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ESTUDO E SIMULAÇÃO DE UM DISPOSITIVO COMPENSADOR ESTÁTICO DE REA-

TIVOS - SVC (STATIC VAR COMPENSATOR)

Janayna Silva da Costa

Orientador: Prof. Rafael Di Lorenzo Corrêa

Coorientador: Prof. Ângelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo - Este artigo tem por finalidade apresentar o

trabalho final de conclusão do curso de Engenharia

Elétrica, cuja proposta foi o estudo e a simulação de um

Compensador Estático de Reativos conhecido na tecno-

logia por SVC (Static Var Compensator). Este compen-

sador atualmente é um dos dispositivos utilizados nos

sistemas flexíveis de transmissão em corrente alternada

(FACTS - Flexible Alternating Current Transmission

Systems).

Palavras-Chave: FACTS, SVC, Sistemas flexíveis de

transmissão.

I – INTRODUÇÃO

Os SVCs fazem parte da família dos FACTS. A proposta

principal desses equipamentos é de conseguir uma ação rá-

pida, precisa ao ajustar a necessidade de compensação de

potência reativa do sistema no qual estão fazendo parte.

Para isso eles adicionam ou retiram capacitância ou

mesmo fazem uso de capacitores controlados a chaves ti-

ristorizadas. Em outro arranjo, junta-se em paralelo com

um desses capacitores e reatores controlados a chaves ti-

ristorizadas, que também fazem a compensação através do

ajuste dos ângulos de disparo dos tiristores[11].

O SVC (Static Var Compensator) pode ser utilizado para

fins de compensação de tensão e neste caso tem vantagens

tais como um melhor controle de compensação em relação

aos bancos fixos de capacitores, além de melhorar a esta-

bilidade do sistema. Eles são utilizados também para fins

de correção do fator de potência promovendo melhores fa-

tores de potência e minimizando as flutuações de tensão,

prevenindo danos em equipamentos, e também reduzindo

gasto de operação[11]. Na figura 1 tem-se uma vista de

uma instalação com um SVC.

Figura 1 - Imagem de um SVC em uma subestação na

Dinamarca(©Siemens).

II– REFERENCIAL TEÓRICO

O sistema elétrico de potência é composto por um grupo

de geração de energia elétrica - que contém os geradores

de energia e seus dispositivos de controle, um grupo de

transmissão - contendo as linhas de transmissão e os trans-

formadores, um grupo de distribuição – que é a conexão, o

atendimento e a entrega efetiva de energia elétrica ao con-

sumidor e finalmente um grupo de consumo - com a repre-

sentação da carga consumida no sistema [1].

Os primeiros sistemas de potência no Brasil eram sistemas

isolados, que supriam somente centros de cargas regionais

[4]. Porém atualmente o sistema elétrico brasileiro é inter-

ligado nas regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e

parte da região Norte. Somente 1,7% da energia solicitada

no país estão fora do SIN (Sistema Interligado Nacional),

têm-se então apenas pequenos sistemas isolados que estão

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

OUTUBRO/2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

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localizados em grande parte na região amazônica e isto se

deve pela dificuldade de acesso desses locais [6].

A interligação do sistema elétrico foi algo muito interes-

sante, pois como a maior parte da capacidade de geração

do país é hidrelétrica, ou seja, têm-se uma geração muito

dependente do regime de chuvas nas bacias hidrográficas,

distantes umas das outras, e com a interconexão através do

SIN (Figura 2) o fornecimento de energia ficou mais efici-

ente e estável [7]. Em decorrência dessas interligações, as-

sim como a globalização da economia, a crise energética

mundial, as pressões ambientais, o desenvolvimento sus-

tentado, a geração distribuída de pequena potência e os

avanços tecnológicos surgiram novas questões e proble-

mas a serem enfrentados para que novas alternativas técni-

cas e econômicas viabilizassem a expansão e a operação

do sistema elétrico [4].

Figura 2 – SIN (Sistema Interligado Nacional)

Tais questões têm em vista que um sistema de potência

possui grande complexidade de planejamento e operação,

sendo que a maior parte dos problemas é advindo das redes

de transmissão, principalmente em países de dimensões

continentais como o Brasil [4]. Sendo assim, as linhas de

transmissão, por exemplo, apresentam limites térmicos ou

de estabilidade, os quais diminuem o nível de potência que

podem ser transmitidos de maneira eficiente e com segu-

rança [3]. Esta diminuição causa pontos de estreitamentos

na transmissão com implicações como pontos de geração

não econômicos, baixa capacidade de carregamento e ne-

cessidade de redespacho na geração. Contudo estas impli-

cações podem ser resolvidas pelo controle do fluxo de po-

tência em determinadas linhas aliviando pontos de estrei-

tamentos de geração [2].

II.1 – QUESTÕES ATUAIS DE CONTROLE DO SIS-

TEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA

Com a finalidade de se obter um sistema elétrico mais con-

fiável e com melhor qualidade muitos estudos estão em de-

senvolvimento e uma área que hoje tem sido muito estu-

dada devido a essa necessidade de controle é a área de ele-

trônica de potência [2]. Os dispositivos que vem recebendo

grande atenção são os chamados FACTS (Flexible Alter-

nating Current Transmission Systems), os quais são desen-

volvidos para o controle do fluxo de potência. Este con-

trole pode ser efetuado através de grandezas como impe-

dância, tensão, corrente e ângulos de fase [2].

Para se obter a flexibilidade do sistema pode-se fazer uso

do controle com a eletrônica de potência. Tais como a

transmissão em HVDC, compensadores estáticos reativos,

controladores de fluxo de potência, conversores de fre-

quência e sistemas CA/CC, relacionando os sistemas de

corrente alternada e de corrente contínua de acordo com os

níveis de tensão e de potência [8].

Ao se utilizar os FACTS na operação do SIN, além de ex-

pandir a aplicação do tipo de tecnologia de controle de alta

potência, também se faz um melhor uso da infraestrutura

do sistema de transmissão [8].

Alguns benefícios que à tecnologia FACTS traz são [8]:

Ampliar a capacidade de transmissão;

Operação de linhas em paralelo, mesmo com ca-

pacidades distintas;

Redirecionar o fluxo de potência;

Fazer ajustes controlados de reativos durante a

operação;

Estabilizar perturbações de tensão com eficiên-

cia;

Integrar sistemas CC e CA.

Os dispositivos FACTS podem ser classificados em quatro

gerações como pode ser visto na tabela 1 [2].

Tabela 1 - Gerações de dispositivos FACTS

Fase Dispositivos FACTS

1ª Geração TCR: Thyristor Controlled Reactor

TRC: Thyristor Controlled Capacitor

2ª Geração SVC: Static Var Compensator

TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor

TCPAR: Thyristor Controlled Phase Angle Regular

3ª Geração STATCOM: Static Compensator

SSSC: Static Synchronous Series Compensator

4ª Geração UPFC: Unified Power Flow Controller

IPFC: Interline Power Flow Controller

e outros

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II.2 – EXEMPLOS DE FACTS

II.2.1 – TCR (Reator Controlado a Tiristor)

O dispositivo TCR como pode ser visto na figura 3 é com-

posto por um reator série com dois tiristores em antipara-

lelo. É um equipamento que faz o controle do ângulo de

disparo dos tiristores produzindo uma reatância ajustável

[2].

Figura 3 - Configuração do TRC

II.2.2 – TSC (Capacitor Chaveado por Tiristor)

O TSC é um conjunto de capacitores conectados em série

com dois tiristores em antiparalelo como no esquemático

da figura 4. Este dispositivo basicamente faz o controle co-

nectando e desconectando os bancos de capacitores utili-

zando tiristores e com isso a potência reativa é inserida em

degraus [2].

Figura 4 - Configuração do TSC

II.2.3 – TCSC (Capacitor série Controlado por Tiristor)

O esquema deste dispositivo se encontra na figura 5 e ele

controla o valor da impedância do ramo por meio do con-

trole do ângulo de disparo dos tiristores [2].

Figura 5 - Configuração do TCSC

II.2.4 – TSSC (Compensador Série Chaveado a Tiristor)

O TSSC tem a vantagem de ser bem simples como pode

ser visto na figura 6, porém não admite um controle contí-

nuo da reatância série [2].

Figura 6 - Configuração do TSSC

II.2.5 – GCSC (Capacitor série controlado por GTO)

O esquema de funcionamento do GCSC se encontra na fi-

gura 7 e ele faz o controle da reatância capacitiva variando

a tensão no capacitor com a ajuda de GTOs [2].

Figura 7 - Configuração do GCSC

II.2.6 – TRCPAR (Controlador de Ângulo de fase usando

Tiritores)

O TRCPAR é basicamente um transformador defasador

com controle dos taps por meio dos tiristores e seu esque-

mático pode ser observado na figura 8.

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Figura 8 - Configuração do TCPAR

II.2.7 – STATCOM (Compensador Estático Síncrono)

O STATCOM é um dispositivo baseado em um conversor

VSC (Voltage Source Converter). Ele armazena energia

em um capacitor com a finalidade de gerar uma tensão bem

próxima da senoidal com ângulo e módulo variável de sa-

ída. Na figura 9 pode-se observar o seu esquema de funci-

onamento [2].

Figura 9 - Configuração do STATCOM

II.2.8 – SSSC (Compensador Estático Síncrono Série)

O dispositivo SSSC que utiliza um inversor VSC e faz o

controle instantâneo do fluxo de potência ativa e reativa da

linha, além de amortecer oscilações transitórias no sistema

de potência [2]. Sua configuração se encontra na figura 10.

Figura 10 - Configuração do SSSC

II.2.9 – UPFC (Controle Unificado de Fluxo de Potência)

O UPFC tem muitas funções, tais como a compensação da

potência ativa e reativa, o aumento da capacidade de trans-

missão, o aumento da estabilidade do sistema, etc. Seu es-

quemático pode ser visto na figura 10 [2].

Figura 11 - Configuração do UPFC

II.2.10 – IPFC (Controle Interligada de Fluxo de Potên-

cia)

Como apresentado na figura 12 o IPFC é um controle para

compensação de reativos, para ajuste do fluxo de potência,

regulação de ângulo de fase, entres outros.

Figura 12 - Configuração do IPFC

II.2.11 – SVC (Compensador Estático de VAr)

Trata-se do dispositivo FACT em foco neste trabalho. O

Modelo de compensador estático de potência reativa foi

desenvolvido no início dos anos 70, com a finalidade de

controlar a tensão para cargas especiais. Um SVC pode ser

composto por um ou mesmo por um conjunto de equipa-

mentos como [9]:

Reator saturado (SR);

Reator controlado por tiristores (TCR);

Capacitor chaveado por tiristores (TSC);

Reator chaveado por tiristores (TSR);

Transformador controlado por tiristores (TCT);

Conversor auto comutado ou linearmente comu-

tado (SCC/LCC).

Um SVC característico é composto de TSC e TCR como

mostrado na figura 13 [2].

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Figura 13 - Configuração do SVC

A curva típica tensão por corrente deste dispositivo, como

mostra a figura 14, é a soma da característica estática do

TCR com o TSC. Tem-se um controle no chaveamento de

capacitores e reatores e com isso a saída reativa pode variar

os valores capacitivos e indutivos dentro da faixa de ope-

ração do SVC[10].

Figura 14 - Característica de V-I do dispositivo SVC

O dispositivo que será estudado, a princípio, não apresen-

tará ajuste no ramo do capacitor, portanto a característica

apresentada na figura 14 será um pouco alterada.

III – METODOLOGIA

O tema escolhido e estudado, com a finalidade de se obter

um aprendizado amplificado na área de dispositivos

FACTS foi a utilização do Compensador Estático de Rea-

tivos – SVC (Static Var Compensator) para sistemas de

potência. Como foi visto no referencial teórico este dispo-

sitivo foi desenvolvido no início dos anos 70 e teve por

finalidade se obter o controle da tensão em cargas especi-

ais[9].

Este trabalho teve a intenção de estudar o efeito desse com-

pensador através da simulação com o uso do programa Ma-

tlab/Simulink@.

A curva típica da tensão por corrente deste dispositivo

pode ser vista na figura 14. Tem-se um controle no chave-

amento de capacitores e reatores e com isso a saída reativa

pode variar os valores capacitivos e indutivos dentro da

faixa de operação do SVC [10].

O dispositivo estudado não apresenta ajuste no ramo do

capacitor, sem o controle capacitivo, somente com o con-

trole indutivo (TRC) como pode ser visto na figura 15.

Figura 15 - Configuração proposta

Com o capacitor fixo em paralelo com o circuito de con-

trole indutivo, as equações desse modelo são[10]:

𝐼𝑆𝑉𝐶 = 𝑉𝑗𝐵𝑆𝑉𝐶 (1)

𝐵𝑆𝑉𝐶 = 𝐵𝐶 + 𝐵𝑇𝑅𝐶 (2)

𝐵𝐶 =1

𝑋𝐶= 𝐶 (3)

𝐵𝑆𝑉𝐶 =1

𝑋𝐶+

1

𝑋𝐿(2( − ) + 𝑠𝑒𝑛 2) (4)

𝑋𝑆𝑉𝐶 =𝑋𝐶𝑋𝐿

𝑋𝐶

(2(−)+𝑠𝑒𝑛 2)−𝑋𝐿

(5)

Com a ajuda dessas equações espera-se obter curvas de re-

atância e de susceptância do SVC. A tangente de inclina-

ção da característica mostrada na figura 14 será determi-

nada pela relação entre as variações de tensão e corrente

do SVC.

6

IV – RESULTADOS E DISCUSSÕES

Primeiramente, para o estudo em questão foi considerado

o controle do fator de potência mínimo, atualmente utili-

zado no Brasil, de 0,92.

A simulação do dispositivo SVC modelado no programa

MatLab, ambiente Simulink está representado na figura

16. Para fins de melhor visibilidade foi representado em

cores o circuito do sistema elétrico simulado. A parte em

azul do circuito da figura 16 representa a carga do sistema,

a parte em verde representa o dispositivo SVC, já a parte

em lilás é o circuito de medição e pôr fim a parte em laranja

representa o sistema elétrico de potência.

É sabido que um ângulo de disparo para as chaves de

α=90° resultará no máximo de indutivo injetado para fins

de controle, já com o α=150° resultará no mínimo de indu-

tivo injetado. Como pode ser visto a parte capacitiva está

sendo mantida constante, pois os tiristores estão chave-

ando somente a parte indutiva.

O ângulo de 150° foi utilizado como máximo valor ao in-

vés de 180°, pois considerou-se um ângulo de extinção de

corrente mínimo de 30°. Foram consideradas para o estudo

uma carga máxima, uma carga média e finalmente uma

carga mínima. Seus respectivos valores, de indutância, fo-

ram de 70[mH], 60[mH] e 50[mH].

Para efetuar o controle de reativos utilizou-se o dispositivo

SVC, cujos dados propostos para análise foram de

800[Var] capacitivos por fase e um indutor de 50[mH]por

fase. Esses dados foram colocados com a finalidade de vi-

sualizar uma margem de controle adequado para o sistema.

Os resultados estão indicados nas tabelas e gráficos a se-

guir:

Para a carga máxima obteve-se os valores de fator de po-

tência apresentados pela tabela 2.

Tabela 2 - Análise com carga máxima

ANÁLISE DO SVC

CARGA - Xlc = 26,39[Ω]

α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V]

150° -800 0,9971 5,9730 127,70

145° -800 0,9960 5,7490 127,50

140° -800 0,9939 5,4750 127,20

135° -800 0,9908 5,1530 126,90

130° -800 0,9863 4,7840 126,50

125° -800 0,9799 4,3610 126,00

120° -800 0,9710 3,8750 125,50

115° -800 0,9586 3,3050 124,90

110° -800 0,9421 2,6540 124,20

105° -800 0,9203 1,9170 123,40

100° -800 0,8946 1,1740 122,60

95° -800 0,8629 0,3931 121,70

90° -800 0,8268 0,4305 120,90

Para a carga média obteve-se os valores de fator de potên-

cia apresentados na tabela 3.

Figura 16 - Circuito Simulado

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Tabela 3 - Análise com carga média

ANÁLISE DO SVC

CARGA - Xlc = 22,62 [Ω]

α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V]

150° -800 0,9963 5,9250 126,70

145° -800 0,9936 5,7040 126,40

140° -800 0,9898 5,4310 126,10

135° -800 0,9848 5,1100 125,80

130° -800 0,9784 4,7420 125,40

125° -800 0,9701 4,3190 125,00

120° -800 0,9595 3,8330 124,40

115° -800 0,9458 3,2650 123,80

110° -800 0,9286 2,6180 123,10

105° -800 0,9070 1,8880 122,40

100° -800 0,8828 1,1570 121,60

95° -800 0,8539 0,3812 120,70

90° -800 0,8224 0,4256 119,90

Para a carga mínima obteve-se os valores de fator de po-

tência apresentados na tabela 4.

Tabela 4 - Análise com carga mínima

ANÁLISE DO SVC

CARGA - Xlc = 18,85 [Ω]

α Qc [Var] FP Isvc [A] Vsvc [V]

150° -800 0,9836 5,8570 125,20

145° -800 0,9799 5,6390 124,90

140° -800 0,9750 5,3690 124,70

135° -800 0,9689 5,0500 124,30

130° -800 0,9613 4,6820 123,90

125° -800 0,9521 4,2600 123,50

120° -800 0,9408 3,7750 123,00

115° -800 0,9268 3,2090 122,40

110° -800 0,9099 2,5690 121,70

105° -800 0,8895 1,8480 120,90

100° -800 0,8677 1,1330 120,20

95° -800 0,8419 0,3624 119,40

90° -800 0,8154 0,4226 118,60

Como pode ser analisado, para a carga máxima tem-se um

controle com ângulos de disparo, aproximadamente, entre

105° a 150°. Já para uma carga mediana o controle será

entre, aproximadamente, 110° à 150°. Finalmente, para

uma carga mínima tem-se um controle, aproximadamente,

entre 115° à 150°.

O gráfico 1 mostra a impedância do SVC, pode-se obser-

var como o controle deste dispositivo é linear e preciso.

Gráfico 1 - Gráfico de impedância do SVC

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V – CONCLUSÃO

No presente trabalho de finalização do curso de engenharia

elétrica foi feito um entendimento dos diversos dispositi-

vos FACTS. Porém, foi estudado mais profundamente o

dispositivo compensador estático de reativos (SVC).

Pôde-se entender a importância desse dispositivo nos dias

atuais, também pôde-se compreender como eles são con-

trolados, além de como são os princípios de operação

quando são utilizados para a compensação em linha de

transmissão de corrente alternada.

Também foi visto que o SVC pode ser, normalmente, de

dois tipos básicos, que seria aquele com TCR e TSC e ou-

tro com TCR e Banco de capacitores fixo. Este último foi

simulado e também pontuado os resultados em tabelas e

gráficos, os quais foram adquiridos por meio do programa

MatLab (Simulink).

Com relação aos resultados do trabalho foi obtido uma boa

faixa de controle do dispositivo SVC simulado, além de

comprovar, com o gráfico 1, quão preciso e linear é dada a

resposta do seu controle.

Em trabalhos futuros pode-se além de fazer a aplicação do

dispositivo simulado, o SVC, pode-se também fazer a si-

mulação e aplicação de cada um dos outros dispositivos

dentro da família dos FACTS.

VI – REFERÊNCIAS

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genharia Elétrica) – Departamento de Sistemas de

Energia Elétrica, Universidade Estadual de Campinas

[2] RIBEIRO JUNIOR, LUIZ CARLOS. “Dispositivos e

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UNIFEI, Itajubá, 2015.

[3] Watanabe, E. H.; Barbosa P. G.; Almeida, K. C. e Ta-

ranto, G.N.“Tecnologia FACTS – Tutorial”,Artigo

Submetido em 30/04/97. SBA Controle & Automa-

ção, Vol. 9 em 1/Jan, Fev, Mar e Abril de1998.

[4] Tortelli, O.L. Alocação e Operação de Controladores

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2010. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – De-

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sidade Estadual de Campinas.

[5] FURINI, Marcos Amorielle; ARAUJO, Percival Bu-

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2, p. 214-225, Junho 2008. Disponível em:

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_art-

text&pid=S0103-

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22 de Maiode 2016.

[6] Organização Nacional do Sistema, “O que é o SIN -

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http://www.ons.org.br/conheca_sis-

tema/o_que_e_sin.aspx. Acesso em 22 de Maio de

2016.

[7] Associação Brasileira de Distribuição de Energia,

“Sistema Interligado”. Disponível em:

http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/sistema-in-

terligado. Acesso em 22 de Maio de 2016.

[8] Pomilio, J.A.; Deckmann, S.M., “Condicionamento

de Energia Elétrica e Dispositivos FACTS”. UNI-

CAMO/FEEC/DSCE, Capítulo 1, p.1-27, Julho 2009.

[9] CÁDENAS, S.L.E. Aspectos técnicos e econômicos

da utilização dos controladores FACTS na operação

de sistemas de energia. São Luís (MA), 2015. Disser-

tação (Mestrado em Engenharia Elétrica) –Universi-

dade Federal do Maranhão.

[10] FESTRAITS, E.B. Consideração da ação de disposi-

tivos FACTS em um método automático de análise de

estabilidade de sistemas de energia elétrica. Campi-

nas, 2002. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elé-

trica) – Departamento de Engenharia Elétrica, Univer-

sidade Estadual Paulista.

[11] “Electricity and New Energy Static Var Compensator

(SVC) Courseware Sample” Editora: © Festo Di-

dactic Ltée/Ltd, Quebec, Canada 2012 - First Edition

Revision level: 01/2015. Disponível em:

https://www.labvolt.com/downloads/86370_f0.pdf.

Acesso em 13 de Setembro de 2016.

BIOGRAFIA:

Janayna Silva da Costa Nasceu em Poço Fundo (MG), em 1990.

Estudou em João Monlevade e Itajubá,

cursando Engenharia Elétrica com ên-

fase em sistemas de potência na UNIFEI,

início em 2011. Realizou estágio na em-

presa ENERSUL em 2012, no EX-

CEN(Centro de excelência em eficiência

energética) em 2013-2014 e no LAT(La-

boratório de Alta tensão da Unifei) em

2015. Fez intercâmbio nos Estados Unidos (EUA) pelo

programa Ciências Sem Fronteiras em 2014-2015.