Compensação Estática de Reativos uma Solução no Problemas de ...
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SBA: Controle & Automação, Vol. I, N" 4,pp. 313-321
COMPENSAÇÃO ESTÁTICA DE REATIVOSUrna Solução para Problemas de Operação de Sistemas Elétricos
Sigmar Maurer Deckmann
UNICAMP - FEE - DSCECaixa Postal, 6101 - Campinas, S.P
Resumo
O artigo focaliza alguns problemas de operaçao de sistemas de energiaelétrica, ligados ã operação de cargas especiais, responsáveis pela geraçãode harmônicos, flutuações de tensão, desequilíbrio de fases e baixo fator depotência. O objetivo é mostrar a crescente importância que á compensação reativa está assumindo na solução desses problemas, em função da possibilidadedo controle preciso e rápido da potência reativa em larga escala, utilizandodispositivos controláveis de eletrônica de potência e tecnologias de processamento e controle digitais. Atraves de um exemplo de aplicação mostra-se aatuação de um compensador estático tipo Reator Controlado por Tiristores naredução de flutuações rápidas de tensão.
REACTIVE STATIC COMPENSATIONA Solution for Power Systems Operation Problems
Abstract
The article focuses some operational problems of electric energy systems, related with the operation of abnormal loads, which are responsiblefor harmonics generation, voltage fluctuations, phase disbalancing, and low·power factors. The objective is to emphasize the increasing importance ofthe reactive compensation in the solution of these problems. This is due tothe ability of precise and fast control of large scale reactive powerthrough the controlable power electronic devices and the technology ofdigital processing and controlo An example of application illustrates theperformance of a static compensator of the Tyristor Controlled Reactor Typein reducing the fast voltage fluctuations.
1. INTRODUÇÃO
Compensação reativa está se constituindocada vez mais em um recurso indispensávelpara garantir a necessária qualidade de serviço para a operação de sistema de energiaelétrica (SEE). A qualidade de serviço podeser traduzida basicamente pela continuidadede suprimento,pureza da forma de onda e firmeza da tensão e da frequência do sistemaCA.
O papel cada vez mais importante que acompensaçao reativa está assumindo é consequência de dois fatores preponderantes:
~ - do conhecimento e reconhecimentodas potenciais melhorias que o controle da injeção e do fluxo de potência reativa podem introduzir naoperação do sistema elétrico, aument~n~o seu desempenho estático e di~nam~co;
313
~~ - dos avanços tecnológicos alcançados, principalmente nas áreas deeletrônica de potência e controlede processos, que resultaram em soluções tecnicas para viabilizar ocontrole efetivo da potência reativa em níveis de MVAR.
Será mostrado neste trabalho que grandeparte dos problemas enfrentados pelas empresas do setor elétrico e que são causadospela operação das chamadas cargas especiaispodem ser resolvidos através da compensaçãoreativa, utilizando os recursos hoje disponíveis da eletrônica de potência e do processarnento e controle digitais. -
2. CARGAS ESPECIAIS - FONTES DE PROBLEMASPARA A OPERAÇAO DE SEE
O consumidor convencional de energia elé
trica recebe sua conta de energia computadaem função do consumo medio de potência ativadurante o mês" Ê pressuposto que o comportamento instantâneo da carga não se afastamuito dessa media e que tais variações nãocausam perturbações aos demais consumidores.O consumo de potência reativa só e taxadoquando ocorrer a violação do limite de fatorde potência (FP) medio mínimo de 0.85, sofrendo a conta um acrescimo a título de multa por baixo fator de potência. Esse problema e enfrentado particularmente pelas indústrias cuja carga, composta por motores de indução não compensados, pode gerar baixos fa~tores de potência durante a operação.
Atraves do registro de cargas em setoresindustriais típicos constatou-se que e praxenas indústrias atender às exigências legaismínimas, ou seja, operar a carga de formaque o FP médio diário alcance 0.85. A figura1 mostra alguns desses registros obtidos deAndrade (1987).
FP
1 'k!1.,.l~••~""d"" d,,,." ,"
. 6 12 18 HORAS
::~~~. G 12 18 HORAS
FP MEDI O/MENSAL = .90
IND. META LÚRGICA
i - A manutenção, pelo consumidor, de umFP medio em 0.85 implica em um suprimento, pela concessionária, de po~
tência reativa media de 62% da potê~
cia ativa consumida;
ii - A transferência de potência reativaatravés do sistema de suprimento causa queda de tensão, prejudicando opróprio consumidor e eventualmenteoutros, ligados no mesmo a1imentador.
Esses problemas têm sido encarados, aterecentemente, do ponto de vista estático,sendo recomendado o uso de compensação reatIva tanto para as cargas e para o sistema detransmissão, atraves da instalação de bancosde capacitores, reatores, compensadores síncronos e transformadores com derivações.
Mais recentemente, com o uso intensivode energia elétrica em processos industriais,estimulado pelas crises de combustíveis fósseis e pelas melhorias alcançadas com a automação industrial, têm surgido problemas de~
correntes da operação das cargas de grandeporte, não-lineares, variáveis e desequilibradas. Em tais cargas especiais, constituídas por fornos a arco, pontes retificadoras,conversores estáticos, sistemas de acionamento por chaveamento, etc., as características dinâmicas passaram a se tornar predominantes, exigindo compensadores reativoscada vez mais rápidos e eficazes para garantir a qualidade de serviço das concessionárias.
Os principais problemas enfrentados pelaoperação do sistema e1etrico e que podem serrelacionados com a operação dessas cargasespeciais são
~ ·::L",,,;~~. G 12 18 HORAS
FP MEDIO MENSAL • .86
IND. AÇUCAREIRA
a) Aumento do nível de distorção da onda detensão na rede, consequente do nível deharmônicos gerados pelas correntes dessascargas não-lineares;
b) Aumento do nível de desequilíbrio de fases, devido,p.ex., à operação independente das fases em fornos a arco e sistemasde tração monofásica;
c) Flutuação da tensão devido à variaçãoirregular da corrente da carga, podendoprovocar efeito de cintilação luminosa("lamp flicker") em toda região vizinha;
Fig. 1 - Curvas típicas de consumo.
d) Sobre tensõessusceptíveisle1a para as
e sobrecorrentes em pontosa ressonâncias serie e paracorrentes harmônicas;
Essas curvas mostram que nao se podeignorar o comportamento dinâmico das cargas, mesmo quando os valores medios previstos estão satisfeitos. Mesmo desprezando as variações em torno dos valores mediosobservados, a praxe acima mencionada conduz a pelo ménos duas constatações que afetam significativamente a operação do sistema :
314
e) Atuação errônea do sistema de proteção emconsequência da distorção harmônica e flutuações de tensão e corrente;
f) Aumento de perdas nos sistemas de transmissão, transformadores e rede de distribuição, tanto pela presença de correntesharmônicas como pelo aumento de fluxo dereativos para a carga;
Fig. 2 - a) Circuito trifásico desequilibrado com compensador reativo;
b) Circuito equivalente resultante.
g) Redução da margem de estabilidade do sistema de geração e transmissão, possibilitando o aparecimento de oscilações que podem levar ao colapso do sistema interli~
gado.
Todos esses problemas já estão sendo enfrentados em maior ou menor escala pelas diversas empresas do setor eletrico brasileironos últimos 10 anos. Em cada um desses casosverifica-se que o controle reativo pode auxiliar na solução dos problemas exigindo,~orem, o domínio tecnológico, em diferentesareas corno :
- construção de reatores de alta capacidade e baixas perdas;
a
(a )
c
(b)
b
-
construção de capacitores compactos ebaixas perdas;
- construção de válvulas de semicondutorescontroláveis;
- desenvolvimento de controladores rápidos analógicos e digitais;
desenvolvimentores e filtros degitais;
de sensores, transdutosinais analógicos e di-
Miller (1984) resume essa compensaçaoatraves do seguinte princípio
a - Qualquer carga trifásica desbalanceada,linear e não aterrada, pode ser transformada em uma carga trifásica real balan~
ceada, sem alterar a transferência de potência ativa entre a fonte e a carga~atraves da conexão de uma rede de compensação ideal em paralelo. -
3. O COMPENSADOR REATIVO IDEAL
BC -B + (Gca Gbc) /13ab ab
BC -B + (Gab G ) /13 (1)bc bc ca
BC -B + (Gbc - Gab) /13ca ca
Já se dispõe hoje no Brasil de um nívelsuficiente de experiência nessas áreas isoladamente, permitindo que se promova a incorporação dessas experiências na solução dosproblemas relacionados com a compensação estática de reativos em sistemas de energiaeletrica.
Steinmetz (1917), um dos precurso-res da atual conceituação e formulação usadapara modelagem e análise de sistemas de correntes eletricas senoidais, responsável pelaintrodução da análise fasorial e da representação de grandezas eletricas por variáveiscomplexas, foi quem estabeleceu pela primeira vez, no começo deste século, as condições de compensação reativa ideal, necessárias para equilibrar uma dada carga trifá-sica.
Essas condições, representadas pela equaçao 1, refereú~se á situação mostrada na fi~
gura 2.
b - A rede de compensação ideal pode ser puramente reativa.
iii - possibilidade de excitação de correntes harmônicas devido a não-linearidades magnéticas (ferro-ressonância) ou da carga (fornos a ar~
co, pontes chaveadas, etc.).
i - variaçao descontínua em face dochaveamento de unidades discretasna associação série-paralela doscapacitores;
ii - trans~tor~os de tensão e correntedurante o chaveamento dos capacit~
res;
Essa importante característica do compe~
sador reativo ideal, no entanto, permaneceate hoje quase inexplorada, senãó desconhecida. A razão para isso e simples: a falta,até pouco tempo, de solução tecnológica paraviabilizar um compensador ajustável para ascondições variáveis das cargas.
Para se poder aplicar o princípio do compensador ideal a uma carga variável e dese~quilibrada, é necessário que a rede de compensação admita parâmetros reativos variáveis com controle independente por fase. Astrês fontes clássicas de reativos são os bancos de capacitores, os reatores e as máqui~
nas srncronas. Todos apresentam dificuldadescom relação ã controlabilidade da potênciareativa fornecida ou consumida.
No caso dos bancos capacitivos as principais dificuldades com respeito ao controlesão devidas a :
de controleadequados
desenvolvimento de esquemase algoritmos computacionaispara cada aplicação.
315
Os reatores, por sua vez, são equipamentos de construção similar a dos transformadores de potência, apresentando os problemasde não-linearidade e perdas típicas dessesequipamentos. Sofrem também da restrição docontrole descontínuo através da mudança discreta de derivações.
As máquinas síncronas, ao contrário, permite~ o controle contínuo de reativos abran~
gendo dois quadrantes: para cargas indutivas e capacitivas. Mesmo assim, essa fontede reativos não é adequada para operar comocompensador reativo ideal pelas seguinteslimitações
i - a resposta a ação de controle é lenta, da ordem de centenas de milise~
gundos, devido às constantes de tempo do sistema de excitação;
ii - a máquina síncrona não permite ocontrole independente por fase.
Com o desenvolvimento de dispositivossemicondutores controláveis para altas potências, mais especificamente as válvulas detiristores, tornou-se possível obter virtualmente o controle contínuo e independente dasusceptância em cada fase do compensador. Emfunção dessa tecnologia resultaram, entreoutros, os Reatores Controlados por Tiristores (RCT) e os Capacitores Chaveados por Tiristores (CCT). Nos dois casos a insersãodos elementos reativos so ocorre quando ostiristores são disparados pelo sinal de controle. Existem diferenças fundamentais entreo RCT e o CCT. No RCT o controle do disparopode variar continuamente na faixa de condução do par tiristor-reator, i.é., para ângulos entre 900 e 1800 , relativos ã onda de tensão. Durante o bloqueio do tiristor a corrente é nula resultando uma corrente descontí~
nua no RCT, o que introduz um significativoconteúdo harmônico, que necessita ser filtrado.
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I t / Reta de carga
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Reta de coroado sistema
Fig. 3 - a) Circuito por fase do RCT sem perdas;b) Tensão e corrente no RCT para 900 < a < 1800 ;
c) Característica estática de operação do RCT;d) Circuito por fase do CCT de 3 estágios;e) Tensão e corrente no CCT para disparo em v vco ;f) Característica estática do CCT.
316
No CCT, para minimizar as sobrecorrentese sobretensões de chaveamento dos capacitores, o disparo dos tiristores só pode serfeito quan~o. o nível de tensão no tiristorestiver prox~mo da tensão remanescente dacarga previa do capacitor. Essa restriçãoevita o surgimento de distorção harmônica noCCT, porem torna o controle demasiado lentopara algumas aplicações como na redução dasflutuações de tensão, responsáveis pela cintilação luminosa ("lamp flicker").
do sistema de suprimento no chamado Ponto deAtoplamento Comum (PAC) , que corresponde aoponto de interligação da carga perturbadoracom os demais consumidores, conforme mostrado na figura 4.
Considerando as perdas desprezíveis nosistema de transmissão, pode-se relacionaras variações de tensão em um ponto k qualquer da rede com as variações de potênciareativa nesse ponto, através da equação 2:
Essa equação mostra a possibilidade dese regular a tensão através do controle dainjeção de potência reativa local. Esse e oprincípio básico da compensação reativa.
A percepção do efeito de cintilação depende da frequência das flutuações da tensão. A figura 5 mostra a curva de sensibilidade normalizada, obtida através de testesde percepção, realizadas com observadoressubmetidos ao efeito dessas flutuações. Apresenta também as curvas do limiar de percep~
ção para flutuações senoidais e de onda quadrada (UIE, 1982).
variação percentual da tensao;
variação da potência reativa;
potência de curto-circuito local.
4. UMA APLICAÇÃO - O RCT PARA REDUÇÃ-o BE CINTILAÇAO
A fim de ilustrar o potencial uso da conpensaçã'o estática de reativos', será mostradaa aplicação de um reator controlado por tiristores (RCT) no controle de flutuaçoes detensão capazes de gerar cintilação luminosa.Essa experiência descreve os resultados deuma pesquisa sobre compensação estática(Deckmann, 1986) e na qual foram desenvolvidos os protótipos de um medidor de cintilação e duas versões de compensador RCT : umcom controles analógicos ( Benavides,1986) e outro com controles digitais por microcomputador ( Borjas, 1987).
Inicialmente e caracterizado o fenômenoda cintilação e depois são apresentadosalguns resultados alcançados usando o RCT implementado. Maiores detalhes sobre os siste~
mas implementados podem ser encontrados nasreferências mencionadas.
onde
. 100% (2)
5. O EFEITO DA CINTILAÇÃO LUMINOSA
Fig. 5 - Curva de sensibilidade e limiarde percepção.
.....~
0.6 :iio;;
04 ~Ul
Q.2 ,;oi
30Hz
Limiar para L.imiar parasenóide -- -ondQ,quâdrodO
20frequência
3
2
AV % Li miarde
percepção
O nível dessas flutuaçoes depende da rigidez elêtrica do sistema de suprimento emrelação às fontes de tens,ãO. Uma forma simplificada para se tratar esse problema consiste em analisar o equivalente de Thevenin
Um dos distúrbios causados pela operaçãode cargas variáveis e o surgimento de variações perceptíveis da intensidade luminosa,associadas às flutuações da tensão de suprimento. Esse efeito de cintilação e particularmente intenso na fase inicial de fusaonos fornos elétricos a arco e pode criar in~
cômodo visual para os consumidores em toda ar~giã'o suprida pela mesma rede de transmissao.
z. PAC
±,,,." ..."..,
Fig. 4 - Circuito simplificado para análisedas flutuações de tensão no PAC.
A máxima sensibilidade ocorre para flutuações em torno de 8.8Hz sendo o limiar depercepção nesse caso de 0.2% de variação datensão. Constata-se que o olho humano é extremamente sensível às variações de tensãonessa faixa de frequências, exigindo um rigoroso controle da tensão de suprimento, parãcargas do tipo fornos a arco, que produzemum espectro de variações exata~ente nessafaixa.
317
circuito de disparo dos tiristores usando optoacopladores;
- circuito de controle analógico com 2 malhas independentes;
controle PID por realimentação deerro de tensão;controle direto pelas variaçõesda corrente de carga;controle misto: PID e direto.
•f\i~k ..... --.. .-..0.1
V0.6
0.3
0.4
0.5
0.2
Fig. 6 - Espectro de flutuação de tensãocausado por forno a arco.
oO 2. 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Hz interfaces para controle por microcom
putador usando
conversores A/D e D/A;processamento de amostras dos sinais de tensão e corrente paracontrole digital PID e direto;
6. ESQUEMA DE COMPENSAÇÃO IMPLEMENTADO
Para testar a eficacia do compensa~or
reativo, tipo RCT, na redução de flutuaçoesde tensão na faixa de percepção da cintilação luminosa, foi implementado um sistemamonofasico, para laboratório (llOVca, 1KVA)contendo :
a) Compensador reativo
- .eator nao saturavel controlado por 2tiristores em antiparalelo;
b) Carga variavel :
- reator não saturavel controlado por 2tiristores em antiparalelo;
- circuito de disparo dos tiristores comajuste do ponto de operação;
- gerador de ruído para simular variaçãoda carga;
- filtro para reproduzir o espectro deforno a arco típico.
PTO. • IOPERAÇAO I
COMPENSADOR REATIVO I----~
PTO.OPERAÇÃO
CONTROLE
DIGITAL
PIO
OIRElO
TENSÃO
CONTROLE
.,---+-+-+--t-----oi ANALÓGICO
PIODIRETO
MISTO
PAC
REDE
120V60Hz
Fig. 7 - Sistema de compensaçao para flutuações de tensao.
318
da tensão variáflutuação da ten-
para aquisição e proamostras do sinal de
c) Sistema de medição :
- processador analógicov~l para obtenção dasao;
- filtro de ponderação para simular a característica lâmpada-olho-cérebro;
- conversor A/D para digitalizar sinal de"flicker";
- microcomputadorcessamento de"flicker";
- sistemas de gravação em fita magnéticae registro gráfico em traçador X- t eimpressora gráfica.
A figura 7 mostra o esquema básico dosistema desenvolvido.
ção do efeito de cintilação foram implementados visando obter respostas para algumasquestões básicas, como por exemplo:
a) Como reproduzir, a nível de laboratório,as características de flutuação de tensãode cargas variáveis responsáveis peloefeito da cintilação em particular?
b) Quais as dificuldades associadas ao processamento da tensão de suprimento paraquantificar o nível de cintilação?
c) Qual a correlação entre os vários métodospropos tos para essa medição?
d) Como se comportam os controles clássicospor realimentação de erro (PID) e o controle direto ("Feedforward") na reduçãodas flutuações de tensão?
7. RESULTADOS ALCANÇADOS
e) Qual o desempenho do controle digital utilizando um microcomputador para realizaras mesmas funções?
Os sistemas para simulação da carga variável, compensação estática reativa e medi- Estas são apenas algumas das questões
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0.5
I- COMPENSADOR ATUANDO -I
a) Atuação do Controle Realimentado (PID).
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b) Atuação do Controle Direto.
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c) Atuação do Controle Combinado (PIO + Direto) .
Fig. 8 - Atuação do RCT com controle analógico.
319
a) Atuação do Controle Analógico (PID + Direto).
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- o controle realimentado utiliza o sinalde erro de tensão como variável de controle. Isto exige ganhos diretos relativamente elevados, uma vez que as flutuações a serem atenuadas representam menosde 1% da tensão fundamental;
o caráter aleatório das variações da carga nao permitem a separação de outrasfontes de ruídos;
para as quais se obteve importantes subsídios. O próprio processo de implementação,espe:i~lmente na fase de desenvolvimento doprotot1po, se constituiu numa sucessão deproblemas a serem resolvidos. Serão tratadasaqui apenas algumas das questões básicas mencionadas acima. Para maiores detalhes ver referêneias [2J a [6J.
Em primeiro lugar, sao apresentadas curvas que mostram, na figura 8, a evolução notempo do sinal de cintilação, associado àsflutuações aleatórias da tensão geradas pelacarga variável, com e sem a atuação do compensador RCT, usando o controle analógico.Resultados similares foram obtidos com o controle digital.
Como se pode observar, o controle diretoé mais eficiente que o realimentado, e a combinação de ambos aumenta ainda mais a efic~
cia do controle. As razões levantadas paraisso sao as seguintes
o controle direto monitora a corrente dacarga variável para gerar o sinal de controle. Uma vez que as excursões da cor=rente podem alcançar 100%, os ganhosdesse controle são baixos e os ruídosexternos passam a ser menos significativos;
b) Atuação do Controle Digital (Direto).
Fig. 9 - Controles analógico e digitaldo RCT.
- a alta eficiência do controle combinadoresulta do fato do controle realimentadoe direto serem independentes e, portanto, terem atuações complementares.
A figura 9 mostra o espectro de cintilaç~o luminosa contido nas flutuações de tensao antes e depois da compensação pelo RCT,utilizando controle analógico e digital.
Pode-se notar que a eficácia do RCT émuito boa em toda a faixa de percepção decintilação (O - 30Hz). Isto mostra que hápossibilidade de resposta em meio ciclo de60Hz para o controle de potência reativaatravés do RCT, o que é muito mais rápido doque a capacidade de resposta de qualqueroutro dispositivo, particularmente dos compensadores síncronos, que não respondem emmenos de 20 - 30 ciclos.
Pode-se verificar ainda que o controledigital, usando um microcomputador de 8 bitse frequência de relógio de apenas lMHz, praticamente conferiu ao controle direto o mesmo desempenho do controle analógico. Uma vantagem do controle por microcomputador, queficou evidente pela pesquisa, é a possibilidade de se realizar a supervisão das 3 fases
(sistema trifásico) consecutivamente (sequenciamento no tempo) pelo mesmo controlador no caso de carga variável desequilibrada, o que não é possível com o controle analógico, que exigiria um controlador para ca=da fase.
8. CONCLUSÕES
Neste artigo se procurou mostrar quemuitos dos problemas enfrentados hoje pelaoperação de SEE podem ser minimizados através do controle e compensação adequada da potência reativa. Em geral esse controle podee deve ser feito próximo do local de origemdo problema. Existe tecnologia disponívelhoje que permite que se faça esse controlede forma precisa, rápida e em grande escala.Esse é um campo no qual as áreas de conhecimentos básicos acerca dos dispositivos deenergia elétrica, de eletrônica de potência,de processamento de sinais e de controle deprocessos podem se associar para produzir umdomínio tecnológico que nos custará cada vezmais caro fora do país.
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