Transmissão de Energia Elétrica
A Grandes Distâncias
Aplicação de
Conversores VSC
Transmissão em CA
Segmentada
A.Pedroso – out 08
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
1. Introdução
2. Fatores no Planejamento de Sistemas Elétricos
3. Realidade Nacional
4. Linhas de Transmissão Segmentadas
4. 1 Áreas Elétricas Assincronas
4. 2 Combinação de Linhas Segmentadas com Linhas com Suporte de Tensão
4. 3 Linhas de Transmissão de Projeto Não Convencional
4. 4 Linhas de Transmissão Controladas em Tensão
5. Estudo de Casos
2
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
1. INTRODUÇÃO
Transmissão em CAAT a Longa Distância no País
Itaipu
(800 km, comp shunt e série)
Norte - Sul
(1400 km, 100% comp shunt, 50% comp série)
Sudeste-Nordeste
(1054 km, 100% comp shunt)
Tucurui – Manaus
(1457 km, …….)
P.Velho – Araraquara
(2250 km,….….)
Transmissão em CCAT a Longa Distância no Mundo
Cahora – Bassa
(1500 km, 2000 MW)
Ligação CCAT Estrutura Híbrida CC/CA
China
Sistema de Grande Porte Multi-Infeed
( processos em cascata / oscilações emec Interareas)
3
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
CAHORA BASSA
4
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
CHINA
5
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
Ref: EPRI
SHOCK ABSORBERS
6
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
FATORES NO
PLANEJAMENTO DE
SISTEMAS ELÉTRICOS
ECONÔMICO
TÉCNICOS
FINANCEIROS
ECONÔMICO
FINANCEIROS
SOCIO
AMBIENTAIS
(políticos-etnicos)
SOCIO
AMBIENTAIS
(políticos-etnicos)
SOCIO
AMBIENTAIS
(políticos-etnicos)
TÉCNICOS
ECONÔMICO
TÉCNICOS
FINANCEIROS
Não obstante o aumento dos
requisitos: satisfação da
demanda , confiabilidade e
incertezas dos cenários de
expansão
7
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
REALIDADE NACIONAL
Os planos decenais elaborados pela EPE apontam
para cenários de expansão com hidrelétricas a
partir da exploração dos potenciais das bacias da
Região Amazônica.
Conclui-se assim pela necessidade de conceber
uma Estratégia de Expansão da Malha com
ênfase na integração deste potencial, capaz de
gerar uma estrutura de transmissão otimizada no
que tange:
confiabilidade (limitação de propagação de
processos em cascata);
flexibilidade;
atendimento às questões sócio ambientais
(inserção regional).
8
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
REALIDADE NACIONAL
(continuação)
 Marcha para o Oeste (migração)
 Centro – Oeste passa Sudeste e fica com a maior renda do País
(PNAD – agronegócio em Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul:
R$ 1.139 /R$ 1.098)
AMAZÔNIA abre nova fronteira
(Aproveitamento do Xingu: acordo com a área ambiental , com
garantia de atendimento à sustentabilidade de cada bacia
UH Belo Monte 12 GW)
Usinas do TAPAJÓS
(Eletrobrás – CNEC: S.Luiz de Tapajós 6.3 GW)
9
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
REALIDADE NACIONAL
(continuação)
A aplicação da Estratégia em todos
os empreendimentos futuros se
opõe a um tratamento
individualizado que resulta,
muitas vezes, em custosas
adaptações da Rede existente. O
procedimento tem reflexos
econômicos importantes pois
sinaliza direções preferenciais de
P&D de equipamentos para um
mercado estimado em cerca de
160 GW.
Alternativas de transmissão com linhas
segmentadas, e dotadas de controle de
tensão, atendem aos condicionamentos
apontados para a transmissão a grandes
distâncias no País.
10
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4. Linhas de Transmissão Segmentadas
–
Linhas de Transmissão em CA interconectadas por ligações assíncronas
O objetivo é eliminar eventuais restrições / limitações de estabilidade
eletromecânica entre os extremos gerador e recebedor. Com o emprego de
conversores eletronicos de potência CA/CC e CC/CA, divide-se / corta-se a linha
em secções . As secções de um lado do conversor operam de modo assíncrono
em relação as secções do outro lado (modo assíncrono tem aqui o sentido de
independência de frequência)
Linha C
Linha A
Dispositivo
Back-to-Back
Linha D
Linha B
Linha E
Venikov 1980 – “Subdivision of Power Systems as a mean for maintaining transient stability” – The
subdivision of power systems into separate sections asynchronous to each other may be
considered as a mean of preventing the violation of stability……
11
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.1 Aplicação da Transmissão
Segmentada na Expansão
da Malha Principal no País
 Formação de Ilhas
Assíncronas
(estrutura em áreas)
 Conceito tradicional de
Área
12
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.2 Linhas de Transmissão Segmentadas dotadas de Suporte de Tensão
conversor HVDC
VSC B2B
(segmentação)
CER
STATCON
(controle de tensão)
Atributos da transmissão segmentada com suporte de tensão:
CONTROLABILIDADE DE TENSÃO E DE POTÊNCIA
MÁXIMA DISTÂNCIA DE TRANSMISSÃO = Máx comprimento dos segmentos ?
(LOADABILITY – St. Clair)
13
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.2.1 Limitação do Carregamento das LTs em CA
-St. Clair, H.P.-Practical Concepts in Capability and Performance of
Transmission Lines (1953) – concept of “line loadability” in terms of surge impedance
loading SIL (habilidade da LT com dado comprimento, e operando com um dado
carregamento, satisfazer um conjunto de especificações).
-Curva fornece uma estimativa do grau de carregamento em relação a sua potência
natural, para um dado comprimento, avaliação esta baseada na satisfação de
critérios e hipóteses apropiadas, relacionadas com:
-limitação de natureza térmica;
-limitação da queda de tensão;
-limitação de estabilidade eletromecânica (margem de estabilidade)
TRANSMISSÃO A LONGA DISTÂNCILINHAS EM CA INTERLIGADAS POR
DISPOSITIVOS B2B
14
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
EXEMPLO
LT com 480 km
Carregamento de 100% da P natural
LT com 960 km
Carregamento de 56% da P natural
Fator Limitante: Estabilidade Eletromecânica
Sobretensões
15
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
APLICAÇÃO A TRANSMISSÃO DO MADEIRA ?
LTs com Suporte de Tensão (SVC)
P.VELHO
|
0
COXIPÓ (CUIABÁ)
|
1250
ARARAQUARA
|
2250 km
Estação Conversora
HVDC VSC B2B
16
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
S.ANTONIO
4
Jauru
Rondonópolis
Gerador 5m
2100 MW
Samuel
Guaporé
SISTEMA MATO GROSSO
6
JIPARANÁ
5
7
VILHENA
8
JAURU
21
COXIPÓ RET
22
COXIPÓ INV
Gerador 3m
1100 MW
SISTEMA SUDESTE
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-95
-700/+700
-700/+700
B2B VSC
2655 MW
-700/+700
500 kV
230 kV
345 kV
138 kV
17
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
18
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
19
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
INTERLIGAÇÃO Norte-SE/CO
N
NE
FNS
RSE
SE/CO
Itaipu
GER IPU
RSE
FNS
(MW)
S
5600
5400
1600
20
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
INTERLIGAÇÃO Norte-SE/CO Segmentada
Estudo de Caso
GER IPU
RSE
FNS
N
(MW)
NE
FNS
RSE
1.
SE/CO
Itaipu
VSC B2B
GER IPU
RSE
FNS
(MW)
S
5600
5400
3000
21
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
22
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
LIGAÇÃO
TRANSANDINA
(4860 km)
23
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.3 LINHAS DE POTÊNCIA NATURAL ELEVADA
Para fixar idéias considere a LT empregada nos trabalhos (Portela e outros-XIX
SNPTEE)  LNC500:
Tensão: 500 kV (tensão nominal, 550 kV tensão mx em permanência)
Impedância Característica: 146.6 
Potência Característica: 1632 MW
Parâmetros (60 Hz):
R = 0.0126  / km
XL = 0.1913  / km
L = 0.507439 10-3 H / km
BC = 8.901168 10-6 S / km
C = 23.611 10-9 F / km
(“line charging ‘em 500kV = 2.2252 Mvar / km)
Nos nossos estudos as LT são consideradas como idealmente transpostas, seus
parâmetros independentes de freqüência; a depêndencia com relação ao solo
também não é levada em conta. Estas aproximações são pertinentes em estudos à
freqüência fundamental. Em alguns momentos buscando examinar os impactos dos
diferentes modos / tipos de compensação – série, paralela (shunt) –numa ampla
gama de freqüências , estas simplificações são mantidas, com prejuízo da precisão
dos resultados, sem contudo invalidar os aspectos qualitativos do desempenho
elétrico.
24
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.3 LINHAS DE POTÊNCIA NATURAL ELEVADA
(continuação)
km
1
 288902
s
LC
Velocidade de propagação: v 
( 0.963 c )
Comprimento elétrico (60 Hz):
  X L BC  1.3049 10 3
rad
km
(0.0747658
graus
)
km
ângulo de transmissão SIL
x
 x
(km)
(graus)
401.253
30
802.506
60
1203.76
90
1605.01
120
2407.52
180
Parâmetros de LTs em 500 kV - Comparação
Característica
LNC
LC
(Ref:Kundur pg 209)
Zc
Pc
R
XL
“line charging”
146.6
1632 MW
0.0126 /km
0.1913 /km
2.2252 Mvar/km
1.3049 10-3 rad/km
350 
1000 MW
0.028 /km
0.325 /km
1.30 Mvar /km
1.30 10-3 rad/km

25
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.4 LINHAS CONTROLADAS EM TENSÃO
4.4.1 Aplicação de Compensação Estática
Versão atual dos sonhados “voltage supported systems’, nos quais as linhas de
transmissão de grande comprimento seriam dotadas de SE intermediárias – estações
de chaveamento -, que possibilitariam a instalação de compensadores síncronos (CS),
com o objetivo de suportar a tensão ao longo da linha, melhorando a estabilidade.
Na implementação atual os compensadores síncronos são substituídos por
reatores controlados (CER) ou compensadores estáticos (STATCON).
26
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
barra #1
“VOLTAGE
SUPPORTED
SYSTEMS”
barra # 2…………..
CS #1
CS #2………
Transmissão com suporte de tensão
( Ref: Crary, Venikov )
barra #1
barra # 2…………..
CER #2…………
CER #1………
Transmissão com controle de tensão
( Ref: Gyugi, Edris, Hammad, Reichert )
27
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.4.2 Efeito do Controle de Tensão na Linha sobre a Estabilidade do PE
Unifilar simplificado
28
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.4.3 Efeito do Controle de Tensão na Linha sobre a Estabilidade do PE
Relações básicas
E1E 2
P
sen 
x12
x12  x1  x 2  x1x 2 B
1
V
(E1x 2 ) 2  (E 2 x1 ) 2  2E1E 2 x1x 2 cos 
x12
29
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.4.4 Efeito do Controle de Tensão na Linha sobre a Estabilidade do PE
Componentes do Torque Sincronizante
dP P
P x12


d  x12 
2



E1E 2
dP
P x1 x 2 
K
cos     2

d
 x12
0  V x12 0
30
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
150
Curva Potência-Ângulo
Potencia
transf
MW
Curva Potencia- Angulo
4000
3000
2000
1000
deltaG
50
100
150
200
-1000
-2000
-3000
31
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
“Transient Stability as affected by transmission voltage control”
ΔP
K1
Δδ
Δω
_
ΔPm+
377/s
1/2Hs
_
K4
K2
ΔV +
ΔB
ΔX12
GCER
-X1 X2
+
+ outros
sinais
ΔX12
K3
32
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
4.5 Conversores Configurados para Operação em Back–to–Back HVDC
CSI – “Current Source Inverters”
CCC – “Capacitor Current Converter”
VSC– “Voltage Source Converter”
HVDC Light-ABB e
HVDC Plus-Siemens
33
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001)
(Ref: Electra , April 2005)
-VSC advantages over LCC
No commutation failures, can operate at very small SCR, and can energize passive and
dead grid (blackstart capability);
Non minimum DC current;
Q can be controlled at both ends independently, and independent P control, within the
rating of the equipament (cost of the ancillary services);
Harmonic filtering at HF;
Footprint considerably smaller (25%-40%) than that of the LCC HVDC;
Can operate w/o intercom between VSC SEs
34
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001)
(Ref: Electra , April 2005)
-VSC disadvantages over LCC
Higher power losses (2% over 0.8% in LCCs);
Practical experiences with ovh lines:
Needs SC detection schemes.
-Conclusions of the Report
The report did not identify any technical barriers to VSC at power levels.
35
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
Tipos de Conversores VSC
(ref: ABB-www.abb.com/cables
dez 2007)
Dados de Estação Conversora B2B-VSC
Potência – 500 MW HVDC Light® + / - 150 kV (Mod 6)
Dimensões da SE incluindo transformadores e equipamento de refrigeração –
50 x 120 metros
Custo: US$ 120 milhões por conversor (out 2007)
(Válvulas conversoras %, transformadores 20%, proteçãoe controle
10%, obras civís e montagem 20%, outros equipamentos elétricos
20%)
36
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
APLICAÇÃO A TRANSMISSÃO DO MADEIRA
LTs com Suporte de Tensão (SVC)
P.VELHO
|
0
COXIPÓ (CUIABÁ)
|
1250
ARARAQUARA
|
2250 km
Estação Conversora
HVDC VSC B2B
E1Vconversor
P
s e n   conversor 
x12
x12  x1  x 2  x1x 2 BCER
37
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
FIM
38
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
39
LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS
40