Curso de FACTS SVC

CURSO DE FACTSSVC - STATIC VAR COMPENSATOR

Lima Abril 2010

PROGRAMA DE CAPACITACION

QUE SON LOS FACTS?

Flexible AC Transmission Systems

Sistemas Flexibles de transmision de Corriente Alterna

Definición de la IEEE:

Sistemas de transmisión de corriente alterna que incorporan elementos de electrónica de potencia y otros controladores estáticos, para aumentar el control y aumentar capacidad de transferencia de potencia.

Compensaciones y comparación

Nivel de Cortot Circuito

Angulo fase de transmision

Estado estable Voltaje

Voltaje rechazo carga

Aplicacion

Estabilizacion De Voltaje

En carga alta

Estabilizacion De Voltaje

En carga ligera

Control rapido De voltaje

control de Potencia reactiva Amortiguamiento de oscilaciones de potencia

Casi sin cambio Poco aumentado

Poco disminuido

Controlado

Disminuido

Controlado

Limitado por control

Casi sin cambio

FUNCIONES PRINCIPALES DE UN SVC

CONTROL DEL ESTADO ESTABLE. CONTROL DINAMICO DEL VOLTAJE. CONTROL DE POTENCIA REACTIVA DE CARGAS DINAMICAS. AMORTIGUAMIENTO DE OSCILACIONES DE POTENCIA ACTIVA. MEJORAMIENTO DE LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA.

FACTS beneficios para el sistema de potencia resumen

FACTS hace del sistema de potencia más compacto desde el punto eléctrico porque:

Más potencia activa por las lineas existentes

Mejor regulación de voltaje y estabilidad angular, menos riesgo de blackout.

Menos perdidas de transmision mejor transmision de potecia económica.

Características principales del SVC

Prevenir colapso del voltaje en la red asociado con disturbios operacionales tales como perdida de lineas o generacion.

Prevenir sobrevoltajes en la red debido a perdidas de carga.

Detectar y amortiguar oscilaciones de potencia activa en la red.

El SVC habilita un incremento de la potencia activa transmitida sobre la red existente, haciendo de esta una alternativa superior que instalar nuevas lineas porque:

Disminuye costos de inversion. Menos tiempo de instalación. Menos impacto ambiental. Disminución de desconexion de potencia causada por

caidas de tensión provenientes de fuentes externas.

FACTS Conclusiones

FACTS proveerá operación económica de la red así como conveniente para el medio ambiente debido a:

Incremento de la capacidad de transmision de potencia sobre las lineas existentes.

Provee calidad de potencia habilitando cumplir con la regulación de redes.

Decrementa la perdidas de transmission en muchos casos provee operación económica de al red.

Provee estabilidad a la red en contingencias previene o limita la potencia de blackouts.

SVC Planeamiento y consideraciones de diseño

Planeamiento:Dimensionamiento, localización,rango dinámico y estrategias de control.

Diseño:Caracteristicas dinámicas, perdidas, caracteristicas armónicas,capacidad de sobrecarga, excursiones de frecuencia, consideraciones ambientales.

FACTS hacen espacio para transmitir más potencia en las líneas

Donde se instalan SVC & FSC?

Aplicación de SVC: Soporte de Voltaje en barra

Review Classic SVC

Theory of Static Var Compensation Reactive power influence on voltage

k·U = USVCU

XV1 V2SVC

V V1V2 V2

I(ind.)

ΔVΔV

I(cap.)

k=Lnet + LSVC

LSVCInductive:

k=1-w²LnetCSVC

1Capacitive:

Factor k is determined by SVC‘s entire behaviour as L or C (depending on TCR firing angle, filters and TSC switching) and grid inductance L.

SVC para amortiguamiento de oscilaciones de potencia

SVC para cargas monofásicas de tracción

SVC Configuraciones varias

Reactor controlado por tiristores (TCR)

3.7 TCR – Thyristor controlled reactor

TCRs are used to continuously regulate the inductive reactive power from zero to

the maximum, depending on the requirements.

a = 90°

a = 120°I120

Capacitor conmutado por tiristores (TSC)

TSC Principio de operación

Event #1152 at 17/02/2010 14:39:48.358BVrms Normal To High

Threshold crossed 4.763

Event Details/Waveforms

14:39:48.2017/02/2010Wednesday

14:39:48.25 14:39:48.30 14:39:48.35 14:39:48.40

ltsA V B V C V

A I B I C I

C re a ted with Dr a n Vie w 6 .8.1

TSC Sincronización con el voltaje de los condensadores

VCAP_12 = VLV_20 − VDV_10VCAP_23 = VLV_30 − VDV_20VCAP_31 = VLV_10 − VDV_30VVALVE_12 = VLV_10 − VDV_10VVALVE_23 = VLV_20 − VDV_20

VVALVE_31 = VLV_30 − VDV_30.

SVC Comparación de perdidas

120°90° 150° 180°0

Corrientes armónicas características de TCR

a = 90° I120

a = 120°

SVC Reducción de contenido armónico

SVC Control de potencia reactiva

80 100 120 140 160 180

firing angle

TSC ON

TSC OFF

Mvar QSVC with TSC ON

QSVC with TSC OFF

SVC Curva característica de operación

V/I Characteristic

Transformer continuous power rating

Ind. RangeCap. Range

Minimumoperatingvoltage

0.5 VBase= 400 kVIBase = 100 MVA

Continuous OperationRestricted Operation

Inductivedesign point

Capacitivedesign point

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 IHV [pu]

SVC Chinu 2TCR+2TSC

System voltage with/without SVC

U2/U2N

(a) (b) (c) (d)

without compensator

with compensator

(a) Full load(b) off-peak load

(c) Failure of line section (full load)(d) Load rejection at line end

Fundamental operation modes

Fast voltage control mode (automatic

mode) Slow reactive power controller Stability controller (hunting detection)

Gain controller (automatic gain

adjustment) Degraded modes – auto reclose function

Control features

Standard:

POD (Power Oscillation Damping) External device control

Options:

Fast voltage control mode 10% Slope

Voltage

SVC Slope (10%)

InductiveCapacitive

Operating Voltage

Open Circuit Voltage (source voltage)

Reference Voltage System Load Line

Reactive power

Adjustable @ HMI

Without SVC

With SVC

Fast voltage control mode with slope

Slope X

B_TSCB_TCR

Susceptancecalculation for

LV-side +

B_filter

Switchover between Automatic and manual mode

SVCrefregulated

QslopeVV

Actual system voltage is not controlled exactly to the reference value !

DV = VREF – VACT – VSL

Fast voltage control – step response

Step response

Example

Voltage Maximum overshoot

Settlingtime

Response time

SVCVref

Slow reactive power controller

Major benefits:

• Operate the SVC with low losses in steady state

• Operate the SVC at a point with dynamic reserve

Principle of operation:

• Artificially offset the voltage reference• Operate at Qref in steady-state• Stop, if VQmax or VQmin are exceeded• Rate of change: 1 MVar/second

Add to Vref

VQ max

VQ min

-10% if Q > QSVC ref

+10% if Q < QSVC ref

Initial condition Event Operation ofvoltage

controller

Operation ofQ-controller

1 SVC operates at point a)QSVC = Qref = 12 MVAr

voltage drop of approx. 1.5%

fast regulation of Vact along line a - bQSVC = 40 MVAr

slow regulation of QSVC along line b - cQSVC = Qref = 12 MVAr

120 100 8 0 6 0 4 0 2 0 0 - 20 - 40 - 60

SystemLoad L ines

QM VA r

Vo ltage C ontro lC haracteris tic

Reactive power controller – Case 1

Initial condition Event Operation ofvoltage controller

2 SVC operates at point a)QSVC = Qref = 12 MVAr

voltage drop of approx. 3.8%

fast regulation of Vact along line a - dQSVC = 85 MVAr

slow regulation of QSVC along line d - eQSVC = 30 MVArVact drops below the lower voltage limit

120 100 8 0 6 0 4 0 2 0 0 - 20 - 40 - 60

SystemLoad L ines

QM VA r

Vo ltage C o ntro lC haracteris tic

Initial condition

Event Operation ofvoltage

controller

3 SVC operates at point e)QSVC = 30 MVAr

switching of external shunt capacitor with voltage lift of approx. 1.7%

fast regulation of Vact along line e - fQSVC = 0 MVAr

slow regulation of QSVC along line f - gQSVC = Qref = 12 MVAr

120 100 8 0 6 0 4 0 2 0 0 - 20 - 40 - 60

SystemLoad L ines

QM VA r

Vo ltage C ontro lC haracteris tic

Testdirectioncap/ind

Measurementtime coord.

Vactmeasurement

measurement

Gaincalc.

Optimized Gain

QStart

gaintest

(added to output of PI controller,

controller blocked for app. 250ms)

(input of PI-controller)

General:- A small Δ Vact/Qsvc measurement indicates a high short circuit level and therefore requires a higher gain and vice versa.

- A higher slope requires a lower gain and vice versa.

QSCL SVC

SCL (rule of thumb):

Automatic gain adjustment

Influence of gain - Example

Gain too low

Gain too high

first measurement second measurement third measurement

Automatic gain adjustment - Example

Fault and Reduction of SCL

ss s ss

Stability controller - Example

Degraded modes and auto reclosure

Benefit:• Increases availability• Step control for outage of

TCRs or filters

Auto reclosure:

• Fault in TSC 1 e.g.• Trip HV breakers• Open TSC 1

disconnector• Reset lock-out• Reclose HV breakers

SN = 200 MVA, uk = 15 %

STF 1TCR 1

3 AC 50 Hz 18.1kV

V1 VR1

L2DTFC2DTF

3 AC 50 Hz 380 kV

SVC - Protection zones

TSC TCR

Power transformer

Filter

SVC busbar

HV busbar

SVC - Typical protection functions

TCR Filter

50/51N

50/ 51

49 , 59

F0150/51 87T/87BB

87N50/51

50/5146

50/5187/49

F04F03

F12 F22

50/5187/49

50/5146

F23F31

HV Busbar

Detección de falla a tierra en lado secundario (Delta)

SVC de 12 pulsos

SVC Amortiguamiento de potencia

SVC Configuracion con TCR & TSC

SVC CAÑO LIMON 34,5KV

SVC CHINU 500KV

SVC SOCABAYA 220KV

Componentes principales del SVC

SVC overview

LVLV bus bar

Fixed filter circuit

Thyristor controlledreactor

Thyristor switchedcapacitor

Control

Step-down transformer

COMPONENTES DEL PATIO DEL SVC

BARRAJES SECCIONADORES MOTORIZADOS DE MV:

ESTOS SON UTILIZADOS PARA CONECTAR Y DESCONECTAR LAS DIFERENTES RAMAS DEL SVC.

CUCHILLAS DE PUESTA A TIERRA. REACTORES:

LOS REACTORES UTILZADOS EN UN SVC, SE ENCUENTRAN EN EL TCR, TSC Y FILTROS, ESTOS POR LO GENERAL SON ENFRIADOS POR AIRE, DEBIDO A QUE SU FUNCION SERA LA DE ABSORBER ENERGIA Y DISIPARLA EN FORMA DE CALOR. POR LO GENERAL EN EL TCR ESTOS SON DE MANERA COMPUESTA (DOS BOBINAS = 1 REACTOR).

CAPACITORES:

SON CAPACITORES CONSTRUCTIVAMENTE IGUALES A LOS ENCONTRADOS EN CAULQUIER BANCO DE CAPACITORES, ESTOS CAPACITORES SON UTILIZADOS EN EL SVC EN LOS SIGUIENTES EQUIPOS, TCR, TSC Y FILTROS, ADEMAS DE EXISTIR PEQUEÑOS CAPACITORES DE ALTA FRECUENCIA EN EL BARRAJE DE MV.

COMPONENTES DEL PATIO DEL SVC

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y DE VOLTAJE:

ESTOS TRANSFORMADORES SON LOS ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION, SE ENCUENTRAN DISEMINADOS EN VARIAS PARTES DEL SVC, TALES COMO: BARRAJE DE MV, RAMALES DEL SVC, ENTRADA DE LOS STACK DE TIRISTORES. LOS VALORES MEDIDOS SON ENVIADOS A LOS SISTEMAS DE PROTECCION Y DE CONTROL, DE MANERA TAL, QUE ESTOS POSEEN NUCLEOS PARA PROTECCION Y NUCLEOS PARA MEDICION.

VALVULAS DE TIRISTORES SISTEMA DE ENFRIAMIENTO SISTEMA DE CONTROL DE PLANTA SISTEMA DE CONTROL DE REGULACION SISTEMA DE PROTECCION SERVICIOS AUXILIARES BANCOS DE BATERIAS GRUPO ELECTROGENO

EL TRANSFORMADOR DE ACOPLE

EL TRANSFORMADOR EN UN SVC ES USADO PARA ACOPLAR EL VOLTAJE DE LINEA AL VOLTAJE DEL BARRAJE DEL SVC, DE ESTA MANERA SE LOGRA UN VALOR QUE RESULTA MAS ECONOMICO PARA LOS ELEMENTOS Y EQUIPOS QUE COMPONEN EL SVC.

A CONTINUACION SE DESCRIBE UN EJEMPLO DE VALORES DE PLACA DE UN TRANSFORMADOR DE ACOPLE DE UN SVC:

CARACTERISITICAS BASICAS:

POTENCIA DEL BANCO: 300MVA

VOLTAJE PRIMARIO: 500KV

VOLTAJE SECUNDARIO: 18,3 KV

GRUPO VECTOR: Yd5

VALOR DE IMPEDANCIA DE CORTO CIRCUITO NOMINAL: 12%

SVC Implementación del sistema de control MACH2

SVC CONTROL MATCH2,I/O RACK,VCU,OWS,GWS

Socabaya Overview

Valvula de Tiristores

Valvula de tiristores SVC Caño Limón

Componentes de la Válvula

Sistema de enfriamiento válvula de tiristores

FILTROS AC

TCR generate harmonics. A.C. filter circuits are required to absorb the harmonic currents to such an

extent that the residual currents which flow into the network do not cause any unacceptable voltage distortions or telephone interference.

The filter circuits and capacitor banks on the A.C. side of an SVC station have essentially two functions: Providing reactive power for compensation of the reactive power required

by the converters. Absorption of the harmonic currents caused by the TCR Valve. This

prevents the harmonic currents from flowing into the A.C. network causing undesired distortion of the system voltage. Furthermore telephone interference caused by harmonic currents in ac overhead lines can be avoided.

Sizing of AC filter circuits and capacitor banks with respect to reactive power is done prior to the AC filter design.

TIPOS DE FILTROS

La Reactancia de Dispersión del transformador es:

Area equivalente Impedancia Red

¿Cuales son las corrientes armónicas generadas por el TCR en diferentes condiciones de operación?¿Cuales son las impedancias del sistema a diferentes frecuencias considerando la configuración del sistema y diferentes niveles de potencia de cortocircuito, carga y compensación?¿Qué valores de distorsión especificados deben observarse?¿Qué cantidad de armónicas ambientales deben sumarse para dimensionar los componentes?

SVC Basado en VSC

Genera potencia reactiva capacitiva e inductiva.

La forma de onda de tensión de salida es similar a una onda senosoidal, luego los requerimientos de filtros es mínimo.

Basado en IGBT. Utiliza modulación en PWM luego tiene una alta velocidad de conmutación.

Ocupa menos espacio debido a la menor cantidad de componentes primarios.

Configuracion SVC PLUS

Modules1...N

SVC PLUS 1

Simplified grid source

SVC PLUStransformer

SVC PLUS 2-4

MSC/MSR

SVC PLUS container

Valvesub-module

-V01AB

-V02AB

-V03AB

-V04AB

-VnnAB

-V06AB

-V05AB

each valve sub-module with 4 IGBTs and one floating DC capacitor (no separate thyristors for bypass)

Conditions Valve Sub-Module

Each valve sub-module has altogether 4 conditions:

1) loading of DC capacitor via diodes and charging resistors (undrawn) during on-sequence or converter blocking (w/o charging resistor)

2) +VC to X1 and –VC to X2

3) -VC to X1 and +VC to X2

4) possible bypass of DC capacitor after 3) using one IGBT and one diode

Diagrama Unifilar del SVC Plus

Transformer Vector Group e.g. YNd5, YNd11

8...24kV

HV = XXXkVN

=K0-T5_R

8..20 kV / Ö3 110 V / Ö3

8..20 kV / Ö3

110 V / 3

=T0-T11_A

=T0-T11_B

=T0-T11_C

POWERTRANSFORMER

UNIT 1 UNIT 2 UNIT 3 UNIT 4

-L1BC7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0B???A

-R1BC???ohm

-Q2BC???A

(max. 24)

-V01BC

-V02BC

-VnnBC

2000/1A5P20; 10VA

-L1AB7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0A???A

-R1AB???ohm

-Q2AB???A

(max. 24)

-V01AB

-V02AB

-VnnAB

2000/1A5P20; 10VA

-L1CA7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0C???A

-R1CA???ohm

-Q2CA???A

(max. 24)

-V01CA

-V02CA

-VnnCA

2000/1A5P20; 10VA

-L1.7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0.???A

(max. 24)

-V01..

-V02..

-Vnn..

2000/1A5P20; 10VA

-L1.7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0.???A

(max. 24)

-V01..

-V02..

-Vnn..

2000/1A5P20; 10VA

-C1..-C1..

-L1.7mH

2000A/2,5V0,2; 10V

3000/1A5P20; 10VA

-Q0.???A

(max. 24)

-V01..

-V02..

-Vnn..

2000/1A5P20; 10VA

Multilevel converter

1. Better approximation to reference sinusoidal voltage

2. Lower generation of harmonics and noise

3. Less filters necessary in comparison to 2-/3-level approach

Determination of SVC PLUS reactive power using principle of superposition

1. Assumption of perfectly generated converter voltage (superposition only allowed for linear elements)

2. Capacitive or inductive power of SVC PLUS depending on magnitude of grid voltage and generated converter voltage

Simplification of PLUS Converter to Voltage Source 1

SVC : Voltage directly at converter terminals of phase L1-L2

1.070 1.080 1.090 1.100 1.110 ... ... ...

Uconv_12

Simplification of PLUS Converter to Voltage Source 2

Simplified grid source

Simplified converter as ideal source

Simplified transformer and SVC PLUS reactor

Capacitive power!

E dUII

Inductive power!

Grid voltage U and generated converter voltage E in phase Capacitive or inductive SVC PLUS current depending on voltage difference dU Vector of dU and reactor‘s phase-shift cause SVC PLUS inductive or capacitive power

From superposition: IN = U / X and IE = E / X -> I = (U – E) / X [IN and IE incl. SQR(3)]

Reactive power calculation: Q = U * I = U * (U – E) / X = U² * [(1 – E / U) / X]

The SVC PLUS has a linear performance and can also produce nominal current at HV undervoltage; Q_SVC ~ U with I = const. or nominal.

SVC Light basado en VSC

If U2>U1 el VSC actuará como generador de potencia reactiva (Capacitivo).

U2<U1 el VSC actuará absorviendo potencia reactiva (Inductivo)

Charging and Discharging of DC Capacitor

Ideal sourceas converter: U

Capacitive power!

E dUII

Inductive power!

Charging and discharging of DC capacitor (example: SVC PLUS at capacitive operating point)

EdU I I_Q

(not drawn to scale; Q_SVC >> P_SVC)

DC capacitor (dis-)charging by controlled phase-shift between grid voltage U and generated converter voltage E

Target: constant DC capacitor voltage Balancing of DC voltages by means of forced zero-sequence voltage in requested

converter voltage for SVC PLUS delta

SVC Light versus SVC

El SVC con el TCR y el banco de condensadores fijo tiene un rango de potencia de 0 a 60MVAR.Otra opción es SVC Light basado en VSC (Voltage source converter).Para obtener el mismo rango de control dinámico de potencia (0 a 60MVAR) solo se requiere un banco fijo 30MVAR y un SVC Light +-30MVAR. Esto es debido a que el SVC Light tiene la posibilidad de generar y/o absorver potencia reactiva.Esta doble capacidad significa que el SVC Light requiere justo la mitad de condensadores fijos para obtener el mismo rango de potencia.

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