Compensación

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Compensación
Sistemas de Compensación en Redes
de Transmisión de Energía – FACTS
Introducción
FACTS es el acrónimo de Sistemas Flexibles
de Transmisión de Corriente Alterna
(Flexible Alternating Current Transmission
recursos utilizados para superar ciertas
limitaciones en la Capacidad de Transmisión
está relacionado con la capacidad rápida
y continua de alterar los principales
parámetros que controlan la dinámica de un
sistema eléctrico.
Equipos utilizando el concepto de FACTS
comenzaron a ser implementados a
ìê
sin embargo el nombre de FACTS solo se
inicio de los 90’s.
de transmisión de corriente alterna
incorporando electrónica de potencia y
otros controladores estáticos para realzar la
controlabilidad y capacidad de transmisión
de potencia”.
El propósito principal es la obtención de
un Sistema de Corriente Alterna con Alto
con potencia reactiva inductiva y capacitiva
tan rápido como sea posible ajustada a
los requerimientos particulares, y con ello
mejorando la calidad de la transmisión y
potencia.
La inevitable globalización y liberación de
los mercados de energía, asociados con el
crecimiento de mercados no regulados y
la privatización, han dado como resultado
inestabilidad e incluso fallas en el sistema de
potencia.
ײª»­¬·¹¿½·-² | Energía en Movimiento
Los suministros de potencia están cada vez
más dependientes de plantas de generación
distribuidas con altos niveles de tensión,
grandes intercambios entre sistemas
enmallados así como transporte a los
centros de carga en largas distancias. Este
tipo de transmisión debe ser realizada en
forma segura y efectiva en costos con visión
hacia el futuro.
La implementación de nuevos sistemas
de transmisión y sus componentes, es
una estrategia a largo plazo que deberá
cumplir con estos desafíos. Para el corto
y mediano plazo pueden ser empleadas
tecnologías de transmisión modernas
que comparativamente son de menores
y mejorar sustancialmente la calidad del
suministro. Esto hace posible posponer
las inversiones en nuevas plantas e
infraestructuras, dando ventajas en el
mercado no regulado donde existen
grandes presiones con los precios de la
energía.
mejorar la estabilidad dinámica y transitoria
asegurando una mejor calidad.
Los FACTS proveen rápido control del voltaje
con diferentes condiciones de la carga;
incremento de la transferencia de potencia
en líneas largas, balanceando la potencia
reactiva (Voltaje y pérdidas de transmisión);
amortiguan las oscilaciones de potencia
activa e incrementan la estabilidad en la
transmisión de potencia.
compañías de potencia están aptas para
utilizar mejor sus redes de trasmisión
existentes, sustancialmente incrementar la
ìé
Û²»®¹3¿ »² Ó±ª·³·»²¬± ¤ ײª»­¬·¹¿½·-²
Problema
La carga requiere de potencia reactiva
que varía continuamente e incrementa
las pérdidas de transmisión afectando
los voltajes de la red. Para prevenir
como resultados fallas de la red, la potencia
reactiva tiene que ser compensada y
mantenida en balance.
La compensación paralela proporciona una mejor utilización de la red actuado en la calidad
de la energía y reducción de costos a los consumidores.
La compensación serie se utiliza en las líneas de transmisión para disminuir su reactancia
serie y por lo tanto la distancia eléctrica entre sus barras terminales.
A continuación se presenta una breve descripción de las principales soluciones,
funcionalidades y sus aplicaciones.
Compensación Serie
Compensación Paralela
Soluciones en Compensación Serie
Soluciones en Compensación Paralela
Soluciones
Esta función ha sido siempre ejecutada por
elementos pasivos tales como reactores
o capacitores o una combinación de
ambos, que suministre la potencia reactiva
inductiva y capacitiva requerida.
Mientras más rápida y precisa sea lograda
la compensación reactiva, pueden ser
parámetros de la red. Por esta razón, cada
vez más, componentes maniobrados
mecánicamente están siendo reemplazados
por componentes más rápidos y sin límite
de operaciones, maniobrados (switched) o
controlados por transistores o tiristores.
•
•
•
•
La potencia reactiva tiene los siguientes
efectos:
•
•
•
•
Incrementa las pérdidas de transmisión:
Aumenta la necesidad de plantas y
costos de operación
Mayor responsable en la desviación de
voltaje: Degradación del rendimiento
de la carga con tensión baja y riesgo
de ruptura de aislamientos por sobre
voltaje
Limitación de la transferencia de
potencia
Límites de estabilidad estática y
dinámica
FSC Fixed Serie Capacitor
FSR Fixed Serie Reactor
TCSC Tyhristor Controlled Series
Capacitors
TPSC Tyhristor Protected Series
Capacitors
•
•
•
•
•
MSC Mechanical Switched Capacitors
MSR Mechanical Switched Reactors
TSC Tyhristor Switched Capacitors
TCR Thyristor Controlled Reactors
SVC Static Var Compensation
(Combinación de ramas de TSCs y
•
STATCOM
reducen la Inductancia
Componentes Claves:
•
•
•
Capacitores
Descargadores
Spark Gaps
Capacitores soportan el voltaje con carga
pesada
Reactores en paralelo reducen los
sobrevoltajes con carga baja
• Capacitores maniobrados por
tiristores TSC
• Reactores controlados por tiristores
•
armónicos
Fig. 2 Soluciones más comunes
Los FACTS se dividen en dos categorías,
determinados por la forma en que están
conectados al sistema de potencia:
Compensación en Paralelo (que sigue
siendo el más común) y Compensación
Serie. La ecuación básica y los parámetros
que se afectan son:
Fig. 1 Ecuación básica de Flujo de Potencia
ìè
Compensación Paralela, componentes, tiempos de respuesta, número de maniobras, rangos:
Fig. 3 Comparación Soluciones Compensación en Paralelo
ײª»­¬·¹¿½·-²| Energía en Movimiento
SVC Classic, Tiristores, Convertidores con
Fuente de Corriente
visto como una reactancia aparente variable
(V/I = Zaparente) que varía en forma
inversamente proporcional con la corriente
y por lo tanto la potencia inductiva reactiva
en el TCR variará en forma proporcional
con la corriente pasante. En la aplicación
Fig. 4 Diagrama SVC Clásico
Las siguientes tareas son llevadas a cabo
por los SVCs
•
Control del Voltaje en estado
estacionario y dinámico
•
Control de Potencia Reactiva con
Cargas Dinámicas
•
Atenuación de Oscilaciones de
Potencia Activa (Se requiere estudios
del sistema)
•
Mejora de la estabilidad del sistema
Los SVC Classic constan de ramas de
Reactores controlados por Tiristores (TCR),
Capacitores maniobrados por Tiristores
y compensan la tensión local (por ej
en casos de inestabilidad de la tensión,
sobretensiones transitorias etc.) en forma
continua absorbiendo la potencia reactiva
inductiva de cero al máximo, dependiendo
de los requisitos y además reduciendo
oscilaciones en el sistema. Cada rama
reactancia conectada en serie con un par
de tiristores en conexión anti paralelo para
controlar la corriente alterna a través de
la reactancia. El conjunto reactor-tiristores
está conectado a una barra en la cual
será controlada la tensión o la potencia
reactiva. Ver Fig. 4. Un transformador de
acoplamiento posibilita la conexión del
TCR a las altas tensiones. De esta forma, la
tensión en los tiristores es relativamente
baja, sin embargo la potencia reactiva
suministrada puede ser de decenas o
centenas de MVARs. Debido a la presencia
de armónicos producidos por la maniobra
Se utiliza el método de control de fase para
disparar los tiristores. Los impulsos que
empiezan una conducción de los tiristores
deben aplicarse ciclo a ciclo en el gatillo
(gate) de los tiristores que componen
una válvula del compensador según un
determinado ángulo de retardo en relación
con la la tensión de referencia.
Fig. 6 Circuito monofásico y formas de onda en un TCR
En el caso ideal, en el que la resistencia del
reactor es nula, dada la simetría de la forma
de onda de corriente alrededor de ángulo
de 180 °, hay una relación entre el ángulo
dada por:
Por lo tanto,
Por otro lado, los TSCs (Condensador
conmutado por tiristores), en principio,
tiene como objetivo realizar las mismas
funciones del TCR, o sea compensar pero en
forma discreta los efectos de las variaciones
en la carga, corregir el factor de potencia
inductivo de las cargas conectadas. Cada
un conjunto de capacitores conectados en
serie con un par de tiristores en conexión
anti paralelo. Ver Fig.4. El conjunto
capacitores-tiristores está conectado a una
barra en la cual será controlada la tensión
o la potencia reactiva. Sin embargo, ya que
el condensador no admite ser sometido
a degradaciones de tensión debido a los
pasos de altas corrientes de pico (i= C
dv /dt), el TSC requiere la conmutación
instantánea de los tiristores y se elige de
modo que la tensión de red instantánea
está cerca de la tensión remanente del
capacitor. Por otra parte, en principio, la
extinción de la corriente en el capacitor se
produce cuando la tensión es máxima.
Esto es, el TSC es
conmutado on/off
cuando la tensión
en los terminales de
los tiristores pasa
por cero para evitar
transitorios debido
a la conmutación,
esto debido, a
las apariciones
de transitorios al
Fig. 7 Esquema TSC
encenderlos. Los TSCs
no se controlan de forma continua, sino
que siempre se encienden y apagan de
forma individual de acuerdo como sea
requerido por los sistemas.
si la conducción es continúa,
2
y la corriente del reactor es
sinusoidal y “ pura” inductiva.
si, la corriente es cero, debido a que el
ángulo de conducción va a cero (o
En el intervalo
pasivos con impedancia capacitiva a la
frecuencia fundamental para minimizar
sus efectos y garantizar también la
compensación de la potencia reactiva
a esa frecuencia. La Fig. 5b presenta la
forma de onda de corriente del reactor
Como se mencionó el TCR puede ser visto
como una reactancia aparente variable (V/I
= Zaparente).
2
0)
SVC Plus: (STATCOM) IGBT
(Transistores bipolares
con compuerta aislada),
Convertidores de Fuente de Voltaje
Funciones Principales:
, la conducción se vuelve
discontinua, lo que, para R = 0:
Está igualmente conectado en paralelo
con el sistema eléctrico a través de un
transformador de acoplamiento. Está
basado en un convertidor de fuente de
voltaje (VSC) y para cumplir su función
genera una tensión casi sinusoidal con
módulo y ángulo variables. La posición
relativa de esta tensión en modulo y
ángulo en relación con la del sistema
ìç
Û²»®¹3¿ »² Ó±ª·³·»²¬± ¤ ײª»­¬·¹¿½·-²
Control Rápido de Tensión y Potencia
Reactiva
Amortiguamiento de Oscilaciones de
proporcional al cuadrado del voltaje y como
consecuencia cuando el voltaje es bajo y es
cuando más el sistema los necesita, son los
Potencia
Cancelamiento de Armónicos
Control de Factor de Potencia
Balance de Cargas Asimétricas
Fig. 8 Diagrama STATCOM (SVC +)
de potencia permite obtener reactivos en
ambas direcciones. La corriente inyectada
por el STATCOM está en cuadratura con la
tensión del sistema. Así, el intercambio de
potencia ACTIVA es idealmente nulo.
De la curva característica V/I, se puede ver
que a diferencia del SVC la corriente reactiva
es atendida inclusive a tensiones menores.
Puede operar con una corriente plena de
compensación así como en condiciones de
bajos niveles de tensión del sistema.
Puede controlar la tensión en la faja
contínua ente V1 y V2, sin embargo si se
traspasa el nivel inferior de tensión de esta
faja de control, el STATCOM funciona como
una fuente de corriente constante, controlando así la tensión en el punto Vi.
Hay unidades capacitivas formadas por
varios elementos capacitivos dispuestos en
la potencia necesaria a la tensión de
operación determinada. Estas pueden
ser monofásicas o trifásicas y se pueden
conectar en estrella o en delta, con uno o
dos bujes las monofásica y tres o cuatro las
trifásicas cuando tienen neutro accesible. En
en capacitores con fusibles internos, fusibles
externos y sin fusibles.
MSC
Usados también para suministrar compensación reactiva y corregir el factor de potencia. Bancos de Capacitores en derivación
son relativamente económicos y pueden ser
fácilmente instalados en cualquier punto
de la red, mejoran la utilización de la red,
reduce perdidas y pospone inversiones en
transmisión. También controlan tensión,
corrigen el factor de potencia, elevan la
desventaja es que la potencia de salida es
Cada elemento capacitivo tiene un fusible
interno. El fusible es un simple alambre. En caso
de falla el fusible solo remueve el elemento
afectado. Los otros elementos conectados en el
grupo permanecen en servicio.
Ventajas:
• Permite continuar con operación
• Mínima variación de la capacitancia del banco
Desventajas:
• Fusible no es accesible n reemplazable
• Se aumenta stress para elementos que queda
en servicio
• Más cara que la solución fusible externo pero
más económico que la opción sin fusibles
Sin Fusible
a) Operación capacitiva b) Operación inductiva
Fig. 10 Tensiones y Corrientes de Intercambio de
Potencia Reactiva
El intercambio de potencia reactiva ocurre
I adelanta a U, efecto inductivo I atrasa a
U. Si la magnitud del la tensión generada
por el inverso es mayor que la del sistema,
el STATCOM suministra potencia reactiva
y la corriente es adelantada en relación
con la tensión. Si la magnitud es menor, el
STATCOM absorbe potencia reactiva y la corriente adelanta a la tensión. Si la tensión del
inversor y del sistema tiene la misma magnitud, el intercambio de potencia reactiva es
nulo.
Fusible Interno
a) Curva V/I - SVC Classic b) Curva V/ I - SVC Plus
Idéntico a la solución de fusible externo. La
protección está basada en los elementos
capacitivos (dentro de la unidad) fallado en modo
de corto, cortocircuitando el grupo. Cuando
un elemento falla, este se solda y la unidad
capacitiva permanece en servicio. Aplicación para
U > 34,5 kV.
Ventajas:
• Permite continuar con operación
• Fácil detección de la falla
• Descarga de energía pequeña debió a no
tener Unidades en Paralelo
• La protección de desbalance no debe ser
retrasada para coordinar con fusibles
(STATCOM)
Fig. 11 Curvas Características V/I
Es esencial predeterminar la función de los
MSC, si es solo para regular tensión en caso
de periodos de cargas pesadas o además
(simple, doble o múltiple) o para evitar
resonancias, ya que cambia drásticamente
las características del reactor a ser instalado
Desventaja:
•
En caso de falla se pierde la Unidad
completa
•
Sobredimensionamiento necesario para
garantizar la capacidad
Fusible Externo
Un fusible individual externamente montado
entre la Unidad Capacitiva y la barra del banco,
protegiendo cada unida capacitiva individual.
Ventajas:
• Detección de la falla fácilmente visible y fácil
acceso
• Fusible actúa solo después de que varios
Desventajas.
•
•
En caso de falla, se pierde una unidad
capacitiva completa
Altos costos de mantenimiento
Fig 12 Soluciones para MSCs
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ײª»­¬·¹¿½·-² | Energía en Movimiento
Los equipos basados en electrónica de
potencia destinados al control de los principales parámetros de sistemas eléctricos
ya comprobaron que son una opción viable
considerando el avance de la electrónica de
potencia.
Compensación Serie
Normalmente esto equipos desempeñan
más de una función principal en la red jusFig. 14 Posibles Localizaciones de FSCs
Ocupan áreas mucho menores que otras
soluciones.
Compensación Serie Fija
Consiste en la inserción de componentes
de potencia reactiva en las líneas de
transmisión de energía. Típicamente los
dispositivos de compensación de serie están
conectados directamente al alto potencial
de voltaje en plataformas aisladas.
los sistemas de potencia.
Actualmente existen FACTS operando a 500
kV y FSC a 765 kV.
Fig. 15 Diagrama típico de una fase
La aplicación más común: condensador en
En Colombia el SVC Plus de Bacata 500 kV
+/- 200 MVARs, primero en Colombia con
tecnología STATCOM (transistores, convertidor de fuente de voltaje), actualmente
en operación, logra regular desviaciones
milisegundos. Es un ejemplo de la versatilidad de estas soluciones.
•
•
•
•
•
•
Reducción de la reactancia de la línea
de transmisión
Reducción de las pérdidas y la caída de
tensión
Aumento de la capacidad de
transmisión
Mejorar la estabilidad del sistema
Disminución de necesidades de
equipos de control de tensión, tales
como capacitores en derivación ya que
la caída de tensión en la línea se reduce
Economía de costos comparado
con otras alternativas técnicamente
posibles como otras líneas de
transmisión
Se aplican desde hace más de 50 años.
Capacitores en serie presentan la
peculiaridad de ser en realidad un sistema
compuesto por otros equipos diversos
con la función exclusiva de proteger las
unidades capacitivas contra sobretensiones.
La necesidad de esta protección es por
razones económicas de las unidades
capacitivas, ya que la reactancia negativa
del capacitor puede causar el aparecimiento
de corrientes de cortocircuito muy elevadas,
superiores a las normalizadas y como
consecuencia sobretensiones a través de los
capacitores que impondrían necesidades de
aislamientos inviables.
Los tipos más usuales son usando varistores
de óxido metálico (descargadores)
solamente y el tipo adicionando
centelladores.
En próximas ediciones profundizaremos
en cada una de las soluciones expuestas
explicando los estudios e información previa
requerida para que puedan ser diseñados
apropiadamente.
Contacto:
henry.smit@siemens.com
Fig. 16 Vista 3D Plataforma típica FSC
Los varistores metálicos con resistencias
no lineales y tienen como característica
una alta no linealidad funcionando como
circuito abierto hasta tener la tensión de
conducción. Des pues de una falla próxima
al capacitor, con una sobretensión a través
de capacitor igual o superior al nivel de
disparo, el varistor pasa a conducir desviando la corriente del capacitor. Después de
eliminar la falla, el varistor para de conducir
y restablece la capacitancia para operación.
El varistor puede ser dimensionado para
disipar toda la energía de cualquier defecto
en el sistema, pero una gran economía se
puede hacer si se usan centelladores. En
este caso el centellador se dispara primero
y el interruptor de bypass es cerrado para
proteger el centellador.
Conclusiones
Con la revisión de las soluciones FACTs
así como la tecnología de convertidores y
semiconductores actualmente disponibles
se puede concluir que:
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