acordo com os valores de in-

dutancias do primario e secundario e o acoplamento entre os enrolamentos necessarios


para este Tap HVDC foi concebido pelo Professor Carlos Portela (COPPE/UFRJ) ini-

cialmente para o Tap HVDC de 5MW [5]. Posteriormente foi redimensionado para o Tap

HVDC de 25MW [6]. O arranjo e mostrado na Figura 2.5. No Capıtulo 3 sao feitos os

calculos das indutancias e sao mostrados os valores das variaveis da Figura 2.5.

PrimarySecondary

Figura 2.5: Arranjo do Transformador com nucleo de ar do Tap HVDC.

2.1.3 Controlador

A fim de regular a tensao VCC (ver Figura 2.3) no seu valor nominal e drenar potencia

dentro do limite estabelecido, um controlador deve comparar a tensao medida VCC com

a tensao de referencia VREF e atuar enviando sinal de disparo e bloqueio ao gate dos

GTO’s a fim de manter a tensao do barramento CC sempre em torno do valor nominal.

O controlador devera respeitar tambem os limites fısicos de tensao dos componentes do

Tap HVDC, como o capacitor principal C.

O ciclo de trabalho D, de Duty ratio, de todo conversor CC-CC e definido como a

razao entre o tempo em que as chaves estao conduzindo tON e o tempo correspondente ao

perıodo de operacao T [7]. Entao:

D =tON

T(2.3)

Podemos estabelecer limites para D (DMIN , o valor mınimo de D, e DMAX , o

valor maximo de D) no controlador de modo a evitar que a Chave-H seja operada em

hard switching (chaveamento dissipativo). Analisando o circuito da Figura 2.3 pode-se

perceber que quando D for 1 (situacao em que a chave estaria permanentemente no estagio

II da Figura 2.4) o Tap HVDC nao drena potencia e a corrente ID passa agora apenas pelo

primario do transformador. Num outro extremo, quando D for nulo, o capacitor principal


C se carregara indefinidamente. Tambem para evitar esta situacao foi estabelecido o

limite inferior DMIN = 0.20. Temos entao os limites maximo e mınimo para D. O erro

em VCC passara por um controlador PI onde estes limites serao estabelecidos.

O primeiro modelo de controlador atuava com frequencia constante (alguns kHz) [8],

determinada por um gerador de onda trapezoidal. Posteriormente foi incorporado ao

controlador um circuito auxiliar de reset para o gerador de onda trapezoidal que faz

variar a frequencia de acordo com a potencia drenada.

O erro em VCC e integrado com ganho e limites estabelecidos e atua como uma refe-

rencia dinamica para a tensao sobre o capacitor principal. Esta referencia e chamada de

VLIM pois estabelece os limites de tensao para o carregamento de C. Quando o Tap HVDC

drena potencia e o capacitor CCC se descarrega, VLIM cresce forcando VC a aumentar

e consequentemente a potencia drenada, de acordo com a equacao 2.1. Em seguida e

comparado com o valor da tensao VC do capacitor principal C e atua no reset do integrador

que gera ramp.

O valor limite para ramp e 0.80, um pouco abaixo do limite de D, que e DMAX =

0.81. Com isto o controle permite que o Tap HVDC opere com os GTO’s permanentemente

conduzindo e nao drenando potencia. Na faixa compreendida entre D = 0.81 e D = 1.00

o Tap HVDC opera praticamente sem drenar potencia. Entao evita-se chavear ate que o

capacitor CCC se descarregue a ponto de colocar o controlador operando, com D abaixo

de 0.80 e atuando novamente na Chave-H.

O diagrama de blocos completo do controlador e mostrado na Figura 2.6. Os sinais

D e ramp que entram no comparador e o sinal gerado por este a ser enviado aos gates

dos GTO’s sao mostrados na Figura 2.7. Uma analise mais detalhada do funcionamento

do controlador pode ser obtida de [9, 10].


0.20

VCC

_

+

VREF0.81

D GATE+_

0.1

3

VLIM

sk

k IDPD +

+_

Vibradormonoestável

reset hold

1.0

0.8

ramp

+_

skI VLIM−

skIR

VC

Figura 2.6: Controlador do Tap HVDC.

rampD

GATE

TON TOFF TS = fS –1

Figura 2.7: Sinais do controlador do Tap HVDC: D, ramp e gate.

Capıtulo 3

Redimensionamento do Tap HVDC

Apartir do modelo anteriormente proposto de 5 MW foram feitas associacoes dos

componentes do Tap HVDC para que este drenasse cinco vezes mais potencia. E

como se cinco Tap’s HVDC fossem conectados em paralelo do ponto de vista da saıda

do Conversor CC-CC. A ideia foi manter os nıveis de tensao do lado de baixa tensao do

Tap HVDC. Entao VCC e consequentemente a tensao nominal utilizada do lado CA do

inversor foram mantidos em seus valores anteriores.

Como a associacao nao seria direta (todos os elementos em serie ou em paralelo),

partimos associando cinco Tap’s HVDC em um mesmo polo do HVDC. Conectamos o lado

de alta tensao de cinco Conversores CC-CC em serie, pois a linha de transmissao do HVDC

se caracteriza como um elo CC, e o lado de baixa tensao dos mesmos cinco Conversores

CC-CC em paralelo, pois estamos mantendo a caracterıstica de fonte de tensao CC com

o valor VCC ja estabelecido. O arranjo resultante e mostrado na Figura 3.1.

tensão CCcorrente da

linha CC

ID

ponteretificadora

Figura 3.1: Associacao de cinco Taps de 5MW para drenar um total de 25MW.

Resta entao determinar como o equivalente de cada elemento sera calculado. Nao

resta duvida que a corrente que passara pelos elementos do lado de alta tensao dos Conver-

16

CAPITULO 3. REDIMENSIONAMENTO DO TAP HVDC 17

sores CC-CC sera sempre a mesma, pois os cinco terao as Chaves H se abrindo e fechando

simultaneamente. Quando os cinco capacitores principais C estiverem se carregando a

tensao que aparecera na linha de transmissao entre o primeiro Tap HVDC e o ultimo sera

a soma das tensoes dos cinco capacitores C. O mesmo pode ser dito quanto a tensao sobre

as cinco Chaves H e sobre os cinco enrolamentos primarios dos transformadores. A seguir

desenvolveremos os calculos do equivalente de cada elemento da associacao proposta.

3.1 Chave-H

Analisando o funcionamento da Chave-H vemos que a corrente passara sempre pelos cinco

capacitores CCH ao mesmo tempo, dado o funcionamento sıncrono dos cinco Tap’s HVDC

que estamos considerando. Entao estes estarao associados em serie. No modelo de 5MW

temos que CCH = 100µF . Sabendo que a capacitancia equivalente de n capacitores em

serie e dada por:1

CS

=n

∑

k=1

1

Cn

(3.1)

temos que

1

CCH

=5

∑

k=1

1

100µF=

1

20µF

e entao CCH = 20µF e a capacitancia equivalente das cinco Chaves-H em serie.

Estaremos considerando de inıcio que cada diodo e GTO utilizado na construcao

da Chave-H e uma chave ideal para obter os nıveis de corrente e tensao a que serao

submetidos. O mesmo podemos dizer da capacitancia equivalente CCH .

3.2 Transformador

O transformador do modelo de 5MW do Tap HVDC possui as seguintes caracterısticas:

• Indutancia do enrolamento primario: L11 = 3mH;

• Indutancia do enrolamento secundario: L22 = 3mH;

• Indutancia Mutua: M = 2.25mH;

• Fator de acoplamento: k = 0.75.


Como dito anteriormente, a ideia foi manter os nıveis de tensao no secundario. Como o

valor da corrente no primario deveria ser mantido, ja que o HVDC se comporta como fonte

de corrente, precisarıamos de cinco destes transformadores com os primarios conectados

em serie (mesma corrente e cinco vezes a tensao inicial) e com os secundarios em paralelo

(mesma tensao e cinco vezes a corrente inicial). Para essas associacoes temos:

• Indutancias em serie:

LS =n

∑

k=1

Ln (3.2)

entao

L11 =5

∑

k=1

3mH = 15mH.

• Indutancias em paralelo:1

LP

=n

∑

k=1

1

Ln

(3.3)

entao1

L22

=5

∑

k=1

1

3mH=

1

0.6mH

logo L22=0.6mH.

• Fator de acoplamento:

k =M√

L11 · L22

(3.4)

entao, mantendo a mesma indutancia mutua por transformador, temos:

k =2.25mH√

15mH · 0.6mH= 0.75

que e o mesmo fator de acoplamento de um transformador somente.

O transformador, agora redimensionado, e mostrado na Figura 3.2.

3.3 Capacitor Principal

Como era de se esperar, o valor da capacitancia equivalente para o Capacitor Principal C

sera o equivalente de cinco capacitores em serie. De acordo com a equacao 3.1:

1

C=

5∑

k=1

1

500µF=

1

100µF

entao C = 100µF e a capacitancia equivalente dos cinco Capacitores Principais em serie.


3.665 m

0.617 m

PrimaryN1 = 30+301964 mm2

SecondaryN2 = 09176.7 mm2

R11 R22 L11 L22 M12

K

0.21 m3.065 m3.315 m

= 75.2mΩ= 48.3mΩ= 15.0mH= 0.60mH= 2.25mH= 0.75

Figura 3.2: Transformador do Tap HVDC redimensionado para 25 MW.

3.4 Capacitor CC

No lado de baixa tensao do conversor CC-CC teremos associacoes em paralelo de todos os

elementos. Sabendo que a capacitancia equivalente de n capacitores em paralelo e dada

por:

CP =n

∑

k=1

Cn (3.5)

teremos

CCC =5

∑

k=1

1mF = 5mF.

Estamos preocupados apenas com os elementos que caracterizam o Tap HVDC.

Os demais elementos como o retificador que conecta o secundario do transformador ao

capacitor CCC e o inversor (VSI) utilizado no modelo digital de simulacao ja estao em fase

de desenvolvimento avancado, com tecnologia ja dominada, e nao farao parte de nosso

estudo. A carga sera redimensionada para drenar 25MW , com o mesmo fator de potencia

fp do modelo anterior (fp = cos φ = 0.76, considerando a carga e a impedancia da linha).

Capıtulo 4

Analise do Conversor CC-CC

Redimensionado o Tap HVDC, o proximo passo e verificar seu funcionamento sob

condicoes semelhantes: carga nominal no Tap HVDC e corrente nominal no HVDC.

A topologia do circuito e a mesma do modelo anterior de 5MW [9], mas agora redimen-

sionado para drenar 25MW . Diversas formas de onda serao apresentadas para analise

da dinamica e dos nıveis de corrente e tensao a que cada elemento do Conversor CC-CC

sera submetido. Entao estaremos observando onde estes nıveis sao aceitaveis para elemen-

tos unicos e onde e necessario estudar associacoes de elementos para suportar os nıveis

necessarios ao funcionamento do novo Tap HVDC proposto (Figura 4.1).

VCC

I DI D

CCC

CH

C

M

L11

L22

D2

Controladordo Tap HVDC

Vref

VCC

S2

S1D1

I L1

I L2

VL1

VL2

100µF

20µF15mH

0.6mH

5mFΣ

Figura 4.1: O Tap HVDC redimensionado em detalhes.

20

CAPITULO 4. ANALISE DO CONVERSOR CC-CC 21

4.1 Simulador Saber DesignerTM

Apresentado em 1987, o simulador Saber DesignerTM

foi desenvolvido por uma equipe

de especialistas em simulacao com larga experiencia em simulacao matematica e em de-

senvolvimento de hardware. O SaberTM

e considerado uma ferramenta matematica para

a resolucao de sistemas de equacoes representados por modelos e suas interconexoes em

um circuito ou em um sistema.

O acesso ao simulador se da atraves de uma interface grafica, bastante interativa

e facil de usar. Esta interface grafica, chamada Saber SketchTM

, facilita bastante as

tarefas de visualizacao dos projetos, de operacionalidade do simulador. A visualizacao

dos resultados e obtencao de valores como tensao, corrente e potencia, e feita atraves do

Saber ScopeTM

.

O grupo de eletronica de potencia do Programa de Engenharia Eletrica da COPPE

possui uma larga experiencia na utilizacao deste simulador. Varios trabalhos, projetos

finais e teses de mestrado e doutorado realizados no Laboratorio de Eletronica de Poten-

cia do PEE/COPPE ja foram divulgados com a ajuda deste simulador, demonstrando

confiabilidade e coerencia nos resultados apresentados. Os modelos utilizados aqui, como

o ultimo que tomamos por base, o Tap HVDC de 5MW , foram desenvolvidos tambem

nesse simulador. Por estes fatores o simulador SaberTM

foi julgado como adequado para

o presente projeto e sera utilizado nas simulacoes do modelo do Tap HVDC.

4.2 Simulacao Digital

Serao aqui apresentados alguns resultados para verificacao do funcionamento do Tap

HVDC. A princıpio estaremos considerando o HVDC como uma fonte de corrente CC

ideal, com corrente ID =2 kA (valor nominal). E valido observar que Aquino [4] con-

siderou tambem para a solucao analıtica, a partir do equacionamento completo que levan-

tou do Conversor CC-CC, que a tensao vCC tambem era constante (VCC = 5 kV , valor

nominal), como se estivesse utilizando uma alta capacitancia como filtro de ripple (CCC),

a fim de simplificar o modelo sem prejuızo dos resultados. Esta simplificacao nao sera


necessaria aqui pois nao resultara em ganhos significativos no tempo de processamento da

simulacao, ao contrario da substituicao do modelo do Sistema HVDC completo, derivado

de [2], por uma fonte de corrente ideal, resultando numa reducao de cerca de vinte vezes

no tempo de processamento da simulacao.

Na Figura 4.2 estao dispostas as formas de onda do sinal de disparo aplicado no gate

dos GTO’s, a tensao retificada vCC , a tensao sobre o capacitor da Chave-H vCH e sobre o

capacitor principal vC e a corrente no primario do transformador iL1. Podemos observar

que a tensao e a corrente sobre o capacitor CCH sao elevadas.

t(s)0.700 0.701 0.702 0.703 0.705

gate

freq: 419.29 Hz

0.0

25.0

50.0

75.0(kV)

-2.5

0.0

2.5

5.0(kA)

0.0

10.0

20.0

30.0(kV)

vC

iL1

vCH

iCH

6.0

4.0

2.0

0.0

(kA)

0.704

0.0

2.0

4.0

6.0(kV)

vCC

-5.0

Figura 4.2: Algumas formas de onda do Conversor CC-CC.

Na Figura 4.3 podemos analisar o que ocorre a cada ciclo com cada componente

da Chave-H. Nela podemos observar o chaveamento suave com corrente nula (ZCS) ou

tensao nula (ZVS), a corrente se distribuindo entre as duas pernas da Chave-H quando

o capacitor CCH se descarrega (observe a Figura 4.2) e os nıveis de tensao e corrente

a que sao submetidas as chaves do modelo digital. As tensoes e as correntes sobre os

enrolamentos do transformador podem ser vistos na Figura 4.4.


t(s)0.700 0.701 0.702 0.703 0.705

gate

-2.0

0.0

2.0

4.0(kA)

-2.0

0.0

2.0

4.0(kA)

0.0

25.0

50.0

75.0(kV)

vS2

vD1

iS2

iD1

0.0

-25.0

-50.0

-75.0

(kV)

0.704

ZVS turn-off

ZCS turn-on

Figura 4.3: Tensoes e Correntes sobre os componente da Chave-H.

4.3 Comparacao com o Modelo de 5 MW

A proxima etapa e comparar a dinamica do Tap HVDC redimensionado com a do modelo

anterior no qual foi baseado. Como todo o Tap HVDC foi redimensionado por um fator

5, esperamos que os nıveis crıticos de tensao e corrente aumentem pelo mesmo fator, em

funcao da potencia drenada. Alem disso o tempo de resposta ao start do Tap HVDC e

do inversor VSI e as variacoes de carga tem de ser mantidos.

Sabemos que a frequencia angular de ressonancia natural ω0 de um circuito LC

ressonante, no qual a teoria dos Conversores Ressonantes [7] (chaveamento suave) esta

baseada, e dado pela equacao 4.1.

ω0 = 2 · π · f0 =1√

L · C(4.1)

de onde concluımos que a constante de tempo τ0 e

τ0 =1

f0

= 2 · π ·√

L · C =2 · πω0

(4.2)

Utilizando as equacoes 3.1 e 3.2 temos para o lado de alta tensao do Conversor


t(s)0.700 0.701 0.702 0.703 0.705

gate

-6.0

3.0

6.0-10.0

0.0

5.0

15.0

(kA)

-100.0

vL1

iL1

vL2

iL2

4.0

2.0

0.0

6.0

(kA)

0.704

-3.0

0.0

(kV)

-50.0

0.0

50.0

100.0

(kV)

-5.0

10.0

Figura 4.4: Tensoes e Correntes sobre os enrolamentos do transformador.

CC-CC:

ω1 =1

√

(5 · L) · (C5)

=1√

L · C= ω0

e de acordo com as equacoes 3.3 e 3.5, para o lado de baixa tensao do Conversor CC-CC,

ω2 =1

√

(L5) · (5 · C)

=1√

L · C= ω0

de onde concluımos que a dinamica do Conversor CC-CC sera a mesma pois as frequencias

angulares e consequentemente as constantes de tempo que regem a dinamica do Tap

HVDC se mantiveram inalteradas. E claro que a constante de tempo dependera do estagio

que se estiver considerando, pois de acordo com o estado dos diodos e GTO’s alguns

elementos (enrolamentos do transformador e capacitor CCH) estarao ou nao inseridos no

circuito do Conversor CC-CC. Mesmo assim ela sera a mesma para cada estagio para os

dois modelos de Tap HVDC analisados aqui.

A Figura 4.5 apresenta o start do Tap HVDC de 5MW . Em seguida, na Figura 4.6,

temos a mesma situacao com o Tap HVDC redimensionado para 25MW . Podemos notar


que o comportamento do Tap HVDC continua o mesmo, com mesma dinamica, porem

agora a potencia drenada e cinco vezes maior.

t(s)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.0

2.0

4.0

6.0(kV)

0.0

2.0

4.0

6.0(MW)

vCC

p inst

Figura 4.5: Partida do Tap HVDC de 5MW .

t(s)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.0

2.0

4.0

6.0(kV)

0.0

10.0

20.0

30.0(MW)

vCC

p inst

Figura 4.6: Partida do Tap HVDC de 25MW .

4.4 Construcao da Chave-H

A Chave-H tornou-se um ponto fragil com o incremento da potencia drenada, pois os

nıveis de corrente e tensao a que o capacitor CCH e as chaves semicondutoras serao sub-

metidos sao elevados. Ate o momento trabalhamos com chaves ideais e com um capacitor

tambem fora dos limites reais. Torna-se entao necessario analisar os aspectos construtivos


tambem da Chave-H, visto que, em relacao as amplitudes de corrente e tensao do Tap

HVDC anteriormente proposto, temos agora que elaborar associacoes serie e paralelo dos

componentes para respeitar os limites fısicos de cada componente.

Atualmente no Brasil encontram-se comercialmente disponıveis capacitores de ele-

vada potencia (ate alguns MV Ar) e alta frequencia (ate alguns kHz) geralmente empre-

gados em fornos de inducao. Com base nos dados de alguns fabricantes destes capacitores,

como os dados disponıveis no catalogo on-line da Ineparr©, e dos diodos e GTO’s atual-

mente disponıveis [11], proporemos uma topologia realizavel para o nıvel de potencia do

Tap HVDC proposto aqui.

Pelo nıvel de tensao a que serao submetidos os componentes presentes na Chave-H,

e visando evitar o problema de seriar GTO’s e incluir mais componentes necessarios para

equalizar a tensao sobre eles, vamos seriar chaves inteiras e dividir a tensao sobre estas.

Assim, o problema causado pela diferenca no tempo de abertura de cada GTO (alguns

microsegundos), e com isto ter a tensao total aplicada sobre os que tiverem o maior tempo

de abertura, e solucionado. O mesmo problema nao ocorre com os capacitores.

Usaremos como limites 5kV (pico) e 4.5kA (RMS) para GTO’s e diodos. Estaremos

trabalhando com uma margem de seguranca grande nas chaves pois e o que recomendam

os fabricantes. Para os capacitores de 1MV Ar usaremos 5kV e 200A como limites. Sendo

a tensao maxima na Chave-H em carga nominal inferior a 75kV necessitaremos seriar 15

chaves, resultando numa tensao maxima de 5kV por chave. Vale lembrar que a tensao

RMS sera um pouco menor, garantindo assim uma margem ainda maior para oscilacoes

sem causar danos aos GTO’s, diodos e capacitores utilizados. Utilizando os capacitores

acima descritos, precisaremos paralelar 11 destes para se chegar a corrente em carga

nominal (iCHRMS= 2011.4A, de acordo com o valor calculado utilizando uma ferramenta

do Saber ScopeTM

). Apenas dois GTO’s e dois diodos por chave atenderao aos valores

de corrente e tensao acima descritos. A configuracao proposta e mostrada na Figura 4.7.

Daqui em diante, CHEQpassara a ser o valor da capacitancia equivalente do conjunto

de Chaves-H que estamos dimensionando e CH passara a ser o valor de cada capacitor


individualmente. Temos que:

CHEQ=

numero de capacitores em paralelo

numero de Chaves-H em serie· CH (4.3)

ou

CH =numero de Chaves-H em serie

numero de capacitores em paralelo· CHEQ

(4.4)

Entao

CH =15

11· 20µF = 27.273µF

onde CH e o valor de cada capacitor que compora o conjunto de uma Chave-H.

11 Capacitores em paralelo

15 Chaves-H em série

Figura 4.7: Associacoes de Chaves-H em serie.

Com isto temos todo o Tap HVDC redimensionado e funcionando com a mesma

dinamica do modelo anterior. O proximo passo e melhorar essa dinamica e otimizar o

Tap HVDC para minimizar o armazenamento de energia em alguns elementos, diminuindo

tensao e corrente onde for possıvel para simplificar e diminuir os custos da construcao de

um conversor deste. Tanto o controlador do Tap HVDC quanto os elementos podem ter

seus valores alterados para estes fins.

Capıtulo 5

Otimizacao do Tap HVDC

Tendo ja atingido o primeiro objetivo, com o Tap HVDC drenando 25MW , quere-

mos agora torna-lo mais rapido na partida e menos suscetıvel a chavear em hard-

switching. Esta otimizacao tambem servira para que o Tap HVDC atue com maior rapidez

nos instantes em que for sujeito a operar com sobretensoes ou afundamentos de tensao

decorrentes do chaveamento de grandes cargas que venham a comprometer a qualidade da

energia entregue pelo Tap HVDC no lado CA do inversor. Queremos entao que o Conver-

sor CC-CC atue rapidamente carregando o capacitor CCC . Contudo, o barramento CA

deve ser dimensionado e operado de forma a trabalhar com o limite de 25MW .

5.1 Controlador

A primeira medida a ser tomada foi colocar todo o controle do Tap HVDC normalizado

ou em pu. Com isto qualquer modificacao que se queira realizar no sentido de modelar

Tap’s HVDC com diferentes potencias nominais fica mais facil de ser realizada.

A tensao de referencia para o barramento CC do conversor continuou fixa em VCC =

5kV . Entao o valor medido sera dividido por este mesmo valor e a tensao de referencia

passa a ser 1pu.

Sendo a potencia base 25MW e a corrente nominal do HVDC ID = 2kA, a tensao

sobre os terminais do Tap HVDC na linha de transmissao do HVDC e, consequentemente,

nos terminais do capacitor principal C tera um valor medio de 12.5kV . Entao o valor me-

dido vC sera dividido por 12.5kV . Estaremos arbitrando como valores maximo e mınimo

instantaneos da tensao sobre C 3.0pu (37.5kV ) e 0.1pu (1.25kV ) respectivamente. Este

28

CAPITULO 5. OTIMIZACAO DO TAP HVDC 29

sinal, que e o resultado da integracao do erro da tensao vCC e interpretado como o nıvel

de carga do capacitor C, sera chamado VLIM (representando os limites para a tensao vC).

O ganho do integrador que gera VLIM , kIV LIM , foi dividido por 2.5kV , valor RMS

da tensao sobre C no modelo de 5MW , pois ja havia sido dividido por 5 quando a

tensao cresceu cinco vezes com a potencia do novo Tap HVDC. Com isto kIV LIM = −32.

Para tornar este controlador mais rapido, apos inumeras simulacoes chegou-se a um valor

tomado como otimo ate entao de kIV LIM = −300, um ganho de quase dez vezes sobre o

anterior. Os ganhos do controlador PI que atua no erro de VCC (kID = 80 e kPD = 0.25)

continuaram os mesmos. Apenas o limite inferior foi alterado para DMIN = 0.20, para

que o Tap HVDC possa drenar sua potencia nominal mesmo que a corrente do HVDC

esteja um pouco abaixo do seu valor nominal, ate 0.6pu. O ganho do integrador que gera

a rampa tambem permaneceu o mesmo (kIR = 500).

5.2 Chave-H e Capacitor Principal

Mantendo praticamente as mesmas proporcoes entre os valores dos capacitores da Chave-

H CH e o capacitor principal C, visando tornar o Tap HVDC mais rapido, reduziremos

os valores destes capacitores, pois a constante de tempo e proporcional a raiz do valor da

capacitancia (4.2).

Novamente ajustando os valores atraves de simulacoes chegamos a novos valores

de capacitancias que, mantendo todas as caracterısticas intrınsecas do Tap HVDC, pro-

porcionaram uma nova dinamica consideravelmente melhor que a ate entao observada.

Chegamos a CHEQ= 10µF e C = 45µF , valores cerca de dez vezes menores que os ante-

riores. Com isto o Tap HVDC ficou mais rapido, como podemos observar na Figura 5.1,

onde estao a potencia drenada e tensao do barramento CC antes e depois da otimizacao.

Em uma simulacao que apresentamos na Figura 5.2, submetemos o modelo do Tap

HVDC a variacoes bruscas de carga. A carga inicial e a nominal. Em seguida, em t = 0.2s

a carga cai para 5MW , e sobe em passos de 5MW , em intervalos de 100ms, ate chegar

ao valor nominal de 25MW em t = 0.6s. Sao em variacoes como estas, porem em escalas

nao tao severas, que esperamos que o Tap HVDC responda com rapidez e sem oscilacoes


t(s)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.0

2.0

4.0

6.0(kV)

0.0

10.0

20.0

30.0(MW)

vCC

pinst

não otimizadootimizado

Figura 5.1: Partida do Tap HVDC antes e apos a otimizacao.

ou ressonancias, pois durante um dia as cargas variam muito conforme o horario, o local

e o tipo de atividade desenvolvida em cada regiao. Provavelmente as variacoes de carga

nao serao muito diferentes na regiao que tera o abastecimento de energia eletrica feito

atraves do Tap HVDC. Mas e necessario prever o pior, como desligamento e religamento

de linhas durante um horario de ponta de consumo, em carga nominal, por exemplo, ou

mesmo de todo o barramento CA.

Na Figura 5.2 pode-se observar em t = 200ms que a tensao VCC sobe ate 8kV . Em

outra simulacao, cujos valores nao apresentamos aqui, notamos o pior caso, quando a carga

nominal e desligada. Neste caso a tensao subiu ate 9kV , quando entao o Tap HVDC e

bypassado. Certamente os capacitores dimensionados para trabalhar em torno de 5kV nao

suportarao tais tensoes. Tambem nao seria interessante dimensionar o banco para suportar

a tensao maxima observada de 9kV . A solucao e implementar um circuito logico que

desligue a saıda do controlador que gera D e ligue o circuito em uma constante D = 0.81,

nao permitindo assim que o capacitor CCC continue sendo carregado muito alem de 1.25pu

ou outro valor que venha a ser estabelecido (repare que D nao vai instantaneamente a

0.81 e enquanto isso CCC se carrega).

Com estas mudancas, os valores das tensoes e correntes em cada elemento do Con-

versor CC-CC do Tap HVDC tem de ser novamente checados. O primeiro passo e analisar

a tensao vCHTOTALe corrente iCHTOTAL

sobre o conjunto de Chaves-H (Figura 5.3), tendo

ja sido anteriormente objeto de analise detalhada (Secao 4.4).


t(s)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.0

2.0

4.0

6.0(kV)

0.0

10.0

20.0

30.0(MW)

vCC

pinst

8.0

va load

-4.0

-2.0

0.0

2.0(kV)

4.0

D

0.9

0.7

0.5

0.3

Figura 5.2: Variacoes de carga no Tap HVDC otimizado.

Considerando VCHMAX= 100kV e ICHRMS

= 1678A, sendo este valor eficaz da

corrente obtido com ferramentas do Saber ScopeTM

, teremos que seriar vinte Chaves-

H. Estaremos trabalhando com os mesmos capacitores de 1MV Ar (5kV · 200A). Pelo

valor da corrente, serao necessarios nove capacitores em paralelo por Chave-H. De acordo

com 4.3, o novo valor de cada capacitancia sera

CH =numero de Chaves-H em serie

numero de capacitores em paralelo· CHEQ

=20

9· 10µF = 22.22µF

O arranjo resultante e semelhante ao da Figura 4.7, mas agora com um numero

maior de capacitores em serie e um numero menor de capacitores por Chave-H, conforme

a Figura 5.4.

Uma desvantagem apresentada aqui, se analisarmos apenas as modificacoes neste

arranjo, e o aumento da energia armazenada nestes capacitores. Eram necessarios 165

capacitores e agora sao 180, todos de 1MV Ar. Um custo maior para a construcao do Tap

HVDC sem aumento na sua capacidade de drenar energia. Mas as vantagens podem pesar

mais do que isto. Vejamos a nova amplitude da corrente no primario do transformador

(Figura 5.5). Com corrente menores em relacao ao modelo nao otimizado, pode-se utilizar

cabos de menor secao, reduzindo o custo e o peso do transformador e facilitando a sus-

pensao dos cabos, ja que tem nucleo de ar. Resta saber, atraves de uma analise dos custos


t(s)0.700 0.701 0.702 0.703 0.705

gate

freq: 565.96 Hz

0.0

25.0

50.0

75.0(kV)

-2.0

0.0

2.0

4.0(kA)

vCH

iCH

0.704

-4.0100.0

Figura 5.3: Gate, tensao e corrente sobre o conjunto de Chaves-H do Tap HVDCotimizado.

9 Capacitores em paralelo

20 Chaves-H em série

Figura 5.4: Associacoes de Chaves-H em serie do Tap HVDC otimizado.

da construcao dos bancos de capacitores de cada Chave-H e do custo do transformador,

o valor otimo de capacitancias que resulta no menor custo de fabricacao.

Um resumo com as mudancas implementadas no Tap HVDC desde o modelo de

5MW ate o modelo de 25MW otimizado e apresentado na Figura 5.6. Estao destacadas

as mudancas entre os estagios de desenvolvimento onde, por exemplo, a indutancia do

enrolamento primario do transformador foi alterada de 3mH para 15mH entre o Tap

HVDC de 5MW e o de 25MW . Seu valor continuou com o mesmo no Tap HVDC de

25MW otimizado e, portanto, nao esta destacado na ultima coluna.


t(s)0.700 0.701 0.702 0.703 0.705

gate

-10.0

5.0

10.0-10.0

0.0

5.0(kA)

-100.0

vL1

iL1

vL2

iL2

4.0

2.0

0.0

6.0

(kA)

0.704

-5.0

0.0

(kV)

-50.00.0

50.0100.0

(kV)

-5.0

10.0

150.0

Figura 5.5: Tensoes e Correntes sobre os enrolamentos do transformador do Tap HVDCotimizado.

Elemento \ Modelo 5 MW 25 MW 25 MW Otimizadok 0.75 0.75 0.75M (mH) 2.25 2.25 2.25L11 (mH) 3.0 15.0 15.0Transformador

L22 (mH) 3.0 0.6 0.6CapacitorPrincipal C (µF) 500 100 45

Chave-H CH (µF) 100 20 10Capacitor CC CCC (mF) 1 5 5

KP D 0.25 0.25 0.25KI D 80 80 80KI VLIM -80.000 -32 -300KI R 500 500 500DMIN 30 30 20

Controlador

Normalizado Não Sim Sim

Figura 5.6: Tabela: Resumo das principais mudancas implementadas no Tap HVDC.

Capıtulo 6

Analise de defeitos

Aanalise final sera feita no comportamento do Tap HVDC quando alguns determi-

nados defeitos ocorrerem e na influencia do Tap HVDC sob operacao normal ou sob

defeito no Sistema HVDC. Como mencionado no inıcio deste trabalho, o Tap HVDC nao

devera perturbar a operacao do Sistema HVDC, mesmo sob defeito. Estaremos enfocando

defeitos nos capacitores das Chaves-H e no barramento CC do Tap HVDC.

6.1 Defeitos nas Chaves-H

Analisamos aqui a perda de ate dois capacitores em tres diferentes casos e em carga

(25MW ). Consideramos que um capacitor em defeito e um circuito aberto, por acao

de fusıvel interno instalado pelos fabricantes, que tem por objetivo proteger o capacitor

contra surtos de tensao e ou corrente. Nas duas situacoes a elevacao nos valores de corrente

e tensao nao devera ultrapassar os valores nominais ja especificados para capacitores

e GTO’s. No primeiro caso analisamos a perda de um capacitor. No segundo caso

analisamos a perda de dois capacitores em Chaves-H diferentes. Por ultimo foi analisada

a perda de dois capacitores numa mesma Chave-H.

6.1.1 Perda de um capacitor

Neste primeiro caso estudaremos a abertura de um capacitor, caracterizando este como

sob defeito. Esta situacao que analisamos nao foi em nenhuma Chave-H especıfica, ja que

neste primeiro caso nao faria diferenca alguma a posicao exata desta no conjunto. As

variacoes de tensao e corrente nos demais capacitores da Chave-H com um capacitor sob

34

CAPITULO 6. ANALISE DE DEFEITOS 35

defeito e em outros capacitores em outra Chave-H, diferente da primeira, podem ser vistas

na Figura 6.1. O defeito se da entre t = 140ms e t = 160ms. A capacitancia equivalente

durante o defeito passa a ser CHEQ= 9.938µF .

Duração do defeito

vCH

iCH

vCH

iCH

t(s)0.1800.1600.120 0.140

Em Chave-Hsob defeito

Em Chave-Hem operação

normal

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

219.15 ARMS

194.92 ARMS

5474.5VMAX

4866.3V MAX

Figura 6.1: Defeito: um capacitor aberto em qualquer das Chaves-H.

A perda de um capacitor nao compromete o funcionamento do Conversor CC-CC

do Tap HVDC. O acrescimo no valor RMS da corrente (9.57%) e na amplitude da tensao

(9.49%) estao dentro de limites aceitaveis acima dos valores nominais, considerando que

a condicao nao e permanente. E interessante notar que esta situacao precede as demais,

quando um segundo capacitor na mesma Chave-H ou em outra qualquer entrara tambem

na condicao de defeito. Tendo as Chaves-H monitoradas, pode-se identificar rapidamente

qual delas contem um capacitor sob defeito e providenciar a troca do mesmo.

6.1.2 Capacitores em serie: em Chaves-H diferentes

Analisamos aqui os efeitos da perda de dois capacitores em Chaves-H diferentes. Nestas

a corrente agora se dividira entre os oito capacitores em funcionamento, o que elevara o

valor da corrente em cada capacitor das duas Chaves-H em questao. Apresentamos na

Figura 6.2 as curvas de tensao e corrente em um dos capacitores de uma Chave-H quando

um capacitor desta e aberto (entre t = 140ms e t = 160ms) e em um capacitor de uma


terceira Chave-H sem capacitor sob defeito. A capacitancia equivalente durante o defeito

passa a ser CHEQ= 9.876µF


vCH

iCH

vCH

iCH

t(s)0.1800.1600.120 0.140



normal

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

213.47A RMS

192.68 ARMS

5406.3 VMAX

4808.1 VMAX

Figura 6.2: Defeito: dois capacitores abertos em Chaves-H diferentes.

A tensao retificada vCC e a potencia instantanea pINST nao sofreram alteracoes.

Entao este tipo de defeito nao causa qualquer alteracao perceptıvel para a carga ou para

o Sistema HVDC. No entanto, o valor da corrente no restante dos capacitores de cada

Chave-H sob defeito ultrapassou em 6.74% o valor nominal e o valor de pico da tensao

ultrapassou em 8.13% o valor nominal, embora o valor eficaz da tensao tenha ficado abaixo

do valor nominal. De qualquer forma, estamos considerando o valor maximo de tensao,

ou tensao de pico, ja que as tensoes sobre os capacitores das Chaves-H sao constantes

por quase meio perıodo. Estes valores podem causar defeitos nos demais capacitores da

mesma Chave-H se persistirem por muito tempo. Esta condicao pode ser contornada ou

minimizada reduzindo a carga do Tap HVDC, se no momento do defeito o Tap HVDC

estiver em carga nominal.

6.1.3 Capacitores em paralelo: em uma mesma Chave-H

Neste outro defeito estudamos o caso em que dois capacitores de uma mesma Chave-H es-

tao sob defeito. Observa-se que os valores de corrente nos capacitores restantes da mesma


Chave-H ultrapassam em muito o valor nominal especificado: 19.31% (Figura 6.3 abaixo).

Pior ainda, a tensao de pico ultrapassou em 24.04% o valor nominal. A capacitancia equiv-

alente mais uma vez se alterou muito pouco, sendo neste caso CHEQ= 9.859µF . Como

no caso anterior, a tensao retificada vCC e a potencia instantanea drenada pINST nao se

alteraram.


vCH

iCH

vCH

iCH

t(s)0.1800.1600.120 0.140



normal

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

4.0

2.0

0.0

6.0(kV)

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

238.63A RMS

186.95 ARMS

6202.2 VMAX

4824.6 VMAX

8.0

Figura 6.3: Defeito: dois capacitores abertos em uma mesma Chave-H.

Entao, ao ser detectado este tipo de defeito, deve-se manter os GTO’s da Chave-H

onde ocorreu o defeito conduzindo e, portanto, mante-la curto-circuitada. Apresentamos

a resposta do Tap HVDC a perda de uma Chave-H como explicado acima na Figura 6.4.

As condicoes agora sao perfeitamente aceitaveis pois tanto a corrente quanto a tensao nos

demais capacitores estao abaixo dos valores nominais estabelecidos.

Note que neste caso pode-se trocar os capacitores defeituosos com o Tap HVDC em

operacao, ja que a tensao sobre estes sera zero. O mesmo procedimento podera ser feito

quando qualquer capacitor se danificar: colocar os GTO’s conduzindo e trocar o capacitor

defeituoso sob tensao nula. Porem, e muito importante ressaltar que, embora o capacitor

esteja descarregado, ele estara nos nıveis de tensao da linha de transmissao do Sistema

HVDC, ou seja, ±500kV .



vCH

iCH

vCH

iCH

t(s)0.1800.1600.120 0.140



normal

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

0.0

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

300.0

-300.0

0.0

600.0(A)

-600.0

193.56 ARMS

MAX

pINST

20.0

10.0

0.0

30.0(MW)

vCC

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

4.0

2.0

6.0

(kV)

193.42 ARMS

4996.0 V

Figura 6.4: Bypass de uma Chave-H sob defeito.

6.2 Defeito no barramento CC

O barramento CC talvez seja o segundo ponto mais suscetıvel a defeitos do Tap HVDC.

Com o capacitor CCC se descarregando rapidamente atraves de uma pequena resistencia

(implementada com o valor de 1nΩ no modelo digital), quase que como um curto franco,

o valor de D tenderia para o valor mınimo (DMIN = 0.21), nao sendo ainda suficiente

para manter vCC oscilando em torno de 5kV , valor base de referencia. Colocamos uma

resistencia pequena a fim de causar uma rapida descarga no capacitor e possibilitar que o

simulador trabalhe sem erro numerico, para simular um curto franco no barramento CC.

O limite DMIN serve tambem para proteger o Tap HVDC contra o chaveamento

em hard switching, o que fica bem proximo de acontecer nesta situacao. Porem, pelos

valores observados de tensao maxima e corrente eficaz sobre os capacitores das Chaves-H

e a tensao sobre os GTO’s, concluımos nao ser possıvel manter o Tap HVDC operando


nesta condicao. O Tap HVDC entao tem que ser desligado, colocando os GTO’s perma-

nentemente em conducao ou acionando um bypass nos terminais do capacitor C ate que o

problema seja transposto. Os resultados podem ser vistos na Figura 6.5, onde aplicamos

o curto em t = 0.180s e o retiramos em t = 0.200s.


D

v

vCH

iCH

t(s)0.3000.2000.0 0.100

0.50

0.25

0.00

0.75

0.0

500.0

-500.0

0.0

1000.0(A)

-1000.0

2.0

-2.0

0.0

4.0(kV)

-4.0MAX

pINST20.0

10.0

0.0

30.0(MW)

vCC

4.0

2.0

0.0

6.0

(kV)

5.0

2.5

7.5(kV)

325.13 ARMS

8822.0 V

40.0

1.00

10.0

MIND

a load

Figura 6.5: Defeito no barramento CC.

Na Figura 6.6 abaixo apresentamos uma tabela com um resumo do que analisamos

neste capıtulo. Dispomos as correntes e tensoes sobre os capacitores de Chaves-H com

um ou dois capacitores sob defeito e Chaves-H sem capacitores sob defeito em todas as

situacoes estudadas. Dispomos estes sinais tambem quando uma determinada Chave-H

fica permanentemente conduzindo, situacao que resolve temporariamente um defeito mais

severo nas Chaves-H do Tap HVDC. A ultima situacao, o defeito no barramento CC, se


213,47219,15193,42iCH (kA)

5406,35474,5vCH(kV)

192,68194,92193,42iCH (kA)

4808,14866,3vCH(kV)

Umcapacitor

aberto

Operaçãonormal

Dois C´s emChaves-Hdiferentes

238,63

6202,2

186,95

4824,6

Dois C´s emuma mesma

Chave-H

0,00

0,0

193,56

4996,0

Bypass deChave-H

sob defeito

Chave-H sob defeito

Chave-H semdefeito

4830,2

4830,2

Figura 6.6: Tabela: Resumo dos principais defeitos estudados.

resolve com o bypass do Tap HVDC e, portanto, nao entrou no resumo apresentado.

Capıtulo 7

Conclusao

Mantidas as caracterısticas de chaveamento nao-dissipativo, com a frequencia ja

otimizada, a topologia definida e o controle em pu, e feito o redimensionamento

do transformador, da Chave-H e demais componentes, conseguiu-se chegar ao melhor

desempenho ate entao para se drenar de um Sistema HVDC 25MW em qualquer ponto

de sua linha de transmissao a fim de atender cargas isoladas e que se encontrem nas

proximidades do Sistema HVDC.

Com isto torna-se ainda mais vantajosa a utilizacao de transmissao em corrente

contınua para longas e medias distancias ou interligacao de sistemas assıncronos, pela

disponibilidade do Tap HVDC para drenar potencia em qualquer ponto e polo da linha.

Sem esta alternativa fica difıcil tornar o Sistema HVDC interessante economicamente se

comparado aos sistemas convencionais de transmissao em CA.

Foi proposta uma implementacao da Chave-H equivalente com associacoes de ca-

pacitores, diodos e GTO’s a fim de suportar os nıveis de tensao e corrente exigidos e

analisados os possıveis casos de defeitos e seus provaveis efeitos no Sistema HVDC e na

carga atendida pelo Tap HVDC. Em tres casos, um capacitor ou ate dois capacitores

em chaves diferentes ou curto na chave no caso de haver nesta mais de um capacitor

defeituoso, vemos que e possıvel operar o Tap HVDC sem danos a qualquer parte pelo

perıodo necessario ao reparo. Para um curto no barramento CC e necessario desligar o

Tap HVDC, mantendo todas as Chaves-H conduzindo permanentemente ou fazendo um

bypass no capacitor principal, ate solucionar o problema.

O transformador tem agora novos valores de indutancias, mais e ainda perfeitamente

41

CAPITULO 7. CONCLUSAO 42

factıvel, tendo sido ja redimensionado.

7.1 Trabalhos Futuros

Como proposta de trabalhos futuros ha o desafio de desenvolver um novo Tap HVDC

bidirecional em potencia. Com isto surge a possibilidade de conectar o Sistema HVDC

a linhas de transmissao CA, sistemas de geracao local de pequena escala, como geracao

eolica, conectar o link CC do lado de baixa tensao do Conversor CC-CC do Tap HVDC a

STATCOM’s, como em um back-to-back e desenvolver uma rede malhada de transmissao

de pequena e media potencia em CC nas proximidades do Sistema HVDC. Serao varias

possibilidades de conexao entre diversos sistemas.

A segunda proposta e a construcao de um prototipo em laboratorio para uma analise

detalhada de todo o Tap HVDC, seja deste modelo atual ou do modelo proposto de um Tap

HVDC Bidirecional em potencia, quando este ja estiver em desenvolvimento avancado.

Seria interessante dar enfase na observacao do funcionamento da Chave-H, uma estrutura

ainda pouco analisada e utilizada em conversores.

Outro ponto ainda nao analisado e a conexao de varios Tap’s HVDC em um mesmo

Sistema HVDC. Ainda nao se sabe qual o efeito da conexao de um numero maior de

Tap’s HVDC, a fracao de potencia maxima que estes podem drenar sem comprometer o

funcionamento do HVDC e a influencia entre eles decorrente da proximidade e do chavea-

mento assıncrono.

Referencias Bibliograficas

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Systems: A Novel Approach, IEEE Trans. On Power Delivery, vol. 13, no. 4, Outubro

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43

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mento Suave, IX ERLAC - IX Encontro Regional Latino-Americano da Cigre, paper

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