Controles para Sistema em Corrente
Contínua - CCAT
Controles para Sistema em Corrente Contínua - CCAT
Disciplina: Transmissão de Corrente Contínua
Professor: José Eduardo Telles Villas
Alunos:
• André Lima
• Felipe Gomes
• Felipe Souza
• Gustavo Soares
• Júlia Potratz• Marina Calegari
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Sistemas de Transmissão em Corrente Contínua
Linhas de transmissão 600 HVDC e 765 kv da Usina
de Itaipu
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• Circuito Equivalente de um Sistema CAAT – CCAT
- Tensão Interna no Retificador
- Tensão Interna na Inversora
- Resistência no lado da retificadora
VdR
Vdi
Rd
- Resistência no lado da inversoraRi
- Indutância no lado da retificadoraLd
- Indutância no lado da inversoraLiFig. 1: Circuito equivalente da linha CC, incluindoo efeito capacitivo da linha e do efeito das
resistências e indutâncias dos reatores de
alisamento dos lados do retificador o do inversor
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• Circuito Equivalente de um Sistema CAAT – CCAT
Fig. 2: Representação básica de um sistema CCAT
- Resistência de comutação do retificador
- Resistência de comutação do inversor
- Resistência da linha CC
Rcr
Rci
Rl
- Soma das resistências dos reatores
de alisamentoRA
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• Circuito Equivalente de um Sistema CAAT – CCAT
A Corrente na linha CC, durante o regime permanente, é dada pela diferença
entre a tensão no retificador e a tensão do inversor , dividida pela resistência Rd.
Considerando-se Rd constante, o controle de tensão das linhas CC poderão ser
controladas unicamente por variações nas tensões internas do retificador e/ou do
inversor.
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• Existem dois meios básicos para controle de um Sistema de
Transmissão em Corrente Contínua:
→ Mudança no tape dos transformadores dos conversores para
compensar possíveis variações na rede CA.
→ Alterações do ângulo de disparo (α) para o retificador e o ângulode extinção (γ) para o inversor.
Meios Básicos de Controle e Velocidades de Controle
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→ Mudança nos Tapes dos Transformadores nas subestações
Meios Básicos de Controle e Velocidades de Controle
▪ O tempo de mudança gira
em torno de 5 a 6 segundos
por estágio.
▪ Utilizado como ação
complementar no controle
dos sistemas CCAT.
Fig. 3: Diagrama de um
transformador de tape variável.
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→ Alterações do ângulo de disparo (α) para o retificador e o ângulo de
extinção (Y) para o inversor.
• A variação desses ângulos é feita por meio de um Sistema de
Geração de Pulsos.
• O tempo para a variação dos ângulos (a) e (Y) vai de 1 a 10ms.
• Utilizado como ação rápida no controle dos sistemas CCAT.
Meios Básicos de Controle e Velocidades de Controle
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• A tensão média CC varia em função do ângulo de disparo α :
ângulo de disparo → valor médio da tensão
Característica Básica de Operação
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ângulo de disparo > 90º → Tensão CC média > 0O conversor atua como retificador
ângulo de disparo = 90º → Tensão CC média = 0O conversor opera a circuito aberto
ângulo de disparo < 90º → Tensão CC média < 0O conversor atua como inversor
Característica Básica de Operação
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Abaixo nota-se o exemplo de comutação do conversor para operação como
inversor
Característica Básica de Operação
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• Um ponto muito importante a se considerar é a qualidade da energia
que está sendo transmitida e, posteriormente, distribuída aos
consumidores.
• A realização do controle de um sistema de transmissão em corrente
contínua está ligado diretamente à qualidade e ,
consequentemente, aos níveis de tensão e corrente. Pois esse
controle promove a eliminação e/ou atenuação das distorções
harmônicas presentes no sistema.
Observações: Sistemas de geração de pulsos
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→ Tipo de modulação para os sistemas de geração de pulso
• Modulação por onda quadrada simples
• Modulação por largura de pulso (PWM)
• Modulação com eliminação seletiva de harmônicos
Observações: Sistemas de geração de pulsos
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Variação da tensão no meio da linha de corrente contínua em função da
corrente Id, para diferentes níveis de tensão CA.
Controle Manual
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• A analise é feita com base na regulação de tensão no meio da linha CC
• Inclinação da reta tensão-corrente é negativa (equação de Vd) para o
retificador
• O efeito da reatância de comutação faz com que a inclinação da reta
tensão-corrente no inversor seja positiva.
Controle Manual
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• Se controla a corrente Id ou a potência CC em um dos terminais do elo
(Pdr no retificador ou Pdi no inversor)
• Normalmente fixa-se o valor da potência de transmissão através do
elo no lado do retificador (Pdr).
• Para um controle de tenção CC pode-se fixar Vdi (tensão interna no
inversor), considerando uma baixa queda de tensão, a corrente CC
também é controlada.
Controle Manual
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▪ Limitação da Corrente CC máxima, evitando danos nas válvulas e
demais dispositivos
▪ Limitação das flutuações das correntes (Id)
▪ Manutenção do fator de potência alto
▪ Minimização da possibilidade de falhas de comutação no inversor
pela fixação dos ângulos mínimos de extinção
▪ Fixação do ângulo de disparo para minimizar falhas de disparo
nos tiristores do retificador.
Características desejadas para o Sistema de Controle
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Os sistemas de controle de um elo CC contém as seguintescaracterísticas:
• Alta complexibilidade
• Necessidade de malhas de controle
• Coordenação por controle hierárquico
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Configuração hierárquica típica
de controle de uma estação
conversora operando como
retificador em um sistema CCAT
constituído de um bipolo.
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Os níveis hierárquicos são:
• Controle do Bipolo
• Controle de Polos
• Controle de Conversores
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Controle do Bipolo
• Função principal: produzir a ordem das correntes (Iord) para os
Controles de Polo
• Formas de controle do bipolo:
• Controle de potência constante
• Controle de corrente constante
• Melhor opção (segundo o CCAT): controle de potência constante
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Controle do Bipolo
• Controle de potência constante
- Realizado através do cálculo da corrente de ordem
computando-se a potência de ordem recebida do Despacho
Central e a tensão CC medida em um dos conversores do elo.
- O valor da ordem de corrente Iord não é um valor estático,
pois está sujeito a variações impostas pelo controle de
potência constante.
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Figura: Diagrama de Blocos Típico de um controle do Bipolo
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Controle do polo
• Com a ordem de corrente (Iord) definida ocorrem os seguintes
passos:
• Os Controles de Polo no retificador e no inversor processam o
sinal e geram um sinal de tensão proporcional (tensão de
controle) ao erro de corrente.
O novo sinal é enviado aos Controles das Pontes Conversoras
Hierarquia do Controle de Elos CCAT
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Controle do polo
• Este conjunto pode ser divido em dois blocos, quais sejam:
• CCC – Controle de Corrente Constante
• VDCOL.- Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão
CCC – Controle de Corrente Constante
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• Elemento central do sistema de controle do elo CCAT
• Controla a corrente transmitida pelo elo (regulador de corrente)
• O sinal de entrada é dado pelo erro da corrente existente na
ordem de controle da retificadora.
• Um sinal é gerado e enviado aos controles das pontes
conversoras (altera o ângulo de disparo das válvulas de tiristores)
CCC – Controle de Corrente Constante
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A função de transferência do CCC deve possuir as características
dinâmicas necessárias para um bom desempenho do sistema de
controle. Atualmente são utilizadas funções de transferência do tipo PI
(Proporcional-Integral).
CCC – Controle de Corrente Constante
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Figura: Diagrama de Blocos e Função de Transferência do CCC
CCC – Controle de Corrente Constante
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• Diferenças entre regulador CCC em retificadores e inversores:
• Limite de ângulo de disparo máximo (α)
• Inversor – Valor dinâmico (ângulo de extinção deve ser
mínimo)
• Retificador – Valor estático
CCC – Controle de Corrente Constante
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• Os limites inferiores do CCC (α min)
• Inversor – a princípio estático
• Retificador – a princípio estático (pode variar se o controlador
AML estiver ativo)
Obs.: Limitador de Alfa Mínimo (AML)
VDCOL – Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão (VoltageDependent Current Order Limiter)
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• É um limitador que altera a ordem da corrente quando ocorre uma
redução da tensão CC
• Evita colapsos de tensão CA na recuperação de faltas CC ou CA.
• É basicamente uma tabela ajustada para uma região de
operação considerada anormal.
• Entrada: valor de tensão CC (VdcI) medido nos conversores.
• Fator multiplicativo kr (para o retificador) e ki (para o inversor)• O fator é aplicado à corrente de ordem advinda do controle do bipolo.
• Resulta em uma nova ordem de corrente a ser controlada pelo CCC.
VDCOL – Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão (VoltageDependent Current Order Limiter)
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Observação
• O VDCOL tem uma atuação bem definida para grandes distúrbios
do sistema. Para situações de decréscimo ou elevação gradual na
tensão medida, faz-se necessário um cuidado adicional a fim de
limitar a sua atuação.
VDCOL – Limitador da Ordem de Corrente Dependente da Tensão (VoltageDependent Current Order Limiter)
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• Quando a tensão CC é crescente:
• O sistema está se recuperando de uma falta
• Limita-se a taxa de crescimento da corrente de forma a evitar
uma possível falha de comutação no inversor.
• Procedimento realizado introduzindo um atraso adicional no
circuito de medição da tensão ajustando-se as constantes de
tempo Tc e Td, de forma a Tc ser, aproximadamente, 10 vezes
maior que Td.
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Diagrama de Blocos do VDCOL
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• O controle se baseia no método da margem de corrente
(modo normal e reduzido)
• Modo normal de operação
• Ângulo de extinção (Y) do inversor ajustado para o valor mínimo
• O inversor ajusta a tensão da linha
• O ajuste da linha é realizado por comutadores sob carga dos
transformadores da conversora do conversor.
Controle da Pontes Conversoras
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• Modo reduzido de operação
• Corrente controlada pelo retificador, por meio de um sistema de
controle de corrente em malha fechada
• Compara-se a corrente de linha com uma corrente de referência
• O erro da corrente agirá, excitando o controle do ângulo de
disparo da retificadora, ajustando o mesmo.
Controle da Pontes Conversoras
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Em caso de quedas acentuadas de tensão:
• Para o retificador o limite de tensão é alcançado com facilidade.
• O controle de corrente passa a ser realizado pelo inversor através
da elevação do ângulo de extinção (Y).
Controle da Pontes Conversoras
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Controle da Pontes Conversoras
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A Figura abaixo mostra uma característica estática
simplificada, considerando a existência de α e γ mínimos. O
ponto de operação normal representado na figura é a
interseção dos segmentos de reta.
Controle da Pontes Conversoras
VdRetificador
a mínimo
Inversor
g mínimo
Ponto de Operação
Id 0 Id
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Quando a tensão CA do lado inversor
subitamente atinge valores maiores que a
tensão CA do lado retificador, o controle do
retificador atua no sentido de diminuir o
ângulo de disparo e de manter a corrente
de ordem. No entanto, caso o ângulo a
atinja seu valor mínimo e a tensão CC do
inversor continue maior do que a do
retificador, a corrente, e portanto a
potencia transmitida, decairá a zero, poisnão haverá ponto de operação possível. A
Figura abaixo exemplifica esta condição.
Controle da Pontes Conversoras
Vd
g mínimo
a mínimo
Id
0
Id
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De maneira a evitar a condição apresentada
anteriormente, o inversor é equipado com
um controlador de corrente idêntico ao do
retificador. No entanto, o controle do inversor
tem a sua corrente de ordem ajustada paraum valor mais baixo, de forma que, na
operação normal, este controlador não atue.
A diferença entre as ordens de corrente no
retificador e inversor é denominada margem
de corrente (Did) e situa-se normalmente em
torno de 10% da corrente nominal da linha.
Controle da Pontes Conversoras
VdRetificador
a mínimo Inversor
g mínimo
Ponto de Operação
Did
Id0i Id0r Id
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Em determinadas condições desfavoráveis do sistema, o
ângulo α do retificador pode ser levado ao valor mínimo pelo
controle. Isto indica que há necessidade de se aumentar ainda
mais a tensão CC do retificador para manter a corrente
constante. Quando este ângulo fica preso no valor mínimo, a
resposta natural do elo CCAT é ter a sua corrente diminuída.
Ao cair abaixo do valor de ordem de corrente do inversor, o
controle deste atuará no ângulo de disparo do inversor e,
conseqüentemente no respectivo ângulo de extinção. A
tensão CC será diminuída, através do aumento de γ,
mantendo assim a diferença de potencial necessária para a
transmissão desejada.
Neste novo modo de operação do elo CCAT, conhecido como
modo de operação de tensão reduzida, tem-se o inversor
controlando a corrente enquanto o retificador é mantido em
seu ângulo mínimo de disparo (αmin). A Figura exemplifica este
modo de operação na característica estática.
Controle da Pontes Conversoras
Vd
Retificador
a mínimoInversor
g mínimo
Ponto de Operação
Did
Id0i Id0r Id
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Consideremos a equação abaixo:
Xc = Xt + Xs
Onde:
Xc = Reatância de ComutaçãoXt = Reatância do Transformador
Xs = Reatância equivalente do sistema CA
Nesta composição deve-se aplicar um fator de ponderação à reatância
equivalente do sistema, de forma a se considerar que a queda de tensão
no lado CA ocorre em função da corrente livre de harmônicos, ou seja, na
freqüência fundamental.
Controle da Pontes Conversoras
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Controle da Pontes Conversoras
Inclinações Dependem de X S
Id
Vd
Inversor fraco
Pontos de Operação Possíveis
Id
Retificador
Vd
Uma vez que as inclinações nas características dos conversores dependem desta
reatância, poderá ocorrer a situação em que o sistema CA do lado do inversor
apresente um alto valor de Xs, caracterizando um sistema fraco. Desta forma, passam
a existir três pontos de operação possíveis. O sistema CC fica oscilando entre os três
pontos de operação gerando uma condição de instabilidade.
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As características estáticas apresentadas são
passíveis de alterações constantes, uma vez que
novos modos de controle são adicionados ao elo de
acordo com a experiência acumulada. Novas
implementações foram incorporadas ao controle, tais
como o VDCOL (Voltage Dependent Current Order
Limiter), o CEC (Current Error Control), o AML (Alpha
Min Limiter). Apesar destas implementações não
serem padronizadas, a característica estática de um
controle real tem basicamente a forma da figura
abaixo. Cada segmento da característica estática
completa é o resultado da ação de um determinado
elemento de controle, cuja atuação está limitada a
uma faixa de operação pré-definida.
Controle da Pontes Conversoras
Vd
ARetificador
B Inversor
KC
L
JD
Ponto de
Operação
I
E
GH
DId
F
Id0i Id0r Id
CONTROLE DA PONTE CONVERSORA
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1. O Controle da Conversora recebe do Controle do Pólo o sinal de
tensão de controle, resultante do processamento do sinal de erro de
corrente pelo CCC.
2. Este sinal é então enviado ao VCO (Voltage Controlled Oscillator)
que produz os pulsos de disparo que são então distribuídos às
válvulas componentes da ponte conversora.
CONTROLE DA PONTE CONVERSORA
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3. Os instantes de liberação destes pulsos determinam o ângulo de
disparo da válvula, cujo valor foi definido pelos níveis
hierarquicamente superiores do controle.
4. O Controle da Conversora é também responsável pela limitação
dos ângulos de disparo.
CONTROLE DA PONTE CONVERSORA
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O controle da ponte conversora se divide em:
1. VCO – Oscilador Controlado a Tensão (Voltage Controlled
Oscilator)
2. CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )
3. AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)
4. Modulação Gama
VCO – Oscilador Controlado a Tensão (Voltage Controlled Oscilator)
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O VCO é um oscilador cuja frequência é dependente do CCC e sua função é
emitir um trem de pulsos para as válvulas conversoras de forma a manter o ângulo
de disparo desejado.
Diagrama de Blocos VCO
CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )
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Quando o sistema Ca do lado do inversor tem baixo valor de SCR (Short CircuitRatio)
• Sistema Fraco
• Passam a existir três pontos de operação (instabilidade dos Três Pontos)
Obs.: Para evitar a instabilidade dos três pontos basta alterar a característica
estática de operação do inversor através de uma ação de controle que torne
possível a operação do elo CC.
CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )
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O CEC é um controlador que se propõe a modificar a característica do inversor
através da inserção de uma região de transição, onde nem o retificador nem o
inversor controlam a corrente. Quando a corrente estiver entre Iordr e Iordi, o
controle altera ligeiramente o valor de γ de modo a encontrar um ponto de
operação possível para o sistema.
CEC – Controle de Erro da Corrente (Current Error Control )
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Diagrama de Blocos CEC
AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)
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• É o Controle de Polo do retificador
• Atua somente em situações de falta CA do lado do retificador
• A ação de controle associada a este regulador é dependente da tensão CA do lado do
retificador. Quando esta tensão cair abaixo de um determinado valor de referência
especificado, é gerado um erro de tensão que passa por um ganho e resulta em um sinal
a ser adicionado ao αmin normal de operação. O sinal proveniente desta soma passa a
ser o novo limite αmin adotado pelo regulador de corrente (CCC) do retificador.
AML – Limitador de Ângulo alfa mínimo (Alpha-Min Limiter)
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Diagrama de Blocos AML
Modulação de Gama
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Exemplo prático
SISTEMA DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA DE ±800 kV PARA REFORÇO À INTERLIGAÇÃO NORTE – SUDESTE ASSOCIADO AO ESCOAMENTO DA UHE BELO
MONTE
CONVERSORAS 500 kVCA/±800 kVCC NAS SUBESTAÇÕES XINGU e ESTREITO E LINHA DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA DE ±800 kV
Composição:
Estação Conversora CA/CC, ±800 kV, 4.000 MW, junto à SE 500 kV Xingu;
Estação Conversora CA/CC, ±800 kV, 3.850 MW, junto à SE 500 kV Estreito e
Linha de Transmissão em Corrente Contínua de ±800 kV Xingu - Estreito.
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Exemplo prático
CONTROLES DO ELO CC
O sistema de controle do elo CC deverá ser implementado com os seguintes níveis hierárquicos:
• Controle de nível hierárquico superior: Controle Mestre ou Controle de Estação
• Controle do Bipolo
• Controle de Pólos
• Controle de Conversores
Foto de um dos trechos da Linha de Transmissão em Corrente Contínua de ±800 kV
Xingu - Estreito.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• Requisitos Gerais
Os modos de controle de corrente e de potência devem estar disponíveis paratoda a faixa operativa.
Os controles dos conversores devem ser projetados para assegurar que nãoocorram mudanças de modo de controle devidas a variações de até 3% datensão nominal CA do sistema.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• Requisitos Gerais
O controle deve ser capaz de alterar, automaticamente, o modo de controle depotência para controle de corrente após perda da telecomunicação, problemasno suporte de reativos, proximidade de condições de instabilidade de tensão oufalha de comutação, retornando ao modo de controle de potênciaimediatamente após a estabilização do sistema.
O sistema deve ter um controle que use os comutadores de derivação em cargados transformadores conversores para auxiliar no controle das válvulas, otimizandoo uso de potência reativa, bem como a margem do ângulo alfa e o nominal degama.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• Tempo de Resposta
Considerando a possibilidade de operação do elo CC com fluxo de potência nos dois sentidos.
• O erro do controle de potência não deve ser superior a 1,5%.
• O erro do controle de corrente não deve ser superior a 0,7%.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• Tempo de Resposta
Em caso de recuperação após qualquer falta transitória, no lado CA, o elo CCdeve recuperar a potência transmitida para o valor de 90% daquela transmitidaantes da falta em, no máximo, 220 ms, sem posterior redução da potência.Durante o período de recuperação não deve ocorrer nenhuma falha decomutação. Estão incluídos nesse caso ,os religamentos com ou sem sucesso. Emcaso de faltas na linha CC, o sistema de controle deve restabelecer 90% dapotência que era transmitida antes do defeito, em 150 ms , sem incluir o tempo dearco e de ionização.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• INVERSÃO NO FLUXO DE POTÊNCIA NA LINHA CC
Os controles devem ser capazes de reverter o fluxo de potência do elo CC, que deve operar com qualquer potência entre a potência mínima e a capacidade de transmissão do elo CC , assim como nas condições de sobrecarga.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• LIMITADOR DE CORRENTE
O sistema de controle do elo CC deve ser provido de um limitador da ordem decorrente, dependente da tensão CC, para limitar transitoriamente a ordem decorrente no retificador durante abaixamento da tensão CC. Esse limitador deve serdimensionado com base nos estudos de sistema.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• CONTROLE DE DESBALANÇO DOS POLOS
O controle de desbalanceamento dos polos pertencentes ao controle da estaçãoconversora deve ser projetado para minimizar a corrente na linha do eletrodo. Acorrente de desbalanço entre polos da transmissão bipolar deve ser inferior a 1,5%da corrente nominal.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• TELECOMUNICAÇÃO
Falhas do sistema de comunicações não devem causar operação incorreta dosistema de controle do elo CC. Caso ocorra falha da comunicação entre asestações, a transmissão de potência deve ser mantida no mesmo nível existenteantes da falha. Durante falha de telecomunicação entre as estações, deve serpossível partir, operar e parar manualmente o elo da sala de controle local de umadas estações. Nesse caso, a comunicação entre os operadores das estaçõesconversoras é mantida por telefone ou por outro meio de comunicação.
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Exemplo prático
DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONTROLE DO ELO CC
• CONFIABILIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE
O sistema de controle deve ser duplicado e projetado para que um dos sistemaspossa ser mantido, testado ou reparado durante operação do elo CC, sem afetaresse sistema. A perda de um dos dois sistemas de controle não deve causardistúrbio na potência transmitida nem perda de um polo.
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Referências
• FERREIRA, José R. B. L., Transmissão em corrente contínua com conversor multinívelmodular em ponte semi-completa,www.pee.ufrj.br/teses/textocompleto/2014041501.pdf, acesso em 14 de janeiro de2019.
• CRUZ, Waldenir A. S., Efeito estabilizante de elo de corrente contínua na operaçãode sistemas de transmissão em corrente alternada,www.pee.ufrj.br/index.php/pt/producao-academica/dissertacoes-de-mestrado/2005-1/2005042602-2005042602/file, acesso em 14 de janeiro de 2019.
• Notas de aula do professor José Eduardo Telles Villas.
• SATO, Andre K. C., Transmissão de potência em corrente contínua e correntealternada: estudo comparativo,www.repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121076/000734882.pdf?sequence=1, acesso em 14 de janeiro de 2019.
• Psim, LLC Resonant Converter Design withScripting,https://powersimtech.com/applications/llc-resonant-converter/
• EDITAL DE LEILÃO NO 011/2013-ANEEL ANEXO6AB – LOTE AB- BIPOLO HVDC XINGU -ESTREITO CONVERSORAS E LT-CC XINGU - ESTREITO
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