Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Transcrição

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
Modelo do Bipolo 2 (ALSTOM) do sistema de transmissão CCAT do Rio
Madeira para os Estudos de Dynamic Performance no PSCAD
Fernando Cattan Jusan*
Guilherme Sarcinelli Luz*
Nagasesha Reddy**
* Eletrobrás Furnas
**Alstom Grid
RESUMO
Este artigo apresenta os modelos do sistema de controle do Bipolo 2 (ALSTOM GRID) do sistema de
transmissão associado ao complexo hidrelétrico do Rio Madeira utilizados nas simulações do estudo
de desempenho dinâmico (DPS – Dynamic Performance Study) no programa PSCAD. A
representação do sistema de controle CC no programa PSCAD constitui uma tradução fiel das funções
de transferência dos controles físicos reais da ALSTOM. O artigo apresenta a filosofia básica de
operação, bem como uma descrição detalhada das principais funções e estratégias de controle adotadas
nos terminais retificador e inversor. Por fim, são apresentados alguns resultados de simulações usando
o programa PSCAD para demonstrar o desempenho dinâmico global do sistema CCAT.
PALAVRAS-CHAVE
Elo CCAT, HVDC, PSCAD, Sistemas de Controle, Desempenho Dinâmico, Modelagem, Rio
Madeira.
1.
INTRODUÇÃO
O sistema de transmissão associado ao complexo hidrelétrico do Rio Madeira será composto por dois
bipolos de ±600 kV em CCAT (Corrente Contínua em Alta Tensão) com potência nominal de
3150 MW cada, interligando as subestações Coletora Porto Velho 500 kV (RO) e Araraquara-2
500 kV (SP), distantes cerca de 2400 km. O primeiro bipolo (BP01) será fornecido pela ABB,
enquanto o segundo bipolo (BP02) terá fornecimento da ALSTOM GRID. As diferenças tecnológicas
da transmissão CCAT dos dois fabricantes representam um desafio adicional ao projeto,
particularmente no que se refere ao desempenho dos sistemas de controle e proteção. Por este motivo,
modelos matemáticos detalhados e precisos destes sistemas são necessários para garantir a precisão
das simulações realizadas durante os estudos de projeto e de operação.
Este artigo apresenta os modelos do sistema de controle do BP02 utilizados nas simulações do estudo
de desempenho dinâmico (DPS - Dynamic Performance Study) com o programa PSCAD [1]. A
representação do sistema de controle CC no programa PSCAD constitui uma tradução fiel das funções
de transferência dos controles físicos reais da ALSTOM [2][3]. Os mesmos códigos fonte utilizados
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no modelo de simulação são utilizados nos controles físicos reais. O artigo descreve ainda a filosofia
básica de operação, bem como apresenta uma descrição detalhada das principais funções de controle
representadas nos terminais retificador e inversor. Por fim, são apresentados alguns resultados de
simulações usando o programa PSCAD para demonstrar o desempenho dinâmico global do sistema
CCAT.
2.
DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE CC
O sistema de transmissão CCAT do Madeira está sendo projetado para operar preferencialmente de
forma unidirecional, transmitindo potência da estação conversora Coletora Porto Velho 500 kV para a
estação conversora Araraquara 2 500 kV. O objetivo básico do sistema de controle CC é estabelecer e
manter um determinado nível de potência transmitida. Outros parâmetros dos sistemas CC e CA
podem ser controlados direta e indiretamente para aprimorar o desempenho do sistema de corrente
contínua e sua interação com as redes CA, mas estas funções são apenas suplementares à função
básica de controle de potência. O nível de potência requerido é obtido a partir de um passo
intermediário, no qual é determinada uma corrente de referência para o controle de corrente (ordem de
corrente). Em condições normais, o controle do retificador atua sobre o ângulo de disparo para manter
a corrente CC igual à ordem de corrente. O ângulo de disparo é mantido dentro de uma faixa préestabelecida em regime permanente (10°<αr <16,5°) através da variação dos tapes dos transformadores
conversores do retificador, que tem atuação lenta (alguns segundos). O inversor opera em controle
rápido da tensão CC coordenado com o controle lento de ângulo de extinção (γ i). O controle dos tapes
dos transformadores conversores do inversor atua para manter a tensão CC no retificador dentro de
uma faixa pré-estabelecida em regime permanente (592,5 kV<Vdcr<607,5 kV).
(a)
(b)
Figura 1 - Diagrama de blocos simplificado da filosofia básica de controle do Elo CCAT da
ALSTOM: (a) Retificador; (b) Inversor
Diferentes estruturas hierárquicas de controle podem ser empregadas em sistemas de transmissão
CCAT, dependendo da estratégia de controle desejada, do número de conversores envolvidos e de em
que nível os sistemas de telecomunicação são empregados. De uma forma geral, as ações de controle
em um determinado nível hierárquico são coordenadas pelo nível mais elevado seguinte. Os
parágrafos seguintes descrevem a estrutura de controle adotada para o sistema de transmissão CCAT
do Madeira.
O nível hierárquico mais elevado é representado pelo Controle Mestre, o qual é responsável por
funções de controle de estação e de sistema, tais como:

Re-distribuição de potência entre os bipolos e Back-to-Backs, utilizando as suas capacidades
de transmissão disponíveis, em caso de perda parcial de transmissão de potência pelo sistema
CCAT (perda de um ou mais pólos) – EAPD (Emergency Active Power Distribution);
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
Desligamento de unidades geradoras após perda de capacidade de transmissão de potência
pelo sistema CCAT para limitar variações de freqüência;

Redução de potência nos bipolos em operação (Runback) em função de saídas forçadas de
unidades geradoras e linhas de transmissão nos sistemas CA associados;

Ações sistêmicas de chaveamento de filtros CA para evitar auto-excitação de unidades
geradoras (MAX FILTER), limitar sobretensões (U-MAXIMUM) e controlar o intercâmbio de
potência reativa com os sistemas CA (Q-CONTROL);
O Controle Mestre é de responsabilidade do consórcio ETE (Bipolo 1) e, portanto, suas funções e
modelos não serão detalhados neste artigo. No nível abaixo do Controle Mestre encontra-se o nível de
Controle de Bipolo, responsável pelas seguintes ações:

Coordenação e distribuição da ordem de potência recebida entre os pólos do respectivo bipolo;

Definição de rampas e limites de potência;

Chaveamento de filtros CA para atender os requisitos de desempenho harmônico em função
do modo de operação e da potência transmitida (MIN FILTER) e para evitar sobrecarga
harmônica (ABS MIN FILTER);

Ação integral do controle de freqüência (CFC – Constant Frequency Control);

Balanço de corrente entre pólos para minimizar a corrente de retorno pela terra em condição
de operação bipolar normal.
As funções associadas ao Controle de Pólo são as seguintes:

Determinação e coordenação das ordens de corrente do retificador (IORDr) e do inversor (IORDi);

Limitador de sobrecarga de curta duração (STOL – Short-Time Overload Limiter);

Característica estática PORD x VORD;

Ação proporcional do controle de freqüência (PFC – Power-Frequency Control);

Amortecimento de oscilações eletromecânicas (POD – Power Oscillation Damping);
No nível abaixo do Controle de Pólo encontra-se o nível de Controle de Conversor, responsável pelo:

Limitador de corrente dependente da tensão (VDCOL – Voltage Dependent Current Limiter);

Controle de fase (Phase Control), que inclui:
 Loops de controle, que determinam a característica dinâmica e estática Vdc x Idc;
 PLO (Phase-Locked Oscillator);
 Distribuição dos pulsos de disparo, bloqueio e bypass do conversor (Ring Counter);
 Funções de modulação, tais como: Alpha Balancing e Gamma Balancing.

Controle de tape dos transformadores conversores
A seguir, são descritas as principais características das funções de controle mais relevantes para a
avaliação do desempenho dinâmico e transitório do sistema CCAT.
2.1
Controle de Potência do Pólo
O diagrama de blocos simplificado do controle de potência é mostrado na Figura 2. O sinal PORD
corresponde à ordem de potência proveniente do Controle de Bipolo, o qual contabiliza as variações
na ordem de potência impostas pelo Controle Mestre (EAPD, Run-back, etc.).
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Idcr
Vdcr
1
1  Ts
Power Trim
Pdcr
x
UpLim
PORDL
+
-

PORDL

N
(Ictrl)
+
D
PMIN
∆PFC
ISTOL
VORDL
IORD1
M
I
N
+

IORDr
Current Order
Coordination
IORDi
IORD
(Pctrl)
Control
Mode
(Pctrl/Ictrl)
VORD
VMAX
VMIN
IORD
LowLim
LowLim
PMAX = ISTOL*VORDr
VORD
ΔITRIM
TTR s
∆POD
PORD
UpLim
1
PERR
1.0
PORD
VORD x PORD
Figura 2 – Controle de potência do pólo
No controle de potência da ALSTOM, a ordem de corrente (IORD) é determinada dividindo-se a ordem
de potência (PORDL) pela ordem de tensão (VORDL):
P
IORD1  ORDL
(Eq. 1)
VORDL
Esta estratégia é adotada pelo fabricante para evitar o uso de lógicas associadas ao bloqueio de
conversores e condições de falta, necessárias quando IORD é calculada a partir da tensão CC medida. A
ordem de tensão é normalmente mantida em 600 kV, mas pode ser ajustada em qualquer valor entre
420 kV (0.7 pu) e 600 kV (1.0 pu) (em operação com Tensão Reduzida ou High Mvar). Para garantir
que não haja violação das capacidades nominais dos conversores, o valor máximo de V ORD é reduzido
automaticamente durante operação em sobrecarga (PORD>1.0 pu). A ordem de tensão é reduzida em
função da ordem de potência do pólo (característica estática VORD x PORD). A característica VORD x
PORD utilizada é mostrada na Figura 3. O Bipolo 2 foi dimensionado para sobrecargas de curta-duração
(5 segundos) de 1.5pu e de longa duração (30 minutos) de 1.33pu. Ressalta-se que estes limites se
referem a percentuais da potência CC nominal (3150 MW) e, como conseqüência da redução de V ORD,
temos IORD-5seg=1.574pu e IORD-30min=1.362pu.
Em virtude das discrepâncias práticas entre VORD e Vdc em regime permanente (devido a erros de
medição e a banda morta no controle de tape), podem ocorrer desvios entre a ordem de potência e a
potência CC medida (Pdcr). Para garantir que Pdcr seja igual a PORD em regime permanente, uma
função integral de ação lenta (TTR≈20s), denominada Power Trim, é introduzida para corrigir a ordem
de corrente quando Pdcr for diferente de PORD. Esta ação é suficientemente lenta para que o Elo CC
não seja visto pelo sistema como uma característica de impedância negativa durante transitórios, o que
é potencialmente instável.
A função Power Trim é submetida a limites internos (UpLim e LowLim) para garantir uma margem de
correção apropriada e ao mesmo tempo minimizar o impacto durante grandes perturbações. A função
Power Trim é congelada temporariamente durante distúrbios que provoquem redução acentuada na
tensão CC. Em condições normais, estes limites são constantes e iguais a ±0.03pu. Durante distúrbios
que provoquem uma redução da tensão CC abaixo de um determinado nível (Vdcr<0.5 pu), os limites
são levados subitamente a zero por 1 segundo e então restabelecidos aos valores normais a uma taxa
limitada (2 pu/s). Esta lógica de congelamento da função Power Trim é mostrada na Figura 4 e na
Figura 5.
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A ordem de corrente calculada pelo controle de
potência é submetida a um limite máximo (ISTOL),
calculado pelo limitador de sobrecarga de curta1.0
duração (STOL). Essa limitação é uma função do
0.9765
tempo em que a corrente no elo CCAT permanece
0.9530
acima do valor nominal.
As ordens de corrente enviadas ao retificador (IORDr)
e ao inversor (IORDi) devem ser coordenadas, de
1.0 1.33 1.5 P
ORD
forma que não haja perda de margem de corrente
(pu)
durante perturbações. Para um aumento na ordem
Figura 3 – Característica estática VORD x PORD
de corrente, IORDr deve ser atualizada antes de IORDi.
Para uma redução na ordem de corrente, esta só deve ser enviada ao retificador depois de confirmado
o recebimento pelo terminal inversor (sinal check-back). A Figura 6 mostra um diagrama de blocos
ilustrando esta estratégia, onde a função e-sT representa um puro atraso de transporte, e TEL corresponde
ao atraso de telecomunicação ao longo da linha CC.
VORD
(pu)
Vdcmin
(0.5 pu)
Compara
Vdcr
Vdcr<0.5
Monoestável
d/dt
T
Up → 2/seg
Low → 1000/seg
T=1s
0.03
UpLim
-0.03
LowLim
Figura 4 – Lógica de congelamento da função Power Trim
2.2
Vdcr
(pu)
1.0
Controle de Frequência
Em decorrência da baixa inércia das unidades
geradoras de Santo Antonio e Jirau,
sobrefreqüências elevadas decorrentes de
t (s)
rejeições de carga no elo CCAT ou
2 pu/s
0.03
subfreqüências devido à perda de unidades
geradoras nestas usinas podem ser verificadas.
t (s)
1 seg
Sistemas CCAT são naturalmente insensíveis a
variações na freqüência da rede CA associada.
t (s)
Assim, incorporou-se no lado retificador um
-0.03
2 pu/s
controle de freqüência para modular a potência
CC quando a freqüência desvia em relação ao
Figura 5 – Lógica de congelamento da função
valor nominal, conferindo uma característica
Power Trim
de carga dependente da freqüência ao sistema
CCAT. Em Araraquara, não há previsão para
IORDi
instalação de um controle de freqüência. O
controle de freqüência é dividido em duas
IORD
 sTEL
 sTEL
partes: proporcional (PFC) e integral (CFC). A
e
e
M
parte proporcional é implementada em nível de
A
IORDr
T =16ms
T =16ms
Controle de Pólo, e apresenta uma
X
característica com estatismo (slope) positivo no
plano P x f, de forma que um aumento de
Figura 6 – Coordenação das ordens de corrente
freqüência produza um aumento em PORD e
uma redução na freqüência produza uma redução em PORD. Para desvios de freqüência maiores que
-2.5/+3.0 Hz, um segundo canal de ganho mais elevado é ativado. A parte integral é implementada em
nível de Controle de Bipolo e é usada para zerar o erro de freqüência em regime permanente e tem
ação lenta. A ação integral não pode estar ativa simultaneamente em ambos os bipolos, sendo o
LowLim
(pu)
UpLim
(pu)
0.5
EL
EL
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Controle Mestre responsável pela seleção do bipolo no qual esta função deve ficar ativa. Os diagramas
de blocos do PFC e CFC são mostrados na Figura 7.
Δf
(Hz)
K1
(+0.3 pu)
K1=0.05 pu/Hz
ΔPMAX
1
1  T1s
ΔPFC
(pu)

T1=0.1s
-f1
K2
f2
K2=0.1 pu/Hz
f1=2.5 Hz
f2=3.0 Hz
1  T2 s
1  T3 s
(+0.25 pu)
ΔPMIN
ΔPMAX
1
T1s
Δf
(Hz)
(-0.3 pu)
ΔCFC
(pu)
ΔPMIN
T1=10s
(-0.25 pu)
T2=0.01s
T3=0.15s
(b)
(a)
Figura 7 – Controle de freqüência: (a) Parte proporcional (PFC); (b) Parte integral (CFC)
2.3
VDCOL
O VDCOL tem a função de reduzir a ordem de corrente proveniente do controle de potência em
função da tensão CC, auxiliando a recuperação da tensão CA ao reduzir a potência reativa absorvida
pelos conversores após faltas. As características estáticas do VDCOL do retificador e do inversor são
mostradas na Figura 8. A medição da tensão CC é realizada através de constantes de tempo diferentes
para redução de Vdc (TDOWN=0.01s) e aumento de Vdc (TUP=0.04s). As mesmas constantes de tempo
foram utilizadas tanto no retificador quanto no inversor.
IMARGI
Vdci
Vdcr
1.0
1.0
VMARGI
VMARGR
0.7
0.7
0.4
VDCAXC
0.5
1.0
IDCAXC
IORDr
0.035
IMINI
(a)
1.0
0.9
IORDi
(b)
Figura 8 – VDCOL: (a) Retificador; (b) Inversor
2.4
Loops de Controle
Durante distúrbios, diversas ações de controle são necessárias para garantir o desempenho adequado e
seguro do sistema de corrente contínua. Para isso, o sistema de controle é constituído por diversas
malhas de controle de fase (Phase Loops) que assumem o controle transitoriamente durante condições
“anormais” (e.g. faltas CA/CC). Cada Loop gera um sinal de erro (ERR1 a ERR8). Os erros são
fornecidos a uma lógica de decisão que seleciona o sinal mais adequado a ser enviado ao controle de
disparo e determina o modo de controle do conversor. O processo de seleção é reiniciado toda vez que
um pulso de disparo é gerado. Os diagramas de blocos simplificados dos loops de controle do
retificador e do inversor são mostrados na Figura 9 e na Figura 10, respectivamente. O sistema de
controle padrão da ALSTOM inclui outros loops de controle, os quais não são utilizados no Projeto
Madeira e, portanto, não serão mostrados neste artigo.
Como parte da estratégia de recuperação após faltas, foi implementada uma lógica que reduz
rapidamente a ordem de tensão para 0.9 pu quando a tensão CC cai a valores muito baixos. Após a
recuperação da tensão CC, VORD é trazida de volta ao valor original a uma taxa lenta (0.02 pu/s), de
forma que durante todo o período de recuperação VORD é mantida próxima a 0.9 pu. Esta estratégia é
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usada para que, durante os primeiros segundos após a falta (quando há um aumento da corrente CC
pelo controle de freqüência), o inversor se mantenha em controle de tensão (ao invés de chavear para
controle de γMIN), aumentando a estabilidade do controle. Após alguns segundos, VORD retorna ao valor
original. Note que a ordem de tensão determinada por esta lógica (VORDL) é usada apenas no VDCOL e
nos Loops de Controle, não sendo enviada para a malha de controle de potência.
Vdcr
VORD
IORDr
1.0
VORD
VORDL
0.9
t(s)
IORDLr
VDCOL
LOOP 1
Vdcr
Idcr
ERR1
Idc
Irestart
(from Restart
Controller)
GAMMAO
(30º)
-∞
LOOP 3
γi
IORDr
γextreme
Order
(12.5º)
ERR3
γ Min
γDIS
LOOP
AMXORD
+
α Max
≤0
>0
Vdci
VLWr
Loop Disable
αord 
LOOP 5
-
αr
ERR5
α Max
SELECTION
ERRr
LOGIC
αord_red
Restart
RVORD
(1.1 pu)
Controller
Irestart
(to Loop 1)
AORDR
(2º)
FRAO
(120º)
Vdcr
LOOP 7
ERR7
Vdc Max
≤0
LOOP 8
>0
αr
ERR8
α Min
Force
Retard
Figura 9 – Loops de controle do terminal retificador
As seguintes malhas de controle de fase estão presentes no terminal retificador:

Loop 1 (Idc): É o modo de controle normal do retificador, no qual variações no sistema CA
são compensadas pelo avanço ou retardo do ângulo de disparo para manter a corrente CC
constante.

Loop 3 (γ Min): Esta malha normalmente fica desabilitada no retificador (γDIS=0 quando
αr<90º). Transitoriamente pode atuar de forma a manter o ângulo de extinção acima do valor
de referência (GAMMAO=30º).

Loop 5 (α Max): Neste modo de controle, o conversor busca impedir que o ângulo αr
ultrapasse um valor máximo, liberando a tensão CC e a potência transmitida para variar. O
valor de referência para αr máximo (αmax_ord) é calculado com base na equação a seguir:

 max ord 180  cos 1  cos  extreme  

Xc  IORD 

VLW 
(Eq. 2)
onde γextreme=12.5° e αmax_ord possui um limite máximo de 165º. Para o terminal retificador,
nesta malha é empregado o chamado Restart Controller, implementado para acelerar a
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recuperação de potência após faltas no sistema CA e faltas na linha CC, especialmente para
condições de baixa potência.

Loop 7 (Vdc Max): Esta malha de controle atua sobre o ângulo de disparo para buscar manter
a tensão CC abaixo de um valor máximo pré-definido (RVORD=1.1 pu).

Loop 8 (α Min): Neste modo de controle, o conversor busca manter o ângulo αr no valor
mínimo (AORDR=2°), liberando a tensão CC e a potência transmitida para variar. Quando o
retificador está operando neste modo de controle, normalmente o controle de corrente é
transferido para o lado inversor. É nesta malha que o comando Forced Retard é realizado, no
qual o ângulo de disparo mínimo é levado para a região de inversão (FRAO=120°) com o
objetivo de descarregar a linha CC. Esta ação é utilizada nas seqüências de parada/partida de
conversores e como ação de proteção durante faltas na linha CC.
No terminal inversor, temos as seguintes malhas de controle de fase:

Loop 1 (Idc): É semelhante ao controle de corrente do retificador, porém a ordem de corrente
do inversor é reduzida por uma margem de corrente (IMARGi), que faz com que o inversor tente
controlar a corrente CC em um valor menor que a do retificador. Este controle normalmente é
invocado quando o ângulo de disparo do retificador alcança seu valor mínimo.

Loop 2 (γ / Vdc em cascata): É o modo de controle do inversor em condições normais. É
economicamente vantajoso manter o ângulo de extinção em um valor mínimo (γ ORDi=18.5°)
para minimizar as perdas e consumo de potência reativa. No entanto, se um simples controle
de γ constante for utilizado, o inversor irá apresentar característica de impedância negativa
vista pelo sistema CA, ou seja, uma redução na tensão CA provoca um aumento na potência
reativa absorvida pelo conversor e vice-versa. Esta característica é potencialmente instável sob
determinadas condições. Para minimizar o impacto negativo do controle de γ constante,
emprega-se um controle rápido da tensão CC (alguns milissegundos) em cascata com um
controle lento de γ (dezenas/centenas de milissegundos).

Loop 3 (γ Min): Atua de forma a manter o ângulo de extinção acima do valor de referência
(GAMMAO=15.5º). Neste modo de controle, a tensão CC não é controlada para manter a
potência transmitida enquanto busca-se manter γ em um valor fixo. Esta malha é desabilitada
quando αi<90º (γDIS). Nesta malha é implementada a função Gamma Kick, descrita adiante.
Loop 5 (α Max): Esta malha é semelhante à do retificador, onde o valor de referência para αi
máximo (αmax_ord) é calculado com base na (Eq. 2). Para o terminal inversor, nesta malha é
realizada a ação da proteção DC>AC usada para detectar falhas de comutação e antecipar o
disparo para ajudar na recuperação pós-faltas. A detecção de falhas de comutação é realizada
através da comparação da corrente no lado da válvula dos transformadores conversores (IVW)
com a corrente CC. Se a corrente CC for superior às duas correntes nos transformadores
(DC>AC), a falha de comutação é detectada. Se a falha persistir por mais de 0.04 segundos ou
se mais de uma falha for detectada em uma janela de 0.4 segundos, γextreme é aumentado em 28º
por 50ms. Um aumento adicional de 7º em γextreme por 200ms é feito quando é detectada
atuação do VDCOL do inversor.

Loop 7 (Vdc Min): Esta malha de controle atua sobre o ângulo de disparo para prevenir que a
tensão CC fique abaixo de um valor mínimo pré-definido (DCVO=0.0 pu).

Loop 8 (α Min): Esta malha é semelhante a do retificador, sendo que os ajustes dos valores de
referência são AORDI=38º e FRAO=110º.
Durante faltas remotas ou não-francas foi verificada a ocorrência de falhas de comutação durante a
recuperação, o que não é aceitável. Esta falha de comutação era decorrente da elevada distorção na
tensão CA durante o período de falta e imediatamente após a sua eliminação. Para lidar com esse
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problema, foi introduzida no controle do inversor uma malha denominada Gamma Kick, que eleva
subitamente a referência de γ do Loop 3 em 20º quando se detecta uma falha de comutação, conforme
mostrado na Figura 11(a). O retorno da referência de γ ao valor nominal é feito em rampa de forma
coordenada com a recuperação da potência CC. A Figura 11(b) mostra a comparação da potência CC
com e sem a função Gamma Kick para uma falta de 70% da tensão CA no inversor.
Vdcr
IORDi
VORD
VORD
VDCOL
VORDL
1.0
0.9
IORDLi
LOOP 1
t(s)
IMARGi
(0.1 pu)
Vdci
ERR1
Idc
Idci
VORDL
Vdci
γORDi
Gamma
γi

+
Kick
Loop Disable
+
γkick
-∞
LOOP 3
γi
≤0
ERR3
>0
SELECTION
γDIS
VLWi
IVWi
α Max
ALADi
ALADi
(12.5º)
ERR5
α Max
αi
Order
γextreme
(6)
LOGIC
LOOP 5
IORDi
DC>AC
ERRi
AMXORD
CFi
Proteção
LOOP
γ Min
Vdci
Idci
ERR2
Cascata
γ / Vdc
(18.5º)
GAMMAO
(15.5º)
CFi
LOOP 2
DCVO
(0.0 pu)
LOOP 7
ERR7
Vdc Min
Vdcr
≤0
AORDI
(38º)
FRAO
(110º)
LOOP 8
>0
αi
ERR8
α Min
Force
Retard
Figura 10 – Loops de controle do terminal inversor
1.2
1.0
Duração CF
CFY
1
0.8
0
0.6
t(s)
20
0.4
0.2
250 graus/s
γkick
Sem Gamma Kick
0.0
Com Gamma Kick
-0.2
0
t(s)
Toff =50ms
(a) Ação do controle
-0.4
0.0
0.1
0.2
0.3
AR_3Fa_15ohm.adf : PdcF_X:1
AR_3Fa_15ohm_SemGammaKick.adf : PdcF_X:1
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
(b) Pdc
Figura 11 – Função Gamma Kick
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2.5
Controle de Disparo
O diagrama simplificado do controle de disparo é mostrado na Figura 12. Este controlador emprega
um PLO (Phase-Locked Oscillator) para produzir pulsos de disparo eqüidistantes nos instantes
apropriados para implementar o ângulo de disparo desejado. O PLO tem ação integral e funciona a
uma freqüência de 12 vezes a freqüência do sistema (720 Hz). Em regime permanente, o oscilador
produz um trem de pulsos de disparo distantes 30° elétricos (12 por ciclo) e uma função rampa, a qual
é reiniciada a cada disparo. A amplitude da rampa é inversamente proporcional a uma medição filtrada
da freqüência do sistema CA, de forma a compensar variações na freqüência. O processo de seleção
continuamente decide qual dos sinais de erro (ERR1 a ERR8) deve ser comparado com a função
rampa para determinar o instante do próximo pulso de disparo.
(Loop 3
Inversor)
γDIS
(Loops de
controle)
FP1
ERR
(2)
(2)
Block
VLW
(3)
Timing
Voltages
Timing
Voltages
Phase
Limits
e
(6)
Medição
de γ
FP3
(2)
γ
(2)
α
Forced Reset
α minimo = 2°
Phase-Locked
Oscillator
(PLO)
(2)
Ring-Counter
(6)
(2)
FP6
FP7
(2)
(2)
Reset Supression
α maximo = 180°
FP4
FP5
Trem de Pulsos
de Disparo
(2)
dIVW/dt
FP2
Bypass
FP9
(2)
(2)
(2)
FP8
FP10
FP11
(2)
CG
(Counter Gate)
(2)
FP12
(12)
Figura 12 – Diagrama de blocos simplificado do controle de disparo
O controle de disparo requer informação sobre os ângulos de fase das tensões que aparecem sobre
cada uma das válvulas, as quais são derivadas a partir das tensões fase-neutro medidas no primário do
transformador conversor (VLW). Esta informação é obtida através da produção de formas de onda
quadradas (denominadas Timing Voltages), que guardam a mesma relação de fase que as tensões sobre
as válvulas. Apenas seis formas de onda separadas de 30º elétricos são produzidas, conforme mostrado
na Figura 13, uma vez que as demais formas de onda requeridas para um conversor de 12 pulsos são
o inverso destas. Para as tensões fase-neutro, a componente de seqüência zero é removida. Os
cruzamentos por zero destas tensões são usados na unidade Phase Limits para medição dos ângulos de
disparo (α) e de extinção (γ) e para impor limites de fase no disparo das válvulas. As fases 1, 3 e 5 são
usadas na ponte de 6 pulsos conectada em Y, enquanto as fases 2, 4 e 6 são usadas na ponte de 6
pulsos conectada em Δ. Os limites de fase impostos pela unidade Phase Limits previnem que pulsos de
disparo sejam gerados antes de 2º elétricos (Reset Supression) e força um pulso de disparo em 180º
(Forced Reset) se o mesmo não tiver sido gerado pelo sistema de controle, conforme ilustrado na
Figura 12. Isto é particularmente importante para garantir a estabilidade do controle e manter o PLO
em sincronismo com o sistema CA durante a recuperação de grandes distúrbios na rede.
A medição de α em cada válvula é derivada diretamente dos cruzamentos por zero das tensões e dos
instantes de disparo. Isto é obtido com o auxílio do sinal Counter Gate (CG). Este sinal é gerado na
unidade Ring Counter e consiste em 12 ondas quadradas com período de 180º sincronizadas com os
pulsos de disparo. A medição de γ em cada válvula é baseada na medição do ângulo α (usando o
mesmo método descrito anteriormente) e na medição do ângulo de comutação (μ). O ângulo de
comutação é determinado com base na derivada das correntes nos secundários dos transformadores
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19 a 23 de maio de 2013
conversores (dIVW/dt), uma vez que a derivada de IVW é praticamente nula fora do período de
comutação. Este procedimento para a determinação de γ é ilustrado na Figura 14. Os sinais de α e γ
usados pelos Loops de controle são obtidos através da combinação dos valores individuais calculados
para cada válvula.
VA
1.25
AC Voltages
Timing Voltages
1.00
(V
A -V
C)
0.75
Fa
s
e1
0.50
se
Fa
)
-V C
2(
0.25
0.00
Fa
s
-0.25
e4
(V
B
-0.50
)
e5
-0.75
)
-V A
(V B
Fase 6 (-VA)
s
Fa
VC
y
Fase 3 (VB-VC)
VB
-1.00
-1.25
(a)
(b)
Firing
Angle (α)
Firing
Pulse
Voltage
Figura 13 – Timing voltages: (a) Diagrama fasorial; (b) Exemplo para a fase 1 (VA-VC)
α
α
A unidade Phase Limits também gera
o sinal γDIS, usado pelo Loop 3 do
controle de fase. O PLO utiliza ainda
sinais de modulação para compensar
desequilíbrios no sistema e minimizar
a produção de harmônicos nãocaracterísticos pelos conversores
(Alpha
Balancing
e
Gamma
Balancing).
Gamma
(γ)
Overlap
Angle (μ)
IVW
A distribuição dos pulsos de disparo
para as 12 válvulas de uma ponte de
12 pulsos é realizada por um contador
μ
em anel (Ring Counter), que também
é responsável pela implementação dos
comandos Block e Bypass. Ao receber
γ
γ
o comando Block, os pulsos de
disparo de todas as válvulas são
suspensos, bloqueando a ponte. O
Figura 14 – Medição de γ
comando Bypass força o disparo
simultâneo de duas válvulas conectadas a uma mesma fase de cada ponte de 6 pulsos (bypass par).
Quando ocorre uma falha de comutação o inversor é “naturalmente bypassado”, uma vez que se
estabelece um curto-circuito no lado CC da ponte. Nesta condição, a corrente CC é limitada pela
corrente mínima do VDCOL do retificador. No entanto, logo após a eliminação da falta o retorno à
condução do inversor pode ser prejudicado pela dificuldade em sincronizar os pulsos de disparo com
tensões extremamente baixas e distorcidas, provocando um atraso no início efetivo da condução.
Assim, como parte da estratégia de recuperação para faltas trifásicas francas no inversor, as válvulas
do lado inversor são intencionalmente bypassadas pelo controle de disparo até que a tensão CA se
recupere acima de 0.6pu por 12ms, conforme ilustrado na Figura 15(a). Com isso, consegue-se
aprimorar a sincronização dos pulsos de disparo no início da recuperação, conforme mostrado na
Figura 15(b).
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1.4
1.1
1.2
0.9
0.7
1.0
Pdc Com Bypass
0.5
0.8
Pdc Sem Bypass
0.3
Comando Bypass
Vac inversor
0.6
0.1
Comando Bypass
0.4
-0.1
0.3
0.2
0.0
0.0
-0.3
0.1
AR_3Fa.adf : VrmsY :1
AR_3Fb.adf : BPY :1
0.2
30ms
0.3
0.4
0.5
-0.5
0.0
0.6
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
AR_3Fa.adf : PdcF_X:1
AR_3Fb.adf : BPY :1
AR_3Fa_BPY disabled.adf : PdcF_X:1
12ms
(a)
(b)
Figura 15 – Bypass intencional durante faltas trifásicas francas no inversor: (a) Lógica de comando do
bypass; (b) Comparação com e sem a estratégia de bypass
3.
MODELO NO PROGRAMA PSCAD
O modelo do Bipolo 2 foi desenvolvido no programa PSCAD, que possui uma interface gráfica
amigável e uma extensa biblioteca de funções e modelos buit-in, além de permitir o usuário criar
modelos próprios usando códigos FORTRAN. Foi assinado um termo de confidencialidade entre o IE
Madeira e o fabricante, de forma a se ter acesso aos diagramas de blocos do sistema de controle no
PSCAD (modelo “aberto”). No entanto, como forma de preservar a sua propriedade intelectual, o
fabricante gerou bibliotecas pré-compiladas de algumas funções associadas ao controle de disparo
(modelo “fechado”), não permitindo o acesso completo às lógicas destes controles. A Figura 16
apresenta uma visão geral do sistema de controle do Bipolo 2 no PSCAD, onde pode se observar os
sinais de entrada e de saída dos controles em nível de bipolo e de pólo.
ILWAX
ILWBX
1
ILWCX
2
3
IVWSAX
IVWSBX
1
IVWSCX
2
IVWDAX
3
IVWDBX
4
IVWDCX
5
VLWAX
6
VLWBX
7
VLWCX
8
VDCX1
9
IDCX
10
11
IVWSAY
IVWSBY
1
IVWSCY
2
IVWDAY
3
IVWDBY
4
IVWDCY
5
VLWAY
6
VLWBY
7
VLWCY
8
VDCY1
9
IDCY
10
11
ILWAY
ILWBY
1
ILWCY
2
3
2 F1X
FP1
2 F2X
FP2
2 F3X
Pole 1
FP3
2 F4X
FP4
2 F5X
FP5
2 F6X
FP6
P1
FP FP7 2 F7X
2 F8X
24
3
FP8
2 F9X
FP9
2 F10X
FP10
3
2 F11X
TAPX
FP11
2 F12X
ILW3X
FP12
11
24
FP24t12x2
CONTROL
INX
24
11
2 F1Y
FP1
2 F2Y
INY
FP2
3
TAPY
2 F3Y
FP3
2 F4Y
ILW3Y
FP4
2 F5Y
FP5
2 F6Y
FP6
FP FP7 2 F7Y
2 F8Y
24
FP8
2 F9Y
FP9
2 F10Y
FP10
2 F11Y
FP11
2 F12Y
FP12
FP24t12x2
VDCY1
IDCY
VDCY2
IDCY2
1
2
3
4
VLWAX
VLWBX
1
VLWCX
2
3
Vw 4
3 P1 P1
Vx 3
Bipole
Vy 3
3
VLWCY
2
VLWBY
1
VLWAY
Vz 5
5
IDCN
IDCX2
VDCX2
IDCX
VDCX1
4
3
2
1
ILWAX2
ILWBX2
1
ILWCX2
2
3
IVWSAX2
IVWSBX2
1
IVWSCX2
2
IVWDAX2
3
IVWDBX2
4
IVWDCX2
5
VLWAX2
6
VLWBX2
7
VLWCX2
8
VDCX2
9
IDCX2
10
11
3 P2 P2
Control
5ShX
6
ShY
IVWSAY2
IVWSBY2
1
IVWSCY2
2
IVWDAY2
3
IVWDBY2
4
IVWDCY2
5
VLWAY2
6
VLWBY2
7
VLWCY2
8
VDCY2
9
IDCY2
10
11
ILWAY2
ILWBY2
1
ILWCY2
2
3
2 F1X2
FP1
2 F2X2
FP2
2 F3X2
FP3
2 F4X2
FP4
2 F5X2
FP5
2 F6X2
FP6
P2
FP FP7 2 F7X2
2 F8X2
24
3
FP8
2 F9X2
FP9
2F10X2
FP10
3
2F11X2
TAPX2
FP11
2F12X2
ILW3X
FP12
11
24
FP24t12x2
CONTROL
INX
24
11
2 F1Y2
FP1
2 F2Y2
INY
FP2
3
TAPY2
2 F3Y2
FP3
2 F4Y2
ILW3Y
FP4
2 F5Y2
FP5
2 F6Y2
FP6
FP FP7 2 F7Y2
2 F8Y2
24
FP8
2 F9Y2
FP9
2F10Y2
FP10
2F11Y2
FP11
2F12Y2
FP12
Pole 2
FP24t12x2
Figura 16 – Visão geral do sistema de controle representado no PSCAD
12 / 14
19 a 23 de maio de 2013
A Figura 17 apresenta os resultados de uma falta trifásica na barra de 500 kV de Araraquara
eliminada após 100 ms através da abertura da LT 500 kV Araraquara – Taubaté.
700
1.05
440
1.00
180
0.95
-80
0.90
-340
0.85
-600
0.0
0.3
0.6
0.9
(file AR_3Fa.adf; x-var Domain) VLWY:1 VLWY:2
1.2
Tempo1.5
VLWY:3
0.80
0.0
0.3
0.6
0.9
(file AR_3Fb.adf; x-var Domain) VORD2:1
(a) Tensões CA - inversor
1.2
Tempo1.5
(e) Ordem de tensão (VORDL)
1.2
1.2
1.0
0.8
0.8
0.4
0.6
0.0
0.4
-0.4
0.2
-0.8
0.0
0.3
0.6
0.9
(file AR_3Fa.adf; x-var Domain) PdcF_X:1
1.2
Tempo1.5
0.0
0.0
0.3
0.6
(file AR_3Fa.adf; x-var Domain) CFY:1
(b) Potência CC - retificador
0.9
1.2
Tempo1.5
(f) Indicador de falha de comutação - inversor
2.0
1.2
1.0
1.6
0.8
1.2
0.6
0.8
0.4
0.4
0.2
0.0
0.0
0.3
0.6
(file AR_3Fa.adf; x-var Domain) Iordrl:1
0.9
IdcF_X:1
1.2
Tempo1.5
0.0
0.0
0.3
0.6
(file AR_3Fb.adf; x-var Domain) BPY:1
(c) Corrente CC e ordem de corrente - retificador
180
0.9
1.2
Tempo1.5
(g) Comando de bypass - inversor
25
150
20
120
15
90
10
60
5
30
0
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
(file AR_3Fa.adf; x-var Domain) Alpha_X:1 Gamma_Y:1
Tempo1.5
0
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
(file AR_3Fb.adf; x-var Domain) GammaKick_Loop3:1
Tempo1.5
(d) Alfa - retificador e Gama - inversor
(h) Gamma kick - inversor
Figura 17 – Falta CA trifásica em Araraquara 500 kV (terminal inversor)
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19 a 23 de maio de 2013
4.
CONCLUSÕES
Este artigo apresentou de forma detalhada o modelo do sistema de controle do Bipolo 2 utilizado no
estudo de Dynamic Performance com o PSCAD, descrevendo as principais funções de controle e
apresentando alguns resultados de simulações no domínio do tempo.
BIBLIOGRAFIA
[1]
PSCAD 4.2.0 User’s Manual, Manitoba HVDC Research Centre, 2005.
[2]
ALSTOM Report P0121/02110/FUNC Rev.E, “HVDC Operation and Control Strategy for
Bipole 2”, 2011.
ALSTOM Report STAND/2003/FUNC Rev.A, “HVDC Operation and Control Strategy”, 2010.
[3]
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Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

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