Transmissão em Corrente Alternada

A Pedroso

Transmissão de Energia Elétrica a Grandes Distâncias

Transmissão em CASegmentada

2

Transmissão em CA Segmentada 1

TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A GRANDES DISTÂNCIAS

1. Introdução

2. Fatores no Planejamento de Sistemas Elétricos

3. Realidade Nacional

4. Linhas de Transmissão Segmentadas

4. 1 Áreas Elétricas Assincronas

4. 2 Combinação de Linhas Segmentadas com Linhas com Suporte de Tensão

4. 3 Linhas de Transmissão de Projeto Não Convencional

4. 4 Linhas de Transmissão Controladas em Tensão

5. Estudo de Casos

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1. Introdução

Transmissão a Longa Distância no País– Itaipu (800 km,………….)– Norte - Sul (1400 km, 100% comp shunt, 50% comp série)– SENE (1054 km, 100% comp shunt)– Tucurui - Manaus (1457 km, …….)– P.Velho – Araraquara (2250 km,…….)

Transmissão a Longa Distância no Mundo– Cahora – Bassa (1500 km, 2000 MW)

Ligação CCAT Estrutura Híbrida CC/CA – China

Sistemas de Grande Porte (Multi-Infeed / processo em cascata / oscilações emec Interareas)

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Transmissão em CA Segmentada 2A

CAHORA - BASSA

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Transmissão em CA Segmentada 2B

CHINA

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Transmissão em CA Segmentada 2B/B

Referência EPRI

“SHOCK ABSORBERS”

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2. Fatores no Planejamento Sistemas Elétricos ECONÔMICO SOCIO TÉCNICOS AMBIENTAIS FINANCEIROS (políticos-etnicos)

ECONÔMICO SOCIO AMBIENTAIS TÉCNICOS FINANCEIROS (políticos-etnicos)

SOCIO ECONÔMICO AMBIENTAIS TÉCNICOS (políticos-etnicos) FINANCEIROS Não obstante o aumento dos

requisitos: satisfação da demanda , confiabilidade e incertezas dos cenários de expansão

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3. Realidade Nacional

Os planos decenais elaborados pela EPE apontam para cenários de expansão com hidrelétricas a partir da exploração dos potenciais das bacias da Região Amazônica.

Conclui-se assim pela necessidade de conceber uma Estratégia de Expansão da Malha com ênfase na integração deste potencial, capaz de gerar uma estrutura de transmissão otimizada no que tange:

confiabilidade (limitação de propagação de processos em cascata);

flexibilidade;

atendimento às questões sócio ambientais (inserção regional).

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3. Realidade Nacional (continuação)

A aplicação da Estratégia em todos os empreendimentos futuros se opõe a um tratamento individualizado que resulta, muitas vezes, em custosas adaptações da Rede existente. O procedimento tem reflexos econômicos importantes pois sinaliza direções preferenciais de P&D de equipamentos para um mercado estimado em cerca de 160 GW.

Alternativas de transmissão com linhas segmentadas, e dotadas de controle de tensão, atendem aos condicionamentos apontados para a transmissão a grandes distâncias no País.

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4. Linhas de Transmissão Segmentadas

– Linhas de Transmissão em CA interconectadas por ligações assíncronasO objetivo é eliminar eventuais restrições / limitações de estabilidade eletromecânica entre os extremos gerador e recebedor. Com o emprego de conversores eletronicos de potênca CA/CC e CC/CA, divide-se / corta-se a linha em secções . As secções de um lado do conversor operam de modo assíncrono em relação as secções do outro lado (modo assíncrono tem aqui o sentido de independência de frequência)

Linha CLinha A

Linha DLinha B

Linha E

Venikov 1980 – “Subdivision of Power Systems as a mean for maintaining transient stability” – The subdivision of power systems into separate sections asynchronous to each other may be considered as a mean of preventing the violation of stability……

CONVERSOR

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4.1 Aplicação da Transmissão Segmentada na Expansão da Malha Principal no País

Áreas Elétricas Assincronas

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4.2 Combinação de Estruturas de Transmissão Segmentadas e

Linhas com Suporte de Tensão______________________________________________________________

Linhas com Suporte de Tensão

| | | 0 1250 2250 km

Estação ConversoraHVDC VSC B2B

Linhas Segmentadas com Suporte de Tensão são podem ser caracterizadaspelos seus atributos de controle da potência e da tensão

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4.3 Linhas de Transmissão de Projeto Não Convencional

– Linhas de Potência Natural Elevada (alta capacidade) Para fixar idéias considere a LT empregada nos trabalhos (Portela e outros-XIX SNPTEE) LNC500:

Tensão: 500 kV (tensão nominal, 550 kV tensão mx em permanência) Impedância Característica: 146.6 Potência Característica: 1632 MW Parâmetros (60 Hz):

R = 0.0126 / km XL = 0.1913 / km L = 0.507439 10-3 H / km BC = 8.901168 10-6 S / km C = 23.611 10-9 F / km

(“line charging ‘em 500kV = 2.2252 Mvar / km) Nos nossos estudos as LT são consideradas como idealmente transpostas, seus parâmetros independentes de freqüência; a depêndencia com relação ao solo também não é levada em conta. Estas aproximações são pertinentes em estudos à freqüência fundamental. Em alguns momentos buscando examinar os impactos dos diferentes modos / tipos de compensação – série, paralela (shunt) –numa ampla gama de freqüências , estas simplificações são mantidas, com prejuízo da precisão dos resultados, sem contudo invalidar os aspectos qualitativos do desempenho elétrico.

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Velocidade de propagação: 1 kmv 288902 (0.963 c )sLC

Comprimento elétrico (60 Hz): 3

L Crad grausX B 1.3049 10 (0.0747658 )km km

ângulo de transmissão SIL x

(graus) x

(km) 30 401.253 60 802.506 90 1203.76

120 1605.01 180 2407.52

Parâmetros de LTs em 500 kV - Comparação

Característica

LNC

LC (Ref:Kundur pg 209)

Zc 146.6 350 Pc 1632 MW 1000 MW R 0.0126 /km 0.028 /km XL 0.1913 /km 0.325 /km

“line charging” 2.2252 Mvar/km 1.30 Mvar /km 1.3049 10-3 rad/km 1.30 10-3 rad/km

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4.4 Linhas de Transmissão Controladas em Tensão

4.4.1 Aplicação de Compensação Estática

Versão atual dos sonhados “voltage supported systems’, nos quais as linhas de transmissão de grande comprimento seriam dotadas de SE intermediárias –estações de chaveamento -, que possibilitariam a instalação de compensadores síncronos (CS), com o objetivo de suportar a tensão ao longo da linha, melhorando a estabilidade.

Na implementação atual os compensadores síncronos são substituídos por reatores controlados (CER) ou compensadores estáticos (STATCOM).

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Transmissão em CA controlada 12

barra #1 barra # 2………….. CS #1 CS #2………

Transmissão com suporte de tensão ( Ref: Crary, Venikov )

barra #1 barra # 2………….. CER #2………… CER #1………

Transmissão com controle de tensão ( Ref: Gyugi, Edris, Hammad, Reichert )

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4.4.2 Efeito do Controle da Tensão na Estabilidade do Ponto de Equilíbrio

Representação simplificada de transmissão com compensação shunt

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Relações Básicas

1 2

12

12 1 2 1 2

2 21 2 2 1 1 2 1 2

12

E EP s e nx

x x x x x B1V (E x ) (E x ) 2E E x x cos

x

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Expressão do Torque Sincronizante

12

12

21 2 1 2

212 120 0

xdP P Pd x

E E x xdP PK cosd x V x

20


CURVA POTÊNCIA ÂNGULO

50 100 150 200deltaG

-3000

-2000

-1000

1000

2000

3000

4000

Potencia transf MW Curva Potencia- Angulo

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TRANSIENT STABILITY AS AFFECTED BY SVC CONTROL

ΔP K1 _ Δω Δδ ΔPm+ 1/2Hs 377/s _ K2 K4 ΔX12 ΔB ΔV + -X1 X2 GCER + outros + sinais ΔX12 K3

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4.5 Conversores Configurados para Operação em Back–to–Back HVDC

CSI – “Current Source Inverters”CCC – “Capacitor Current Converter”VSI – “Voltage Source Converter”

HVDC Light-ABB e HVDC Plus-Siemens

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VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001) (Ref: Electra , April 2005)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-VSC advantages over LCC

No commutation failures, can operate at very small SCR, and can energize passive and dead grid (blackstart capability);

Non minimum DC current;

Q can be controlled at both ends independently, and independent P control, within the rating of the equipament (cost of the ancillary services);

Harmonic filtering at HF;

Footprint considerably smaller (25%-40%) than that of the LCC HVDC;

Can operate w/o intercom between VSC SEs

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VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001) (Ref: Electra , April 2005)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-VSC disadvantages over LCC

Higher power losses (2% over 0.8% in LCCs);

Practical experiences with ovh lines:

Needs SC detection schemes.

-Conclusions of the Report

The report did not identify any technical barriers to VSC at power levels.

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Tipos de Conversores VSC (ref: ABB-www.abb.com/cables dez 2007)

Dados de Estação Conversora B2B-VSC

Potência – 500 MW HVDC Light® + / - 150 kV (Mod 6) Dimensões da SE incluindo transformadores e equipamento de refrigeração – 50 x 120 metros Custo: US$ 120 milhões por conversor (out 2007)

(Válvulas conversoras %, transformadores 20%, proteçãoe controle 10%, obras civís e montagem 20%, outros equipamentos elétricos 20%)

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Combinação de Estruturas de Transmissão Segmentadas e

Linhas com Suporte de Tensão______________________________________________________________

Linhas com Suporte de Tensão

| | | 0 1250 2250 km

Estação ConversoraHVDC VSC B2B

1 conversorconversor

12

12 1 2 1 2 CER

E VP se nx

x x x x x B

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5. Estudo de casos

•Aplicação do B2B-VSC na Interligação das Usinas do Rio Madeira

•Aplicação do B2B-VSC na Interligação Norte/Sul

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Integração do Complexo do Madeira

Araraquara500 kV

Atibaia

N. Iguaçu250 km

350 km

3 x 12003 x 6001 X 900 1 X

1200

Jauru

Jirau

S.Antônio

Rio Branco

Ribeirãozinho

Samuel

Pimenta Bueno

Vilhena

CoxipóCuiabá

Itumbiara

Jiparaná

Ariquemes

Intermediária242 km 202 km

3150 MW

- 2450 km

FUTURO

360 km

1ª Fase: Escoamento de 3200 MW da AHE S.Antonio 2CAB2B

320

km

320 km

300 km

335 km

Sudeste

CE

CE

CE

Coxipó 500 kV

B2B – 2655 MW

Rio Madeira


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De forma a retratar os casos mais severos e a funcionalidade do equipamento B2B-VSC, são mostrados os seguintes testes:

•Teste de desempenho dinâmico frente a aplicação de falta severa;

•Teste do desempenho dinâmico frente a uma rejeição total de carga.


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1,030

1,0401,066 1,075 1,066

1,040-265 -352 -269

1300

1300

1200

1200

1150

1150

1230

1230

200

Tensões em p.u Fluxos em MWQCES em MVar

Capacidade de 1632 MVA em regime normalCapacidade de 2015 MVA em emergênciasComprimento total da linha 1275 km


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Teste de desempenho dinâmico frente a aplicação de falta severa eliminada com perda de transmissão, e conseqüente sobrecarga da LT que permanece em operação

Descrição dos eventos:


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Carregamentos nasLTs Jiparaná-Vilhena


Alteração da ordemde potência no B2B-VSC

Limite de regime normal

Redução de 850 MW


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Sem chaveamento de reatores

Com chaveamento de reator 300 MVar


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Potência reativa no B2B-VSC


Comportamento da Frequência


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Integração do Complexo do MadeiraTeste do desempenho dinâmico frente a uma rejeição total de carga – redução do despacho de potência do conversor em serviço

Descrição dos eventos:

36


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Bloqueio do B2B-VSC


Tensão na SE 500 kVJauru

Abertura das LTs Jauru-Coxipó

Comportamento da Frequência


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Impactos na CEMAT

Os impactos de potência nas máquinas ligadas ao sistema da CEMAT por efeito da brusca diminuição de potência na ligação B2B são elevados

Considerando a existência de proteção contra sobreacelerações nas referidas máquinas (à semelhança do que ocorre no caso de turbinas a gás), elas são desligadas/ cortadas.


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CustosDuas LTs em 500 kV, com 1.275 km cada uma, entre Santo Antônio – Coxipó, cabo Rail 6x954 MCM R$ 1.861.500.000,00

SEs 500 kV Custo Estimado (R$)

S.Antonio 141.400.000,00

JiParaná 335.860.000,00

Vilhena 335.860.000,00

Jaurú 351.000.000,00

Coxipó 141.400.000,00

Total 1.305.520.000,00

Os custos totais por subestação indicados a seguir, incluem a compensação estática de ±700 MVars por subestação (US$ 78 por kVA) e a interligação com a CEMAT (44,14 milhões de dólares).

Custo dos conversores B2B-VSC (6 x 500 MW) R$ 1.296.000.000,00

Chega-se assim um custo total de R$ 4.463.020.000,00 para a integração da geração de S.Antônio desde Porto Velho até Coxipó.

HVDC Light® + / - 150 kV (outubro de 2007)


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Segmentação da Interligação Norte-SE/CO

SE/CO

N

NE

ItaipuItaipu

RSE

FNS

S

GER IPU RSE FNS

(MW)

5600 5400 1600

Devido a interatividade entre os sistemas, o FNS deve ficar limitado a 1600 MW, para contingências no tronco de 765 kV.

40

Atualmente composta por dois circuitos de 500 kV

A região Norte exporta seus excedentes energéticos para as regiões SE/CO e NE


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Segmentação da Interligação Norte-SE/COCaso sem Segmentação - intercâmbio limitado a 1600 MW

A atuação da PPS procede a abertura da interligação entre os sistemas Norte e Sudeste separando-os em ilhas

Contingência de LTs de 765 kV, com corte de 4 máquinas em Itaipu e atuação da PPS


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Segmentação da Interligação Norte-SE/COCaso sem Segmentação - intercâmbio limitado a 1600 MW

A atuação da PPS, garante a continuidade do atendimento livrando o sistema do colapso, porém a transferência de potência fica reduzida.


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GER IPU RSE FNS

(MW)

5600 5400 3000

Caso com segmentação da interligação, possibilitando o aumento do limite FNS até o valor de carregamento máximo dos circuitos (3000 MW) com um acréscimo de 1400 MW, mantidos inalterados os valores de GER IPU e FNS

SE/CO

N

NE

ItaipuItaipu

RSEFNS

S


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A segmentação da NS permite operar com intercâmbios maiores entre as regiões Norte e Sudeste, sem que ocorra a separação dos sistemas quando de contingências no 765 kV de Itaipu

Fluxo que sai da subestação B2B-VSC de Miracema 500 kV => 3000MW

1500 MW


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Segmentação da Interligação Norte-SE/CO(com intercâmbio NS de 3000 MW)

Regionalização parcial do distúrbio(restou a SENE)


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B2B-VSC controlando as tensões nas barras terminais

Demanda de potência reativaTensões nas barras Subsistema SE

Transmissãoem CA Segmentada 42

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A segmentação da NS traz um aumento significativo (de 1400 MW) no limite de intercâmbio


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CUSTOS•Conversores B2B-VSC (6 x 500 MW) = R$ 1.296.000.000,00 •Adaptação da subestação de Miracema 500 kV = R$ 50.000.000,00 •Total ~ 1,35 bilhões de reais.

Ao levar em conta que o custo médio de operação das usinas térmicas a óleo é da ordem de R$ 500,00/MWh, a operação de cerca de 1.000 MW na base representa um dispêndio com combustível da ordem de R$ 360 milhões/mês. Com a segmentação da NS são ampliados os limites de transmissão possibilitando deslocar esta geração em todos os períodos de carga, anulando os dispêndios correspondentes (24 x 30 x 1000 x 500 = 360 milhões ).

Os custos de instalação do B2B-VSC seriam plenamenteressarcidos com o custo evitado de geração de 1000 MWcom as usinas térmicas em apenas 4 meses,


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FIM

V 21.07.2008

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Transmissão em CA Segmentada

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Transmissão em Corrente Alternada

Documents

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