Ensaios em reguladores de tensão de geradores com sinais externos aplicados ao transformador de potencial: concepção, análise, implementação e testes de campo

Abstract

A máquina síncrona é peça-chave no sistema elétrico de potência. Contudo, para que esta desempenhe um funcionamento seguro e eficiente, ela deve ser regulada de forma a atender às suas próprias demandas e às do sistema elétrico. O regulador de tensão, por sua vez, é incumbido de, entre outras coisas, regular a tensão terminal do gerador, limitar sua operação e prover torque capaz de amortecer oscilações eletromecânicas através do estabilizador de potência. Assim, para que se possam ser realizados testes de comissionamento, de análise de desempenho e de modelagem desses equipamentos, uma série de ensaios é feita. Tais testes exigem, muitas vezes, a injeção de sinais, sejam eles para obter a resposta ao degrau ou resposta em frequência, por exemplo. Ademais, não é incomum, querer injetar sinais estabilizantes externos, dado que, por vezes, o estabilizador local é incapaz de estabilizar satisfatoriamente a unidade geradora. Portanto, este trabalho tem o objetivo de apresentar uma nova técnica desenvolvida pela empresa Reivax Controle e Automação, capaz de injetar sinais diversos ao regulador de tensão através do sinal de medição da realimentação da máquina síncrona, usando transformadores de potencial e malha de captura de fase. Desta forma, o trabalho traz, inicialmente, uma apresentação do contexto de geração de energia no qual o método se faz presente. Em seguida, é feita a discussão do método proposto, trazendo informações de seu funcionamento através de dados e discussões analítico-matemáticas, além de explanar sua estrutura e os equipamentos necessários para a sua aplicação. Logo após esta seção, são trazidos resultados obtidos a partir de simulações computacionais de forma a clarificar o funcionamento do método, além de submetê-lo a certas situações adversas. Por fim, são trazidos dados de utilização do método em campo em usinas hidrelétricas no Peru, onde o método foi utilizado para realizar a resposta em frequência da unidade geradora, além de injetar torque amortizante e sinal degrau externamente à malha local de regulação de tensão.

The synchronous machine plays a key role in the power system. However, in order to ensure an efficient and secure functioning of the Synchronous Machine (SM) and of the electric grid as a whole, the first might be regulated so as to respect both the electric grid’s demand and the Synchronous Machine’s operation limits. The Automatic Voltage Regulator (AVR) has as functions the regulation of synchronous machine’s terminal voltage, the assurance that the machine’s operation is restricted to its operational limits and providing damping torque by means of the Power System Stabilizer (PSS) actuation. Therefore, in order to make commissioning, performance analysis and modeling tests of those equipments, a series of tests has to be performed. Those tests often demand the injection of different signals, such as to obtain the step and frequency response, for example. In addition, sometimes one might want to inject external stabilizing signals, once sometimes the native PSS is uncapable of achieving the expected performance. Therefore, the author intends with this work to present a new technique developed by the company Reivax Control and Automation, that enables the injection of different signals to the AVR through the SM’s terminal voltage measurement, this is achieved through the utilization of power transformers and phase locked loops. Hence, the work brings, initially, a presentation of the electric energy generation context, in which the technique is applicable. Then, a discussion about the proposed technique is made, informing about its functioning through data and mathematical analysis. After that, it is presented data generated with computational simulation in order to clarify the technique’s functioning and to put it under unfavorable situations. Finally, it is presented some data generated while applying the technique in field tests, performed in hydroelectric power plants in Peru. The tests comprehend frequency response obtained through the technique and the injection of external stabilizing and step signal to the AVR loop.