Tipos de Sistemas HVDC e Configurações MTDC
Configurações de Sistemas de Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC)
A Corrente Contínua de Alta Tensão, comumente abreviada como HVDC, é um método altamente eficiente para transmissão de energia em longas distâncias, reduzindo significativamente as perdas de energia em comparação com a transmissão tradicional de corrente alternada (AC). O sistema HVDC pode ser implementado em várias configurações, cada uma adaptada a requisitos operacionais específicos. Este artigo fornece uma visão geral concisa dos principais tipos de configurações de sistemas HVDC.
Sistemas HVDC Back-to-Back
Em uma configuração HVDC back-to-back (B2B), tanto o retificador quanto o inversor, que são componentes-chave do conversor, estão alocados na mesma estação terminal. Esses dois elementos do conversor estão diretamente conectados back-to-back. A função principal desta configuração é conectar dois sistemas de energia AC separados. Isso é alcançado convertendo a energia AC de entrada em DC através do retificador e, em seguida, transformando rapidamente a energia DC de volta em AC usando o inversor.
Sistemas HVDC Back-to-Back (Continuação)
A configuração HVDC back-to-back é instalada em uma única sala e serve para interconectar dois sistemas de energia AC assíncronos. Dada a conexão direta back-to-back do retificador e do inversor, não há necessidade de uma linha de transmissão DC. Para minimizar o número de tiristores conectados em série, a tensão DC intermediária é mantida intencionalmente em um nível baixo. Entretanto, a classificação de corrente desta configuração pode atingir vários milhares de amperes.
Este tipo de sistema HVDC é particularmente útil para ligar dois sistemas de energia AC assíncronos nos seguintes cenários:
Sistema HVDC de Dois Terminais
Em uma configuração HVDC de dois terminais, existem duas estações terminais distintas, cada uma funcionando como uma estação conversora. Uma estação abriga um retificador, enquanto a outra contém um inversor. Estas duas terminais são conectadas por uma linha de transmissão HVDC, permitindo a transmissão eficiente de energia elétrica em longas distâncias. Esta configuração é projetada para superar as limitações da transmissão AC tradicional para transferência de energia de longo alcance, aproveitando as vantagens da energia DC para minimizar as perdas de energia e aumentar a eficiência de transmissão em vastas áreas geográficas.
O sistema HVDC de dois terminais apresenta uma conexão direta entre dois pontos sem quaisquer linhas de transmissão paralelas ou derivações intermediárias ao longo da linha de transmissão. Essa característica dá origem ao seu nome alternativo, transmissão de energia ponto a ponto. É ideal para aplicações de fornecimento de energia entre dois locais geograficamente distantes.
Uma das vantagens notáveis do sistema HVDC de dois terminais é a ausência de necessidade de um disjuntor de circuito HVDC. Em caso de manutenção ou quando se limpa falhas, os disjuntores de circuito AC no lado AC podem ser utilizados para desenergizar a linha DC. Comparados aos disjuntores de circuito DC, os disjuntores de circuito AC têm um design mais simples e custam menos, tornando o sistema HVDC de dois terminais mais econômico e fácil de manter.
Sistema Multi-Terminal DC (MTDC)
O sistema Multi-Terminal DC (MTDC) representa uma configuração HVDC mais complexa. Ele emprega múltiplas linhas de transmissão para estabelecer conexões entre mais de dois pontos. Esta configuração compreende várias estações terminais, cada uma equipada com seu próprio conversor, todas interconectadas por uma rede de linhas de transmissão HVDC. Dentro desta rede, alguns conversores funcionam como retificadores, convertendo energia AC em DC, enquanto outros operam como inversores, transformando a energia DC de volta em AC para distribuição às cargas. Um princípio fundamental do sistema MTDC é que o poder total fornecido pelas estações retificadoras deve ser igual ao poder combinado recebido pelas estações inversoras (cargas), garantindo um fluxo de energia equilibrado e eficiente através da rede interconectada.
Sistema Multi-Terminal DC (MTDC) (Continuação)
A rede MTDC é análoga a uma rede AC em termos de flexibilidade, mas oferece uma vantagem única: a capacidade de controlar precisamente o fluxo de energia dentro da rede distribuída DC. No entanto, essa funcionalidade aprimorada vem ao custo de uma maior complexidade, tornando o sistema MTDC significativamente mais intrincado do que uma configuração HVDC de dois terminais.
Em uma configuração MTDC, confiar em disjuntores de circuito AC no lado AC não é viável. Diferentemente de um sistema de dois terminais, usar um disjuntor de circuito AC desenergizaria toda a rede DC em vez de isolar apenas a linha com falha ou em manutenção. Para resolver isso, o sistema MTDC requer múltiplos componentes de comutação DC, como disjuntores. Esses disjuntores de circuito DC especializados são projetados para desenergizar circuitos ou isolar seções específicas durante operações de manutenção ou quando se limpa falhas, garantindo a estabilidade e confiabilidade da rede.
Manter o equilíbrio do sistema é crucial em um sistema MTDC. A corrente total fornecida pelas estações retificadoras deve corresponder exatamente à corrente consumida pelas estações inversoras. Quando há um aumento súbito na demanda de energia de qualquer estação inversora, a saída de potência DC precisa ser aumentada proporcionalmente para atender à carga aumentada. Durante esse processo, é essencial monitorar e controlar de perto tanto a tensão fornecida quanto a operação dos inversores para evitar sobrecarga, que poderia levar a falhas do sistema.
Uma das principais forças dos sistemas MTDC é sua confiabilidade durante interrupções forçadas. Em caso de uma falha inesperada de energia em uma das estações geradoras, o sistema pode reencaminhar rapidamente a energia através de outras estações conversoras, minimizando a interrupção do fornecimento de energia geral.
Aplicações de MTDC
Os sistemas MTDC podem ser categorizados em dois tipos principais:
Sistema MTDC em Série
Em uma configuração MTDC em série, múltiplas estações conversoras estão conectadas em série, muito como componentes em um circuito elétrico em série. Uma característica definidora desta configuração é que a corrente fluindo através de cada estação conversora permanece idêntica, pois é definida por uma das estações. No entanto, a queda de tensão é distribuída entre as estações conversoras, com cada estação experimentando uma parte da queda de tensão total na rede conectada em série.
Sistema MTDC em Série (Continuação)
O sistema MTDC em série pode ser considerado uma versão estendida do sistema HVDC de dois terminais, incorporando múltiplas estações conversoras conectadas em série, conforme ilustrado no diagrama acompanhante. Geralmente, as estações conversoras em uma configuração MTDC em série têm uma capacidade menor comparada às utilizadas em sistemas MTDC em paralelo.
Este sistema normalmente emprega ligações DC monopolares, onde a linha DC está aterrada em apenas um ponto específico. Para proteger contra surtos elétricos transitórios, pode ser instalado um capacitor de aterramento em outros pontos ao longo da linha como medida adicional de proteção.
A coordenação de isolamento no sistema MTDC em série apresenta desafios significativos devido às tensões DC variáveis em cada estação. O mecanismo de controle de fluxo de energia no sistema MTDC em série é mais complexo em comparação com o mecanismo de controle de energia em sistemas MTDC em paralelo. Em um sistema MTDC em paralelo, o fluxo de energia pode ser regulado injetando corrente em linhas específicas, enquanto no sistema MTDC em série, o controle do fluxo de energia depende do ajuste da tensão em cada estação terminal.
A reversão do fluxo de energia em um sistema MTDC em série pode ser facilmente alcançada usando tanto conversores de fonte de tensão (VSC) quanto conversores de fonte de corrente (CSC). No entanto, quando ocorre uma falha ou é necessário manutenção programada em uma linha específica, toda a rede DC experimentará um apagão. Semelhante ao sistema HVDC de dois terminais, os disjuntores de circuito AC são usados para desenergizar a rede DC. Expandir o sistema MTDC em série também apresenta dificuldades. Instalar novas estações terminais requer um apagão completo da rede, pois a rede DC em anel deve ser dividida no ponto de instalação, interrompendo o fornecimento de energia a todas as outras estações ao longo do caminho.
Sistema MTDC em Paralelo
Em um sistema MTDC em paralelo, múltiplas estações conversoras funcionando como inversores ou estações de carga estão conectadas a uma única estação conversora atuando como retificador. Esta estação retificadora fornece energia à rede DC inteira. Analogamente a um circuito elétrico em paralelo, a tensão permanece constante em todas as estações inversoras ou de carga, com seu valor definido por uma das estações conversoras. Por outro lado, o fornecimento de corrente varia de acordo com a demanda de energia em cada estação. Para manter um fornecimento de corrente equilibrado, a corrente é ajustada dinamicamente em resposta aos requisitos de energia de cada estação de carga. Geralmente, as estações terminais em um sistema MTDC em paralelo têm uma capacidade maior do que as em uma rede MTDC em série.
Sistema MTDC em Paralelo (Continuação)
A reversão de potência em um sistema MTDC em paralelo pode ser realizada através de métodos de reversão de tensão ou corrente. Quando se usa a reversão de tensão, que é tipicamente associada a estações terminais baseadas em conversores de fonte de corrente (CSC), isso tem impacto em todas as estações conversoras. Como resultado, um sistema de controle e comunicação altamente sofisticado deve ser implementado entre esses conversores para gerenciar esse efeito. Por outro lado, se a reversão de potência é alcançada usando o método de reversão de corrente, que é frequentemente associado a estações terminais baseadas em conversores de fonte de tensão (VSC), o processo é muito mais simples de executar. Esta é a razão principal pela qual os VSCs são preferidos sobre os CSCs em sistemas MTDC em paralelo.
Em um sistema MTDC baseado em VSC, já que a tensão permanece constante, a classificação de potência da estação terminal é determinada pelas classificações de corrente do conversor de válvulas. Esta configuração oferece uma vantagem significativa em termos de controle de fluxo de energia dentro da rede DC. Pode regular precisamente o fluxo de energia injetando corrente em linhas específicas, o que é uma abordagem mais conveniente em comparação com o mecanismo de controle de energia em sistemas em série que depende do controle de tensão em cada estação.
Uma das características mais notáveis do sistema MTDC em paralelo é sua resiliência diante de falhas. Se ocorrer uma falha em qualquer uma das estações terminais, o restante da rede DC permanece inalterado. No entanto, para isolar as linhas DC específicas associadas à estação com falha, é necessário um disjuntor de circuito DC separado. Além disso, durante a expansão da rede DC, não é necessário interromper o fornecimento de energia. Isso porque novas estações terminais podem ser instaladas em paralelo com as linhas existentes, garantindo uma integração sem problemas sem interromper a distribuição de energia em andamento.
Outra vantagem do sistema MTDC em paralelo é sua coordenação de isolamento relativamente simples em comparação com um sistema em série. Devido à tensão constante na rede, os requisitos de isolamento são mais fáceis de gerenciar.
O sistema MTDC em paralelo pode ser ainda classificado em duas categorias:
Sistema MTDC Radial
O sistema MTDC radial é um tipo específico de configuração MTDC em paralelo. Nesta configuração, se houver uma quebra em uma linha de transmissão ou a remoção de um elo, isso resultará na interrupção do fornecimento de energia a uma ou mais estações conversoras. Essa característica torna o sistema MTDC radial algo vulnerável a cenários de falha em um único ponto, pois qualquer interrupção na linha de transmissão pode ter um impacto direto no fornecimento de energia a certas partes da rede.
A figura fornecida ilustra uma configuração em que quatro estações inversoras estão conectadas a uma única estação retificadora. Nesta configuração, é evidente que, se houver uma quebra em qualquer uma das linhas, isso inevitavelmente resultará na interrupção do fornecimento de energia a pelo menos uma estação terminal. Esta vulnerabilidade torna o sistema MTDC radial menos confiável em comparação com os sistemas MTDC em malha ou anel.
Sistema MTDC em Malha (Anel)
Em um sistema MTDC em malha ou anel, as estações inversoras (de carga) estão interconectadas com uma única estação retificadora em uma formação em malha ou anel. Uma das principais vantagens desta configuração é que, mesmo que haja uma quebra em uma única linha de transmissão ou a remoção de um elo, isso não leva à interrupção do fornecimento de energia a nenhuma das estações inversoras. A figura subsequente ilustra claramente um sistema MTDC em malha ou anel. Esta resistência inerente a falhas de linha torna o sistema MTDC em malha ou anel uma opção mais confiável para transmissão e distribuição de energia em certas aplicações, pois pode suportar melhor interrupções e garantir o fornecimento contínuo de energia às estações de carga conectadas.
Como ilustrado, em um sistema MTDC em malha ou anel, a remoção de qualquer elo único não interrompe o fornecimento de energia a nenhuma estação conversora. Em vez disso, a energia elétrica é automaticamente redirecionada através de elos alternativos dentro da rede. Este redirecionamento sem costura é possível devido à natureza interconectada da configuração em malha ou anel. No entanto, é crucial observar que esses elos alternativos devem ser meticulosamente projetados para lidar com a transmissão de energia aumentada, minimizando as perdas de energia.
A ausência de interrupções de energia no sistema MTDC em malha é uma vantagem significativa. Ela garante um fornecimento de energia contínuo e estável, mesmo diante de falhas inesperadas de elos. Consequentemente, um sistema MTDC em paralelo conectado em malha oferece superior confiabilidade em comparação com seu contraparte radial em paralelo. A suscetibilidade do sistema radial a interrupções de energia devido a falhas de elos únicos fica em segundo plano em comparação com a robusta capacidade do sistema em malha de manter o fluxo de energia em circunstâncias semelhantes, tornando o sistema MTDC em malha ou anel a escolha preferida para aplicações onde a entrega ininterrupta de energia é de suma importância.
