Quais são as Classificações e Tipos de Controladores e Dispositivos FACTS?
De acordo com o tipo de conexão do Controlador FACTS com o sistema de energia, ele é classificado como:
Controlador em Série
Controlador em Derivação
Controlador Combinado Série-Série
Controlador Combinado Derivação-Série
Controladores em Série
Os controladores em série introduzem uma tensão em série com a tensão da linha, geralmente usando dispositivos de impedância capacitiva ou indutiva. Sua função principal é fornecer ou absorver potência reativa variável conforme necessário.
Quando uma linha de transmissão está sobrecarregada, a demanda aumentada de potência reativa é atendida ativando elementos capacitivos no controlador em série. Por outro lado, sob carga leve, onde a redução da demanda de potência reativa faz com que a tensão na extremidade receptora suba acima da tensão na extremidade de envio, elementos indutivos são usados para absorver o excesso de potência reativa, estabilizando o sistema.
Na maioria das aplicações, capacitores são instalados perto das extremidades da linha para compensar a demanda de potência reativa. Dispositivos comuns para este propósito incluem Capacitores em Série Controlados por Tiristores (TCSC) e Compensadores Síncronos em Série Estáticos (SSSC). A configuração básica de um controlador em série é mostrada na figura abaixo.
Controladores em Derivação
Os controladores em derivação injetam corrente no sistema de energia em seu ponto de conexão, utilizando impedâncias variáveis, como capacitores e indutores, similar em princípio aos controladores em série, mas diferindo no método de conexão.
Compensação Capacitiva em Derivação
Quando um capacitor é conectado em paralelo com o sistema de energia, a abordagem é chamada de compensação capacitiva em derivação. Linhas de transmissão com cargas altamente indutivas geralmente operam com fator de potência atrasado. Capacitores em derivação resolvem isso ao desenhar corrente que leva a tensão da fonte, compensando a carga atrasada e melhorando o fator de potência geral.
Compensação Indutiva em Derivação
Quando um indutor é conectado em paralelo, o método é conhecido como compensação indutiva em derivação. Este é menos comumente usado em redes de transmissão, mas se torna crítico para linhas muito longas: sob condições de sem carga, carga leve ou carga desconectada, o efeito Ferranti faz com que a tensão na extremidade receptora exceda a tensão na extremidade de envio. Compensadores indutivos em derivação (por exemplo, reatores) absorvem o excesso de potência reativa para mitigar esse aumento de tensão.
Exemplos de sistemas de controladores em derivação incluem Compensadores Estáticos de Potência Reativa (SVC) e Compensadores Síncronos Estáticos (STATCOM).
Controladores Combinados Série-Série
Em sistemas de transmissão multi-linha, os controladores combinados série-série utilizam um conjunto de controladores em série independentes trabalhando em coordenação. Esta configuração permite a compensação reativa individual para cada linha, garantindo suporte personalizado para cada circuito.
Além disso, esses sistemas podem facilitar a transferência de potência real entre linhas através de um link de potência dedicado. Alternativamente, eles podem adotar um design de controlador unificado, onde os terminais DC dos conversores estão interconectados, permitindo diretamente a transferência de potência real para as linhas de transmissão. Um exemplo representativo deste sistema é o Controlador de Fluxo de Potência Interlinha (IPFC).
Controladores Combinados Derivação-Série
Este tipo de controlador integra dois componentes funcionais: um controlador em derivação que injeta tensão em paralelo com o sistema e um controlador em série que injeta corrente em série com a linha. Crucialmente, esses dois componentes operam de forma coordenada para otimizar o desempenho geral. Um exemplo proeminente deste sistema é o Controlador Unificado de Fluxo de Potência (UPFC).
Tipos de Dispositivos FACTS
Uma variedade de dispositivos FACTS foi desenvolvida para atender às diversas necessidades de aplicação. Abaixo está uma visão geral dos controladores FACTS mais comumente usados, categorizados pelo seu tipo funcional:
Compensadores em Série:
Compensadores em Derivação:
Compensadores Série-Série:
Compensadores Série-Derivação:
Vamos examinar cada compensador brevemente:
Capacitor em Série Controlado por Tiristor (TCSC)
O TCSC introduz reatância capacitiva em série com o sistema de energia. Sua estrutura central inclui um banco de capacitores (composto por vários capacitores em configuração série-paralela) conectado em paralelo com um reator controlado por tiristor. Este design permite o ajuste suave e variável da capacitância em série.
Os tiristores regulam a impedância do sistema controlando o ângulo de disparo, que, por sua vez, ajusta a impedância total do circuito. Um diagrama simplificado do TCSC é mostrado na figura abaixo.
Reator em Série Controlado por Tiristor (TCSR)
O TCSR é um compensador em série que fornece reatância indutiva ajustável suavemente. Seu design é análogo ao do TCSC, com a diferença chave de que o capacitor é substituído por um reator.
O reator cessa a condução quando o ângulo de disparo do tiristor atinge 180º e começa a conduzir quando o ângulo de disparo é menor que 180º. Um diagrama básico do Reator em Série Controlado por Tiristor (TCSR) é mostrado na figura abaixo.
Capacitor em Série Comutado por Tiristor (TSSC)
O TSSC é uma técnica de compensação em série similar em princípio ao TCSR, mas com uma diferença operacional chave: enquanto o TCSR realiza o controle de potência ajustando os ângulos de disparo dos tiristores (permitindo regulação passo a passo), os tiristores do TSSC operam em modo simples "ligado/desligado" sem ajuste do ângulo de disparo. Isso significa que o capacitor está completamente conectado ou completamente desconectado da linha.
Esta operação simplificada reduz a complexidade e o custo tanto dos tiristores quanto do controlador geral. O diagrama básico do TSSC é idêntico ao do TCSC.
Compensador Síncrono em Série Estático (SSSC)
O SSSC é um dispositivo de compensação em série usado em sistemas de transmissão para regular o fluxo de potência controlando a impedância equivalente da linha. Sua tensão de saída é totalmente controlável e independente da corrente da linha - ajustando esta tensão de saída, a impedância efetiva da linha pode ser modulada com precisão.
Funcionalmente, o SSSC age como um gerador síncrono estático conectado em série com a linha de transmissão. Seu propósito central é ajustar a queda de tensão ao longo da linha, controlando assim o fluxo de potência. O SSSC injeta uma tensão que está em quadratura (deslocamento de fase de 90º) com a corrente da linha: se a tensão injetada levar a corrente, fornece compensação capacitiva; se atrasar a corrente, fornece compensação indutiva. Um diagrama básico do Compensador Síncrono em Série Estático é mostrado na figura abaixo.
Compensador Estático de Potência Reativa (SVC)
Um Compensador Estático de Potência Reativa (SVC) consiste em um banco de capacitores fixo conectado em paralelo com um reator controlado por tiristor. O ângulo de disparo do tiristor regula a operação do reator, controlando diretamente a tensão sobre o reator - e, portanto, a quantidade de potência que ele retira.
Esta configuração permite que o SVC ajuste dinamicamente a saída de potência reativa, estabilizando a tensão e melhorando o fator de potência no sistema de transmissão. Um diagrama básico do Compensador Estático de Potência Reativa é mostrado na figura abaixo.
Aplicações do Compensador Estático de Potência Reativa (SVC)
SVCs são dispositivos versáteis usados para melhorar o desempenho do sistema de energia, com funções-chave incluindo:
Eles também são amplamente adotados em ambientes industriais para gerenciamento de potência reativa e melhoria da qualidade de energia. Abaixo está uma visão geral das configurações SVC mais comuns:
Reator Controlado por Tiristor (TCR)
Um TCR consiste em um reator conectado em série com uma válvula de tiristor - especificamente, dois tiristores conectados em anti-paralelo. Esses tiristores conduzem alternadamente durante cada meia-ciclo da alimentação de CA, com um circuito de controle fornecendo pulsos de disparo aos tiristores a cada meia-ciclo.
O ângulo de disparo do tiristor determina a quantidade de potência reativa atrasada fornecida ao sistema. TCRs são comumente implantados em linhas de transmissão de EHV (Extra High Voltage), onde fornecem compensação de potência reativa durante condições de carga leve ou sem carga. Um diagrama básico de um Reator Controlado por Tiristor é mostrado na figura abaixo.
Capacitor Comutado por Tiristor (TSC)
Sob condições de carga pesada, a demanda de potência reativa aumenta - e os Capacitores Comutados por Tiristor (TSCs) são projetados para atender a essa demanda aumentada. Eles são comumente implantados em linhas de transmissão de EHV durante períodos de alta carga.
O TSC compartilha um princípio estrutural semelhante ao TCR, mas com uma troca de componente-chave: o reator no TCR é substituído por um capacitor. Como no TCR, o TSC regula a quantidade de potência reativa fornecida à linha de transmissão ajustando o ângulo de disparo do tiristor. Um diagrama básico do Capacitor Comutado por Tiristor (TSC) é mostrado na figura abaixo.
Reator Comutado por Tiristor (TSR)
O TSR é estruturalmente semelhante ao Reator Controlado por Tiristor (TCR), mas difere na operação: enquanto o TCR ajusta a corrente controlando os ângulos de disparo dos tiristores (permitindo controle de fase), os tiristores do TSR operam em modo binário "ligado/desligado" sem controle de fase. Isso significa que o reator está completamente conectado ao circuito ou completamente desconectado.A ausência de regulação do ângulo de disparo simplifica o design, reduzindo o custo dos tiristores e minimizando as perdas de comutação. O diagrama básico do TSR é idêntico ao do TCR.
Compensador Síncrono Estático (STATCOM)
O STATCOM é um conversor de tensão de fonte de alimentação baseado em eletrônica de potência (VSC) que regula o desempenho do sistema de transmissão fornecendo ou absorvendo potência reativa - e também pode fornecer suporte de potência ativa quando necessário. É particularmente eficaz em linhas de transmissão com fator de potência e regulação de tensão pobres, tornando-o um dispositivo amplamente utilizado para melhorar a estabilidade de tensão nos sistemas de energia.
O STATCOM opera usando um capacitor carregado como sua fonte de entrada DC, que é convertida em tensão CA trifásica via um inversor controlado por tensão. A saída do inversor é sincronizada com o sistema de energia CA, e o dispositivo está conectado em derivação com a linha de transmissão através de um transformador de acoplamento. Ajustando a saída do inversor, a potência reativa (e ativa) fornecida pelo STATCOM pode ser controlada com precisão. Um diagrama básico do STATCOM é mostrado na figura abaixo.
Controlador de Fluxo de Potência Interlinha (IPFC)
O IPFC é uma técnica de compensação projetada para sistemas de transmissão multi-linha, com múltiplos conversores interligados por meio de um barramento DC comum - cada conversor se conecta a uma linha de transmissão separada.
Uma capacidade chave desses conversores é a transferência de potência real, permitindo o equilíbrio de potência real e reativa entre linhas interconectadas. Este controle coordenado aumenta a eficiência e a estabilidade geral do sistema em redes multi-linha. Um diagrama básico do IPFC é mostrado na figura abaixo.
Controlador Unificado de Fluxo de Potência (UPFC)
O UPFC integra um STATCOM (Compensador Síncrono Estático) e um SSSC (Compensador Síncrono em Série Estático) via um link de tensão DC compartilhado, combinando suas funcionalidades em um único sistema. Ele utiliza um par de pontes trifásicas controláveis para gerar corrente, que é injetada na linha de transmissão através de um transformador de acoplamento.
O UPFC se destaca na melhoria de múltiplos aspectos do desempenho do sistema de energia, incluindo estabilidade de tensão, estabilidade do ângulo de potência e amortecimento do sistema. Pode controlar com precisão o fluxo de potência ativa (real) e reativa nas linhas de transmissão. No entanto, ele opera de forma ótima apenas sob condições de onda senoidal balanceada e pode não funcionar efetivamente durante estados anormais do sistema. Além disso, o UPFC ajuda a suprimir as oscilações do sistema de energia e melhora a estabilidade transitória. Um diagrama básico do Controlador Unificado de Fluxo de Potência (UPFC) é mostrado na figura abaixo.
