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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PIAUÍ
CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Kristian Pessoa dos Santos
Augusto César Sousa Braga Monte
COMPENSAÇÃO DE REATIVOS EM SISTEMAS
ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
Teresina
2009
Kristian Pessoa dos Santos
Augusto César Sousa Braga Monte
COMPENSAÇÃO DE REATIVOS EM SISTEMAS
ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
Monografia apresentada à Universidade Estadual do
Piauí como parte dos requisitos para a obtenção do
título de Graduado em Engenharia Elétrica -
Eletrotécnica.
Orientador: Prof. Josélio Freire Reis
Teresina
2009
ii
Santos, Kristian Pessoa dos
Compensação de reativos em sistemas elétricos de
potência / Kristian Pessoa dos Santos – Teresina, 2009.
44 p.
Monte, Augusto César Sousa Braga
Compensação de reativos em sistemas elétricos de
potência / Augusto César Sousa Braga – Teresina, 2009.
44 p.
Monografia (Graduação) – Universidade Estadual do
Piauí, Centro de Tecnologia e Urbanismo, 2009.
Orientador: Prof. Josélio Freire Reis.
iii
Kristian Pessoa dos Santos
Augusto César Sousa Braga Monte
COMPENSAÇÃO DE REATIVOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
„Esta Monografia foi julgada adequada para obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista,
habilitação Eletrotécnica e aprovada em sua forma final pela Coordenação do Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Estadual do Piauí. ‟
APROVADA DIA 09 DE DEZEMBRO DE 2009.
BANCA EXAMINADORA
__________________________________________________________
Prof. Josélio Freire Reis – Especialista
Presidente
__________________________________________________________
Prof. Francisco Barbosa Filho – Especialista
Coordenador do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica
___________________________________________________________
Prof. José Pereira dos Santos Júnior – Especialista
Convidado
__________________________________________________________
Prof. Fabriciano Louchard da Cunha – Especialista.
Professor da disciplina Projeto Final
iv
DEDICATÓRIA
Kristian Pessoa dos Santos
Este trabalho é dedicado ao meu pai: Kelson Pereira dos Santos, minha mãe: Conceição de Maria
Pessoa dos Santos e ao meu irmão: Bergson Pessoa dos Santos que durante toda minha trajetória
me deram todo suporte que precisei para estudar e sempre acreditaram no meu potencial.
Augusto César Sousa Braga Monte
Dedico este trabalho aos meus pais, Constança e Nascimento, à minha irmã Mariana e à minha
namorada Camila. Obrigado por todo apoio e carinho que me deram sempre. Amo vocês.
v
AGRADECIMENTOS
Kristian Pessoa dos Santos
Em primeiro lugar agradeço muito a Deus pela oportunidade de estudar e de ter colocado pessoas
maravilhosas no meu caminho. Agradeço aos meus professores e amigos do ensino médio e da
universidade pelo conhecimento e amizade; a todos os companheiros de estágio da Companhia
Energética do Piauí e da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco, em especial aos Engos
.
João José, Raimundo Nonato, Cleodimar, Geovani Carlos e à Enga. Nancy por terem sido grandes
exemplos para mim; ao Professor e Orientador Engo. Josélio Freire pela valiosa contribuição
nesse trabalho; aos “Dutras” por toda assistência; aos meus amigos conterrâneos que vieram
morar comigo em Teresina-PI com sonhos em comum; e a todos aqueles que contribuíram de
alguma forma para minha formação.
Augusto César Sousa Braga Monte
Primeiramente agradeço a Deus, pois sem Ele nada disso seria possível. Ao meu pai, Nascimento,
pela sabedoria, por ter me ensinado o real valor dos livros, dos estudos, por ter me mostrado a
grande importância que o conhecimento tem na vida de um ser humano; à minha mãe, Constança,
pela dignidade, determinação e força de vontade; à minha irmã, Mariana, pela consideração,
amizade e carinho que tem por mim; à minha namorada, Camila, pelo amor e companheirismo
que passei a ter ao estar ao seu lado; aos companheiros durante meu estágio na Companhia
Energética do Piauí; ao professor e orientador Engº Josélio Freire, pela contribuição, com sua
experiência, para a conclusão deste trabalho; a todos os professores que tive durante o curso, que,
de alguma forma, contribuíram para a minha formação profissional; aos amigos que estiveram
juntos durante essa caminhada.
A todos, meu humilde e sincero, Obrigado!
vi
RESUMO
O presente trabalho apresenta a Compensação de Reativos em um Sistema Elétrico de Potência -
SEP e analisa os seus efeitos sobre a tensão e a estabilidade do sistema. Caracteriza os principais
equipamentos compensadores de reativos que através de seus mecanismos próprios injetam ou
absorvem reativos do sistema de acordo com a demanda reativa da carga. Com o advento da
eletrônica de potência, estes equipamentos têm sido cada vez mais estudados, pois a aplicação
desta oferece uma melhor eficiência e flexibilidade no controle contínuo da demanda reativa da
carga. Em síntese, o trabalho apresenta o estudo da compensação de reativos no SEP, que tem por
objetivo atender à crescente demanda reativa da carga com qualidade, aliviando os sistemas
elétricos e reduzindo perdas (custos). Essa otimização dos sistemas de geração, transmissão e
distribuição de energia permite o aumento da vida útil dos equipamentos do sistema e possibilita
o aumento da demanda reativa para atender às cargas.
vii
ABSTRACT
This work presents the Reactive Compensation in Power Electrics Systems and analyzes your
effects about the voltage and the stability of the system. Features the main equipment
compensating reactive through your own mechanisms inject or absorb reactive of the system
according with the reactive load demand. With the advent of power electronics these devices
have been increasingly studied, because this application provides a better efficiency and
flexibility in the continuous control of reactive load demand. In synthesis, this work presents the
study of reactive compensation in the SEP that have as objective to meet the growing demand
reactive load with quality, relieving the electrical systems and reducing losses (costs). This
optimization of the systems of power‟s generation, transmission and distribution allows
increasing the useful life of the equipment system and enables the growth of reactive demand for
load.
viii
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA ................................................................................................................ iv
AGRADECIMENTOS ...................................................................................................... v
RESUMO ............................................................................................................................ vi
ABSTRACT ....................................................................................................................... vii
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ x
LISTA DE GRÁFICOS .................................................................................................... xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... xii
1 – APRESENTAÇÃO ...................................................................................................... 01
1.1 – INTRODUÇÃO ................................................................................................ 01
1.2 – OBJETIVOS ..................................................................................................... 02
1.3 – METODOLOGIAS ........................................................................................... 02
1.4 – CRONOGRAMA DA MONOGRAFIA ........................................................... 02
2 – ENERGIA REATIVA NO SEP .................................................................................. 03
2.1 – POTÊNCIA COMPLEXA EM CORRENTE ALTERNADA ......................... 04
3 – A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEUS EFEITOS SOBRE O SISTEMA..09
3.1 – INTRODUÇÃO ................................................................................................ 09
3.2 – A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEUS EFEITOS SOBRE A TENSÃO
DO SISTEMA ............................................................................................................ 11
3.3 – A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEUS EFEITOS SOBRE A
ESTABILIDADE DO SISTEMA .............................................................................. 14
3.4 – O CONTROLE DE REATIVOS E UMA BREVE VISÃO DA
LEGISLAÇÃO ........................................................................................................... 17
4 – EQUIPAMENTOS USADOS PARA COMPENSAÇÃO REATIVA ..................... 19
4.1 – INTRODUÇÃO ................................................................................................ 19
ix
4.2 – BANCOS DE CAPACITORES E DE REATORES ........................................ 20
4.3 – COMPENSADORES SÍNCRONOS ................................................................ 22
4.4 – EQUIPAMENTOS QUE USAM SISTEMAS FLEXÍVEIS DE
TRANSMISSÃO AC – FACTS ................................................................................. 23
4.4.1 – Compensador Estático de Reativos – SVC ....................................... 24
4.4.2 – Compensador Síncrono Estático – STATCOM ................................ 28
4.4.2.1 – Princípio de Funcionamento .................................................... 29
4.4.3 – Compensador Série Controlado a Tiristor – TCSC ......................... 32
4.4.4 – Compensador Série Chaveado a Tiristor – TSSC ............................ 35
4.4.5 – Compensador Série Síncrono Estático – SSSC ................................ 36
4.4.6 – Controlador Unificado de Fluxo de Potência – UPFC .................... 38
5 – CONCLUSÕES ............................................................................................................ 40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 42
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 – Balanço da potência ativa e reativa num sistema simples de duas barras ....... 12
Figura 3.2 – Representação fasorial .................................................................................... 13
Figura 3.3 – Classificação do estudo da estabilidade em sistemas elétricos de potência .... 14
Figura 4.1 – Banco Capacitor-Série na subestação São João do Piauí – CHESF ............... 21
Figura 4.2 – Compensador Síncrono da SE São Luis 500 kV – Eletronorte. ...................... 23
Figura 4.3 – Esquema básico de um SVC (TCR e TSC) ...................................................... 25
Figura 4.4 – SVC composto por TCR e capacitor fixo ........................................................ 25
Figura 4.5 – Características V x I dos elementos que compõem o SVC.............................. 26
Figura 4.6 – Representação do sistema através do Equivalente de Thevenin ..................... 26
Figura 4.7 – Modelo dinâmico do SVC ............................................................................... 28
Figura 4.8 – Esquema básico do STATCOM ....................................................................... 29
Figura 4.9 – Diagramas fasoriais das tensões e correntes do sistema elétrico e do
STATCOM ........................................................................................................................... 30
Figura 4.10 – Representação do TCSC conectado ao sistema ............................................. 33
Figura 4.11 – Esquema simples de um TSSC ...................................................................... 35
Figura 4.12 – Representação da tensão de um capacitor resultante das restrições da
introdução de uma linha com corrente zero......................................................................... 36
Figura 4.13 – Diagrama de blocos do SSSC conectado a uma linha de transmissão........... 37
Figura 4.14 – Configurações básicas do UPFC .................................................................. 38
xi
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 2.1 – Tensão, corrente e potência num circuito monofásico .................................. 05
Gráfico 2.2 – Potência Instantânea entrando no circuito ..................................................... 06
Gráfico 3.1 – Curvas Q-V.................................................................................................... 16
Gráfica 4.1 – Característica V versus ISVC do sistema e do SVC ......................................... 27
Gráfico 4.2 – Curva característica V x I do STATCOM ...................................................... 31
Gráfico 4.3 – Características do TCSC de acordo com o valor de α ................................... 34
xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
φ - Ângulo de defasagem entre tensão e corrente
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
BSVC - Susceptância do SVC
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contínua
CEPISA - Companhia Energética do Piauí
CHESF - Companhia Hidro Elétrica do São Francisco
CRTR - Compensação Reativa em Tempo Real
FACTS - Sistemas Flexíveis de Transmissão em Corrente Alternada
FP - Fator de Potência
GTO - Tiristor de Desligamento por Porta
Hz - Hertz (unidade de medida de freqüência)
I - Corrente
IGBT - Transistor Bipolar de Porta Isolada
kV - Quilovolt (unidade de medida de tensão)
kW - Quilowatt (unidade de medida de potência ativa)
L - Indutância
LT - Linha de Transmissão
MVA - Megavolt-Ampère (unidade de medida de potência aparente)
MW - Megawatt (unidade de medida de potência ativa)
P - Potência Ativa
Q - Potência Reativa
ONS - Operador Nacional do Sistema
S - Potência Aparente
SCR - Retificador Controlado de Silício
SEP - Sistema Elétrico de Potência
xiii
SIN - Sistema Interligado Nacional
STATCOM - Compensador Síncrono Estático
SVC - Compensador Estático de Reativos
T - Período
TCR - Reator Controlado a Tiristor
TSC - Capacitor Chaveado a Tiristor
UPFC - Controlador Unificado de Potência
V - Tensão
VARS - Volt-Ampère Reativo (unidade de medida de potência reativa)
VA - Volt-Ampère (unidade de medida de potência aparente)
W - Watt (Unidade de medida de potência ativa)
X - Reatância
Z - Impedância
1
CAPÍTULO 01
APRESENTAÇÃO
1.1 – INTRODUÇÃO
Os Sistemas Elétricos de Potência - SEP são circuitos destinados a levar grandes blocos
de energia da geração até os centros consumidores. Na busca deste objetivo, o planejamento e a
operação dos sistemas de energia utilizam técnicas bastante sofisticadas na resolução de
problemas. [3]
Um dos principais obstáculos à operação estável dos SEP é a instabilidade de tensão
caracterizada por um declínio lento e progressivo das magnitudes das tensões das barras de carga.
O motivo dessa instabilidade reside na incapacidade dos sistemas de atender à crescente demanda
de energia reativa. [13]
Esse trabalho analisa o estudo da compensação de reativos no SEP que, através do fluxo
de carga, controla continuamente a injeção/absorção de reativos no sistema. Esse controle
contínuo permite a manutenção dos níveis de tensão nas barras de carga e mantém a estabilidade
do sistema.
Para tal manutenção são usados alguns equipamentos como os Sistemas Flexíveis de
Transmissão de Correte Alternada – FACTS, o compensador síncrono, bancos capacitores e
bancos reatores. A dinâmica de utilização desses equipamentos no sistema é a chave para que o
2
balanço de reativos com a tensão possa otimizar continuamente os sistemas de geração,
transmissão e distribuição de energia.
1.2 – OBJETIVOS
Esse trabalho tem como objetivo apresentar o estudo da compensação de reativos no SEP
e analisar os seus efeitos sobre a tensão e a estabilidade do sistema considerando os principais
equipamentos compensadores de reativos, principalmente, os dispositivos FACTS.
1.3 – METODOLOGIAS
Foi realizada pesquisa do tema através do material bibliográfico constante nas referências
dessa monografia, pesquisa eletrônica para aquisição de diversas bibliografias, aprendizado
adquirido ao longo do curso e com o convívio com profissionais da área.
1.4 – CRONOGRAMA DA MONOGRAFIA
Uma breve síntese dos capítulos é apresentada a seguir:
No Capítulo 02 – ENERGIA REATIVA NO SEP trata-se dos conceitos básicos de
energia reativa no SEP.
No Capítulo 03 – A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEUS EFEITOS SOBRE O
SISTEMA são apresentadas as principais características da compensação de reativos e seus
efeitos sobre a tensão e a estabilidade do sistema. Enfatiza-se a necessidade desse controle de
reativos para a redução de custos e tarifas.
No Capítulo 04 – EQUIPAMENTOS USADOS PARA COMPENSAÇÃO REATIVA são
pormenorizados os equipamentos usados no SEP para compensação de reativos e controle de
tensão abordando suas principais características.
No Capítulo 05 – CONCLUSÕES são apresentadas as conclusões da importância da
compensação de reativos para o sistema.
3
CAPÍTULO 02
ENERGIA REATIVA NO SEP
Os SEP são circuitos destinados a transmitir grandes quantidades de energia, desde os
locais de sua geração até os centros de consumo e então, distribuí-las aos consumidores
individuais [5]. Segundo Brigatto [3], o planejamento e a operação dos sistemas de energia
elétrica são levados a utilizar técnicas bastante sofisticadas de resolução de problemas envolvidos
que permitem englobar toda a grande complexidade associada a esses sistemas. Estes sistemas
são projetados para atender certos critérios mínimos, no que diz respeito a:
Capacidade de transmissão de energia;
Qualidade de transmissão;
Confiabilidade;
Economia.
A potência elétrica é uma grandeza que trabalha com transmissão de energia elétrica ativa
e reativa entre diferentes pontos do sistema. O estudo do seu comportamento é da maior
importância para satisfazer a todos os critérios acima mencionados. [16]
4
2.1 – POTÊNCIA COMPLEXA EM CORRENTE ALTERNADA
Tradicionalmente, em circuitos elétricos de corrente alternada, as definições de potência
usuais se aplicam aos casos de regime permanente senoidal. Tendo um circuito monofásico em
função do tempo, a tensão e a corrente instantâneas são dadas por: [1], [5], [16]
Onde:
VMAX e IMAX são os valores máximos das senóides de tensão (V) e corrente (A),
respectivamente;
φ é o ângulo da corrente em relação à referência que geralmente é a origem dos
sistemas;
ωt = 2. π .f.t que é dado em radianos e f é a freqüência dada em Hz. O sistema elétrico
brasileiro adota f = 60 Hz.
A potência instantânea absorvida por uma carga monofásica é dada pelo produto dos
valores instantâneos da tensão e corrente, ou seja:
Que pode ser escrita da seguinte forma:
Onde V e I são os valores eficazes da tensão e da corrente, respectivamente, e φ é o
ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente na carga, ou seja:
5
A equação encontrada pelo produto da corrente e tensão instantâneas mostra que a
potência fornecida à carga é constituída de duas parcelas. A primeira parcela dada por V.I.cos φ ,
constante no tempo, representa a potência absorvida pela carga que é transformada em trabalho
útil ou em calor, sendo denominada potência ativa, representada por P, medida em Watts – W,
representada pela curva I no gráfico 2.1. A segunda parcela dada por V.I.cos (2ωt - φ ) é variável
no tempo e possui freqüência igual a duas vezes a freqüência da rede. Representa uma potência
flutuante que ora é absorvida pela carga, ora é fornecida pela carga, sendo seu valor médio nulo.
Logo, é incapaz de realizar um trabalho útil. Representa uma energia que durante um quarto de
período é absorvida pela carga e armazenada no campo magnético ou elétrico ligado ao circuito
e, no quarto de período seguinte, é devolvida à rede. É denominada Potência Reativa,
representada por Q, medida em VARS, e está representada pela curva II no gráfico 2.1.[1], [2]
Gráfico 2.1 – Tensão, corrente e potência num circuito monofásico. [1]
6
Segundo Junior [16], os engenheiros e os profissionais da área atualmente aceitam as
definições de potência aparente, representada por S, potência ativa e potência reativa em sistemas
de correntes e tensões senoidais. Assim, o modelo matemático aceito é S = P + j.Q.
A potência em um determinado instante varia com o tempo, sendo difícil de ser medida. É
mais conveniente medir a potência média que é dada por:
Substituindo a equação da potência instantânea de uma carga monofásica fica:
O primeiro integrando da equação acima é uma constante e a média deste é a própria
constante. O segundo integrando da mesma equação é uma senóide que tem valor médio igual a
zero, portanto, a potência média instantânea fornecida a uma carga monofásica é dada por P =V.
I. cos φ e está representada no gráfico 2.2, onde φ = Uv – Ui, .
Gráfico 2.2 – Potência Instantânea entrando no circuito. [2]
7
A potência média é o produto de dois termos: V.I e cos φ. O produto V. I é chamado de
Potência Aparente, representada por S, e cos φ é denominado de Fator de Potência – FP. A
potência média aparente denominada por S = V.I é medida em Volt-Ampère – VA e representada
fasorialmente por:
Pela expressão acima, tem-se:
Quanto menor for o ângulo φ menor será a componente reativa do sistema e, por
conseqüência, mais o fator de potência irá se aproximar do valor unitário. Quando a carga for
indutiva, o ângulo φ e a componente reativa do sistema Q serão positivos. Ao contrário, quando a
carga for capacitiva, o ângulo φ e a componente reativa Q serão negativos.
Como não é possível especificar o fator de potência unicamente pelo co-seno do ângulo,
já que, da trigonometria, tem-se a relação cos (φ) = cos (-φ), contorna-se esta ambigüidade da
seguinte maneira:
Quando φ é positivo: fator de potência atrasado ou indutivo;
Quando φ é negativo: fator de potência adiantado ou capacitivo.
Em outras palavras, fator de potência atrasado significa que a corrente está atrasada em
relação à tensão, caracterizando circuitos indutivos. Ao contrário, fator de potência adiantado
significa que a corrente está adiantada em relação à tensão, caracterizando circuitos capacitivos.
Segundo Filho [17], a carga típica sempre consome energia reativa porque precisa de um
campo eletromagnético para funcionar. Esta energia é a responsável pela magnetização dos
enrolamentos de motores, transformadores, reatores, que são equipamentos que necessitam de
uma energia “magnetizante” para transformar parte da energia recebida em trabalho útil, ou seja,
em energia consumida transformada. Portanto, esta parcela de energia trocada entre geração e a
8
carga é essencial para o funcionamento do SEP e deve ser constantemente controlada para
garantir a continuidade e a confiabilidade do mesmo.
O estudo da compensação de reativos no SEP é responsável por esse controle constante do
fluxo de reativos no sistema e será visto no capítulo seguinte desse trabalho.
9
CAPÍTULO 03
A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E OS SEUS EFEITOS
SOBRE O SISTEMA
3.1 – INTRODUÇÃO
Em um SEP as cargas possuem características distintas e podem ser classificadas segundo
muitos aspectos:
Pela sua natureza (residencial, comercial, industrial, etc.);
Tamanho (demanda);
Simetria (monofásica ou trifásica);
Constância (em relação ao tempo, freqüência e tensão);
Ciclo de funcionamento (uso regular ou aleatório); entre outros.
Analisando um consumidor industrial e um consumidor residencial, por exemplo,
constata-se que estes possuem características distintas em relação a todos os aspectos acima
mencionados. A carga industrial é composta por grandes motores indutivos trifásicos que podem
ser consumidores em nível de subtransmissão e funcionam com relativa constância em relação ao
tempo. Enquanto uma carga residencial é constituída em sua maioria por equipamentos elétricos
10
monofásicos de baixa potência, carga luminosa, consumidores de baixa tensão e, além disso,
possui grande inconstância em relação ao tempo. [1]
Segundo Elgerd [1], a carga típica em um SEP é sempre indutiva, ou seja, consumidora de
energia reativa. Isso se deve ao fato de a carga industrial, que é uma grande componente da
demanda total do sistema, ser constituída de cargas motoras que são grandes consumidores de
energia reativa indutiva. Os motores são sempre indutivos, com exceção de máquinas síncronas
superexcitadas que injetam energia reativa no sistema ao invés de consumi-la.
Para o bom funcionamento do sistema é fundamental que a energia reativa esteja
adequada à demanda da carga, ou seja, que a oferta de energia reativa pelos sistemas de geração
atenda à demanda da carga. Através de um estudo do comportamento da carga no sistema é
possível saber a quantidade de energia reativa necessária para atender à demanda
satisfatoriamente e garantir o bom funcionamento do mesmo nos diferentes horários do dia e
épocas do ano. Se a demanda de energia reativa pela carga for maior que a quantidade enviada
pela geração, ou, ao contrário, se a oferta é maior que a demanda, o sistema poderá apresentar
diversos problemas operacionais como instabilidade de tensão, perda de sincronismo de
máquinas elétricas, sobreaquecimento de geradores e perdas na transmissão. [1]
Esses problemas comprometem seriamente a confiabilidade e a continuidade do sistema e
podem ser responsáveis por grandes prejuízos às empresas de energia elétrica.
A compensação de reativos no SEP é o controle feito através de estudos de fluxo de carga
para injeção ou absorção de reativos no sistema em sua quantidade ideal. Essa compensação de
reativos é feita em tempo real, ou não, por meio de equipamentos próprios que injetam ou
absorvem reativos do sistema de acordo com as necessidades da carga, garantindo o bom
funcionamento do mesmo.
Existem duas classificações de fontes de compensação de reativos em SEP: compensação
de reativos estática e compensação de reativos dinâmica.
A compensação de reativos estática é feita com valores discretos e por isso permite que
possa existir uma quantidade de energia reativa circulando na rede. Exemplos dessa aplicação são
os bancos de capacitores e indutores em série ou em paralelo com valores fixos de reativos (vars).
Já a compensação de reativos dinâmica é feita com um valor variável, de acordo com o valor de
energia reativa que circula na rede [34]. Após a compensação, a energia reativa circulante é nula.
11
Esse método de compensação é dito Compensação Reativa em Tempo Real – CRTR, pois opera
com controle contínuo. Alguns exemplos de equipamentos que fazem esse tipo de compensação
são o compensador síncrono, o Compensador Estático de Reativos – SVC e o Compensador
Unificado de Potência.
Segundo Starosta [23], o sistema de CRTR tem por premissa de operação, a manobra de
grupos de capacitores ou grupos de filtros LC por meio de dispositivos de manobra estática (SCR
ou IGBT). Os conjuntos de compensação reativa (capacitores e indutores) são manobrados
individualmente ou em conjunto e inseridos na rede elétrica que os alimenta pelos elementos de
manobra estática, que são comandados por um controlador. Este controlador controla a manobra
adequada dos grupos de capacitores em função das informações das condições da carga e da rede.
Nesta situação, é manobrada a combinação de grupos mais adequada à compensação reativa e em
intervalos de tempo que podem ser de até um ciclo (16ms). [23], [9]
A compensação de reativos pode ser feita através de equipamentos ligados em série com
as linhas de transmissão, ou equipamentos ligados em derivação ao sistema. Pode-se citar como
exemplos de compensação reativa o chaveamento de bancos capacitores e reatores em derivação
ao sistema, o ajuste da excitação dos compensadores síncronos ou a utilização de compensadores
estáticos de reativos em derivação. No capítulo seguinte serão abordados os principais
equipamentos compensadores de reativos e suas características.
3.2 - A COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEU EFEITO SOBRE A
TENSÃO DO SISTEMA
Supondo-se que uma grande quantidade de motores elétricos industriais, grandes
consumidores de energia reativa, seja ligada a uma barra de um sistema elétrico sendo mantida a
mesma potência ativa total da carga. Isso acarretará no aumento de corrente elétrica na linha que
alimenta a barra da instalação provocando o declínio de tensão na linha, e, conseqüentemente, da
tensão na barra [1]. Esta relação entre potência reativa e tensão na barra caracteriza uma
necessidade de equilíbrio (balanço) entre níveis de potência reativa solicitada pela carga e o nível
de tensão na barra alimentadora. [1], [5].
12
Na figura 3.1, a carga P+jQ é alimentada pela barra 2, e como não existe gerador nessa
barra, a carga deve ser alimentada por meio da linha, a partir da barra 1. A tensão na barra 2 é
dada por V2 = V1 – I.Z (i). [1]
Figura 3.1 – Balanço da potência ativa e reativa num sistema simples de duas barras. [1]
A corrente da linha I satisfaz a relação:
Daí:
.
Sendo que a última passagem decorre da escolha de V1 como fasor de referência, isto é,
/V1 = 0. Por (i), temos:
Geração
V1 V2
P+j.Q
Carga = P+j.Q
Barra 2 Barra 1
I
13
Figura 3.2 – Representação fasorial. [1]
Do diagrama segue-se que:
1. Uma variação na potencia ativa P afeta o fasor queda de tensão que é perpendicular a
V1. Portanto, não ocorrerá nenhuma mudança considerável em V2.
2. Uma variação de potência reativa Q afeta o fasor queda de tensão que está em fase com
V1. A variação no módulo de V2 é, portanto, essencialmente proporcional a Q.
Para manter constante o módulo de V2, deve-se fazer com que as demandas variáveis de Q
sejam compensadas localmente na barra 2. Assim, não se faz necessário o transporte desta
energia reativa pela linha de transmissão, o que diminui os seus efeitos sobre a tensão antes da
barra e reduz os custos do sistema com equipamentos e manutenções. [1]
Segundo Elgerd [1], pode-se controlar essa geração local de reativos e, conseqüentemente,
os níveis de tensão do sistema, ajustando-se a excitação das unidades geradoras e dos
compensadores síncronos, ou, então, inserindo bancos de capacitores (shunt) e/ou capacitores
síncronos.
Com o aumento da demanda da carga, segue-se um aumento da carga reativa. Logo,
existe a tendência das tensões caírem durante os períodos de pico de carga, aumentando a
corrente do sistema [7]. Segundo Kindermann [18], se a corrente aumentar demais, o sistema de
proteção das linhas de transmissão ligadas a esse circuito poderá atuar fazendo com que estas
fiquem fora de operação, caracterizando uma contingência. Esse declínio progressivo da tensão
também pode fazer com que alguns geradores se desconectem automaticamente do sistema
comprometendo a continuidade do mesmo.
14
Ao contrário, em períodos de baixa carga (nas primeiras horas da manhã), existe a
tendência dos níveis de tensão subirem, ou seja, um excesso de energia reativa injetada no
sistema implica no aumento da tensão do mesmo. Durante esses períodos, pode ser necessário
inserir elementos consumidores de reativos para controlar os níveis de tensão em certos pontos do
sistema. [1]
3.3 – COMPENSAÇÃO DE REATIVOS E SEUS EFEITOS SOBRE A
ESTABILIDADE DO SISTEMA
No SEP, a tensão está para a potência reativa assim como a freqüência está para a
potência ativa. A variação de uma implica desequilíbrio na outra, e vice-versa. Uma freqüência
constante é a melhor garantia de que o balanço da potência ativa está sendo mantido. De modo
análogo, uma tensão de barra constante garante o equilíbrio entre a potência reativa produzida e a
consumida [6], [24].
Segundo Anderson [10], o sistema é estável se sua resposta oscilatória durante o período
transitório que segue um distúrbio é amortecida e o sistema se estabiliza em um tempo finito para
uma nova condição de operação. Se isso não ocorrer, o sistema é considerado instável.
A estabilidade de um sistema permite que este permaneça equilibrado em condições
normais de operação e recupere-se após ser submetido a distúrbios. Muitos autores como Paixão
[09], Borges [15] e Kundur [11] preferem dividir o estudo de estabilidade de acordo com a figura
3.3.
Figura 3.3 – Classificação do estudo da estabilidade em sistemas elétricos de potência
15
O progressivo aumento da demanda da carga tem ocasionado o aparecimento de
problemas de estabilidade de tensão no sistema. A estabilidade de tensão ocorre quando o SEP
possui níveis de tensão aceitáveis para a operação satisfatória do mesmo, tanto em condições
normais de operação quanto após a ocorrência de perturbações [24]. Situações como o aumento
de carga em linhas de transmissão, geradores distantes dos centros de cargas e desligamento de
bancos de capacitores podem provocar o declínio dos níveis de tensão, fazendo com que ocorra o
fenômeno denominado instabilidade de tensão. Segundo Taylor [12], a instabilidade de tensão é a
ausência da estabilidade de tensão e resulta em um progressivo decréscimo, ou acréscimo, da
tensão. O declínio rápido dos níveis de tensão é chamado de colapso de tensão que é um
problema complexo associado a sistemas muito carregados.
Segundo Naturesa [13], a instabilidade de tensão e os colapsos de tensão são grandes
obstáculos para a operação estável do sistema e um dos principais fatores para a sua ocorrência é
a incapacidade do sistema de atender a demanda crescente de energia reativa.
Para análise da estabilidade de tensão são utilizados métodos estáticos como a construção
das curvas P-V e Q-V, através de cálculos de fluxo de potência. As curvas P-V mostram a relação
entre o módulo da tensão e a carga em uma barra do sistema, enquanto as curvas Q-V relacionam
a variação da tensão em uma barra com a potência reativa nela injetada. Nesse trabalho será
analisada apenas a curva Q-V.
Considerando uma fonte de potência reativa obtém-se uma curva Q-V controlando a
tensão da barra analisada em questão. A tensão na barra vai sendo variada através da fonte de
reativos. [13]
O gráfico 3.1 mostra a curva Q-V onde a tensão na barra é comparada com a
injeção/absorção de reativos na mesma. A carga ativa é mantida constante nesse estudo. [13]
16
Gráfico 3.1 – Curvas Q-V. [13]
A operação estável ocorre no lado direito da curva, após o ponto de operação, onde um
aumento na potência reativa gerada pela fonte é acompanhado por um aumento na tensão da
barra. [13]
Pode-se citar como exemplo de um problema relacionado à estabilidade do sistema no
Brasil, o colapso transitório de tensão na interligação Norte-Nordeste.
Segundo Paixão [9], este problema ocorre quando há uma emergência na interligação
Sudeste-Nordeste acarretando em um elevado e repentino aumento do fluxo de potência na
interligação Norte-Nordeste, exigindo do sistema um maior bloco de potência reativa. Como o
sistema não tem condições de fornecer de imediato tal solicitação, ocorre um severo e transitório
afundamento de tensão, o colapso transitório de tensão, nas subestações próximas à interligação.
Ocorrerá a perda de estabilidade eletromecânica, pois os reguladores das máquinas não têm
tempo para se ajustarem às novas condições do sistema. Tal problema ocorre após a entrada em
operação da interligação Sudeste-Nordeste, limitando o transporte de energia na interligação
Nordeste-Norte. Portanto, o colapso transitório de tensão é fator limitante para o transporte de
energia na interligação Norte-Nordeste e compromete a estabilidade do sistema.
Alguns trabalhos de avaliação técnica mostram que esse problema tem três soluções
possíveis: utilização de compensação série chaveada, uso de um compensador estático de reativos
17
ou chaveamento de bancos capacitores em derivação. Segundo Paixão [9], o primeiro é o que tem
melhor desempenho e menor custo.
3.4 - O CONTROLE DE REATIVOS E UMA BREVE VISÃO DA
LEGISLAÇÃO
O excesso de reativos em circuitos elétricos sobrecarrega as instalações, ocupando uma
capacidade de condução de corrente que poderia ser melhor aproveitada para realizar trabalho útil
[17]. Isto é válido tanto para a concessionária que entrega energia elétrica ao consumidor como
também para o próprio consumidor em seus circuitos de distribuição. A concessionária protege-se
contra a ocorrência de reativos elevados em suas linhas impondo ao consumidor um fator de
potência mínimo.
Segundo o artigo 64 da Resolução nº 456/2000 da ANEEL [36], “o fator de potência de
referência – fr, indutivo ou capacitivo, terá como limite mínimo permitido, para as instalações
elétricas das unidades consumidoras, o valor de fr = 0,92.”
Esse valor 0,92 foi estipulado após vários estudos técnicos de expansão do sistema feitos
por engenheiros da Coordenação de Critérios de Planejamento Elétrico – CCPE, em conjunto
com o Comitê Técnico de Estudos de Transmissão – CTET. Atualmente, esse mesmo estudo
técnico de planejamento está sendo realizado para o aumento do fator de potência para 0,95.
Quando o consumidor apresenta um fator de potência abaixo do mínimo é cobrado o
excedente de energia reativa a título de ajuste. A melhoria do fator de potência de uma instalação
representa não apenas uma melhor utilização dos circuitos de distribuição de uma empresa, como
também uma forma de reduzir as despesas com o fornecimento de energia caso ele esteja abaixo
do mínimo regulamentado.
Se a tensão aumentar demais, o rendimento e a vida útil dos equipamentos irão diminuir.
A energia reativa precisa ser determinada em um processo de planejamento técnico, econômico e
uma parte decisória. A análise técnica requer uma grande administração e conhecimento de
modelos computacionais matemáticos complexos do sistema elétrico. A parte econômica requer a
análise desses sistemas em modelos para determinar modos de maximizar a eficiência com
redução de custos. A parte decisória analisa grandes quantidades de números e de modelos
18
distintos apresentados, suposições inteligentes e aproximações do que serão necessários
posteriormente.
A compensação de reativos e o controle de tensão são intimamente ligados à qualidade de
energia, confiabilidade e ao custo de energia. Por isso é fundamental o seu estudo. Quando a
potência reativa das unidades geradoras das empresas é utilizada para controle de tensão do SEP,
acaba sendo repassado ao consumidor em sua conta de energia um encargo chamado serviço
ancilar. Portanto, o controle da tensão do sistema é fundamental para a confiabilidade,
estabilidade, qualidade de energia e para a redução de encargos da energia pagos pela sociedade.
19
CAPÍTULO 04
EQUIPAMENTOS USADOS PARA COMPENSAÇÃO REATIVA
4.1 – INTRODUÇÃO
Atualmente muitos sistemas operam próximos aos seus limites de carregamento pela
dificuldade na construção de novas linhas de transmissão e de unidades geradoras e por conta de
restrições ambientais e econômicas [9]. Esse fato torna mais complexo o controle da estabilidade
do sistema e dos fluxos de potência nas linhas de transmissão.
O controle do fluxo de potência pode direcioná-lo para regiões que possuam pouca
capacidade de carregamento, melhorando a eficiência do sistema. Esse controle pode ser feito
através do balanceamento da tensão ou pelo controle da injeção e/ou absorção de reativos no
sistema. Normalmente, são utilizados capacitores e reatores para esse fim, entretanto, a falta de
flexibilidade dos mesmos e o advento da eletrônica de potência motivaram pesquisas em busca de
equipamentos mais versáteis. Nesse âmbito, surgiram novos equipamentos compensadores de
reativos, os dispositivos FACTS, que proporcionam maior eficiência e qualidade de energia no
SEP. [9]
Nos capítulos anteriores foram apresentados os efeitos da compensação de reativos no
sistema, além da sua importância para o controle e estabilidade do mesmo. Nas seções seguintes
serão abordados os principais equipamentos utilizados para a compensação de reativos mostrando
suas características básicas e princípios de funcionamento.
20
4.2 – BANCOS DE CAPACITORES E DE REATORES
Bancos de capacitores e reatores são bastante utilizados na compensação de reativos,
principalmente pelo baixo custo e relativa facilidade na instalação e operação. Normalmente, os
bancos de capacitores são conectados na barra de alta tensão das subestações e os bancos de
reatores são conectados nas barras das subestações ou em linhas de transmissão, podendo ser
ligados em série ou em derivação. [14], [7]
Os bancos de capacitores geram reativos para sistema e fazem a manutenção dos níveis de
tensão nas barras das subestações. Dessa forma o fator de potência do sistema é corrigido
evitando sobrecargas nos geradores e transformadores da rede. [7]
Segundo Kundur [11], a utilização de bancos de capacitores chaveados apresenta um
custo muito menor em relação aos sistemas FACTS, entretanto, o chaveamento de um banco
capacitor, durante uma instabilidade transitória, pode não ser suficientemente rápido para
prevenir a instabilidade de tensão.
Os bancos de capacitores ligados em derivação são utilizados para compensar as perdas
do sistema e garantir níveis seguros de tensão em condições de carregamento elevado. A
desvantagem da sua utilização é que a geração de reativos é proporcional ao quadrado da tensão,
logo, em uma queda de tensão no sistema, o capacitor em derivação fornecerá uma quantidade
menor de reativos exatamente no momento em que o sistema mais necessitará dos mesmos. [26]
Os capacitores em série são utilizados para compensar a reatância indutiva das linhas de
transmissão. A energia reativa indutiva da linha é reduzida (compensada) pela energia reativa
capacitiva dos capacitores em série. Isso contribui para o aumento do limite de transmissão de
potência através da redução das perdas reativas das linhas, além de proporcionar melhoria na
estabilidade da tensão.
A geração de reativos de um capacitor em série aumenta com o quadrado da corrente, de
acordo com a equação QC = I².XC . Logo, um aumento no fluxo de potência em uma linha de
transmissão, que normalmente provoca uma diminuição na tensão, faz com que o capacitor série
gere mais vars devido ao aumento da corrente, reduzindo o afundamento de tensão provocado
pelo aumento do fluxo de potência na linha. [9]
21
Pode-se usar como exemplo do uso de bancos de capacitores em série, o da Subestação de
São João do Piauí 500/230KV da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco – Chesf
representada na figura 4.1. Esse banco capacitor é conectado à LT 05C6 que segue para a Usina
de Boa Esperança – PI. É uma linha longa, de grande potencial elétrico (500 kV) e grande
consumidora de energia reativa indutiva. Essa característica indutiva da linha acarreta em perdas
técnicas elevadas. A aplicação do banco capacitor em série minimiza a parcela de reatância
indutiva da linha podendo até anulá-la. Dessa forma possibilita que a linha transmita um bloco
maior de potência reduzindo as suas perdas técnicas.
Figura 4.1 – Banco Capacitor-Série na subestação São João do Piauí – Chesf. [35]
Ao contrário dos bancos capacitores, os bancos reatores consomem reativos do sistema a
fim de diminuir os níveis de tensão do mesmo. É comum a inserção de reatores nos períodos em
que o sistema opera com baixo carregamento, onde as tensões tendem a se elevar, para evitar que
ultrapassem os limites aceitáveis dos equipamentos do SEP. Segundo Kundur [11], os bancos
reatores são usados para compensar o efeito da capacitância das linhas de transmissão, evitando
sobretensões no final das mesmas, além de limitar a elevação de tensão na abertura de um
circuito. [26]
Segundo Stevenson [4], um dos motivos pelos quais há a necessidade da utilização de
bancos de reatores no SEP é o fenômeno conhecido como “Efeito Ferranti” que é provocado
pelos reativos gerados pela própria capacitância da linha. Esse fenômeno ocorre quando uma
22
linha de transmissão longa permanece sem carga por um grande período. Quando o circuito está
carregado esses reativos são absorvidos pela carga, entretanto, quando a linha está em vazio,
esses reativos aumentam substancialmente a tensão do sistema, podendo chegar a níveis
inaceitáveis. Esse progressivo descontrole pode derrubar grandes sistemas de energia,
comprometendo gravemente a estabilidade destes, além de causar prejuízos aos consumidores e
aos fornecedores de energia.
4.3 – COMPENSADORES SÍNCRONOS
O compensador é um equipamento que através do ajuste e controle automático da sua
corrente de excitação gera ou absorve reativos do sistema, mantendo a tensão em níveis
aceitáveis. Logo, o compensador poderá funcionar como um banco capacitor ou como um banco
reator de acordo com as características da demanda do sistema. Quando a tensão do sistema cai
abaixo do nível pré-determinado, a corrente de excitação aumenta e o compensador passa a
injetar mais reativos no sistema que passa a ter níveis de tensão aceitáveis. Ao contrário, quando
a tensão sobe acima do nível pré-determinado, a corrente de excitação diminui e o compensador
passa a absorver reativos do sistema diminuindo a tensão. [7]
O compensador síncrono é uma máquina bastante flexível, podendo funcionar também
como motor ou gerador síncrono. Segundo Ragnev [20], se um gerador síncrono for mantido
ligado ao sistema e as comportas da sua turbina forem fechadas, este passaria a funcionar como
motor síncrono funcionando a vazio. Nessa condição ele consome energia do sistema suficiente
para vencer suas resistências internas e, atuando sobre o seu sistema de excitação, passa a
funcionar como compensador síncrono injetando ou absorvendo reativos do sistema.
Os compensadores síncronos trazem uma série de vantagens, como: [20]
Maior disponibilidade de potência ativa para as cargas;
Evita que os geradores trabalhem próximo de sua tensão nominal;
Facilita a operação por reduzir o número de manobras.
A figura 4.2 mostra o compensador síncrono da subestação São Luís – MA da Eletronorte.
23
Figura 4.2 – Compensador Síncrono da SE São Luis 500 kV – Eletronorte.
4.4 – EQUIPAMENTOS QUE USAM SISTEMAS FLEXÍVEIS DE
TRANSMISSÃO AC – FACTS
A concepção de sistemas FACTS envolve, de maneira geral, equipamentos de eletrônica
de potência aplicados a sistemas de transmissão para o controle em tempo real do fluxo de
potência e para prover suporte de tensão. Através de um controle rápido e eficiente do fluxo de
potência os sistemas FACTS proporcionam uma maior flexibilidade à operação, pois possuem
uma capacidade de alteração dos seus parâmetros que controlam a dinâmica de funcionamento de
um sistema elétrico rápida e continuamente. [8], [25], [19]
Além do controle do fluxo de potência reativa na rede, os sistemas FACTS têm como
objetivo principal aumentar a capacidade de transmissão de potência dessas redes [8]. Os
sistemas FACTS são um exemplo de compensação de energia reativa dinâmica, pois possuem o
controle em tempo real do fluxo de potência injetado/absorvido no sistema. [25], [19]
24
4.4.1 – Compensador Estático de Reativos – SVC
O SVC é um equipamento utilizado para o controle da tensão de um determinado sistema
ao qual é conectado. Segundo Castro [21], o SVC foi o primeiro sistema FACTS implantado para
a compensação de reativos. Foi utilizado primeiramente em grandes cargas, como fornos a arco,
na década de 60. A partir da década de 70 passou a ser utilizado nos sistemas de transmissão com
o propósito de melhorar o controle dinâmico da tensão. Em sua configuração básica é composto
por um Reator Controlado a Tiristor – TCR, em paralelo com um Capacitor Chaveado a Tiristor –
TSC, possuindo também um sistema de controle, filtros e um transformador para conexão do
equipamento com a rede [9], [21], [28]. Na prática, têm sido bastante utilizados, em combinação
com capacitor fixo, para a compensação de reativos no sistema de transmissão. [11]
O termo “estático” implica dizer que, ao contrário dos compensadores síncronos, o SVC
não possui partes ou componentes móveis ou rotativas, tendo, assim, uma compensação reativa
que ocorre dinamicamente [11]. Normalmente, o SVC é conectado a uma barra do SEP e, através
do seu sistema de controle, a tensão da barra é constantemente comparada a um valor de
referência com o qual fora previamente ajustado onde, dependendo do valor desta tensão, o SVC
irá injetar ou absorver reativos no sistema para manter a tensão da barra próxima da tensão de
referência. [13]
Graças ao chaveamento através de tiristores, o SVC atua mais rapidamente que bancos de
capacitores e de reatores chaveados, proporcionando uma maior estabilidade no sistema durante
uma perturbação. [9]
As figuras 4.3 e 4.4 mostram esquemas de SVC composto por TCR e TSC e composto por
TCR e capacitor fixo, respectivamente:
25
Figura 4.3 - Esquema básico de um SVC (TCR e TSC). [9]
Figura 4.4 - SVC composto por TCR e capacitor fixo. [25]
Segundo Naturesa [13], um SVC real é composto por reator variável (controlável) e um
capacitor fixo. Separando os componentes da figura 4.4 e analisando a tensão versus corrente
desses componentes, percebe-se que há uma faixa de corrente em que a tensão é regulada.
26
Figura 4.5 - Características V x I dos elementos que compõem o SVC. [25]
Para saber qual o valor da tensão que deve ser controlada, calcula-se o equivalente de
Thevenin visto da barra na qual o SVC está conectado e onde se deseja controlar a tensão.
Figura 4.6 - Representação do sistema através do Equivalente de Thevenin. [25]
27
Pela figura 4.6 percebe-se que, com a variação da tensão ETH ou da reatância XTH, que
representam o sistema, a atuação do SVC também será alterada, ou para injetar reativos na barra
para elevar a tensão ou para absorver reativos para reduzí-la. [25]
O gráfico 4.1 representa a atuação do SVC, através de ISVC, para a compensação reativa do
sistema de acordo com a variação da tensão. Observando a figura pode-se verificar que há três
características possíveis, correspondendo a três valores de ETH. As condições nominais do
sistema estão representadas pela reta b, que intercepta a curva característica do SVC no ponto A
onde V = V0 e ISVC = 0. Havendo um aumento da tensão ETH, devido a um decréscimo de carga,
por exemplo, a tensão V aumenta para V1, representada na reta a, sem a presença do SVC. Com o
SVC, o ponto de operação desloca-se para o ponto B, pois o mesmo absorverá uma corrente
indutiva representada por I3, mantendo a tensão em V3. Já com um aumento da carga, ETH
diminui e a tensão V decresce para V2 sem o SVC (reta c). Com o SVC, o ponto de operação
move-se para o ponto C, pois o mesmo injetará uma corrente capacitiva na barra, representada
por I4, mantendo a tensão em V4. [25]
Gráfico 4.1 - Característica V versus ISVC do sistema e do SVC. [13]
28
Quando a tensão diminui a capacidade de corrente do compensador também é reduzida
proporcionalmente. Segundo Kundur [11], os elementos de um SVC operam sob o princípio de
susceptância variável e a potência reativa fornecida por ele varia proporcionalmente à sua
susceptância e ao quadrado da tensão da barra à qual ele está conectado, ou seja, QSVC = BSVC .V².
Figura 4.7 - Modelo dinâmico do SVC. [9]
O modelo da figura 4.7 representa a variação da susceptância do SVC, BSVC, em função do
controle de tensão. A susceptância é ajustada através do ganho KSVC, mantendo a tensão da barra
praticamente inalterada, e dos ângulos de disparo dos tiristores, representado pela constante de
tempo TSVC. Já BMAX e BMIN representam, respectivamente, o limite capacitivo e indutivo do
equipamento. [13], [21]. Basicamente, um SVC é utilizado em um SEP para:
1. Manter a tensão constante quando há variações de tensão, que podem ser causadas pela
saída de uma LT ou de um gerador, por exemplo;
2. Manter a tensão dos barramentos em um valor específico;
3. Melhorar a estabilidade do SEP através do amortecimento das oscilações existentes; e
4. Suportar a tensão durante avarias e conseqüentemente aumentar a eficiência e
melhorar o fator de potência do sistema. [22]
4.4.2 – Compensador Síncrono Estático – STATCOM
O STATCOM é um sistema FACTS ligado em derivação ao sistema que tem como função
principal a regulação da tensão da barra na qual está conectado. É composto, basicamente, por
29
um transformador de acoplamento, inversor, fonte de tensão CC e um sistema de controle, como
representado na figura 4.8. [21], [22]
Figura 4.8 - Esquema básico do STATCOM. [22]
O capacitor, instalado no lado CC do inversor, funciona como uma fonte de tensão
contínua para o sistema que, através de tiristores do tipo GTO (Gate Turn-Off), é convertida em
uma tensão senoidal alternada na freqüência fundamental do sistema. A utilização de tiristores
possibilita a troca de potência reativa sem a necessidade de chaveamentos de bancos de
capacitores ou reatores. [21], [29]
Segundo Castro [21], o STATCOM também pode absorver ou injetar reativos no sistema,
dependendo da fonte de tensão que o mesmo tenha no lado CC do inversor. Nesse trabalho, será
considerada apenas a utilização do STATCOM para o controle da tensão através da compensação
de reativos.
4.4.2.1 – Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento do STATCOM pode ser descrito considerando um
equivalente de Thevenin, representando o sistema através de uma tensão VS e uma reatância XL,
conectado ao mesmo, com uma tensão de referência VI. Os fluxos de potência ativa e reativa
podem ser representados, matematicamente, pelas seguintes equações:
30
Representando, fasorialmente, as tensões e correntes do sistema e do STATCOM,
verificam-se cinco possibilidades dependendo do módulo e fase de cada tensão. [22]
Figura 4.9 - Diagramas fasoriais das tensões e correntes do sistema elétrico e do STATCOM. [22]
Considerando φ como o ângulo de defasamento entre as tensões do sistema e do
STATCOM e analisando os diagramas da figura 4.9, tem-se:
a) Quando |VS| = |VI| e φ ≠ 0º, haverá fluxo de potência ativa entre o sistema e o
STATCOM;
31
b) Quando |VS| = |VI| e φ = 0º, não haverá nem fluxo de potência ativa nem fluxo de
potência reativa entre o sistema e o STATCOM;
c) Quando VS e VI estão em fase, ou seja, φ = 0º, e possuem módulos com valores
diferentes, haverá fluxo de potência reativa entre o sistema e o STATCOM, sendo essa
potência indutiva quando |VS| > |VI| ou capacitiva quando |VS| < |VI|.
Considerado as conclusões relacionadas aos diagramas fasoriais representados
anteriormente, uma fonte de tensão pode controlar o fluxo de potência ativa, direcionando-o da
melhor forma que convém para obter maior eficiência na operação do sistema, através do
controle de fase e, através do controle das amplitudes (módulos) das tensões, ela pode controlar a
potência reativa no sistema, ou seja, quando as tensões do sistema e do STATCOM estão em fase
(φ = 0º), não há fluxo de potência ativa em nenhum sentido, mas quando essas tensões possuem
módulos diferentes, há fluxo de potência reativa entre ambos. [22]
Gráfico 4.2 - Curva característica VxI do STATCOM. [21]
O gráfico 4.2 representa a curva característica VxI do STATCOM, mostrando uma ligeira
semelhança com a curva do SVC. No entanto, o STATCOM, ao atingir o seu limite máximo
capacitivo, é capaz de manter a corrente que injeta no sistema em níveis elevados,
32
proporcionando, comparado ao SVC, um maior desempenho no suporte de reativos, sobretudo
quando o sistema é sujeito a grandes perturbações. [21]
O STATCOM opera como uma fonte de tensão síncrona conectada em derivação,
enquanto que o SVC funciona como uma reatância controlada em derivação, o que propicia um
desempenho superior do STATCOM comparado ao SVC. [22]
Há sempre uma comparação entre o STATCOM e o compensador síncrono rotativo, obtido
com a utilização da máquina síncrona superexcitada.
O compensador rotativo tem a capacidade de injetar elevadas correntes capacitivas
durante períodos transitórios de subtensão e possui uma impedância interna indutiva, cujos
valores típicos não causam ressonância com a rede de transmissão. Porém, tem um tempo de
resposta lento, apresenta instabilidade rotacional, tem baixa impedância de curto circuito e
necessita de manutenções freqüentes. Já o STATCOM é capaz de gerar tensões trifásicas
senoidais e equilibradas, na freqüência fundamental, e de módulo e ângulo de fase controlável,
através da utilização da eletrônica de potência, com tiristores e inversores, possibilitando o
controle do fluxo de potência em tempo real. [8]
O STATCOM é o equivalente eletrônico do compensador síncrono ideal, e tem como
principal função injetar reativos no sistema de potência, de forma controlada. Também pode ser
utilizado para o controle do fator de potência, para a regulação de tensão no ponto de conexão,
permitindo, também, melhorar a estabilidade dinâmica do sistema elétrico.
4.4.3 – Compensador Série Controlado a Tiristor – TCSC
Segundo Kundur [11], capacitores fixos série têm sido muito utilizados para melhorar a
estabilidade e aumentar a capacidade das linhas de transmissão, através da redução da reatância
equivalente da linha de transmissão.
Com o desenvolvimento da eletrônica de potência foi possível a obtenção de
equipamentos mais eficientes para esse tipo de serviço [25]. O TCSC é um dispositivo dos
sistemas FACTS composto por um TCR em derivação com um capacitor fixo série.
O TCSC é ligado em série à linha de transmissão e tem como função principal o controle
da reatância equivalente da linha na qual está conectado, podendo ser utilizado no controle do
33
fluxo de potência, no amortecimento da variação de potência e na redução do nível de curto-
circuito da linha. [22], [29]
Na figura 4.10 segue a disposição do TCSC junto a uma linha de transmissão:
Figura 4.10 - Representação do TCSC conectado ao sistema. [21]
O TCR funciona como uma impedância reativa que é controlada pela operação dos
tiristores, através do ciclo de operação dos mesmos, que depende do ângulo de disparo. O TCSC
possui três modos de operação, de acordo com o ângulo de disparo α dos tiristores: [22]
a) Quando α=90º, os tiristores possuem um ciclo de operação de condução total, fazendo
com que o TCSC “by-pass” o capacitor, devido ao baixo valor da indutância;
b) Quando não há condução dos tiristores, o TCSC funciona como um capacitor fixo;
c) Quando 90º<α<180º, o TCSC terá reatância variável, operando tanto na região
capacitiva quanto na região indutiva, dependendo do ciclo de operação dos tiristores.
O gráfico 4.3, que representa os três modos de operação do TCSC, em função de α,
percebe-se que há uma faixa na variação de α na qual a operação do TCSC deve ser impedida.
Essa faixa corresponde à faixa de ressonância, que deve ser evitada.
34
Gráfico 4.3 - Características do TCSC de acordo com o valor de α. [22]
Quando os tiristores possuem um ciclo de operação pequeno, o TCSC terá uma
impedância capacitiva maior, injetando correntes capacitivas na linha. Entretanto, quando
possuírem um ciclo de operação próximo da unidade, ou seja, quando conduzirem por quase todo
o período T, o TCSC terá uma impedância indutiva.
Comparado aos capacitores fixos série, o TCSC apresenta as seguintes vantagens:
Pode ser usado para controle de fluxo de carga;
Fornece amortecimento de oscilações de potência;
Permite maior grau de compensação;
Possui melhor proteção do capacitor pelos tiristores.
Para proporcionar a estabilização do fluxo de potência da interligação Norte-Sul do
Sistema Brasileiro, foram instalados dois TCSC’s na subestação da Usina de Serra da Mesa, no
norte do estado de Goiás, para a devida compensação de reativos no circuito de 500 kV
Imperatriz - Serra da Mesa e amortecimento das oscilações de baixa freqüência entre as áreas
Norte-Nordeste e Sul-Sudeste. [27]
35
4.4.4 – Compensador Série Chaveado a Tiristor – TSSC
O TSSC é constituído, basicamente, por capacitores em série, cada um conectado em
paralelo a dois tiristores que, através do ângulo de disparo dos mesmos, podem fazer com que o
capacitor correspondente fique conectado ou não à linha à qual se encontra ligado [22]. Quando
conectados os capacitores efetuam a devida compensação reativa injetando reativos na linha.
A figura 4.11 mostra uma representação simples do TSSC, através dos seus módulos de
chaveamento:
Figura 4.11 - Esquema simples de um TSSC. [30]
Os tiristores, representados em cada módulo que compõe o TSSC, possuem apenas dois
estágios de operação: totalmente bloqueados ou em condução total [9]. O TSSC funcionará como
um capacitor fixo quando os tiristores estiverem totalmente bloqueados e, quando em condução
total, os mesmos farão com que os capacitores fiquem curto-circuitados e o TSSC apresente uma
reatância indutiva quase nula.
O disparo dos tiristores, que resulta na ligação dos capacitores à linha, deve ocorrer
quando a corrente de linha é zero, ou seja, quando a tensão sobre os mesmos é nula [22], [30].
Isso ocorre para que a corrente inicial não varie bruscamente devido à energização do capacitor.
Essa operação é representada na figura 4.12.
36
Figura 4.12 - Representação da tensão de um capacitor resultante das restrições da introdução de uma linha com
corrente zero. [22]
Um modelo simples de TSSC deve ser utilizado para o controle de fluxo de potência onde
o tempo de resposta seja moderado, ou seja, onde o grau de compensação não seja elevado, para
não possibilitar a ocorrência do fenômeno ressonância subsíncrona no sistema, que pode provocar
a danificação de geradores. [31]
4.4.5 – Compensador Série Síncrono Estático – SSSC
O SSSC é um sistema FACTS baseado em um conversor de tensão CC-CA, que funciona
com a inserção dessa fonte de tensão em série com a linha de transmissão. [22], [29]
Ao contrário do TCSC, que utiliza banco de capacitores e reatores para fornecer ou
absorver reativos, o SSSC utiliza conversores de fonte de tensão, controlados por tiristores,
produzindo uma tensão trifásica em quadratura com a corrente da linha de transmissão, ou seja,
sem produzir potência ativa. [32]
Um SSSC tem alguns modos de controle da sua operação, dentre eles, os de maiores
destaques são:
Modo de tensão constante: como o próprio nome já diz, a tensão do SSSC é mantida
constante independentemente da corrente na linha;
Modo de reatância constante: onde a tensão do SSSC é proporcional à corrente na
linha;
37
Modo de potência constante: onde a tensão do SSSC é usada para regular o fluxo de
potência na rede de transmissão.
Os modos de tensão e reatância constantes são utilizados apenas para a compensação série
de reativos, enquanto o modo de potência constante, além da compensação reativa, possibilita o
controle do fluxo de potência na rede de transmissão. [29], [32]
Abaixo, a figura 4.13 representa o diagrama de blocos do SSSC conectado à linha de
transmissão, onde o Sistema G representa a fonte de energia elétrica, o Sistema R representa a
carga, e a impedância da linha está representada por L(indutância). [22]
Figura 4.13 - Diagrama de blocos do SSSC conectado a uma linha de transmissão. [22]
Como dito anteriormente, o compensador irá gerar uma tensão em quadratura com a
corrente, em avanço ou em atraso, funcionando como capacitor ou indutor. Essa tensão é gerada
através da ação do controlador do conversor, que atua sobre os tiristores, determinando a forma
como os mesmos irão operar e o valor dessa tensão dependendo do valor da corrente de linha
medida. Através de transformadores essa tensão é entregue ao sistema de transmissão. [22]
38
4.4.6 – Controlador Unificado de Fluxo de Potência – UPFC
O UPFC é um dispositivo FACTS constituído pela união de dois compensadores, o
STATCOM e o SSSC, que tiveram seus funcionamentos e características explicitados
anteriormente. O STATCOM é conectado em derivação à linha e o SSSC em série. Os dois são
ligados no lado de tensão contínua, formando um elo CC comum, na forma "back-to-back”. [22],
[30]
É capaz de controlar simultaneamente o fluxo de potência que passa por uma linha de
transmissão e a tensão CA controlada de um barramento, com resposta muito rápida,
apresentando um excelente desempenho [22]. Ele pode efetuar o controle tanto do fluxo de
potência ativa quanto do fluxo de potência reativa. O UPFC está representado na figura 4.14.
Figura 4.14 - Configurações básicas do UPFC. [22]
O UPFC pode exercer um controle simultâneo através dos compensadores ligados em
série e em derivação, ou pode utilizar a propriedade de cada um deles, separadamente,
dependendo da necessidade de compensação da linha, podendo ter uma compensação de reativos
exercida pelo compensador em derivação diferente da compensação exercida pelo compensador
39
em série, no mesmo instante. Isso mostra a grande flexibilidade que há no controle do fluxo de
potência da linha, e o conseqüente controle do fluxo de reativos, com a utilização do UPFC. [33]
40
CAPÍTULO 05
CONCLUSÕES
Este trabalho procurou analisar o estudo da compensação de reativos e os seus efeitos
sobre o SEP permitindo as seguintes conclusões:
A manutenção dos níveis de tensão é intimamente ligada à compensação de reativos,
logo, o controle contínuo da injeção/absorção de reativos no sistema deve ser
constantemente estudado. A instabilidade de tensão e os colapsos de tensão são
grandes obstáculos para a operação estável do sistema;
Uma maior estabilidade é proporcionada ao sistema através da compensação de
reativos permitindo que este sistema permaneça equilibrado em condições normais de
operação e recupere-se após ser submetido a distúrbios;
A compensação de reativos controlada continuamente permite a otimização dos
sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia evitando diversos problemas
operacionais como perda de sincronismo de máquinas elétricas, sobreaquecimento de
geradores e perdas técnicas na transmissão e distribuição;
A compensação de reativos controla o fator de potência do sistema evitando a cobrança
de tarifas aos consumidores por parte das empresas de energia elétrica. O fator de
potência abaixo de 0,92 subutiliza os equipamentos das empresas aumentando as
perdas técnicas e os custos da sua correção são repassados ao consumidor, logo, é de
interesse dos consumidores e das empresas de energia controlar os reativos do sistema.
41
Novas filosofias de planejamanto, de controle e de operação irão permitir que os sistemas
de transmissão e geração alcancem os seus limites operativos atendendo à crescente demanda de
reativos do sistema em condições de estabilidade requeridas.
O desejável aumento da flexibilidade e robustez dos sistemas elétricos pode tornar-se
viável com a utilização da eletrônica de potência que permitem ações de chaveamento e controle
das grandezas elétricas antes limitadas pela atuação de componentes eletromecânicos [7]. Dessa
forma, o estudo da compensação de reativos, explorando adequadamente as inovações
tecnológicas da eletrônica de potência, poderá aumentar o desempenho dos SEP em suas
condições dinâmicas de operação, a continuidade e a confiabilidade do mesmo.
42
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