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HVDC APLICADO NA TRANSMISSÃO EM ALTA TENSÃO
Gustavo Luís dos Santos Riêra Rafael Alvares Bragança William Akio de Oliveira
Orientador: Prof. Dr. José Manuel Esteves Vicente
Co-orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
Resumo – A crescente utilização do HVDC (High-
Voltage Direct Current) nos setores de transmissão de
energia elétrica é bastante notória, provando ser
bastante vantajosa a sua utilização quando
comparado a transmissão CA em longas distâncias.
Diante disso, buscou-se através deste Trabalho Final
de Graduação, desenvolver uma estrutura
laboratorial a fim de simular o funcionamento do
HVDC. As atividades envolveram a verificação de
operação do transdutor de corrente, que em seguida
foi implementado ao sistema CC. Foi feito um estudo
fazendo uso da plataforma computacional MATLAB,
na qual foi utilizado o modelo de sistema de
transmissão HVDC de 12 pulsos de 1000MW (500kV-
2kA) 50/60Hz para exemplificar um modelo padrão
com base tiristorizada.
Palavras-Chave: HVDC, Sistema CC, Transmissão de
energia.
I – INTRODUÇÃO
Na história da indústria da eletricidade foi
amplamente documentado que inicialmente utilizava-se
corrente contínua(CC), porém sua transmissão em baixa
tensão não era viável em longas distâncias, dando espaço
para o desenvolvimento e ampliação do comércio de
corrente alternada(CA)[1]. O desenvolvimento das
válvulas de alta tensão tornou possível transmitir potência
CC para longas distâncias e altas tensões, possibilitando o
crescimento do sistema de transmissão HVDC em
diversas partes do mundo.[2]
Com a crescente globalização e visão capitalista com
que grande parte das pessoas tende atualmente, a
indústria elétrica, juntamente com as preocupações
ambientais vem espaço no mercado com soluções mais
eficientes e menos degradantes ao meio ambiente [1], [2].
O HVDC proporciona uma série de vantagens em relação
à transmissão de potência em alta tensão (AT) em CA,
algumas delas são:
Menores impactos ambientais;
Melhor escolha econômica;
Interligação assíncrona;
Controle do fluxo de potência;
Benefícios na transmissão quanto à estabilidade e
qualidade.
Um ambiente de programação e simulação que vem
sendo bastante utilizado é o MATLAB. Trata-se de um
software interativo de alto desempenho e que neste
trabalho final de graduação foi utilizado para se realizar a
análise numérica e modelamento do sistema HVDC em
questão. Através do software foi emulado o modelo de
sistema de transmissão HVDC de 12 pulsos, verificando
o seu comportamento operacional.
Dentro deste contexto, avaliou-se o comportamento
do Transdutor de corrente em laboratório a fim de
implementá-lo ao sistema HVDC. Este por sinal tem
como objetivo injetar uma corrente de realimentação ao
sistema, que é comparada a uma corrente de referência. O
erro presente entre ambas é corrigido por um sistema de
controle, responsável pela regulação de corrente do
sistema.
II – REFERENCIAL TEÓRICO
II.1 – Transmissão CC
Dentre as vantagens apresentadas pela transmissão CC
em relação à CA, destacam-se [3], [4]:
Maior quantidade de energia transmitida por
condutor;
O terra pode ser utilizado como retorno;
Não necessidade de torres tão robustas e elevadas;
TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO
JUNHO/2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
2
Pode interconectar sistemas CA em diferentes
frequências;
O fator de potência da linha é sempre unitário, ou
seja, não requer compensadores reativos.
Não ocorre efeito “skin” nos condutores;
Menos efeito corona e interferência de rádio;
Sem problemas de estabilidade;
Não há contribuições sobre as correntes de curto-
circuito nos sistemas CA;
Baixas correntes de curto-circuito nos sistemas CC;
Potência de intercomunicação pode ser facilmente
controlada.
Dentre as desvantagens, tem-se:
Custos elevados dos conversores;
Conversores requerem potência reativa,
Harmônicos gerados pelos conversores requerem a
presença de filtros;
Os conversores possuem baixa capacidade de
sobrecarga.
II.2 – Componentes de um sistema de transmissão HVDC
Os três principais componentes do HVDC são:
Estações de conversão na transmissão e recepção do
sinal, meio de transmissão e eletrodos [5].
As estações de conversão consistem de um conjunto
de equipamentos necessários para converter CA/CC ou
vice-versa. Os principais equipamentos são [5], [6], [7]:
Válvulas tiristorizadas: As válvulas tiristorizadas
podem ser construídas de modo diferente, dependendo da
aplicação e do modo de produção. Entretanto o arranjo
mais comum de válvulas tiristorizadas é o de 12 pulsos.
Válvulas VSC: O conversor VSC consiste em
conversores de dois ou mais níveis, reator de fase e filtros
CA.
Transformadores: Os transformadores conversores
adaptam o nível de tensão CA para tensãoCC.
Geralmente eles são monofásicos de três enrolamentos,
mas podem ter arranjos diferentes dependendo do modo
de transporte e quantidade de energia solicitada.
Filtro CA e banco de capacitores: No lado CA de um
conversor HVDC de 12 pulsos são gerados harmônicos
de corrente e são instalados filtros para limitar a
quantidade de harmônicos formados na rede. No processo
de conversão o conversor consome potência reativa, que é
compensado em partes pelos filtros e o restante pelos
bancos de capacitores conectados à rede.
Filtro CC: O conversor HVDC cria harmônicos em
todos os modelos operacionais. Tais harmônicos podem
criar distúrbios no sistema de telecomunicação, que
podem ser reduzidos pela inserção de filtros CC, uma vez
que são projetados com características especiais para esta
finalidade.
O meio mais comum de transmissão terrestre é
realizado por linhas aéreas. Normalmente são linhas
bipolares, com dois condutores de diferentes polaridades.
Os cabos de transmissão HVDC são também utilizados
para transmissão submarina. Os tipos mais comuns de
cabos são os sólidos e os preenchidos com óleo. Sendo os
do tipo sólido o mais econômico, na maioria dos projetos
[8], [9].
II.3 – Viabilidade de implantação
O HVDC tem menor custo de implantação da linha
por unidade de comprimento quando comparado a um
sistema CA de mesmo nível de confiabilidade, devido ao
menor número de condutores e menores tamanhos de
torre. Todavia, o sistema CC necessita de duas estações
de conversão, que possuem custo elevado, chegando a
custar de duas a três vezes o preço de uma
correspondente estação de transformação CA [10].
Na maioria das vezes, a transmissão HVDC para
pequenas distâncias não é economicamente viável.
Porém, um fator determinante para a aplicação ou não de
corrente contínua em alta tensão, é o custo das linhas
aéreas. Acima de uma distância (cerca de 500km), a
economia obtida nas linhas CC é maior do que os custos
extras oriundos das estações terminais, tornando a opção
de transmissão mais vantajosa [11].
III – METODOLOGIA
O método utilizado para gerar os resultados esperados
foi baseado em ensaios experimentais com um transdutor
de corrente, ligando o mesmo no módulo HVDC do
laboratório. Além disso, através do modelo em software
desenvolvido na plataforma MATLAB, foi verificado o
seu exemplo de funcionamento.
Para se atingir as metas definidas nos objetivos deste
projeto, a seguinte metodologia foi utilizada:
Levantamento Bibliográfico: Objetivou conhecer o
estado da arte sobre o tema enfocado e fornecer os
subsídios disponíveis e necessários às análises de
transmissão de energia em corrente contínua, bem
como buscou-se conhecimentos com relação ao
próprio HVDC e a sua analise econômica. Para tal,
foram consultadas várias fontes de pesquisas, como
periódicos, anais de congressos, dissertações e teses
de Universidades nacionais e internacionais;
Testes Computacionais: Após as análises teóricas, foi
simulado um modelo no software da plataforma
computacional MATLAB apropriado para se cumprir
os objetivos do trabalho e exemplificar uma aplicação
do HVDC. Foram realizados análises e estudos dos
valores e formas de ondas obtidas durante a
3
simulação. É válido destacar que a UNIFEI já possuía
a plataforma computacional utilizada;
Medições Laboratoriais: Nesta etapa, já com a
estrutura laboratorial completa, foram realizados os
ensaios com o transdutor de corrente e posteriormente
com o módulo HVDC, alvo principal deste plano de
trabalho;
Análise dos Resultados: Foram realizadas as análises
dos dados registrados na etapa anterior e, no que
tange à aplicação do HVDC, foi verificado o
funcionamento do processo de transmissão em
corrente contínua [14], [15];
Artigo Final: Como última etapa, tem-se a elaboração
deste artigo, contemplando os resultados obtidos nas
pesquisas, nas medições realizadas no experimento
em laboratório e nas simulações através do software
MATLAB.
IV – RESULTADOS E DISCUSSÕES
IV.1 – Transmissão em CC
A transmissão em corrente contínua não é afetada pela
capacitância e a indutância da linha. Sob condições CA, a
corrente não está distribuída uniformemente através da
secção transversal do condutor. A densidade de corrente
é mais elevada na região exterior (Efeito Skin) e resulta
na utilização da secção transversal do condutor.
Efeito Skin em condições de d.c. é completamente
ausente e, portanto, há uma corrente uniforme no
condutor, e o condutor de metal é melhor utilizada. Além
disso propicia um controle de potência estável.
Com corrente alternada, as interligações entre os
sistemas de energia deve ser síncrono. Deste modo
sistemas de frequências diferentes não podem ser
interligadas. Tais sistemas podem ser facilmente
interligados por meio de ligações de HVDC. Para
diferentes frequências de interligações ambos os
conversores podem ser confinado a mesma estação.
Além disso, as diferentes demandas de energia podem
precisar manter diferentes tolerâncias sobre as suas
entregas, embora nominalmente a mesma frequência.
Esta opção não está disponível com corrente alternada e
em CC não existe tal problema.
Em ca, mesmo pequenas diferenças de frequências
nos dois sitemas acarretam grandes correntes de
interligação, com a proteção atuando para desconectá-las.
O emprego de corrente contínua resolve facilmente este
problema, sem nada a acrescentar a potência de curto-
circuito das áreas interligadas. Isto equivale a não ser
necessário alterar potência de transformadores, reforços
em barramentos ou empregos de disjuntores com maior
capacidade de interrupção.
IV.2 – Análise Econômica
Todos os fatos mencionados anteriormente tem
tornado cada vez maior o emprego da transmissão em
corrente contínua no mundo. O custo de um sistema de
transmissão HVDC depende de vários fatores, como a
capacidade de energia a ser transmitida, o tipo do meio de
transmissão, condições ambientais, dentre outros. Um
fator determinante para a aplicação de Corrente Contínua
em Alta Tensão, é o baixo custo das linhas aéreas em
corrente contínua.
Apesar do investimento nas estações conversoras do
sistema HVDC ser maior que as estações de transmissão
em alta tensão CA, o custo acaba sendo compensado pois
acima de uma certa distância, a economia obtida nos
cabos das linhas é maior do que os custos extras oriundos
das estações terminais, tornando a opção de transmissão
em corrente contínua vantajosa. E, Além disso, os custos
de operação e manutenção são menores no sistema
HVDC.
A figura a seguir mostra a comparação do custo:
Fig.1 – Comparação Custo de Transmissão CCxCA
Um sistema de transmissão em corrente contínua com
dois condutores metálicos equivale na prática a um
circuito duplo de corrente alternada, dispondo da mesma
confiabilidade.
Fig.2 – Comparação Torre de Transmissão CCxCA
4
IV.3 – Análise Laboratorial
Primeiramente foi realizado com o transdutor de
corrente, um experimento para verificar a linearidade da
tensão que o transdutor de corrente apresenta para
posteriormente implementá-lo ao sistema HVDC e
simular as variações de tensão, obtendo assim a tabela e
gráfico abaixo.
TABELA 1 – VALORES DE TENSÃO E CORRENTE DO TRANSDUTOR
Tensão [mV]
Corrente [mA]
68,4 1,6
136,8 3,3
204,6 5,6
270 7,4
335,6 9,3
Fig.3 – Gráfico da relação entre tensão e corrente
IV.3.1 – Módulo em Manual
Fig.4 – Módulo didático HVDC
A operação do módulo didático em manual, foi um
sucesso. Houve o controle de corrente a partir do ângulo
de disparo. O controle de corrente foi realizado variando
o ângulo de disparo de 50° à 10° no retificador,
observando que a relação é inversa, ou seja, quanto maior
o ângulo, menor a corrente. Fazendo dessa maneira o
controle de corrente continua. Já no inversor manteve-se
o ângulo fixo em 150°. Portanto a operação em manual
ocorreu como esperado.
Fig.5 – Forma de onda do Retificador com 30º
Fig.6 – Forma de onda do Inversor com 150º
IV.3.2 – Módulo em Automático
Foi montado um Amp-op [13] para multiplicar o
ganho, a fim de ajustar a tensão para a operação no modo
automático do modulo didático do HVDC. O Rf é um
potenciômetro de 1M[ohm], o valor ajustado foi de
23,7K[ohm]. O ganho A1=-Rf/R1 =-23,7/0,5=-47,4 e o
A2=-15K/15K=-1. Sabemos que o ganho total do circuito
é dado: A=A1.A2=47,4.
5
Fig.7 – Amplificador Operacional
Fig.8 – Montagem do Amplificador Operacional
Para alimentar os CI’s 741 foi utilizada uma fonte de
alimentação CC, +-15 V.
Fig.9 – Fonte de alimentação do Amp. Op.
Para alimentar a entrada V1 do Amplificador foi
utilizado o transdutor, que ao alimentar a entrada do
amplificador, teve um ganho de 47,4. Retornando para o
modulo didático, sendo possível operá-lo em modo
automático. Da seguinte maneira:
Fig10 – Controle em modo automático
O modo automático foi utilizado no retificador para a
transmissão do HVDC de 6 pulsos e foi possível fazer o
controle de corrente em modo automático. O ângulo do
inversor foi regulado em 120º, estando o inversor em
modo manual. Segue a forma de onda do inversor:
Fig.11 – Forma de onda no inversor com o retificador
operando em modo automático
O controle de corrente no modelo didático no
retificador em modo automático funcionou conforme o
esperado.
IV.4 – Conversor 12 pulsos
Os conversores de doze pulsos são utilizados quando
a potência a ser convertida de CA para CC. é elevada de
modo a melhorar [12]:
- o fator de potência
- o fator de distorção
- a evitar o sobredimensionamento dos semicondutores de
potência.
A desvantagem é o maior número de semicondutores
de potência, aumento na complexidade do sistema de
refrigeração e transformadores com conexões especiais.
6
IV.4.1 – Conversor 12 pulsos do tipo I
Para obter-se um sistema de 12 pulsos necessita-se de
duas pontes conectadas em série com defasamento igual
a:
º3012
º360
Isto significa que se pode utilizar um transformador
com conexão estrela-estrela e outro com a conexão
triângulo-estrela, como apresentado na figura 12.
Inicialmente para facilidade de análise é suposto uma
relação de 1:1 no transformador T1 (Y-Y). Como a
tensão fase-fase a ser retificada pela unidade retificadora
2 deve ser igual a tensão fase-fase retificada pela unidade
retificadora 1, a relação de transformação, de bobina para
bobina, deve ser de 3 no transformador T2.
Fig.12 – Esquema de ligação do conversor tipo I
O diagrama fasorial das tensões nos transformadores
T1 e T2 estão mostrados na figura 13. Através da técnica
de análise fasorial, as defasagens entre as tensões de T2
para T1 são iguais a 30º em adianto (isto é, as tensões de
T2 estão adiantadas de 30º em relação as tensões de T1).
Fig.13 – Defasagem angular
Em termos de formas de ondas isto significa que a
corrente da fase A, por exemplo, no secundário de T2
estará adiantada de 30° em relação a corrente na mesma
fase do secundário de T1, como mostradas na figura 14.
Fig.14 – Relação de corrente
As correspondentes correntes no primário, obtidas
através das equações abaixo possuem as seguintes
amplitudes:
T1:
dAda
A IiI
11
ii
T2:
3
I'i
13
I
13
'i'i d
Ada
A
Estas formas de ondas estão mostradas nas figuras 15
e 16, juntamente com a corrente.
t
ia ia’
7
Fig.15 – Correntes do T1
Fig.16 – Correntes Primário do T2
A corrente injetada na linha da fase A do primário de
T2 é dada por,
CAA 'i'i''i
De modo que nos seguintes intervalos pode-se obter
as amplitudes desta corrente:
TABELA 2 – AMPLITUDES DA CORRENTE I’’A
Intervalos Amplitude – i’’A
t0t2 3
I0
3
I''i ddA
t2t3 3
I2
3
I
3
I''i dddA
t3t5 3
I
3
I''i ddA
O formato da corrente i’’A está plotado na figura 17.
Para a obtenção do formato final da corrente injetada na
fase A da concessionária basta apenas somar as
amplitudes de iA e i’A , sendo que o formato de iA está
indicado em vermelho na figura 17 e é uma imagem da
corrente ia do secundário da fase A do transformador T1.
Fig.17 – Correntes i’’A e iA
Considerando-se os respectivos intervalos de t0 até t5
vem que:
TABELA 3 – AMPLITUDES DA CORRENTE IAA
Intervalos Amplitude - iAA
t0t1 ddAA I0Ii
t1t2 3
IIi d
dAA
t2t3 3
I2Ii d
dAA
t3t4 3
IIi d
dAA
t4t5 ddAA I0Ii
O formato final de iAA está mostrado na figura 18,
calculado por:
''iii AAAA
Fig.18 – Corrente iAA
O correspondente valor eficaz de iAA é dado por:
21
6/2
6/2
2
dd
6/2
6/
2
dd
6/
0
2
d
AA
...td3
I2I
2
1
td3
II
2
1tdI
2
1
2i
Resolvendo vem que:
ddAA I58,1I313
2i
Observar que para o caso real, a relação de
transformação deve ser considerada na equação (isto é,
t
ia=iA ib=iB ic=iC
iA'=ia’/ 3 iB'=ib’/ 3 iC'=ic’/ 3
t
t
t
iA’’ iA
8
dividir a equação pela relação de transformação do
transformador YY).
IV.4.2 – Conversor 12 pulsos do tipo II
A figura 19 ilustra uma outra opção para a obtenção
de um sistema de 12 pulsos, com a mudança da conexão
de estrela para triângulo no secundário do transformador
T2.
Fig.19 – Esquema de ligação do conversor tipo II
Fig.20 – Correntes do T1
Fig.21 – Corrente do primário de T2
Fig.22 – Corrente do secundário de T2 no
enrolamento entre fases B e C - ib22’
Respeitando a relação entre espiras N1:N2 no
transformador 2, encontra-se iB12:
2222B1212B N'iNi
então,
12
2222B12B
N
N'ii
Analisando o circuito da Fig. 19 é possível determinar
a corrente iBB.
12B11BBB iii
Fig.23 – Corrente iBB
V – CONCLUSÃO
Finalmente, pode-se perceber que os objetivos do
trabalho foram alcançados. Com a estrutura laboratorial
desenvolvida, foi possível simular o funcionamento de
um sistema HVDC de forma manual e automatizada,
verificando o comportamento do sistema com base nas
tensões e correntes obtidas, por meio de multímetros e
mili-amperímetros, respectivamente. A utilização do
osciloscópio foi indispensável para comprovar o
funcionamento do sistema montado, possibilitando a
verificação das formas de onda e pulsos emitidos para a
simulação do experimento.
Operacionalmente, o sistema se mostrou muito
satisfatório. Identificou-se na estrutura uma grande
importância, simplicidade de implantação e utilização no
sistema de transmissão de energia elétrica em alta tensão.
Setor que vem sendo muito explorado no Brasil e em
países de grande extensão territorial.
Na aplicação, o software MATLAB mostrou-se
adequado, de fácil programação e operação.
Proporcionou uma interface operacional com aspecto
t
t
t
ib21=iB11
t
ib22
21
9
profissional, que foi essencial para obter uma fácil
visualização e compreensão dos ensaios e aspectos
estudados.
REFERÊNCIAS
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cap.1-4. p.2-147.
[2] RUBENS, L. J. “High voltage direct current transmis-
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high-voltage direct-current power transmission sys-
tem”. International Journal of Advanced Technology &
Engineering Research (IJATER).
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FLOURENTZOU, N. “Recent advances in High-
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rent transmission”. Proven technology for power ex-
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[10] Energy Sector; SIEMENS AG. “High Voltage direct cur-
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<www.siemens.com/energy/hvdc>. Acesso em 14 de maio
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[11] Carvalho, A. P. S. D. D. “Análise técnico-econômica de
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tensão: estudos de caso”. Ago, 2012.
[12] SILVA, V. F. D. S.; REZEK, A. J. J.; RODRIGUES, R. R.
“Conversores de doze pulsos”. cap.6 p.6-17. Eletrônica de
potência – Universidade federal de Itajubá.
[13] BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L.; “DISPOSITIVOS ELE-
TRÔNICOS E TEORIAS DE CIRCUITOS”. CAP.14 P.478-486, 8ª ED.,
2005.
[14] GRAHAM, J. “O uso de HVDC para usinas hidroelé-tricas
remotas”. Disponível em:
<www.tec.abinee.org.br/2007/arquivos/S1104.pdf>. Acesso em
25 de maio de 2015.
[15] PAUCAR, B. C. “Sistema HVDC baseado em con-versores
multinível modulares”. Disponível em: <www.pee.ufrj.br>.
Acesso em 27 de maio de 2015.
BIOGRAFIA
Gustavo Luís dos Santos
Riêra
Nascido em Pouso Alegre-
MG, em 1991. Atualmente
gradua-se Engenharia Elétrica
na Universidade Federal de
Itajubá, com previsão de
conclusão do curso em
dezembro/2015. Atua como
estagiário na empresa
BALTEAU produtos elétricos
SA, em Itajubá-MG.
Rafael Alvares Bragança
Nascido em Porto Velho-RO,
em 1986. Atualmente gradua-se
em Engenharia Elétrica na
Universidade Federal de Itajubá,
com previsão de conclusão do
curso em Dezembro/2015. Atuou
como estagiário na empresa
ESBR Usina Hidrelétrica Jirau
em Rondônia, atualmente monitor
de Geração de Energia no ISEE.
William Akio de Oliveira Nascido em Mogi das
Cruzes-SP, em 1991.
Atualmente gradua-se em
Engenharia Elétrica na
Universidade Federal de Itajubá,
com previsão de conclusão do
curso em Dezembro/2015. Atua
como monitor do Centro de
Excelência em Redes Elétricas
Inteligentes (CERIn), em
Itajubá-MG.
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