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Calidad de Corriente Eléctrica
En Español
Albert Nubiola Andreas Sumper
Oriol Gomis CITCEA , UPC - 2008
Sistemas de Transmisión en Corriente Alterna Flexible
(FACTS)
Artículo – Calidad de Corriente Eléctrica
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Calidad de Corriente Eléctrica
INDICE
1 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN AC FLEXIBLE (FACTS) ... 3
2 DISPOSITIVOS PARALELO ............................................... 5 2.1 SVC.............................................................................................................................. 5 2.2 STATCOM.................................................................................................................... 6
3 DISPOSITIVOS SERIE ........................................................ 7 3.1 TCSC ........................................................................................................................... 7 3.2 SSSC ........................................................................................................................... 8
4 DISPOSITIVOS SERIE Y PARALELO ................................ 9 4.1 CONTROLADOR DE FLUJO DE POTENCIA DINÁMICO (DFC) ................................................. 9 4.2 CONTROLADOR DE FLUJO DE POTENCIA DINÁMICO UNIFICADO (UPFC).............................. 9 4.3 CONTROLADOR DE FLUJO DE POTENCIA INTERLINEADO (IPFC) ....................................... 11 4.4 CONTROLADOR DE FLUJO DE POTENCIA UNIFICADO GENERALIZADO (GUPFC)................. 11
5 DISPOSITIVOS BACK-TO-BACK..................................... 13
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1 Sistemas de Transmisión AC Flexible (FACTS)
Los Sistemas de Transmisión AC Flexible (llamados FACTS) tienen un gran rango de aplicaciones gracias a su buena controlabilidad mediante sistemas electrónicos de potencia. Los conceptos de estos dispositivos son discutidos en el presente artículo.
Los FACTS son utilizados para reducir costes y mejorar las líneas de distribución y trasporte de energía eléctrica, además de tener una gran flexibilidad para adaptarse a diferentes condiciones de trabajo.
Las aplicaciones básicas de los dispositivos FACTS son:
o Control de flujo de potencia
o Incremento de la capacidad de transmisión
o Control de voltaje
o Compensación de energía reactiva
o Mejoras de estabilidad
o Mejoras de calidad de potencia
o Condicionamiento de potencia
o Mitigación de flicker
o Interconexión de generación renovable y distribuida
Para adaptar un FACTS se tienen que tener en cuenta las necesidades y beneficios para justificar la inversión en un nuevo dispositivo. Si se desea hacer una aplicación para transmisión de energía activa, idealmente tiene que usarse hasta los límites térmicos del dispositivo. Con el crecimiento de las distancias de líneas de distribución, los FACTS adquieren cada vez más importancia para introducir mejoras en el sistema de distribución.
La electrónica de potencia permite respuestas de tiempo muy rápidas, que hace que sean preferibles a la compensación en paralelo, compensación en serie o control por cambio de fase.
La Fig. 1 muestra una clasificación básica de los dispositivos, divididos entre los convencionales y los FACTS.
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Fig. 1 Clasificación básica de los dispositivos de control de flujo de potencia
Los dispositivos convencionales actúan de forma fija o por cambios mecánicos de resistencias, inductancias o condensadores. Suelen tener pocas pérdidas debido a su baja frecuencia de cambio.
Los dispositivos FACTS usan tecnologías más avanzadas, proporcionada por los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) o los IGCT (Insulated Gate Commutated Thyristors). Gracias a su elevada frecuencia de cambio permiten generar pocos harmónicos, aunque a más frecuencia las pérdidas por conmutación aumentan. La clasificación está hecha según su modo de conexión a la red (serie o paralelo).
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2 Dispositivos Paralelo
Los dispositivos de conexión paralelo son principalmente para la compensación de reactiva y control de voltaje. El más usado es el SVC, con 90.000 MVA instalados mundialmente des de principios de 19701. Le sigue el STATCOM con 1.200 MVA1 que presenta un rápido crecimiento en su campo de aplicación. Las posibles aplicaciones de estos dispositivos son: reducción de flujos de potencia reactiva indeseados, manutención del intercambio de energía contratada con energía reactiva equilibrada, compensación de los consumidores y mejora de la calidad de potencia especialmente en situaciones de alta demanda, compensación de los convertidores de tiristores (por ejemplo en líneas HVDC convencionales) y mejora de la estabilidad estática o transitoria.
2.1 SVC
Un SVC (Static Var Compensator) es un tipo de compensador estático que puede presentar diseños muy diversos con elementos controlables similares. Las principales aplicaciones de estos dispositivos son:
o Aumento de la capacidad de transferencia de energía y reducción de las variaciones de tensión (estabilización de la tensión dinámica)
o Aumento de la estabilidad en régimen transitorio y mejor amortiguación del sistema de transmisión de energía eléctrica (mejora de la estabilidad sincrónica).
o Equilibrio dinámico de la carga
o Soporte de la tensión en régimen permanente
Los tipos de SVC más conocidos son: TCR (Reactancia Controlada por Tiristores), TSC (Condensador Conmutado por Tiristores), TSR (Reactancia Conmutada por Tiristores) y MSC (Condensador Conmutado Mecánicamente). En ciertas ocasiones se suelen usar combinaciones de más de un tipo de los citados.
En el caso del TSC, hay un condensador conectado a un tiristor bidireccional que permite desconectar el condensador para un número entero de semiciclos de la tensión. Se puede colocar una reactancia para limitar la corriente en condiciones anormales y para ajustar el circuito a la frecuencia deseada. El conjunto se conecta en paralelo a la red.
Se suelen colocar en tres tipos de áreas: centros de carga importantes, subestaciones críticas y en puntos de alimentación de grandes cargas.
1 Según el libro: Flexible AC Transmission Systems, Modelling and Control, X.-P.Zhang · C.Rehtanz · B.Pal, Springer
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Fig. 2 Tipos de Static Var Compensators
2.2 STATCOM
Su nombre proviene de STATic COMpensator, es un compensador estático sincrónico, no tiene inercia y esto hace que tenga una dinámica mejor, menor inversión y menores costes de mantenimiento. Sus principales aplicaciones son:
o Aumento de la transmisión de energía y menores variaciones de tensión (estabilización de la tensión dinámica)
o Mejor estabilidad en régimen transitorio, mejor amortiguamiento del sistema de transmisión, amortiguamiento de SSR (mejora de la estabilidad sincrónica)
o Equilibrio dinámico de carga
o Mejora de la calidad de la energía
o Soporte de tensión en régimen permanente
Un STATCOM está compuesto de un condensador en el lado de continua y de tiristores con capacidad de desconectarse, como los GTO, IGCT o IGBT, que pueden actuar a elevadas frecuencias (Fig. 3). Suele llevar un transformador de acoplamiento. Es posible controlar la tensión del convertidor, por lo tanto, también la energía reactiva. Las válvulas de este convertidor se abren y cierran siguiendo impulsos de tipo PWM, de modo que se puede conectar cualquiera de las tres fases a uno de los dos bornes del condensador. La secuencia de conmutación suele seguir el sistema SVPWM (Space Vector Modulation) ya que se generan menos harmónicos.
Fig. 3 Esquema de un STATCOM
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3 Dispositivos Serie
Los dispositivos de conexión serie también compensan reactiva además de permitir un flujo de potencia estable gracias a las impedancias. Suelen estar protegidos con un puente de tiristores. La potencia total instalada a nivel mundial se estima en unos 350.000 MVA2. Las posibles aplicaciones de los dispositivos serie son: la reducción de la caída de tensión (y ángulo) a lo largo de una línea, la reducción de fluctuaciones de voltaje a través de limites definidos durante los cambios de transmisiones de energía, la mejora de la respuesta dinámica del sistema, la limitación de cortocircuitos en redes o subestaciones y evita el flujo de carga en bucle en una red mallada.
3.1 TCSC
Un TCSC (Tyristor Controlled Series Capacitor) es un condensador en serie controlado por tiristores, puede comprender de varias reactancias en paralelo controladas, lo que hace posible un control uniforme de la reactancia capacitiva. Sus aplicaciones principales son:
o Eliminación de problemas dinámicos en sistemas de transmisión
o Amortiguación de oscilaciones electromecánicas
o Reducción de la resonancia subsincrónica
Un compensador en serie fijo comprende de un condensador en paralelo con un varistor de oxido metálico (MOV) para evitar sobretensiones que podrían dañar al condensador. Un TCSC comprende además, en paralelo, de un inductor cuya intensidad se puede controlar mediante válvulas (Fig. 4). El inductor no suele tener núcleo magnético.
Un efecto secundario de la aplicación de un TCSC es la resonancia subsincrónica (SSR, SubSincronous Resonance). La batería de condensadores de cada fase se monta en una plataforma aislándola de tierra. Las válvulas están comprendidas de tiristores de gran potencia.
Fig. 4 Esquema de un TCSC
2 Según el libro: Flexible AC Transmission Systems, Modelling and Control, X.-P.Zhang · C.Rehtanz · B.Pal, Springer
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3.2 SSSC
Un SSSC (Static Syncronous Series Compensator) es un compensador en serie sincrónico estático. Su configuración es muy parecida al STATCOM pero usa una fuente de energía adicional (como una batería) en paralelo con el condensador para mantener la tensión constante en él.
El SSSC puede funcionar como si fuera un condensador en serie controlable, este dispositivo permite:
o Control dinámico del flujo de energía
o Mejora de la estabilidad de la tensión y del ángulo
Si se quiere mantener la tensión constante, las bajadas de tensión se pueden reducir restringiendo el tiempo de duración de este efecto a la energía en el condensador y la fuente de energía adicional. Este tipo de configuración para este propósito se llama Restaurador Dinámico de Voltaje (DVR, Dynamic Voltage Restorer, Fig. 5)
Este dispositivo requiere de un sistema de protección (como un puente de tiristores) en el caso de que circulen altas intensidades de fallo. En la mayoría de veces se utiliza un transformador para adaptar niveles de tensión y corriente, lo que empeora el rendimiento ya que se colocan reactancias adicionales. Esto podrá ser evitado en el futuro con una mejora de los SSSC.
Fig. 5 Esquema de un DVR
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4 Dispositivos serie y paralelo
Con el crecimiento del consumo de energía y las redes la capacidad del flujo de potencia de las líneas adquiere cada vez más importancia, así como sus pérdidas de energía. Por lo tanto, los dispositivos que controlan el flujo de potencia ganan cada vez más en importancia.
4.1 Controlador de flujo de potencia dinámico (DFC)
El DFC (Dynamic Flow Controller) es un nuevo dispositivo en el área del control de flujo de potencia. Es un híbrido formado por un transformador de desplazamiento de fase (PST, Phase Shifting Transformer) y por compensación de cambios en serie.
Este dispositivo contiene un PST, un TSC/TSR y, opcionalmente, un condensador en paralelo mecánicamente activado. Este condensador amplia las prestaciones de compensación de reactiva y proporciona soporte de tensión en caso de sobrecarga y otras condiciones.
La intensidad que circula por las impedancias colocadas en serie se puede modificar mediante válvulas. Los cambios de las conexiones de válvulas se hace por medio de señales binarias y en el instante en que el corriente es cero para minimizar los armónicos generados.
Fig. 6 Esquema de un DFC
4.2 Controlador de flujo de potencia dinámico unificado (UPFC)
Este dispositivo es el más versátil dentro de los FACTS que permiten un control de potencia. Fue diseñado para un control en tiempo real y una compensación dinámica de los sistemas de transmisión. Un UPFC es una combinación, generalmente, de un STATCOM y un SSSC acoplados mediante un bus de continua. Este dispositivo permite un flujo bidireccional de potencia activa y control de potencia reactiva, ambos limitados por la capacidad del convertidor.
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El bus de continua, que tiene un condensador, permite adaptar diferentes niveles de potencia reactiva, pero la potencia activa debe ser la misma en los dos extremos, en caso de no ser así, se debe inyectar un suplemento de energía en el bus de continua mediante una fuente externa.
La configuración usual de un UPFC consiste en conectar un transformador en paralelo con la red por un lado de una fuente de convertidores de voltaje (VSC) y otro en serie por el otro conjunto de VSC.
Fig. 7 Esquema de un UPFC
Si se observa la Figura 8, se puede entender que la capacidad de operación de un UPFC depende de la capacidad del convertidor.
El convertidor del lado del transformador en paralelo puede ser un simple SSSC que se encargue de mantener la tensión del condensador constante mediante un flujo de potencia activa, mientras que el convertidor del lado del transformador en serie puede ser un STATCOM que permita controlar dentro de unos márgenes la caída de tensión Vs.
Fig. 8 Zona de operación de un UPFC
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4.3 Controlador de flujo de potencia interlineado (IPFC)
El IPFC (Fig. 9) es un dispositivo muy parecido al UPFC con la diferencia principal que su conexión es, en ambos lados, mediante un transformador en serie con la red. Con este dispositivo se intenta compensar la potencia reactiva de un número de líneas de transmisión en una subestación dada.
Se pueden usar compensadores capacitivos en serie para aumentar la cantidad de energía reactiva que puede ser transmitida, pero entonces pierden la capacidad de controlar el flujo de potencia reactiva que entra en el dispositivo.
Además, con un IPFC es posible: equilibrar el flujo de activa y reactiva entre líneas, reducir la sobrecarga de las líneas mediante transmisión de potencia activa, compensar las caídas de tensión resistivas a la potencia reactiva que se requiere y incrementar la efectividad del conjunto a las perturbaciones dinámicas.
Fig. 9 Esquema de un IPFC
4.4 Controlador de flujo de potencia unificado generalizado (GUPFC)
Los GUPFC (Fig. 10) combinan tres o más convertidores VSC interconectados con un mismo bus de continua y conectados a la red mediante transformadores serie y paralelo. Las mejoras introducidas son similares al IPFC, permitiendo un control de energía reactiva en cada conjunto VSC + Condensador y un flujo unificado de energía activa entre las líneas a las que está conectado.
Se podría entender un GUPFC como varios UPFC compartiendo un mismo bus de continua de modo que sean necesarios menos convertidores SSSC.
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Fig. 10 Esquema de un GUPFC
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5 Dispositivos back-to-back
Este dispositivo permite un control total de flujo de potencia ya que toda la energía activa circula a través de él.
Los sistemas Back-to-Back convencionales están formados por Tiristores como Triacs (solo se pueden desconectar cuando la intensidad pasa por cero) y esto no permite la regulación de energía reactiva compensada, teniéndose que hacer a parte. La gran ventaja de los Tiristores es que permiten alcanzar altas transmisiones de energía activa y tienen menos perdidas ya que su frecuencia de conmutación es baja (está relacionada con la frecuencia de la red).
Los sistemas Back-to-Back con convertidores de fuente de tensión (VSC, Voltage Soure Converters) están formados por Tiristores con capacidad de desconexión como los IGBT, lo que sí permite la regulación de potencia reactiva (además de la activa). Estos Tiristores conmutan a frecuencias, generalmente, muy superiores a la de la red, a más frecuencia de conmutación se insertan menos armónicos pero incrementan las perdidas. Como inconveniente, la cantidad de energía activa que permiten transmitir es menor que en el caso de los Tiristores. Esta última configuración equivale a dos STATCOM unidos mediante el bus de continua.
Fig. 11 Esquemas de dispositivos Back-to-Back
Para tener una orientación, de los primeros (sin VSC) hay unos 14.000 MVA3 instalados mundialmente, mientras que de los segundos (con VSC) solo hay 900 MVA1. Ambos se suelen hacer en líneas HVDC (High Voltage Direct Current) ya que a alta tensión las pérdidas son mínimas.
3 Según el libro Flexible AC Transmission Systems, Modelling and Control, X.-P.Zhang · C.Rehtanz · B.Pal, Springer
