Performance of Differential Protection Applied to Collector Cables of Offshore Wind Farms with MMC-HVDC Transmission

Resumo Técnico: Desempenho da Proteção Diferencial Aplicada a Cabos Coletores de Parques Eólicos Offshore com Transmissão MMC-HVDC

Definição do Problema
A transição global para uma energia de baixo carbono acelerou a integração de parques eólicos offshore conectados via transmissão de Corrente Contínua de Alta Tensão baseada em Conversores Multiníveis Modulares (MMC-HVDC). Um desafio crítico de proteção surge nos cabos coletores que conectam as turbinas eólicas ao MMC Offshore (OMMC). Diferente das redes tradicionais, ambos os terminais desses cabos são supridos por Recursos Baseados em Inversores (IBRs). As estratégias de controle desses IBRs limitam ativamente as magnitudes das correntes de falta e alteram suas características, desviando-se significamente do comportamento assumido nos projetos de proteção convencionais. Especificamente, muitas estratégias de controle suprimem correntes de sequência negativa durante faltas. Essa supressão pode resultar em correntes de falta próximas de zero para certos tipos de faltas, potencialmente tornando os esquemas de proteção diferencial convencionais insensíveis e incapazes de discriminar de forma confiável entre faltas internas e externas. Embora a literatura existente reconheça essas limitações, ela frequentemente explora cenários de falta restritos que não representam totalmente a diversidade de tipos de falta e níveis de resistência encontrados na prática.

Metodologia
Para abordar essas lacunas, os autores realizaram uma avaliação abrangente de desempenho utilizando simulações de transientes eletromagnéticos no PSCAD/EMTDC. O estudo utilizou um modelo realista de um parque eólico offshore consistindo em dois clusters de 450 MVA de turbinas eólicas de conversor total (Tipo 4) conectados a um OMMC via cabos coletores de 230 kV.

A metodologia envolveu:

• Esquemas de Proteção: Uma análise comparativa de três estratégias de proteção diferencial:
  1. Diferencial de Fase Convencional (87L): Baseada em correntes de fase.
  2. Diferencial de Sequência Negativa (87Q): Baseada em componentes de sequência negativa.
  3. Diferencial de Sequência Zero (87G): Baseada em componentes de sequência zero.
     Todos os esquemas empregaram lógica de restrição percentual com uma inclinação (slope) de 50% e um pickup mínimo de 0,3 p.u.
• Cenários de Controle: Duas estratégias de controle de OMMC distintas foram avaliadas:
  • Controle C1: Supressão ativa de corrente de sequência negativa durante faltas.
  • Controle C2: Priorização da injeção de corrente de sequência negativa (sem supressão forçada).
• Cenários de Falta: O estudo simulou faltas internas em várias localizações (0% a 100% do comprimento do cabo) e faltas externas. Os tipos de falta incluíram falta monofásica para o terra (AG), fase-fase (AB), fase-fase-terra (ABG) e trifásica (ABC). Uma ampla gama de resistências de falta foi aplicada (0 a 50 Ω dependendo do tipo de falta).
• Métrica de Análise: O desempenho foi avaliado plotando a corrente de operação ($I_{OP}$) versus a corrente de restrição ($I_{REST}$) 50 ms após o início da falta para determinar se o relé operou dentro da região de segurança definida.

Principais Resultados
Os resultados das simulações destacaram vulnerabilidades significativas na proteção convencional quando estratégias de controle específicas são empregadas:

• Impacto da Supressão de Sequência Negativa (Controle C1):

  • Faltas de Fase para o Terra (AG) e Fase-Fase (AB): Quando o OMMC e as turbinas eólicas suprimem correntes de sequência negativa (Controle C1), o circuito de sequência negativa torna-se efetivamente um circuito aberto. Consequentemente, a corrente de falta é praticamente nula. Sob estas condições, nem a proteção diferencial de fase convencional (87L) nem as proteções baseadas em sequência (87Q, 87G) demonstraram sensibilidade suficiente para operar em faltas internas, mesmo com baixas resistências de falta.
  • Faltas de Fase-Fase-Terra (ABG): A presença de um caminho de sequência zero (dependente das configurações de enrolamento dos transformadores) permitiu correntes de falta não nulas. No entanto, mesmo com este caminho, o elemento 87Q apresentou desempenho insatisfatório, e os elementos de fase (87L) operaram apenas para faltas de baixa resistência. Apenas o elemento 87G mostrou sensibilidade em todos os níveis de resistência, embora seu desempenho ainda fosse fortemente dependente da disponibilidade de um caminho de sequência zero.
  • Faltas Trifásicas (ABC): Como estas faltas envolvem apenas o circuito de sequência positiva, a proteção diferencial de fase convencional operou satisfatoriamente, independentemente da estratégia de controle ou da resistência de falta.

• Impacto da Não Supressão (Controle C2):

  • Quando o OMMC não suprimiu as correntes de sequência negativa (Controle C2), todos os elementos diferenciais avaliados (87L, 87Q e 87G) operaram com a sensibilidade e seletividade adequadas para todos os tipos de falta interna e níveis de resistência.

• Seletividade:

  • Para faltas externas, as quantidades de operação para todos os esquemas diferenciais permaneceram praticamente nulas em todas as estratégias de controle e tipos de falta. Isso indica que os esquemas mantiveram alta seletividade e não exibiram disparos espúrios para faltas externas, assumindo condições ideais de sincronização e medição.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer uma compreensão conceitual mais profunda dos desafios de proteção em redes dominadas por conversores. Suas principais contribções são:

1. Identificação de Vulnerabilidade Crítica: O estudo demonstra que a proteção diferencial convencional, historicamente considerada altamente sensível e confiável, pode falhar ao detectar faltas internas em cabos coletores offshore se os IBRs conectados (tanto as turbinas eólicas quanto o OMMC) empregarem estratégias de supressão de corrente de sequência negativa.
2. Limitações de Componentes de Sequência: Embora os elementos diferenciais de sequência negativa e zero ofereçam sensibilidade aprimorada em certos contextos, eles não são uma solução universal. Sua eficácia é estritamente contingente às estratégias de controle dos conversores e às configurações de enrolamento dos transformadores (especificamente a existência de um caminho de sequência zero).
3. Necessidade de Inovação: Os achados sugerem que, à medida que os sistemas de potência transitam para topologias dominadas por conversores, confiar apenas em funções de relé convencionais — mesmo as diferenciais — pode ser insuficiente. Os autores defendem o desenvolvimento de abordagens de proteção inovadoras e padrões preparados para o futuro que levem em conta as características específicas de corrente de falta impostas pelas estratégias de controle dos IBRs.

O artigo conclui que garantir uma proteção sensível e seletiva para esses caminhos críticos de transmissão requer ir além das suposições tradicionais sobre o comportamento da corrente de falta, particularmente em cenários onde as correntes de sequência negativa são ativamente suprimidas.