40
Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada A.Pedroso – out 08

Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

Transmissão de Energia Elétrica

A Grandes Distâncias

Aplicação de Conversores VSC

Transmissão em CA Segmentada

Aplicação de Conversores VSC

Transmissão em CA Segmentada

A.Pedroso – out 08

Page 2: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

2

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

Page 3: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

1. INTRODUÇÃO

3

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)

Page 4: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

CAHORA BASSA

4

Page 5: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

CHINA

5

Page 6: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

Ref: EPRI SHOCK ABSORBERS

6

Page 7: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

FATORES NOPLANEJAMENTO DESISTEMAS ELÉTRICOS

7

ECONÔMICO SOCIO TÉCNICOS AMBIENTAIS FINANCEIROS (políticos-etnicos)

ECONÔMICO SOCIO AMBIENTAIS TÉCNICOS FINANCEIROS (políticos-etnicos)

SOCIO ECONÔMICO AMBIENTAIS TÉCNICOS (políticos-etnicos) FINANCEIROS

Não obstante o aumento dos

requisitos: satisfação da demanda , confiabilidade e incertezas dos cenários de expansão

Page 8: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

REALIDADE NACIONAL

8

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).

Page 9: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

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

Page 10: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

REALIDADE NACIONAL (continuação)

10

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.

Page 11: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

11

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……

Page 12: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

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

Page 13: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

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

Page 14: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

14

4.2.1 Limitação do Carregamento das LTs em CA

-St. Clair, H.P.-Practical Concepts in Capability and Performance ofTransmission Lines (1953) – concept of “line loadability” in terms of surge impedanceloading SIL (habilidade da LT com dado comprimento, e operando com um dadocarregamento, 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

Page 15: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

15

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

Page 16: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

16

APLICAÇÃO A TRANSMISSÃO DO MADEIRA ?

LTs com Suporte de Tensão (SVC)

P.VELHO COXIPÓ (CUIABÁ) ARARAQUARA

| | | 0 1250 2250 km Estação Conversora HVDC VSC B2B

Page 17: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

17

JIPARANÁ VILHENA JAURU COXIPÓ RET

Gerador 5m2100 MW

COXIPÓ INV

SISTEMA SUDESTE

B2B VSC2655 MW

SISTEMA MATO GROSSO

-700/+700 -700/+700

-95 -95

-95 -95

-95 -95

-95 -95

-95 -95

-95 -95

-95 -95

-95 -95

500 kV 230 kV

S.ANTONIO

345 kV 138 kV

4

5

6 7 8 21 22

-700/+700

Jauru Rondonópolis Samuel Guaporé

Gerador 3m1100 MW

Page 18: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

18

Page 19: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

19

Page 20: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

INTERLIGAÇÃO Norte-SE/CO

20

SE/CO

N

NE

ItaipuItaipu

RSE

FNS

S

GER IPU RSE FNS

(MW)

5600 5400 1600

Page 21: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

INTERLIGAÇÃO Norte-SE/CO Segmentada Estudo de Caso

GER IPURSEFNS (MW)

1. VSC B2B

21

SE/CO

N

NE

ItaipuItaipu

RSE

FNS

S

GER IPU RSE FNS

(MW)

5600 5400 3000

Page 22: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

22

Page 23: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

LIGAÇÃO TRANSANDINA(4860 km)

23

Page 24: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

4.3 LINHAS DE POTÊNCIA NATURAL ELEVADA

24

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.

Page 25: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

4.3 LINHAS DE POTÊNCIA NATURAL ELEVADA (continuação)

25

Velocidade de propagação: 1 km

v 288902 (0.963 c)sLC

Comprimento elétrico (60 Hz):

3L C

rad grausX B 1.3049 10 (0.0747658 )

km km

ângulo de transmissão SIL x

(graus) x

(km) 30 401.253 60 802.506 90 1203.76

120 1605.01 180 2407.52

Parâmetros de LTs em 500 kV - Comparação

Característica

LNC

LC (Ref:Kundur pg 209)

Zc 146.6 350 Pc 1632 MW 1000 MW R 0.0126 /km 0.028 /km XL 0.1913 /km 0.325 /km

“line charging” 2.2252 Mvar/km 1.30 Mvar /km 1.3049 10-3 rad/km 1.30 10-3 rad/km

Page 26: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

26

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).

Page 27: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

“VOLTAGE SUPPORTED SYSTEMS”

27

barra #1 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 )

Page 28: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

4.4.2 Efeito do Controle de Tensão na Linha sobre a Estabilidade do PE Unifilar simplificado

28

Page 29: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

4.4.3 Efeito do Controle de Tensão na Linha sobre a Estabilidade do PE Relações básicas

29

1 2

12

12 1 2 1 2

2 21 2 2 1 1 2 1 2

12

E EP se n

x

x x x x x B

1V (E x ) (E x ) 2E E x x cos

x

Page 30: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

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

30

12

12

21 2 1 2

212 120 0

xdP P P

d x

E E x xdP PK cos

d x V x

Page 31: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

150Curva Potência-Ângulo

31

50 100 150 200deltaG

-3000

-2000

-1000

1000

2000

3000

4000

Potencia transf MWCurva Potencia- Angulo

Page 32: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

“Transient Stability as affected by transmission voltage control”

32

ΔP K1 _ Δω Δδ ΔPm+ 1/2Hs 377/s _ K2 K4 ΔX12 ΔB ΔV + -X1 X2 GCER + outros + sinais ΔX12

K3

Page 33: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

33

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

Page 34: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

VSC Transmission- CIGRE WG B4.37 (2001)

(Ref: Electra , April 2005)

34

-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

Page 35: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

35

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.

Page 36: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

36

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%)

Page 37: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

37

APLICAÇÃO A TRANSMISSÃO DO MADEIRA LTs com Suporte de Tensão (SVC)

P.VELHO COXIPÓ (CUIABÁ) ARARAQUARA

| | | 0 1250 2250 km Estação Conversora HVDC VSC B2B

1 conversorconversor

12

12 1 2 1 2 CER

E VP s e n

x

x x x x x B

Page 38: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

38

FIM

Page 39: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

39

Page 40: Transmissão de Energia Elétrica A Grandes Distâncias Aplicação de Conversores VSC Transmissão em CA Segmentada Aplicação de Conversores VSC Transmissão

LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CA SEGMENTADAS

40