Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Parte 2:
Compensadores “Shunt”:
1. SVC: Static Var Compensator
2. Statcom: Static Synchronous Compensator
prof. Porfirio Cabaleiro Cortizo
Grupo de Eletrônica de Potência -GEP
Depto. Engenharia Eletrônica - DELT-UFMG
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
1
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Características ideais dos compensadores ativos
Do ponto de vista da rede elétrica:
1.
Corrente absorvida da rede elétrica com baixa distorção
harmônica total;
2.
Fator de potência de entrada unitário
Do ponto de vista da carga:
1.
Tensão na carga regulada;
2.
Tensão sobre a carga com baixa distorção harmônica
total
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
2
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Conversores empregados nos compensadores ativos
1.
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
2.
TSR – “Thyristor Switched Reactor”
3.
TSC – “Thyristor Switched Capacitor”
4.
SVG – “Static Var Generator”
5.
SVC – “Static Var Compensator”
6.
STATCOM – “Static Synchronous Compensator”
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
3
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Princípio de funcionamento do filtro ativo paralelo.
Gerador – rede c.a.
Carga não Linear
Compensador estático
de reativos
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
4
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(I)
ITCR
VTCR
VL
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
5
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(II)
Tensão e corrente na rede elétrica
100
Vca
Itcr
50
0

-100
Itcr
Vca
-50
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.06
0.07
0.08
0.09
tempo
Tensão no Indutor
100
VL
50
0
VL
-50
-100
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
6
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(III)
Tensão e corrente na rede elétrica
100
Vca
Itcr
50
0
Itcr
Vca
-50
-100
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.06
0.07
0.08
0.09
tempo
Tensão no Indutor
VL
50
0
VL
-50
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
7
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(IV)
Durante o tempo de conduçãodos tiristores :
diTCR
v L ( t )  Vsen(  .t )  L
;
dt
1
iTCR ( t )   Vsen(  .t );
L
V
iTCR ( t )  
cos( .t )  C ;
 .L
C.I. : iTCR ( t   )  0 ;
iTCR ( t ) 
V
cos  cos( .t )
 .L
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8
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(V)
Tensão, corrente na rede elétrica e seu fundamental
100
I TCR ( t ) 
80
60
V
cos( )  cos( .t )
 .L
Vca
40
Vca
Itcr
Ictr1
20
0
-20
Itcr1
-40
-60
Itcr
-80
-100
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
9
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(VI)
A corrente no indutor do TCR é não senoidal e a análise de Fourier é
usada para encontrar a componente fundamental da corrente:
I1(  ) ( t )  a1 cos( .t )  b1 sen(  .t )
Onde b1=0 devido a simetria de onda par e os harmônicos pares não
existem devido a simetria de meia onda.
a 1  I 1(  )
V  2.
sen( 2. ) 

2
 V .BTCR(  )


 .L  


sen( 2. ) 
 2.
considerando : BTCR(  )  Bmax 
2





1
onde : Bmax 
 .L
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
10
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(VII)
A susceptância do TCR pode ser variada continuamente desde um
máximo (BTCR=V/L) em =/2 até um mínimo (BTCR=0 ) em 180
Susceptancia Indutiva do TCR
1
0.9
0.8
BTCR / Bmax
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Angulo de Disparo - alfa
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11
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(VIII)
A análise de Fourier mostra que não há harmônicos pares presentes
na corrente do TCR:
I n(  ) 
4.V  sen .( n  1 ) sen .( n  1 ) cos( )sen( n. ) 




 . .L  2.( n  1 )
2.( n  1 )
n

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12
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(IX)
Espectro Harmônico da Corrente do TCR
0.14
I3
I5
I7
0.12
I9
I11
I13
0.1
%I1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Angulo de Disparo - alfa (º)
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
13
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico
(X)
TCR a 6 pulsos
A
B
C
L/2
L/2
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
L/2
L/2
14
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico
(XI)
TCR a 6 pulsos
Tensão e corrente na rede elétrica
100
Vca
Ica
50
0
Vca
-50
-100
0.01
Ica
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.07
0.08
0.09
tempo
Tensão entre fases e corrente no indutor
200
150
Vab
100
Vab
IL
50
0
IL
-50
-100
-150
-200
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
15
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor” - Trifásico
(XII)
TCR a 12 pulsos
A
B
C
Redução dos harmônicos da
corrente na rede alternada
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
16
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(XIII)
Características dos TCR
1.
Perdas dependentes do fator de Qualidade do indutor: O fator
de Qualidade (Q) varia entre 40 e 100;
2.
Limitação da capacidade de sobrecarga devido a construção
dos indutores com núcleo de ar;
3.
Tempo de resposta da ordem de 1,5 a 3 ciclos
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17
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TCR – “Thyristor Controlled Reactor”
(XIV)
XL variável e dependente de 
Vca
BL mínimo = 0
para  =
180o
BL máximo
para  = 90o
IL
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18
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TSC – “Thyristor Switched Capacitor”
(I)
ITSC
Th2
VTSC
Vca
Th1
C
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VC
19
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TSC – “Thyristor Switched Capacitor”
(II)
Tensão e corrente no capacitor
100
Vca
Vca
Ic
50
0
Ic
-50
-100
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.2
0.25
tempo
Tensão no capacitor e ordem de condução
100
Vc
comando
50
comando
0
Vc
-50
-100
0
0.05
0.1
0.15
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
20
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
TSC – “Thyristor Switched Capacitor”
(III)
Vca
BC fixo
IC
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
21
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
(I)
22
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”

180o
BC
IC
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
ICmax
(II)
  90o
Vca
BL
ILmax
IL
23
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(III)
Tiristor disparado por pulso elétrico
Tiristor disparado por Luz
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
24
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
(IV)
25
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
(V)
26
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(VI)
Filtros sintonizados e passa-altas
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
27
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
Iq
L
Vca
(VII)
Vt
SVC
Vt = Vca - XLIq
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
28
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
Sem Compensação
Linha de carga 3
(VIII)
Vt
VT=Vref
Linha de carga 1
Linha de carga 2
Com Compensação
IC
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
ICmax IC2
IL2
ILmax
IL
29
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(IX)
V=Vref – XSL.ISVC
XSL varia de 0 a 5%
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
30
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(X)
Q
<-----N
A
A
A
aA
A
a
aA
B
B
B
bB
B
b
bB
C
C
cC
C
c
cC
C
735kV 6000 MVA
Primary
(735 kV)
735/16 kV
333 MVA
Secondary
(16 kV)
TCR
109 Mvar
Va_Ia
Q(Mv ar)
Vmeas Vref
alpha TCR (deg)
nTSC
Va (pu) Ia (pu/100MVA)
TSC1
94 Mvar
TSC2
94 Mvar
B
C
A
P
B
C
A
P
B
C
A
P
B
C
200 MW
A
P
A
B
C
Programmable
Voltage Source
TSC3
94 MVar
TCR
Vabc_Prim
Q (Mv ar)
Vabc_prim
TSC1
Vmeas Vref (pu)
TSC2
alpha TCR (deg)
Vabc_Sec
TSC3
number of TSCs
Signals &
Scopes
Vabc_sec
SVC
SVC Controller
+300 Mvar/-100 Mvar Static Var Compensator (SVC) ; 1 TCR - 3 TSCs
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
31
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
(XI)
TCR
Firing pulses
[Ap]
1
A
2
[Am]
3
B
C
[Bp]
1
P
Demux
[Bm]
[Cp]
[Cm]
k
a
g
k
a
g
k
a
[Bm]
a
g
k
a
g
a
g
k
g
k
[Am]
ThCA-
ThCA+
ThBC-
ThBC+
ThAB-
ThAB+
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
[Cp]
[Bp]
[Ap]
[Cm]
32
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(XII)
TSC1
Firing pulses
[Ap]
1
A
2
[Am]
3
B
C
[Bp]
1
P
Demux
[Bm]
[Cp]
[Cm]
k
a
g
k
k
[Bm]
[Am]
a
ThCAg
ThCA+
a
k
a
g
k
ThBCg
ThBC+
ThABm
ThAB+
k
a
g
g
[Cp]
a
[Bp]
[Ap]
[Cm]
Vth_TSC1ab
Lbc
Lab
Cab
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Cbc
Lca
Cca
33
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(XIII)
SVC Controller
Timer
used for misfiring
simulation
2
Vabc_sec
Vmeas
Pulses
Vabc
1
TCR_Pulses
1
Vabc
Vabc_prim
Vmes
Vmes
Alpha
OR
Alpha
TSC1_Pulses
Manual
Switch
abc
Bref
Bref
Bsv c
Measurement
System
-C-
Vref
3-phase
signal generator
Voltage
Regulator
Timer2
Vref
used for open-loop
time constant evaluation
TSC1_On
TSC1_On
TSC2_On
TSC2_Pulses
TSC2_On
TSC3_On
TSC3_Pulses
TSC3_On
Bsv c
Demux
TCR
2
TSC1
3
TSC2
4
TCRpulses
TSC3
Distribution
Unit
Firing Unit
TSC1pulses
TSC2pulses
BSVC
alpha
TSC3pulses
TSC1_On
TSC2_On
?
TSC3_On
Info
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
34
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
(XIV)
Droop
Xs
1/z
2
Kp
1
1
Vmes
Bref
err
Ki
3
Bsvc
K Ts
z-1
Vref
1
~=
OpMode
Open-loop time constant --> To = 1 / ( Ki * Xs )
Closed-loop time constant --> Tc = [ Xs / ( Xr + Xs ) ] * To
where:
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Xs -> Slope in pu/100MVA
Ki -> Integral gain (puB/puV/s)
35
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
(XV)
Tensão e corrente na rede elétrica
3
2
Va
Va
Ia
1
0
-1
Ia
-2
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.7
0.8
0.9
1
tempo
Potencia Reativa em MVAr
300
250
200
Q
150
100
Q
50
0
-50
-100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
36
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(XVI)
Tensão eficaz de referencia e Tensão eficaz medida
1.1
Vref
Vmea
1.05
Vref
1
Vmea
0.95
0.9
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.8
0.9
1
tempo
Angulo de Disparo do TCR e número de TSC ativos
200
Alfa
nTSC
150
Alfa
100
50
nTSC
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
37
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator ”
(XVII)
B1
A
N
B
C
A
B
C
aA
bB
cC
3000 MVA
X/R = 10
Three-Phase
V-I Measurement
A
B
SVC m
C
SVC
(Phasor type)
<B (pu)>
2
pu/100 MVA
<Vm (pu)>
Bus
Selector
V1
Vactual
Vm (pu)
Scope
A
B
C
500 kV
A
B
C
Bactual
Bcontrol (pu/100 MVA)
10 MW
Signal Processing
Phasor Simulation of a Static Var Compensator
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
38
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
SVC – “Static Var Compensator”
(XVIII)
SVC V-I Characteristic
1.5
1.4
Red: Specified V-I characteristic
Blue: Measured V-I characteristic
1.3
B=1 pu/100 MVA
Pos. Seq. Voltage (pu)
1.2
1.1
Vref=1.0 pu
1
0.9
Xs= 0.03 pu/200 MVA
0.8
B=2 pu/100 MVA
0.7
0.6
0.5
-2
-1.5
Capacitive
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
-1
-0.5
0
Reactive Current (pu/100 MVA)
0.5
1
1.5
Inductive
39
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
(I)
Four Legs
Capacitor
Split
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
40
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom (II)
id
Ia
Ib
,b,0
a,b,c
Ic
,b,0
d,q
Iq
iq
~
iq
icomp
Ia*
Ib*
Ic*
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
,b,0
a,b,c
,b,0
d,q
41
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
(III)
2
3
A
B
C
B
C
Va
A
1
Vb
Vc
Three-Phase
Series RLC Branch5
Three-Phase
Series RLC Branch2
A
A
A
A
B
B
B
B
C
C
C
C
Icomp
Three-Phase
Parallel RLC Branch
2
Pulses
c
b
a
Iabc
1
Vabc
Discrete
PWM Generator
1
Uref
z
Three-Phase
V-I Measurement3
PWM
C
B
A
Universal Bridge1
g
Ca
+
A
A
A
B
B
B
C
C
C
Voltage Measurement1
1
v
+
-
Vdc
-
Cb
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Three-Phase
Series RLC Branch4
42
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Carga desequilibrada e Tensão de rede equilibrada.
Corrente na rede ca
200
ica
icb
icc
100
0
-100
Icb
-200
0.2
icc
0.205
ica
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
tempo
Tensão e corrente da rede - fase A
200
vca
ica
100
ica
0
-100
vca
-200
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
Corrente na carga e no compensador - fase A
ila
icompa
500
ila
icompa
0
-500
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
As correntes na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o
fator de potência é unitário.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
43
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Carga e Tensão de rede desequilibradas.
Corrente na rede ca
200
ica
icb
icc
100
0
-100
Icb
-200
0.2
icc
0.205
ica
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
tempo
Tensão e corrente da rede - fase A
200
vca
ica
100
ica
0
-100
vca
-200
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
Corrente na carga e no compensador - fase A
ila
icompa
500
ila
icompa
0
-500
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o
fator de potência é unitário.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
44
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos
Corrente na rede ca
200
ica
icb
icc
100
0
-100
Icb
-200
0.2
icc
0.205
ica
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
0.235
0.24
0.245
0.25
tempo
Tensão e corrente da rede - fase A
200
vca
ica
100
ica
0
-100
vca
-200
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
Corrente na carga e no compensador - fase A
ila
icompa
500
ila
icompa
0
-500
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
0.23
tempo
As corrente na rede elétrica são senoidais e equilibradas e o
fator de potência é unitário.
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45
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Carga e Tensão de rede desequilibradas + Harmônicos.
Limitação da freqüência de chaveamento do inversor.
Corrente na rede ca, carga e compensador
500
400
300
2*ica
200
ica
ila
icompa
100
Ila
0
-100
iccompa
-200
-300
-400
-500
0.201
0.2015
0.202
0.2025
0.203
0.2035
0.204
0.2045
0.205
0.2055
0.206
tempo
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46
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
Sem Compensação
Linha de carga 3
(IV)
Vt
VT=Vref
Linha de carga 1
Linha de carga 2
Com Compensação
IC
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ICmax IC2
IL2
ILmax
IL
47
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
(V)
48
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
(VI)
49
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
(VII)
Controle da tensão no capacitor no barramento cc
1.
Tensão no barramento cc deve
ser maior que o valor de pico da
tensão fase-neutro da entrada;
2.
Compensador deve absorver
uma
potência
ativa
para
compensar perdas e controlar
tensão no barramento cc.
Injeção de corrente ativa :
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Iq
50
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
(VIII)
Tensão de referência e medida no barramento cc
1000
vref
900
800
vcc
vref
vcc
700
600
500
400
300
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
tempo
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51
Aplicações de Eletrônica de Potência em SEP
Compensador Statcom
(IX)
Vantagens
•Filtragem seletiva de harmônicos;
•Sintonia em tempo real;
•Não introduz ressonâncias adicionais;
•Possibilidade de equilibrar a carga do ponto de vista da concessionária;
•Capaz de compensar desbalanços tanto da carga quanto da rede elétrica.
Desvantagens
•Equipamento de eletrônica de potência sofisticado e caro;
•Limitação de potência.
Dificuldades Tecnológicas atual
•Tempo de processamento do elevado, limita a banda passante do filtro
ativo, provocando “spikes” na forma de onda da corrente na rede elétrica.
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52