Controle HVDC

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XIV SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING 
 
 SEPTEMBER 30TH THRU OCTOBER 3RD OF 2018 / RECIFE / PE /BRASIL 
Oliveira C.P. email: claudio.oliveira@br.abb.com 
 
 
 
 
 
Tecnologia HVDC como uma Alternativa para Transmissão – Aspectos de 
Controle e Esquemas Especiais de Proteção que Objetivam o Amortecimento 
de Oscilações Eletromecânicas. 
 
Claudio Pereira de Oliveira (Oliveira C.P.)1, Felipe Alves Sobrinho (Sobrinho F.A.)2, 
ABB Ltda1,2 
Suécia1, Brasil2
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RESUMO 
A confiabilidade de um sistema de geração e transmissão de energia é uma preocupação primordial 
para os engenheiros de planejamento e operação de redes elétricas com vistas a garantir um serviço 
adequado e seguro. Este sistema deve ser operado de tal forma que as grandezas elétricas, como por 
exemplo, tensões de barramento e correntes nas linha, sejam mantidas dentro de uma faixa aceitável 
dentro dos padrões estabelecidos. Devido à interconexão entre grandes sistemas, o problema de 
estabilidade passou a exibir características oscilatórias que vieram a ser um dos principais obstáculos à 
operação estável de sistemas interconectados. Este fenômeno é uma consequência direta das interações 
dinâmicas entre geradores do sistema quando este é submetido a perturbações. O adequado 
amortecimento das oscilações eletromecânicas é de extrema importância para a operação segura dos 
sistemas elétricos de potência. Problemas graves para os sistemas interligados podem ocorrer se as 
oscilações não forem devidamente amortecidas, tais como desligamentos parciais ou mesmo totais, 
visto que um processo de desligamento em cascata pode ocorrer. 
Para fornecer amortecimento adicional às oscilações do rotor, engenheiros de sistemas de potência 
passaram a introduzir sinais suplementares nos sistemas de controle de excitação dos geradores. Estes 
sinais podem ser derivados da velocidade angular dos rotores, da frequência ou da potência, sendo 
realizados por circuitos denominados Estabilizadores de Sistemas de Potência (PSSs). O PSS pode ser 
visto como um bloco adicional de controle de excitação da máquina, utilizado para melhorar o 
desempenho dinâmico do sistema e projetado para introduzir torque de amortecimento aos modos de 
oscilação. 
Para atender aos padrões de segurança do sistema, vários dispositivos e ferramentas de controle são 
necessários e, à medida que a demanda crescente indica a necessidade de sua expansão, os sistemas 
elétricos se tornam mais complexos e difíceis de planejar e operar. 
Os operadores precisam de soluções e ferramentas eficientes para operar os sistemas elétricos de 
potência, a fim de atender aos requisitos econômicos e regulatórios. Devido às dificuldades ambientais 
e econômicas de construção de novas linhas de transmissão e à necessidade de controle rápido e 
robusto de tensão e de fluxo de potência, as tecnologias baseadas em eletrônica de potência 
apresentam-se como uma solução interessante já que possuem excelente desempenho desde o seu 
primeiro uso em transmissão de corrente contínua no início dos anos 60. Nas últimas décadas, com o 
desenvolvimento da tecnologia da eletrônica de alta potência, os dispositivos FACTS (SVC, TCSC, 
STATCOM, SSSC, UPFC) e os elos HVDC estão tendo um significante impacto na melhoria do 
desempenho dinâmico dos sistemas elétricos de potência. 
Após vários anos de operação com diferentes projetos e configurações, as transmissões HVDC (High 
Voltage Direct Current) baseadas na tecnologia LCC (Line-commuted converter) provaram ser 
bastante confiáveis e flexíveis. A primeira aplicação comercial de transmissão HVDC foi 
implementada entre a ilha de Gotland e o sistema interconectado da Suécia em 1954. Este sistema 
usava válvulas de arco de mercúrio e tinha a capacidade de transmissão de 20MW a ± 100 KV com 
cabos submarino de 96 km de extensão. Desde então, a aplicação de transmissão HVDC tem se 
tornado mais comum e usada em diferentes situações com válvulas a tiristores, mais robustas e 
confiáveis [2][5][6]. 
 
KEYWORDS 
HVDC; SEP; Controle; Proteção; CSC; VSC; LCC; CCC; Eletrônica de Potência. 
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1. Introdução 
1.1. Vantagens da Utilização de Sistemas HVDC 
Os sistemas HVDC têm sido utilizados há mais de sessenta anos e mostram-se altamente úteis e 
versáteis ao oferecerem uma poderosa alternativa para aumentar a estabilidade do sistema de potência 
bem como melhorar a flexibilidade de operação do mesmo. 
Algumas vantagens importantes são obtidas quando há uma ligação HVDC com um sistema HVAC 
[2][3][5][4]. São elas: 
• Em um sistema CA e CC paralelos, a modulação das quantidades CC (corrente ou potência) 
aumenta o limite de estabilidade de regime permanente do sistema CA; 
• A transmissão de potência CC é independente da abertura angular entre os terminais CA; 
• Permite a interligação entre sistemas de diferentes frequências (50-60Hz). 
• Pode controlar o fluxo de potência em linhas de transmissão CA paralelas; 
• Controle de intercâmbios entre sistemas, garantindo que as margens de estabilidade do sistema 
sejam mantidas; 
• Permite esquemas especiais com o objetivo de prevenir disparos em cascata, restringindo 
assim falhas do sistema em condições de contingência múltipla; 
• Uso eficiente da capacidade de geração; 
• Maior potência transmitida por condutor, acarretando em estruturas de transmissão menores e 
mais baratas; 
• Não incrementa a corrente de curto-circuito no sistema CA; 
• Menor impacto ambiental; 
• Perdas consideravelmente menores para transmissão em longas distâncias; 
• Menor investimento para transmissões de alta potência em longas distâncias; 
• Alta confiabilidade e capacidade de eliminação de faltas na linha DC através do bloqueio da 
conversora com a possibilidade de algumas tentativas de desbloqueio num intervalo de 
algumas centenas de milissegundos. 
 
1.2. Classificação dos elos HVDC 
Os elos de corrente contínua são classificados nas seguintes categorias quanto às suas configurações: 
monopolar com retorno por terra, monopolar com retorno metálico e bipolar. Uma configuração muito 
utilizada é a bipolar, mostrada na figura 1.2.1, é constituída de dois condutores: um de polaridade 
negativa e outro de polaridade positiva. Cada terminal tem dois conversores de mesmo nível de tensão 
conectados em série no lado CC. A junção entre os conversores é aterrada. Normalmente as correntes 
nos dois polos são iguais e, dessa forma, não há corrente para a terra. Os dois polos podem operar 
independentemente um do outro. Se um polo é isolado devido a uma falta, o outro pode operar com 
retorno pela terra e transferir metade da potência nominal ou mais. Do ponto de vista de 
confiabilidade, uma linha de um sistema HVDC bipolar é equivalente ao circuito duplo de linha de 
transmissão CA. Em situações onde a corrente de terra não é tolerável ou o eletrodo de terra não é 
factível devido à alta resistividade do solo, a transição de bipolo para monopólio é feita com uma 
interrupção total da potência transmitida que dura entre dois e três segundos. Caso essa interrupção 
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não seja desejada, um terceiro cabo é utilizado como retorno metálico. Ele serve como um caminho 
de retorno quando um dos polos está fora de serviço ou quando há um desbalanço durante a operação 
bipolar [1][2][3][6]. 
 
1.2.1. Figura – Configuração Bipolar 
 
2. Tipos de Conversores 
Existem basicamente dois tipos de conversores HVDC, conforme mostrado na figura 2.1.1 [1][4]: 
• Conversor Fonte de Corrente (CSC); 
• Conversor Fonte de Tensão (VSC). 
 
2.1.1. Figura - Tipos de Conversores CSC e VSC 
 
3. Controle de Sistemas de Transmissão em HVDC 
3.1. Funções do Sistema de Controle HVDC 
Em uma típica aplicação de conexão CC de dois terminais conectando dois sistemas de corrente 
alternada, as principais funções dos controles CC são: 
• Controlar o fluxo de potência entre os terminais; 
• Proteger o equipamento contra estresses por tensão ou corrente causados por faltas ou outros 
distúrbios advindos da rede AC ou DC; 
• Manter o fator de potência o mais alto possível; 
• Evitar uma falha de comutação; 
• Estabilizar os sistemas CA conectados em qualquer modo de funcionamento da conexão CC 
[1][2]. 
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3.1.1. Figura - Conexão CC Típica Interligando Dois Sistemas CA 
 
A Figura anterior mostra uma interligação típica, os dois terminais CC possuem seus próprios 
controladores locais. Um centro de despacho centralizado irá enviar a ordem de potência a um dos 
terminais ao qual irá atuar como um controlador mestre que tem a responsabilidade de coordenar as 
funções de controle da conexão CC. Além das funções primárias, é desejável que os controles CC 
tenham as seguintes características [1]: 
• Limitar a máxima corrente CC; 
• Manter tensão CC nominal para a transmissão; 
• Minimizar o consumo de potência reativa; 
• Ajudar a controlar a frequência em um sistema isolado CA e melhorar a estabilidade do 
sistema de potência [1]. 
Além das características acima desejadas, os controles CC terão que lidar com os requisitos de regime 
permanente e dinâmico da conexão em corrente contínua, conforme mostrado abaixo [1][2]: 
 
Requisitos em Regime Permanente: 
• Limitar a geração de harmônicas não características; 
• Manter a precisão da variável controlada, ou seja, corrente cc e/ou ângulo de extinção 
constante; 
• Lidar com as variações normais nas impedâncias do sistema de corrente alternada devido a 
mudanças na topologia. 
 
Requisitos Dinâmicos: 
• Mudanças graduais na corrente CC ou fluxo de potência; 
• Fluxo de potência reverso; 
• Variação na frequência do sistema CA. 
 
 
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3.2. Controles Básicos para Conexão CC de dois terminais 
A escolha da estratégia de controle é selecionada para permitir uma operação rápida e estável da 
conexão CC, minimizando a geração de harmônicos, o consumo de potência reativa e as perdas de 
transmissão de energia conforme a tabela a seguir: 
 
3.2.1. Tabela - Escolha da Estratégia de Controle para Link DC de dois Terminais 
Condição Características Desejadas Razões Implementação do Controle 
1 Limitar a corrente CC máxima, Id Para proteger as válvulas 
Utiliza o controle da corrente 
constante no retificador 
2 Empregar a máxima tensão CC, Vd 
Para reduzir as perdas na 
transmissão 
Utiliza o controle de tensão 
constante no inversor 
3 
Reduzir a incidência de falhas de 
comutação 
Motivos de estabilidade 
Utiliza o controle do mínimo ângulo 
de extinção no inversor 
4 Reduzir o consumo de potência 
reativa nos conversores 
Para regulação de tensão e 
razões econômicas 
Utiliza os mínimos ângulos de 
disparo 
 
3.3. Hierarquia do Controle 
Em regime permanente, o controlador de bipolo recebe uma ordem de potência do operador da estação 
com uma taxa definida de aumento ou diminuição dessa ordem, a fim de proteger o sistema de 
mudanças bruscas na potência. Um sinal de modulação suplementar de potência ∆Po pode também ser 
introduzido nesta fase, se necessário, para controlar a frequência ou compensar problemas em um 
outro bipolo, se houver. Os limites de potência mínima Pmin e máxima Pmax são impostos pelo 
controlador. Por fim, a ordem de potência é dividida pelo valor da tensão CC medida com uma alta 
constante de tempo para resultar uma ordem de corrente Io que será enviada para os dois controladores 
do polos. Para este circuito, em caso de uma partida do polo quando a tensão CC estiver próxima de 
zero, um circuito de polarização é necessário para evitar qualquer problema devido a uma função de 
divisão por zero. A saída deste controlador é um valor de ordem de corrente I_o limitada, que é 
submetida à proteção do VDCL (limite de tensão dependente da corrente), mostrado na figura 
abaixo[1]. 
 
 
3.3.1. Figura - Controlador do Bipolo 
 
3.3.2. Controlador do Polo 
A entrada para cada um dos controladores do polo é a ordem de corrente Io do controlador bipolar. 
Um valor suplementar da entrada da corrente ∆Io pode ser adicionado ao Io para realizar modulação 
caso necessário em situações como a transferência de potência de um polo defeituoso para o polo são. 
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O valor da corrente de entrada é submetido aos limites superior Imax e inferior Imin para fins de 
proteção. Depois da limitação, a ordem de corrente é comparada com o valor medido da corrente Id 
para gerar um sinal de erro Ie. 
No inversor, a ordem de corrente é reduzida pela margem de corrente ∆I para saturar o controlador de 
corrente, de modo que o controlador de gama possa tornar-se dominante. 
O controlador de corrente utiliza um regulador PI para gerar uma ordem para ângulo de disparo (∝_0) 
em sua saída baseada no erro de corrente conforme visto na figura abaixo [1]. 
 
3.3.1. Figura - Controlador do Polo 
 
3.3.2. Controlador do Grupo de Válvulas 
O sinal da ordem de alfa vindo do controle do polo é usado para gerar os pulsos de disparo para o 
controlador do grupo das válvulas do conversor. O controlador tem dois laços secundários separados 
[1]: 
 
1. Controlador do Tap Changer (TC) 
Trata-se de um circuito de atuação relativamente lento (a constante de tempo da ordem de alguns 
segundos), que controla a posição do tap do transformador do conversor. 
2. Controlador de Falha de Comutação 
Este circuito detecta a possibilidade de uma falha de comutação a partir das medições das correntes 
CA, tensão de comutação e a corrente CC [1] aumentando o ângulo de extinção para tentar prevenir a 
ocorrência de falhas de comutação. 
 
 
3.3.1. Figura - Controlador do Grupo das Válvulas 
 
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4. Descrição Funcional do Sistema de Controle 
Uma visão funcional geral do sistema de controle HVDC para um polo é ilustrada na Figura 4.1 1. O 
objetivo primário do sistema de controle é enviar os pulsos de disparo para as válvulas de forma a 
manter a transmissão de potência ou corrente CC no nível ordenado, alémde apresentar resposta 
adequada no caso de distúrbios no sistema CA. 
 
4.1.1. Figura - Sistema de Controle HVDC Simplificado (Back to Back) 
 
São várias as possibilidades de arquiteturas de sistemas de controle e proteção para os projetos em 
HVDC. Tais arquiteturas apresentaram grandes avanços ao longo dos anos e geralmente são 
constituídas de equipamentos e sistemas rápidos e confiáveis. A Figura 4.1 2 e a Figura 4.1 3 
apresentam uma breve visão da arquitetura desses sistemas dos quais se destacam: 
• Hardwares de última geração com alta capacidade de processamento; 
• Redes de alta velocidade para aquisição de medições em tempo real; 
• Rede de comunicação digital; 
• Rede de sincronismo; 
• Sistema supervisório com controle remoto e/ou local; 
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• Ferramentas de desenvolvimento e ampliação unificadas; 
• Sistema modular e com a possibilidade de expansão; 
• Sistema de dados; 
• Redundância nas partes mais críticas. 
4.2. Controle da Transmissão 
O principal objetivo do sistema de controle de potência é calcular o valor da ordem de corrente Io. 
Após o recebimento da ordem, este mantém a transmissão de potência ou de corrente constantes ao 
valor ordenado desconsiderando possíveis distúrbios no sistema CA. ou CC. Existem dois modos 
diferentes de controles diferentes: 
 Controle de potência; 
 Controle de corrente. 
 
4.2.1. Figura - Controle Simplificado da Potência do Polo 
 
A figura abaixo apresenta as características básicas na relacao entre Vd e Id. 
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4.2.2. Figura – Características Estáticas de Vd-Id 
 
4.3. Modulação de Potência 
Algumas funções dentre as muitas existentes no sistema HVDC merecem um destaque por auxiliar o 
sistema quanto aos critérios de amortecimento de oscilações eletromecânicas, a inerente capacidade de 
controle em alta velocidade do sistema de transmissão CCAT é utilizada para estabilização e/ou 
auxiliar no controle de frequência em sistemas CA. 
Funções de modulação de diferentes tipos de contribuições na potência podem ser utilizadas. Estas 
contribuições são sobrepostas na ordem de potência determinada pelo operador. Essas funções são 
especificadas para cada particularidade de projeto com foco na estabilidade do sistema de potência 
CA, a figura 4.2.1 ilustra a função de modulação no sistema de controle de potência. 
 
Controle de Frequência 
O controle de frequência pode ser ativado em ambas as estações conversoras. O controle mede o 
desvio de frequência em relação à rede CA. Baseado neste desvio o regulador do controle envia a 
contribuição de potência ao controlador de potência, conforme apresentado na Figura 4.2 1. 
 
Ações de Runback 
O runback possui a função de realizar uma redução rápida na potência de transmissão para um valor 
pré-ajustado de forma auxiliar o sistema em algumas situações de contingências, como por exemplo, a 
perda de grandes blocos de carga no sistema elétrico de potência do lado do inversor, perdas de blocos 
de geração no lado do retificador, ou por restrição operativa como no caso de limitações de 
barramentos, transformadores ou perda de linhas importantes que provoquem restrições na transmissão 
do elo de corrente contínua. 
 
 
 
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Ações de Runup 
A função runup tem o objetivo de elevar a transmissão a um valor pré-ajustado e dentro de suas 
limitações de transmissão, a elevação é configurada de forma a ajudar o sistema elétrico em situações 
de contingências, um bom exemplo do uso dessa função é no caso da utilização do controle de 
frequência. 
 
5. Conclusões 
Devido a sua alta capacidade e velocidade de controle, fica clara a capacidade de um sistema HVDC 
em detectar e atuar em situações de anormalidades de um sistema elétrico no sentido de preservar a 
integridade do sistema, dos equipamentos ou das linhas de transmissão, contribuindo com os sistemas 
especiais de proteção, sendo este um esquema de controle de emergência ou um esquema de controle 
de segurança de forma a afetar o menor número possível de consumidores, possibilitando inclusive 
ações coordenadas de vários sistemas HVDCs para contribuição da estabilidade de uma rede que 
esteja sofrendo grandes impactos de ações de grandes contingências N-x. 
 
BIBLIOGRAFIA 
 
[1] V. K. Sood (2004), HVDC and FACTS Controllers, Applications of Static Converters in the Power 
Systems, Kluwer Academic Publishers. 
[2] E. W. Kimbark, Power System Stability. Wiley & Sons, New York, 1956. 
[3] P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1994. 
[4] J. Arrilaga, Y.H Liu e N. R. Watson, Flexible Power Transmission – The HVDC Options, John 
Wiley & Sons, Ltd, 2007. 
[5] Custódio, Diogo Totti, (2009). Utilização do Elo de Corrente Contínua para o Amortecimento de 
Oscilações Eletromecânicas em Sistemas Elétricos de Potência. 96p. Dissertação (Mestrado) - 
Unicamp. 
[6] Paulider, Jenny, (2003). Operation and Control of HVDC links Embedded in AC Systems. 
90p.Thesis (Degree of Licentiate of Engineering) – Chalmers University of Technology, Gotenborg 
(Sweden) 
[7] J. Graham, G. Biledt e J, Johansson (2004). Interligações de sistemas elétricos através de elos 
HVDC, IX Simpósio de Especialistas em Planejamento da Operação e Expansão Elétrica (SEPOPE). 
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BIOGRAFIA 
 
Claudio Pereira de Oliveira nasceu em São Paulo em 1977 graduou-se em Engenharia elétrica em 
2006, formou-se em especialista em sistemas de energia em 2012 e atualmente cursa mestrado em 
engenharia elétrica pela Universidade Federal de Itajubá. Trabalha na ABB desde 2009 na áreas de 
service de HVDC e FACTS. Atualmente trabalha na função de lead engineer na área de engenharia de 
controle e proteção de HVDC na ABB Suécia. 
 
Felipe Alves Sobrinho nasceu no Rio de Janeiro em 1978 graduou-se em Engenharia Elétrica na 
Universidade de Brasília em 2004. Trabalhou por 7 anos na Eletrobras Eletronorte com estudos de 
planejamento de transmissão incluindo equipamentos FACTS e conversoras HVDC. Nesse período 
também trabalhou nos estudos das conversoras HVDC do bipolo 1 do Rio Madeira. Na ABB desde 
2014, trabalhou por dois anos na ABB Suécia na área de estudos de dimensionamento de 
equipamentos para subestações conversoras HVDC. Atualmente trabalha como especialista de FACTS 
e HVDC da ABB para a América Latina.