Modelagem dinâmica e controle do compensador série TCSC para utilização em sistemas de distribuição de energia elétrica

Abstract

A tese de doutorado tem como objetivo específico a proposição de um sistema de controle digital aplicado ao compensador série TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator), cujo efeito é proporcionar regulação de tensão para cargas dinâmicas presentes no sistema de distribuição de energia elétrica, como no caso de partida de motores elétricos. Os estudos teóricos contemplam a análise detalhada do estágio de potência do TCSC operando em regime permanente. Gráficos generalizados indicam o comportamento harmônico, as possibilidades de ressonância paralela, a característica de reatância fundamental e os esforços de tensão e corrente nos elementos do TCSC ideal, base para a especificação dos componentes do estágio de potência do compensador série. Os resultados para operação em regime permanente do protótipo indicam, nas condições de plena carga, nível máximo de compensação capacitiva de 125% e aumento na regulação de tensão na carga de 7,3% quando comparado às condições da linha sem compensação. A operação em malha fechada do compensador série realizada por controladores digitais do tipo proporcional-integral com saturação anti-windup e realimentações via Integradores Generalizados de Segunda Ordem Multirressonante (IGSOM), garantem robustez, boa dinâmica na resposta transitória e erro nulo em regime permanente para a regulação da reatância fundamental do TCSC. Os ensaios experimentais com partidas diretas de motores demonstram o efeito positivo do compensador série na regulação dinâmica e melhora dos níveis de afundamento momentâneo da tensão na carga.

The specific objective this doctoral thesis consist in the proposition of a digital control system applied to the Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC), wich the intended is to provide voltage regulation for dynamics loads present in the electric power distribution system, as in the case of the starting of induction motors. Theoretical studies contemplate the detailed analysis of the TCSC power stage operating under steady-state conditions. Generalized graphs indicate the harmonic behavior, the parallel resonance possibilities, the fundamental reactance characteristic and the stress across the voltage and current in the elements of the ideal TCSC, which are the bases for the design the components of the series compensator power stage. The results for steady-state operation of the prototype indicate under full load conditions a maximum leve of capacitive compensation of 125% and a increase in the load voltage regulation of 7.3% if compared to conditions of the line without compensation. The closed-loop operation of the series compensator, based on proportional-integral digital controllers with anti-windup saturation and feedback by Multiresonant Second-Order Generalized Integrators (MSOGI), presents robustness, good transient response dynamics and null error in steady-state to the regulation of the TCSC fundamental reactance. The experimental tests with motor direct starting demonstrate the positive effect of the series compensator in the dynamic regulation and improvement of the levels of load voltage sags.