Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV para Armazenamento de Energia Dadi em Angola

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Esta solução visa a grave poluição harmônica no sistema de 35 kV da usina de armazenamento de energia Dadi em Angola, causada por cargas não lineares, como sistemas de conversão de energia (PCS). Em seu núcleo está um banco de compensação de filtro de alta tensão H5+H7 com uma capacidade total de 7500 kvar, construído sobre um conceito de design três em um: filtragem localizada, proteção de equipamentos e compensação de energia reativa.

O objetivo é eliminar os riscos harmônicos, promover uma operação segura, estável e econômica da rede, e melhorar a eficiência operacional do sistema e a confiabilidade do fornecimento.

Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV do Armazenamento de Energia Dadi em Angola

1. Contexto do Projeto e Análise do Estado Atual

1.1 Visão Geral do Projeto

O projeto de melhoria da qualidade de energia do Armazenamento de Energia Dadi em Angola é uma retrofitagem no nível de tensão de 35 kV. A principal carga no local é o conversor de armazenamento de energia (PCS). Como uma carga não linear típica e de alta harmônica, ele injeta uma grande quantidade de corrente harmônica na rede durante a operação, degradando seriamente a qualidade da energia.

1.2 Principais Pontos Críticos e Riscos

Pesquisas de campo e análise de dados mostram que a poluição harmônica afetou adversamente o sistema em seis dimensões:

Dimensão	Sintomas	Análise de consequências
Segurança do equipamento	Sobreaquecimento e alto ruído do transformador; sobrecorrente e inchaço do capacitor	As harmônicas reduzem a reatância capacitiva e amplificam a corrente, causando sobretensão de ressonância e perdas adicionais
Disponibilidade	Saída com potência reduzida do PCS, disparos de proteção, desligamentos frequentes	A alta distorção de tensão aciona a proteção do conversor e a redução de potência, diminuindo a disponibilidade do sistema
Vida útil do equipamento	Envelhecimento acelerado de capacitores, reatores e outros componentes	Perdas harmônicas adicionais agravam o aumento de temperatura e aceleram a degradação dos componentes
Custo de energia	Maiores perdas na linha; contas de energia mais altas	As correntes harmônicas não realizam trabalho útil, mas geram perdas de calor e reduzem o fator de potência
Sistema de controle	Alarmes falsos do sistema de supervisão, dados anormais	A interferência de alta frequência penetra no sistema de controle de baixa tensão, causando erros de amostragem e lógica
Riscos elétricos	Dispositivos de proteção operam incorretamente ou falham em operar	A distorção da forma de onda prejudica a precisão da amostragem da proteção por relé, ampliando o escopo do incidente

2. Objetivos de Melhoria e Base de Projeto

2.1 Objetivos de Melhoria

Com base na IEC TR 61000-3-6:2008, IEEE 519-2022, GB/T 14549-1993 "Qualidade de Energia – Harmônicos em Redes de Fornecimento Público" e na especificação técnica do projeto, os seguintes objetivos centrais são estabelecidos:

Supressão de harmônicos: foco na filtragem dos harmônicos dominantes de 5ª e 7ª ordens para reduzir significativamente a distorção harmônica total de tensão (THDu);
Compensação de potência reativa: elevar o fator de potência do sistema para acima de 0,95 após a compensação, a fim de evitar cobranças adicionais causadas por um baixo fator de potência;
Estabilidade do sistema: evitar ressonância paralela/série e garantir a operação segura de capacitores e transformadores;
Economia de energia: reduzir perdas adicionais em transformadores e linhas e estender a vida útil dos equipamentos.

2.2 Abordagem de Projeto

É adotada uma estratégia integrada de "filtragem sintonizada + compensação por chaveamento automático". Ramos sintonizados LC dedicados são projetados para os harmônicos característicos (6k±1) do PCS, fazendo com que cada ramo apresente uma baixa impedância na frequência específica para "absorver" a corrente harmônica, enquanto permanece capacitivo na frequência de rede para fornecer suporte reativo.

2.3 Metas de Aceitação Quantificadas

Com base na GB/T 14549-1993 "Qualidade de Energia – Harmônicos em Redes de Fornecimento Público", IEC TR 61000-3-6:2008 e nas características da rede local angolana, as seguintes metas quantificadas são definidas:

Indicador	Antes (estimado/medido)	Depois (meta assumida)	Observações
Distorção harmônica total de tensão (THDu)	> 5,0% (substancialmente excedido)	< 3,0%	Atende ao limite da GB/T 14549-1993 para sistemas de 35 kV (≤ 3,0%)
Conteúdo de corrente da 5ª harmônica	> 15%	< 3%	Direcionado à harmônica característica do PCS
Conteúdo de corrente da 7ª harmônica	> 10%	< 2%	Direcionado à harmônica característica do PCS
Fator de potência (FP)	0,85 ~ 0,90 (altamente variável)	≥ 0,96	Acima da meta de projeto (≥ 0,95), em uma faixa de operação estável
Elevação de temperatura do transformador	Anormalmente alta	Retorno à faixa normal	Redução esperada de aprox. 10 ~ 15 K
Taxa de falha do capacitor	Alta (inchaço/fusão frequentes)	Significativamente reduzida	Sobrecorrente de ressonância evitada

3. Solução Técnica Principal

3.1 Visão Geral da Configuração

Com base nas características do sistema de 35 kV desta usina, configura-se um banco de compensação por filtro de alta tensão com capacidade total de 7500 kvar da seguinte forma:

Equipamento	Especificação/Tipo	Quantidade/Capacidade	Função
Ramo do filtro H5	Sintonia nominal 250 Hz (dessintonizado para aprox. 235 Hz, 4,7ª)	Vários grupos	Absorve harmônicos de 5ª ordem e também fornece compensação reativa na frequência da rede
Ramo do filtro H7	Sintonia nominal 350 Hz (dessintonizado para aprox. 340 Hz, 6,8ª)	Vários grupos	Absorve harmônicos de 7ª ordem e também fornece compensação reativa na frequência da rede
Capacitores de alta tensão	Montados em tanque de 35 kV / monofásicos	7500 kvar no total	Fornece potência reativa capacitiva e suporta a tensão do sistema
Reatores em série	Tipo seco / núcleo de ferro imerso em óleo	Compatível	Limita a corrente de irrupção de fechamento e suprime a amplificação de harmônicos de alta ordem
Dispositivo de manobra	Disjuntor a vácuo de baixa reignição	Compatível	Permite manobra rápida e sem reignição do banco de capacitores
Proteção e monitoramento	Proteção baseada em microprocessador	1 conjunto	Monitoramento em tempo real de tensão, corrente e temperatura com múltiplas funções de proteção

Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV para o Armazenamento de Energia Dadi em Angola

3.2 Medidas Técnicas Principais

Tecnologia de ajuste de precisão

Utilizando o princípio da ressonância série L-C, a frequência natural de cada ramo do filtro é projetada para absorver os harmônicos de 5ª (250 Hz) e 7ª (350 Hz) ordens. Em torno dessas frequências, a impedância do ramo torna-se extremamente baixa (Z ≈ R), formando uma "armadilha" de harmônicos que força a corrente harmônica a fluir para o filtro em vez da rede.

Deve-se notar que, para evitar a ressonância paralela entre o ramo e o sistema causada pela flutuação da frequência da rede e pela deriva dos parâmetros dos componentes, um projeto dessintonizado é normalmente aplicado na prática de engenharia: embora nominalmente sintonizados na 5ª e 7ª ordens, o ramo da 5ª é na verdade ajustado para cerca da 4,7ª (aprox. 235 Hz, correspondendo a uma taxa de reator de cerca de 4,5%) e o ramo da 7ª para cerca da 6,8ª (aprox. 340 Hz, correspondendo a uma taxa de reator de cerca de 2,2%), deixando uma margem de segurança para prevenir incidentes de amplificação de harmônicos. O ponto de ajuste final deve ser determinado com base nos dados de harmônicos de fundo medidos no local.

Proteção térmica do equipamento

Proteção do transformador: após a filtragem dos harmônicos, as perdas por efeito pelicular e correntes parasitas no transformador caem significativamente e o aumento de temperatura retorna ao normal. De acordo com o modelo de envelhecimento térmico IEC 60076-7, o envelhecimento do isolamento é efetivamente retardado.
Proteção do capacitor: impedir que a corrente harmônica flua diretamente através dos capacitores evita a ruptura dielétrica ou o inchaço causados por sobrecorrente e sobretensão.

Chaveamento e controle inteligentes

Um disjuntor a vácuo de baixa re-ignição (sem re-ignição) com fechamento controlado (ponto na onda) mantém a corrente de irrupção de fechamento dentro de 1,5 vezes a corrente nominal do banco de capacitores (consulte a Seção 3.3).
O sistema de monitoramento coleta dados da rede em tempo real e comuta automaticamente os ramos do filtro de acordo com o déficit de potência reativa, alcançando a "compensação sob demanda".

Adaptabilidade de operação bidirecional

Como a assinatura harmônica do PCS de armazenamento de energia difere entre o carregamento e o descarregamento, os ramos do filtro são projetados com base no espectro harmônico medido em toda a faixa de operação do PCS (carga/descarga), com margem de comutação reservada para que os harmônicos sejam efetivamente suprimidos em ambas as direções de operação.

Verificação de ressonância

Após a comissão do banco de compensação de filtros, os ramos capacitivos e o sistema de 35 kV podem formar pontos de ressonância paralela. Na fase de projeto, a ressonância deve ser verificada usando os harmônicos de fundo medidos no local e a impedância do sistema como entradas, e o equipamento só pode ser energizado após a confirmação de que os pontos de ressonância evitam as frequências harmônicas características, como a 5ª e a 7ª.

Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV para o Armazenamento de Energia Dadi em Angola

3.3 Segurança de Chaveamento de Bancos de Capacitores — Fechamento no Ponto de Onda e Baixa Re-ignição

Dada a frequente comutação de bancos de capacitores causada pela regulação frequente da usina de armazenamento de energia, adota-se um mecanismo de proteção duplo:

Chaveamento a vácuo de baixa re-ignição: contatos de liga CuCr e um interruptor a vácuo de campo magnético axial (AMF) garantem que nenhuma re-ignição ocorra ao interromper a corrente capacitiva, suprimindo efetivamente as sobretensões de manobra.
Controlador inteligente de fechamento no ponto de onda (opcional/recomendado): rastreia a fase da tensão da rede em tempo real e fecha os contatos precisamente no cruzamento por zero da tensão (dentro de ±1 ms). Isso mantém a corrente de irrupção de fechamento dentro de 1,5 vezes a corrente nominal do banco de capacitores (em comparação com 10 a 20 vezes para fechamento aleatório), prolongando muito a vida dos capacitores e do interruptor e prevenindo choques de tensão no PCS.

Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV para o Armazenamento de Energia Dadi em Angola

4. Características e Vantagens

Altamente direcionado: os parâmetros H5+H7 são personalizados para as características de carga do PCS, evitando "tratamento excessivo" ou "tratamento insuficiente".
Forte adaptabilidade ambiental (para as condições de Angola): considerando o clima local, todos os reatores utilizam isolamento de Classe H, os invólucros dos capacitores utilizam materiais resistentes a UV e à corrosão, e as PCBs do sistema de controle recebem uma camada de revestimento conformal extraespessa — adequadas para ambientes quentes e úmidos.
Design integrado: mitigação de harmônicos, compensação reativa e proteção de equipamentos são abordados em conjunto — um investimento, múltiplos benefícios.
Operação confiável: um pacote completo com equipamentos de manobra de baixa reincidência de arco e proteção abrangente, adequados para a frequente tarefa de regulação de usinas de armazenamento de energia.

5. Resultados e Benefícios Esperados

5.1 Benefícios Técnicos

Formas de onda aprimoradas: após o comissionamento, a taxa de filtragem da corrente harmônica de 5ª e 7ª ordens deverá exceder 85%, com a distorção de tensão atendendo à norma GB/T 14549-1993 e às especificações técnicas do projeto.
Interferência eliminada: as taxas de operação incorreta dos sistemas de proteção e monitoramento caem significativamente e o ambiente operacional da subestação é purificado.
Estabilidade da rede: as características de impedância do sistema são otimizadas, aumentando substancialmente a imunidade a interferências.

Tipo de benefício	Detalhes	Valor estimado
Direto	Redução das cobranças de penalidade por potência reativa; menores perdas em transformadores e linhas	A ser quantificado com base nas tarifas locais, padrões de faturamento/avaliação de potência reativa e dados de perdas medidas
Indireto	Menor custo de reparo/substituição de equipamentos; redução das perdas por interrupções não programadas	Vida útil estendida de equipamentos principais, como transformadores; duração avaliada conforme o modelo de envelhecimento térmico IEC 60076-7
Operacional	Menor número de atuações de proteção do PCS e desligamentos não programados; maior disponibilidade do sistema	Melhoria da estabilidade operacional geral da usina de armazenamento de energia
Segurança	Riscos de incêndio elétrico evitados; segurança do pessoal protegida	Risco de grandes incidentes de segurança eliminado

5.3 Melhoria Esperada de Desempenho

Após o comissionamento, espera-se que os principais indicadores de qualidade de energia melhorem da seguinte forma (em conformidade com as metas da Seção 2.3; sujeito à medição de aceitação):

Indicador	Antes (estimado/medido)	Depois	Melhoria/resultado
Distorção harmônica total de tensão (THDu)	> 5,0% (excedido substancialmente)	< 3,0%	Atende aos requisitos da GB/T 14549-1993 (limite de 3% para 35 kV) e IEEE 519-2022
Conteúdo de corrente da 5ª harmônica	> 15%	< 3%	Substancialmente reduzido
Conteúdo de corrente da 7ª harmônica	> 10%	< 2%	Forte supressão
Fator de potência (FP)	0,85 ~ 0,90 (altamente variável)	≥ 0,96	Conformidade estável
Elevação de temperatura do transformador	Anormalmente alta	Retorno à faixa normal	Redução de aprox. 10 ~ 15 K
Taxa de falha do capacitor	Alta (inchaço/fusão frequentes)	Significativamente reduzida	Melhoria clara

Nota: os valores "após" acima são valores esperados derivados do desempenho do equipamento e da avaliação do sistema. Os valores finais estão sujeitos às medições de aceitação do comissionamento.

Solução de Melhoria da Qualidade de Energia de 35 kV para o Projeto de Armazenamento de Energia Dadi em Angola

6. Implementação do Projeto e Suporte de O&M

6.1 Processo de Implementação

Levantamento no local: medição dos harmônicos de fundo na barra de 35 kV e características da carga (incluindo condições de carga/descarga do PCS).
Simulação: construção de um modelo do sistema para verificar o desempenho da filtragem e os pontos de ressonância.
Fabricação: pré-fabricação em fábrica com testes de rotina rigorosos (teste de tensão aplicada, descarga parcial, comissionamento da proteção).
Instalação e comissionamento: instalação no local, fiação secundária, testes integrados do sistema.
Aceitação e comissionamento: teste de carga, verificação das metas, entrega.

6.2 Serviço de Pós-Venda

Treinamento técnico: treinamento de princípios, operação e solução de problemas para o proprietário.
Inspeção periódica: verificações regulares da capacitância do capacitor, temperatura do reator e aperto dos pontos de conexão.
Resposta a emergências: suporte técnico 7×24 para resposta rápida a falhas.

Conclusão

Por meio da configuração científica de um banco de compensação com filtro H5+H7 de 7500 kvar, esta solução não apenas resolve os atuais pontos críticos de qualidade de energia do projeto de armazenamento de energia Dadi em Angola, mas também constrói uma sólida linha de defesa de segurança elétrica para a usina.

Ao abordar a proteção do equipamento e a estabilidade do sistema juntamente com a mitigação de harmônicos, proporciona benefícios econômicos e de segurança — uma solução confiável de melhoria da qualidade de energia para usinas de armazenamento de energia.

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