Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Parte 2: Compensadores Shunt: 1.SVC: Static Var Compensator 2.Statcom: Static

Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP

Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

Parte 2:Parte 2:

Compensadores “Shunt”:Compensadores “Shunt”:

1.1. SVC: Static Var CompensatorSVC: Static Var Compensator

2.2. Statcom: Static Synchronous CompensatorStatcom: Static Synchronous Compensator

prof. Porfirio Cabaleiro Cortizoprof. Porfirio Cabaleiro Cortizo

Grupo de Eletrônica de Potência -GEP Grupo de Eletrônica de Potência -GEP

Depto. Engenharia Eletrônica - DELT-UFMGDepto. Engenharia Eletrônica - DELT-UFMG



Características ideais dos compensadores ativos

Do ponto de vista da rede elétrica:

1. Corrente absorvida da rede elétrica com baixa distorção harmônica total;

2. Fator de potência de entrada unitário

Do ponto de vista da carga:

1. Tensão na carga regulada;

2. Tensão sobre a carga com baixa distorção harmônica total



Conversores empregados nos compensadores ativos

1. TCR – “Thyristor Controlled Reactor”

2. TSR – “Thyristor Switched Reactor”

3. TSC – “Thyristor Switched Capacitor”

4. SVG – “Static Var Generator”

5. SVC – “Static Var Compensator”

6. STATCOM – “Static Synchronous Compensator”



Princípio de funcionamento do filtro ativo paralelo.Princípio de funcionamento do filtro ativo paralelo.

Carga não LinearGerador – rede c.a.

Compensador estático de reativos



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (I)

VTCR

VL

ITCR



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (II)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100

-50

0

50

100Tensão e corrente na rede elétrica

tempo

Vc

aIt

cr

Vca Itcr

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100

-50

0

50

100Tensão no Indutor

tempo

VL

VL



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (III)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100

-50

0

50


tempo

Vc

aIt

cr

Vca

Itcr

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-50

0

50Tensão no Indutor

tempo

VL

VL



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (IV)

)t.cos(cosL.

V)t(i

;0)t(i :C.I.

;C)t.cos(.L

V)t(i

;)t.(VsenL

1)t(i

;dt

diL)t.(Vsen)t(v

:tiristores dos conduçãode tempo oDurante

TCR

TCR

TCR

TCR

TCRL



0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100Tensão, corrente na rede elétrica e seu fundamental

tempo

Vc

aIt

cr

Ictr

1

Vca

Itcr

Itcr1

TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (V)

)t.cos()cos(L.

V)t(ITCR



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VI)

A corrente no indutor do TCR é não senoidal e a análise de Fourier é usada para encontrar a componente fundamental da corrente:

Onde b1=0 devido a simetria de onda par e os harmônicos pares não existem devido a simetria de meia onda.

L.

1B:onde

).2(sen2

.2BB :doconsideran

B.V).2(sen

2.2

L.

VIa

max

max)(TCR

)(TCR)(11

)t.(senb)t.cos(a)t(I 11)(1



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VII)

A susceptância do TCR pode ser variada continuamente desde um máximo (BTCR=V/L) em = até um mínimo (BTCR=0 ) em

90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Susceptancia Indutiva do TCR

Angulo de Disparo - alfa

BT

CR

/ B

ma

x



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (VIII)

A análise de Fourier mostra que não há harmônicos pares presentes na corrente do TCR:

n

).n(sen)cos(

)1n.(2

)1n.(sen

)1n.(2

)1n.(sen

L..

V.4I )(n



90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14Espectro Harmônico da Corrente do TCR

Angulo de Disparo - alfa (º)

%I 1

I3

I5

I7

I9

I11

I13

TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (IX)



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (X)

TCR a 6 pulsosA

B

C

L/2

L/2

L/2

L/2



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (XI)

TCR a 6 pulsos

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-100

-50

0

50


tempo

Vc

aIc

a

Vca Ica

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200Tensão entre fases e corrente no indutor

tempo

Va

bIL

Vab

IL



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico (XII)

TCR a 12 pulsosA

B

C

Redução dos harmônicos da corrente na rede alternada



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (XIII)

Características dos TCR

1. Perdas dependentes do fator de Qualidade do indutor: O fator de Qualidade (Q) varia entre 40 e 100;

2. Limitação da capacidade de sobrecarga devido a construção dos indutores com núcleo de ar;

3. Tempo de resposta da ordem de 1,5 a 3 ciclos



TCR – “Thyristor Controlled Reactor” (XIV)

IL

Vca

BL máximo

para = 90o

BL mínimo = 0

para = 180o

XL variável e dependente de



TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (I)

VTSC

VC

ITSC

VcaTh1

Th2

C



TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (II)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-100

-50

0

50

100Tensão e corrente no capacitor

tempo

Vc

aIc

Vca

Ic

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-100

-50

0

50

100Tensão no capacitor e ordem de condução

tempo

Vc

co

ma

nd

o

Vc

comando



TSC – “Thyristor Switched Capacitor” (III)

IC

Vca

BC fixo



SVC – “Static Var Compensator ” (I)



SVC – “Static Var Compensator ” (II)

IL

Vca

IC

BLBC

ILmaxICmax



SVC – “Static Var Compensator ” (III)

Tiristor disparado por pulso elétrico

Tiristor disparado por Luz



SVC – “Static Var Compensator” (IV)



SVC – “Static Var Compensator ” (V)



SVC – “Static Var Compensator ” (VI)

Filtros sintonizados e passa-altas



Vca

L

Vt SVC

I q

SVC – “Static Var Compensator” (VII)

Vt = Vca - XLIq



SVC – “Static Var Compensator” (VIII)

IL

Vt

IC ILmaxICmax

Com Compensação

Sem Compensação

VT=Vref

Linha de carga 1

Linha de carga 2

IC2

Linha de carga 3

IL2



SVC – “Static Var Compensator ” (IX)

V=Vref – XSL.ISVC

XSL varia de 0 a 5%



TSC194 Mvar

TCR109 Mvar

TSC294 Mvar

TSC394 MVar

Q<------

+300 Mvar/-100 Mvar Static Var Compensator (SVC) ; 1 TCR - 3 TSCs

P A B CP A B CP A B CP A B C

Va_Ia

Q(Mv ar)

Vmeas Vref

alpha TCR (deg)

nTSC

Signals &Scopes

A

B

C

a

b

c

Secondary(16 kV)

Vabc_prim

Vabc_sec

TCR

TSC1

TSC2

TSC3

SVC ControllerSVC

N

A

B

C

ProgrammableVoltage Source

A

B

C

a

b

c

Primary(735 kV)

Vabc_Prim

Vabc_Sec

A

B

C

A

B

C

735kV 6000 MVA

A

B

C

a

b

c

735/16 kV333 MVA

A B C

200 MW

Va (pu) Ia (pu/100MVA)

Vmeas Vref (pu)

number of TSCs

Q (Mv ar)

alpha TCR (deg)

SVC – “Static Var Compensator ” (X)



Firing pulses TCR

3 C2 B1 A

g ak

ThCA-

g ak

ThCA+

g ak

ThBC-

g ak

ThBC+g a

k

ThAB-

g ak

ThAB+

[Cm]

[Cp]

[Bm]

[Bp]

[Am]

[Ap]

[Cm]

[Cp]

[Bm]

[Bp]

[Am]

[Ap]

Demux1

P

SVC – “Static Var Compensator” (XI)



Firing pulses TSC1

3 C2 B1 A

g ak

ThCA-

g ak

ThCA+

g ak

ThBC-

g ak

ThBC+

g ak

ThAB-

gm

ak

ThAB+

LcaLbcLab

Vth_TSC1ab

[Cm]

[Cp]

[Bm]

[Bp]

[Am]

[Ap]

[Cm]

[Cp]

[Bm]

[Bp]

[Am]

[Ap]

Demux

CcaCbcCab

1

P

SVC – “Static Var Compensator ” (XII)



SVC – “Static Var Compensator ” (XIII)

Pulses

SVC Controller

used for misfiringsimulation

used for open-looptime constant evaluation

4

TSC3

3

TSC2

2

TSC1

1

TCRVmes

Bref

Vref

Bsv c

VoltageRegulatorTimer2

Timer

Vabc Vmes

MeasurementSystem

Manual Switch

OR

?

Info

TSC2pulses

TSC3_On

TSC2_On

TSC1pulses

TSC1_On

TCRpulses

BSVCVrefTSC3pulses

Vmeas

alpha

Vabc

Alpha

TSC1_On

TSC2_On

TSC3_On

TCR_Pulses

TSC1_Pulses

TSC2_Pulses

TSC3_Pulses

Firing Unit

Bsv c

Alpha

TSC1_On

TSC2_On

TSC3_On

DistributionUnit

Demux

Bref

-C-abc

3-phasesignal generator

2

Vabc_sec

1

Vabc_prim



SVC – “Static Var Compensator” (XIV)

Xs -> Slope in pu/100MVA Ki -> Integral gain (puB/puV/s)

where:

Closed-loop time constant --> Tc = [ Xs / ( Xr + Xs ) ] * To

Open-loop time constant --> To = 1 / ( Ki * Xs )

1

Bsvc

1/z

~=

K Ts

z-1

Ki

Kp

Xs

Droop

1

OpMode

3

Vref

2

Bref

1

Vmes err



SVC – “Static Var Compensator” (XV)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-3

-2

-1

0

1

2


tempo

Va

Ia

Va

Ia

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-100

-50

0

50

100

150

200

250

300Potencia Reativa em MVAr

tempo

Q

Q



SVC – “Static Var Compensator ” (XVI)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.9

0.95

1

1.05

1.1Tensão eficaz de referencia e Tensão eficaz medida

tempo

Vre

fV

me

a Vref

Vmea

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

50

100

150

200Angulo de Disparo do TCR e número de TSC ativos

tempo

Alf

an

TS

C Alfa

nTSC



Phasor Simulation of a Static Var Compensator

A

B

C

a

b

c

Three-PhaseV-I Measurement

Signal Processing

Scope

m

A

B

C

SVC

SVC(Phasor type)

2

V1

B1

BusSelector

N

A

B

C

500 kV

A

B

C

A

B

C

3000 MVAX/R = 10

A B C

10 MW

Bactual Bcontrol (pu/100 MVA)

Vactual Vm (pu)

pu/100 MVA<B (pu)>

<Vm (pu)>

SVC – “Static Var Compensator ” (XVII)



-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.50.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Reactive Current (pu/100 MVA)

Pos.

Seq.

Voltage (

pu)

Capacitive Inductive

SVC V-I Characteristic

Red: Specified V-I characteristic

Blue: Measured V-I characteristic

Xs= 0.03 pu/200 MVA

Vref=1.0 pu

B=2 pu/100 MVA

B=1 pu/100 MVA

SVC – “Static Var Compensator” (XVIII)



Compensador Statcom (I)Compensador Statcom (I)

Four Legs

Capacitor Split



qI

Ia

Ib

Ic

a,b,c

d,q

qi~

iq

id

a,b,c

Ia*

Ib*

Ic* d,q

Compensador Statcom (II)Compensador Statcom (II)

icomp



2

Icomp

1

Vdc

3 Vc

2 Vb

1 Va

v+-

Voltage Measurement1

g

A

B

C

+

-

Universal Bridge1

z

1 Va

bc

Iab

c

A B C

a b c

Three-PhaseV-I Measurement3

A B C

A B C

Three-PhaseSeries RLC Branch5

A

B

C

A

B

C


A

B

C

A

B

C


A

B

C

A

B

C

Three-PhaseParallel RLC Branch

UrefPulses

DiscretePWM Generator

Cb

Ca

1

PWM

Compensador Statcom (III)Compensador Statcom (III)



Carga desequilibrada e Tensão de rede equilibrada.Carga desequilibrada e Tensão de rede equilibrada.

As correntes na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100

200Corrente na rede ca

tempo

ica

icb

icc

icaIcb icc

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100

200Tensão e corrente da rede - fase A

tempo

vc

aic

a

vca

ica

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500

0

500Corrente na carga e no compensador - fase A

tempo

ilaic

om

pa ila icompa



Carga e Tensão de rede desequilibradas.Carga e Tensão de rede desequilibradas.

As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100


tempo

ica

icb

icc

icaIcb icc

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100


tempo

vca

ica

vca

ica

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500

0


tempo

ilaic

om

pa ila icompa



As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o fator de potência é unitário.

Carga e Tensão de rede desequilibradas + HarmônicosCarga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100


tempo

ica

icb

icc

icaIcb icc

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-200

-100

0

100


tempo

vc

aic

a

vca

ica

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25-500

0


tempo

ilaic

om

pa ila icompa



Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos. Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos. Limitação da freqüência de chaveamento do inversor.Limitação da freqüência de chaveamento do inversor.

0.201 0.2015 0.202 0.2025 0.203 0.2035 0.204 0.2045 0.205 0.2055 0.206-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500Corrente na rede ca, carga e compensador

tempo

ica

ilaic

om

pa

2*ica

Ila

iccompa



Compensador Statcom (IV)Compensador Statcom (IV)

IL

Vt

IC

Com Compensação

Sem Compensação

VT=Vref

Linha de carga 1

Linha de carga 2

IC2

Linha de carga 3

IL2 ILmaxICmax



Compensador Statcom (V)Compensador Statcom (V)



Compensador Statcom (VI)Compensador Statcom (VI)



Compensador Statcom (VII)Compensador Statcom (VII)

Controle da tensão no capacitor no barramento cc

1. Tensão no barramento cc deve ser maior que o valor de pico da tensão fase-neutro da entrada;

2. Compensador deve absorver uma potência ativa para compensar perdas e controlar tensão no barramento cc.

Injeção de corrente ativa : qI



Compensador Statcom (VIII)Compensador Statcom (VIII)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25300

400

500

600

700

800

900

1000Tensão de referência e medida no barramento cc

tempo

vre

fv

cc

vref

vcc



Vantagens

•Filtragem seletiva de harmônicos;

•Sintonia em tempo real;

•Não introduz ressonâncias adicionais;

•Possibilidade de equilibrar a carga do ponto de vista da concessionária;

•Capaz de compensar desbalanços tanto da carga quanto da rede elétrica.

Desvantagens

•Equipamento de eletrônica de potência sofisticado e caro;

•Limitação de potência.

Dificuldades Tecnológicas atual

•Tempo de processamento do elevado, limita a banda passante do filtro ativo, provocando “spikes” na forma de onda da corrente na rede elétrica.

Compensador Statcom (IX)Compensador Statcom (IX)

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