SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO DE REGULADORES DE TENSÃO

SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO DE REGULADORES DE TENSÃO A NÚCLEO
SATURADO VIA ATPDRAW: ANÁLISE DE UM CASO REAL EM 34,5 kV
João Areis F. Barbosa Jr., José Carlos de Oliveira, Thiago V. da Silva,
Isaque N. Gondim, Fabricio P. Santilio, Arnulfo B. de Vasconcellos, Jackson M. Pacheco
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica-NQREE, Campus Santa Mônica, Uberlândia-MG,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Resumo – O presente trabalho tem como objetivo
apresentar aspectos relacionados com a modelagem e,
ainda, estudos computacionais sobre o desempenho de
um compensador estático à núcleo saturado (CERNS) na
regulação da tensão em alimentadores de transmissão e
distribuição. O modelo desenvolvido para o referido
equipamento foi implementado na plataforma ATP, que
emprega técnicas de simulação no domínio do tempo.
Utilizando o recurso computacional disponível, são então
conduzidas atividades investigativas sobre o desempenho
de um sistema de transmissão típico de 34,5 kV, sem e
com a inserção do equipamento em pauta, buscando
destacar a eficácia da modelagem empregada e do
compensador no sentido da estabilização dinâmica da
tensão sob distintas condições operativas impostas.
Palavras-Chave – Compensador Estático de Reativos,
Reator a Núcleo Saturado, Modelagem, Regulação de
Tensão, ATP.
A ATPDRAW PERFORMANCE
SIMULATION OF SATURATED CORE
REACTORS: A 34,5KV REAL ANALYSIS
CASE
Abstract – This paper presents modeling analysis and
computational simulation of reactive static compensators
utilizing a combination of a saturated core reactors and a
fixed capacitor bank (SCRSC). The proposed equipment
model was developed using the time domain ATPDraw
platform. Using the obtained model, a performance
analysis is carried out aiming at evaluating a 34.5kV
transmission network behavior subjected to voltage
variation due to a sudden load change, with and without
the presence of the specified equipment.
1
Keywords – Static VAr Compensator, Saturated Core
Reactor, Modeling, Voltage Compensation, ATP.
I. INTRODUÇÃO
A preocupação com a manutenção da qualidade da energia
elétrica dentro dos padrões considerados aceitáveis é um dos
temas mais abordados nos dias de hoje. A demanda crescente
da potência dos sistemas elétricos tem levado os especialistas
a tratar o controle da potência reativa e da tensão com mais
rigor, principalmente em sistemas elétricos com
características radiais e sazonais. Uma das singularidades
destes sistemas está nas dificuldades inerentes à regulação de
tensão junto às barras de consumo, tanto em regime
permanente como sob condições transitórias e dinâmicas.
Na operação em vazio ou em carga leve, vigente por
ocasião das energizações ou como conseqüência das
rejeições de carga podem produzir elevações na tensão das
barras que superam os valores pré-definidos pelos órgãos
reguladores. Por outro lado, quando funcionando na
plenitude da carga, muitas vezes registra-se um
comportamento inverso, ou seja, uma redução drástica da
tensão. Dentre os indicadores de qualidade ressalta-se a
questão dos níveis da tensão de suprimento, conforme
determinado pela Resolução 345 da Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL), de 16 de dezembro de 2008
(reeditada em 01 de Janeiro de 2011 pela resolução
424/2010). Esta regulamentação, que em seu Módulo 8, trata
do serviço no que tange as faixas de classificação de tensões
de regime permanente. Este documento estabelece que,
sistemas alimentados com tensão nominal superior a 1 kV e
inferior a 69 kV, sob condições normais, não podem operar
com variações de tensões que excedam +5% / -7% do valor
contratado. Objetivando a conformidade dos padrões de
tensão, uma das soluções mais comuns encontra sustentação
na compensação de reativos. De fato, esta é uma prática
comum entre as concessionárias responsáveis pela geração e
transmissão de energia elétrica, valendo-se, para tal, de
diversos expedientes, cada um com características e
indicações específicas. Nestas situações, dentre a diversidade
de opções existentes, emerge o emprego de um dispositivo de
um princípio já bastante difundido na engenharia elétrica,
qual seja, o emprego de dispositivos compensadores
baseados na saturação magnética de reatores composto
também por bancos de capacitores em paralelo. Um dos
pontos de maior importância deste produto refere-se, além
dos custos e simplicidade, em sua capacidade de promover
um controle de tensão de forma intrínseca ao seu princípio
construtivo e promover um processo dinâmico de regulação
da tensão com tempos de respostas extremamente atrativos.
Focando, pois o emprego destes equipamentos, este artigo
tem por objetivo apresentar os fundamentos empregados para
a modelagem do mencionado compensador na interface
ATPDraw do simulador ATP e, através da análise de
desempenho deste dispositivo no processo da regularização
da tensão de um alimentador típico em média tensão,
ressaltar as potencialidades da estratégia em pauta. O sistema
utilizado corresponde a uma linha típica, localizada na
Cidade de Primavera – MT. As investigações têm por
propósito a avaliação da eficácia do compensador estático
tipo reator à núcleo saturado, e seus impactos junto ao
referido sistema estudado.
uma região de domínio do efeito indutivo (tensões
superiores) e outra do domínio capacitivo (tensões
inferiores).
II. FUNDAMENTOS E CARACTERÍSTICAS
OPERATIVAS DO COMPENSADOR ESTÁTICO A
REATOR À NÚCLEO SATURADO
Os princípios básicos e características de funcionamento
do compensador estático tipo reator a núcleo saturado, assim
como o seu modelo físico e correspondente diagrama de
blocos para a simulação computacional constituem-se em
temas tratados em [1]-[4] motivo pelo qual dispensa-se
maiores atenções à tais questões, a não ser por uma síntese
do funcionamento do dispositivo.
A estrutura geral do compensador em questão encontra-se
sintetizada na Fig. 1. A característica (V x I) de um reator
saturado permite constatar que, na sua região não-saturada,
sua indutância é alta e a respectiva corrente absorvida da rede
é pequena. Assim que a saturação é atingida, a indutância é
diminuída e, por conseguinte, a corrente associada é
incrementada, assim como a potência reativa absorvida.
Desta maneira, baseado em princípios aplicáveis aos
circuitos elétricos, constata-se que, quando da ocorrência de
elevações da tensão, o reator a núcleo saturado pode ser
empregado para a regulação desta grandeza, observadas as
limitações impostas por um estatismo natural à inclinação da
curva indicada. Com a inclusão de um capacitor paralelo
(CP) o arranjo passa a apresentar propriedades operacionais
no sentido de absorver ou fornecer potência reativa, agindo,
desta forma, como compensador da regulação da tensão
quando da ocorrência de uma elevação ou redução da tensão
do barramento.
Fig. 2. Característica V x I do compensador estático à reator
saturado.
III. IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONAL DO
REATOR SATURADO NO SIMULADOR ATP
O modelo do reator saturado twin-tripler no simulador
ATP, implementado via interface gráfica ATPDraw, utiliza
como base o modelo de um transformador saturável trifásico
(transformers-saturable 3 phase) existente no programa. Isto
se fundamenta, sobretudo, nas similaridades construtivas
entre o reator e o transformador. Este modelo leva em
consideração as características elétricas dos enrolamentos,
tais como: resistências e indutâncias de dispersão, e ainda, as
características do núcleo, na forma da curva de magnetização
do equipamento, fluxo concatenado versus corrente (λ x i).
Cada coluna magnética do reator é representada por um
elemento monofásico, de três enrolamentos, com as mesmas
características elétricas e de magnetização de uma das fases
do transformador trifásico escolhido como base, onde dois
enrolamentos são destinados à representação dos
enrolamentos principal e auxiliar (Np e Na) do RNS,
enquanto o terceiro enrolamento pode ser utilizado para a
devida representação das perdas ativas do equipamento.
Assim foi criado um cartão no formato Data Base Module
(DBM), extensão inerente ao ATP, para representar as
características elétricas dos enrolamentos principal e auxiliar,
de cada uma das colunas do reator, assim como a curva
característica de magnetização da referida coluna. A Fig. 3
ilustra o arquivo criado para a representação de cada coluna
magnética do equipamento.
Fig. 1. Diagrama Unifilar do Compensador.
Na Fig. 1:
v(t) – tensão nos terminais do compensador;
i(t) – corrente total associada com a operação do
compensador;
iC(t) – corrente no capacitor paralelo;
iRNS(t) – corrente no reator saturado;
CP – capacitância do banco paralelo.
A Fig. 2, por sua vez, fornece a curva (V x I) de
desempenho global do equipamento assim obtido. Esta revela
Fig. 3. Arquivo DBM, representativo das características elétricas
e da curva de magnetização de uma das colunas do RNS.
A partir do arquivo DBM foi criado um novo componente
na interface gráfica ATPDraw, que representa as
características elétricas e magnéticas de uma das colunas do
RNS. A Fig. 4 (a) ilustra o resultado final associado com o
referido componente na interface ATPDraw. Isto foi
realizado através do emprego da rotina New sup-file existente
no programa. A Fig. 4 (b), por outro lado, mostra o
componente criado.
Fig. 5. Diagrama unifilar do sistema simulado.
(a)
(b)
Fig. 4. Componente criado na interface ATPDraw – RNS.sup.
Uma vez elaborado o componente (RNS.sup),
representativo de uma das colunas do reator, procede-se, na
sequência, a interligação dos enrolamentos do reator a
núcleo saturado objetivando atingir a estrutura física do twintripler. Este, em consonância com [1]-[6], constitui-se num
arranjo formado por dois núcleos independentes constituídos
por três colunas magnéticas cada. Cada coluna apresenta dois
enrolamentos concêntricos, sendo um principal (Np) e outro
auxiliar (Na). Os enrolamentos são interligados na forma zigzag, em série, perfazendo no final uma conexão estrela
flutuante. Vale ressaltar que, embora o modelo de
transformador trifásico presente no ATP não possua
acoplamento magnético entre as fases, o arranjo elétrico
utilizado para a interconexão dos enrolamentos do reator
saturado twin-tripler, acaba contribuindo para o acoplamento
magnético entre as fases, tendo em vista que a corrente de
cada fase percorre os enrolamentos de diferentes colunas do
reator, produzindo assim forças eletromotrizes que juntas
representam o principio de funcionamento esperado para o
referido equipamento.
IV. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA SIMULADO
O sistema considerado está associado com uma linha de
transmissão de 34,5 kV da rede CEMAT, no norte do estado
do Mato Grosso. Inicialmente observa-se que, sob condições
de carregamentos normais, esta linha apresentava uma série
de problemas relacionados com a operação com tensões
inferiores aos limites permitidos. Para correção do problema,
um banco de capacitores foi instalado, todavia, quando do
desligamento de um grande conjunto de equipamentos de
irrigação, fato este comum em períodos das chuvas e
entressafras, a linha experimentava expressivas elevações de
tensão. Os fenômenos aqui relatados poderiam ser
compensados através de distintos dispositivos destinados a
tal fim. Para os objetivos deste trabalho optou-se pela
solução do problema através da instalação de um regulador
fundamentado na composição de reator saturado operando
em paralelo com um banco de capacitores. Isto determinou,
pois a utilização do já denominado regulador identificado por
CERNS, o qual foi instalado no barramento 3 do diagrama
unifilar do sistema elétrico simulado, sendo este ilustrado
através da Fig. 5.
Objetivando a análise de desempenho do compensador, os
estudos focados no presente artigo estão diretamente
atrelados com fenômenos de elevações e afundamentos
momentâneos de tensão. Indiscutivelmente, se o
equipamento apresentar um desempenho de regulação
satisfatório para tais fenômenos, por conseguinte, a
compensação das variações de tensão de longa duração serão
mais facilmente concretizadas.
Para as condições impostas, quando da elevação da tensão,
o dispositivo deverá atuar no sentido de promover absorção
de reativos através da operação do reator sob condições
saturadas. Contrariamente, quando da ocorrência de
eventuais afundamentos, o reator passa a funcionar sob
condições não saturadas e o banco de capacitores assume o
domínio do processo.
As principais informações elétricas referentes ao sistema
elétricos sob análise encontram-se disponibilizados na Tabela
I. Vale observar que os parâmetros definidos para o reator e o
banco de capacitores foram obtidos por procedimentos
clássicos que culminam pela caracterização dos valores das
potências reativas necessárias ao enquadramento das tensões
aos padrões requeridos.
TABELA I
Dados do Sistema
Dados
Carga
Extensão da
linha
Reator TwinTripler
Banco de
Capacitores
Potência
(MVA)
8,0
Fator de
Potência
0,92
Tensão
(kV)
34,5
Potência
(MVAr)
-
Distância
(Km)
-
-
-
-
76
-
-
34,5
3,0
-
-
-
34,5
2,8
-
-
V. ESTUDOS COMPUTACIONAIS
Com base no sistema elétrico apresentado, os estudos
computacionais são realizados para duas condições
operativas básicas:
 Alimentador sem a presença do compensador;
 Alimentador com a presença do compensador
completo.
Além disso, também são avaliadas questões associadas
com a potência absorvida e com as distorções harmônicas
produzidas pelo compensador em questão.
A. Alimentador sem a presença do compensador
A Fig. 6 evidencia o desempenho da Barra 3 quando da
manifestação de fenômenos que conduzem a uma elevação
momentânea de tensão (valor nominal de 34,5 kV), quando
da ausência do compensador em foco. Nesse sentido, em
t=3s é provocada a ocorrência de tal evento, com a retirada
de 75% da carga total presente no sistema, isto é, daquelas
indicadas para os três barramentos supridos pelo alimentador
em questão. Inicialmente, com carga nominal, o valor da
tensão era de 31,94 kV, ou seja 7,4% abaixo da tensão
nominal da linha. Com a retirada de 75% da carga, ocorreu
uma elevação para 35,42 kV, com duração de 3,0 segundos,
2,6% acima de 34,5 kV. Tais resultados demonstram que
com operação em carga nominal, a tensão já se encontra
originalmente abaixo do limite estabelecido pela legislação.
Os perfis das tensões entre fases do barramento 3, durante
todo o intervalo de simulação (entre 0,0 e 9,0s), proveniente
de tais manobras são evidenciados a seguir.
Fig. 6. Tensões entre fases na Barra 3 - alívio de carga - sem
compensação.
As Figs. 7 (a) e (b) ilustram, respectivamente, detalhes das
tensões para 2 (duas) condições específicas do
funcionamento do sistema, uma associada com o que se
denominou por situação inicial, e outra, sob a ação do alívio
repentino da carga.
B. Alimentador com a presença do compensador completo
Desta feita, com a presença do compensador de reativos
completo, isto é, com a unidade capacitiva operando de
forma simultânea com o reator saturado, os estudos
anteriores foram refeitos. Em t=3 s é provocada a redução de
75% da carga e, como decorrência disto, o valor da tensão,
que era de 33,0 kV (4,4% abaixo da nominal) foi elevado
para aproximadamente 34,5 kV, permanecendo nesta
condição durante 3,0 s, findo o qual a carga é restaurada ao
seu valor original.
Os perfis das tensões entre fases do barramento 3, durante
todo o intervalo de simulação (entre 0,0 e 9,0s), podem ser
visualizados na Fig. 10.
Fig. 10. Tensões entre fases na Barra 3– alívio de carga – com a
presença do CERNS.
As Figs. 11 (a) e (b) ilustram, respectivamente, detalhes
das tensões para as duas condições impostas para o
funcionamento do sistema, uma associada com o que se
denominou por situação normal e outra sob a ação do alívio
repentino da carga.
(a) Intervalo I - com carregamento normal
(a) Intervalo I - com carregamento normal
(b) Intervalo II – com alivio de 75% da carga
Fig. 7. Tensões entre fases na Barra 3 – sem compensação.
(b) Intervalo II - com alivio de 75% da carga
Fig. 11. Tensões na Barra 3 - com a presença do CERNS.
Para uma maior compreensão sobre a solicitação de reativo
provocada pelo reator a núcleo saturado, a Fig. 12 mostra a
corrente total na barra 3 sob condições nominais de operação
e quando da solicitação de potência reativa devido a rejeição
de carga de 75%. A Fig. 13 (a) e (b) ilustra especificamente a
corrente no reator a núcleo saturado quando a carga esta sobe
as mesmas condições de operação.
Visando oferecer informações atreladas com a operação do
compensador propriamente dito, a Fig. 14 representa a
potência reativa total vinculado com o funcionamento do
compensador de reativos contendo as suas unidades
capacitiva e reativa - CERNS durante todo o intervalo de
simulação compreendido (entre 0,0 e 9,0s).
(a) Intervalo I - com carregamento normal
(b) Intervalo II – com alivio de 75% da carga
Fig. 12. Correntes na Barra 3 - com a presença do CERNS
(b) Intervalo II – com alivio de 75% da carga
Fig. 13. Correntes na barra 3 que alimentam o CERNS.
Fig. 14. Potência Reativa no Reator Linear - com carga pesada e
com carga leve.
A partir dos resultados, pode-se verificar que a potência
reativa, inicialmente de 1,46 MVAr, foi elevada para 3,67
MVAr, durante a retirada de 75% da carga, fato este que
determinou uma elevação de aproximadamente 150% da
potência absorvida. A potência reativa retoma o seu original,
apenas quando a carga é restaurada, a partir de t6,0s.
Muito embora o reconhecimento da eficácia do processo da
regulação é importante observar que, devido a sua
característica não-linear, o reator saturado se apresenta,
quando de sua operação nos termos aqui definidos, com um
expressivo conteúdo harmônico. Diante das condições supra
definidas, o compensador, como um todo, absorveu da rede
uma corrente predominantemente indutiva, com uma
distorção total de cerca de 24% para carga nominal e 21,9%
para carga leve. A título de exemplificação, as Fig. 15 e 16
ilustram os resultados obtidos para as correntes harmônicas
da fase A, onde se constata a marcante presença do 11°
harmônico, como seria esperado.
(a) Intervalo I - com carregamento normal
Fig. 15. Espectro harmônico da corrente na linha A - carga
nominal.
Fig. 16. Espectro harmônico da corrente na linha A - carga leve.
No que tange a questão dos impactos das distorções de
corrente sobre a tensão nos terminais do compensador, esta
passa a apresentar, para as duas condições operacionais
postuladas, os resultados ilustrados nas Figs. 17 e 18. Estes
permitem constatar que a distorção harmônica total de
tensão, que era de 1,3% para carga nominal, quando do alivio
da carga suprida, a referida grandeza foi para 2,6%. Este
valor é compatível com as recomendações aplicáveis [7].
Fig. 17. Espectro harmônico da tensão no barramento 3 - carga
nominal.
Fig. 18. Espectro harmônico da tensão no barramento 3 - carga
leve.
VI. CONCLUSÕES
Este artigo teve por foco principal ressaltar o
desempenho operacional de um sistema elétrico da
CEMAT, sob duas condições de carregamento, e a
eficácia de um processo de compensação de reativos
utilizado para compatibilizar as tensões aos padrões
exigidos. As bases físicas que norteiam o dispositivo
regulador à núcleo saturado, os fundamentos para sua
modelagem no ATP e as avaliações do funcionamento da
rede, com e sem a inserção do CERNS, foram explorados
e os resultados computacionais obtidos enfatizaram que o
produto se mostra altamente eficiente para os fins aqui
almejados. Adicionalmente, visando esclarecer sobre os
conhecidos impactos sobre as distorções harmônicas,
foram também avaliados os níveis de distorção quando do
funcionamento do compensador conectado ao alimentador
adotado para os trabalhos. Do exposto, ficou demonstrada,
mais uma vez, que o CERNS se apresenta como uma
estratégia alternativa apropriada e uma tecnologia
promissora e atrativa sob os pontos de vista técnicos e
financeiros.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. B. Vasconcellos, “Modelagem, Projeto e
Construção de Compensadores Estáticos Tipo Reator
à Núcleo Saturado para melhoria da Qualidade da
Energia: Análise Computacional e Validação
Experimental”, tese de doutorado, Universidade
Federal de Uberlândia, Uberlândia-MG, Brasil, 2004.
[2] J. C. Oliveira, A. B. Vasconcellos, R. Apolônio,
“Compensador Estático a Reator Saturado: Geração
Harmônica Sob Condições Ideais e Não Ideais de
Suprimento”, V SBQEE, Aracaju-SE, Brasil, Ago.
2003.
[3] J. C. Oliveira, A. B. Vasconcellos, R. Apolônio;
“Análise do Desempenho Dinâmico de um
Compensador Estático a Reator a Núcleo Saturado”;
VI SBQEE, Aracaju-SE, Brasil, Ago. 2005.
[4] J. C. Oliveira, A. B. Vasconcellos, R. Apolônio;
“Saturated Core Reactor Static Compensator:
Computational Analysis Versus Experimental” (in
Portuguese), XV CBA, Gramado-RS, Brazil, Sep.
2003.
[5] M. A. Carvalho; “Application of Saturated Reactors in
Systems of Transmission” (in Portuguese), XIII
SNPTEE, Camboriú-SC, Brazil, Oct. 1995.
[6] E. Friedlander, K. M. Jones; “Saturated reactors for
Long Distance Bulk Power Lines”; Electrical Review,
pp 940 – 943, Jun. 1969.
[7] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. –
Resolução Normativa nº 424/2010 – PRODIST
Módulo 8.