Convertidor Multinivel Tipo Condensadores Flotantes como compensador estático (STATCOM) de potencia reactiva Mario A. González, Fernando Salinas, Miguel F. Escalante Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica, A.P. 36-F, Ciudad Universitaria CP 66450, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México ([email protected]) --([email protected]) --([email protected])

La compensación de potencia reactiva usando un convertidor estático conectado en paralelo con la línea, conocido como STATCOM, es uno de los medios de compensación de reactivos avanzado más conocido, el cual está basado en un inversor trifásico de tensión (VSC) [2]-[4]. Los convertidores de dos niveles han sido usados extensivamente para implementar este tipo de compensadores. Para aplicaciones de alta tensión se utiliza un transformador para alcanzar el nivel de tensión deseado. En algunos casos, la manera de alcanzar mayores niveles de potencia, es mediante la asociación en serie y paralelo de los dispositivos semiconductores de potencia que forman en VSC, o mediante acoplamientos magnéticos (usando transformadores) de varios convertidores. Estas técnicas resultan complejas y poco eficientes. Alternativamente, los compensadores pueden implementarse usando las topologías de convertidores multinivel recientemente introducidas [5]-[8]. Existen 3 topologías principales de convertidores multinivel. Estas son: 1) Neutro fijo por diodos o NPC [5] (Neutral Point Clamped por sus siglas en ingles). 2) Con condensadores flotantes [6] y 3) de puentes H en cascada [7]. Además, existen otras estructuras multinivel como: a) celdas generalizadas multinivel, b) celdas asimétricas hibridas multinivel, c) convertidores multinivel de conmutación suave, entre otros [8]. Cada una de las topologías multinivel tienen diferentes estructuras y características pero todas ellas sintetizan la forma de onda de la tensión de salida en niveles discretos de tensión, además de permitir trabajar con niveles de tensión elevados usando semiconductores de potencia de baja tensión. Así, sus características permiten mejorar la calidad de la forma de onda sintetizada y lograr trabajar con mayores niveles de potencia. Para la síntesis de la forma de onda de salida existen dos enfoques dominantes: métodos que conmutan a la frecuencia fundamental y métodos que conmutan a mayores frecuencias. Los métodos que usan altas frecuencias están basados en estrategias de modulación por ancho de pulsos (PWM). La estrategia PWM puede ser de tipo sinusoidal [9] o basada en vectores espaciales [10]-[11]. Por otra parte, las diferencias topológicas exigen que cada topología sea acompañada de una estrategia de control que permita mantener las variables internas de las estructuras (generalmente tensiones de condensadores) para que éstas puedan funcionar correctamente. Las características de los convertidores multinivel ofrecen la posibilidad de mejorar el desempeño de los compensadores estáticos usados en las redes eléctricas. Varios trabajos han sido dedicados a su estudio en tales aplicaciones [12]-[14].

Resumen: Se presenta un convertidor de tipo multinivel para compensar la potencia reactiva de un sistema eléctrico. El sistema propuesto incluye los lazos de control de corriente del inversor, el control de la tensión del condensador principal del lado de corriente directa (dc) del compensador, así como una estrategia de control para las tensiones de los condensadores internos de la estructura multinivel. Además, la modulación de la forma de onda multinivel se realiza mediante una estrategia de modulación vectorial multinivel, la cual facilita la implementación mediante procesadores digitales, y a la vez facilita la regulación de las corrientes en un marco de referencia síncrono. El sistema propuesto es validado mediante simulaciones numéricas. Palabras clave―Convertidor multinivel tipo condensadores flotantes (FCMLI), compensador estático (STATCOM)

I Introducción Los sistemas eléctricos en corriente alterna están asociados a flujos de potencia activa y potencia reactiva. La característica reactiva predominante en las redes de transmisión y distribución propicia que los cambios de carga y del factor de potencia ocasionen variaciones en el perfil de tensión de las líneas de transmisión, pudiendo ocasionar grandes variaciones de la tensión en el nodo de recepción. Muchas cargas son intolerantes a las bajas o altas tensiones, pudiendo ocasionar fallas del equipo. Además, los flujos de potencia reactiva incrementan las pérdidas en las líneas de transmisión y sobrecargan los equipos del sistema. Además, los cambios rápidos de potencia reactiva ocasionados por conmutación de líneas, fallas, corte de carga y otros disturbios, pueden cambiar repentinamente la demanda de potencia activa, pueden ocasionar oscilaciones del sistema eléctrico, perdida de sincronismo o una falla total del sistema. La compensación de potencia reactiva ha sido una constante desde el inicio de los sistemas eléctricos en corriente alterna. El uso de bancos de condensadores y reactores se usan para mantener el perfil de tensión de líneas de transmisión y distribución en un intento de minimizar las fluctuaciones de tensión ocasionadas por los cambios cotidianos en la demanda de energía eléctrica. Para el control de los cambios rápidos de la demanda de reactivos se requiere de medios de compensación con una dinámica rápida que pueda asegurar la estabilidad del sistema ante ese tipo de fenómenos. Uno de los desarrollos tecnológicos recientes para la compensación de redes eléctricas es el uso de compensadores basados en convertidores estáticos [1].

1

vswk = ( vck − vc ( k −1) ) ⋅ sck

En este trabajo se presenta un compensador de potencia reactiva (STATCOM) basado en un inversor trifásico de tipo condensadores flotantes. Se incluye una estrategia de control para la tensión de los condensadores flotantes de la estructura [15], además de un controlador para las corrientes inyectadas y para la tensión del condensador principal. La modulación de las formas de onda de salida se realiza usando una estrategia de modulación vectorial multinivel basada en [11]. Los resultados obtenidos por simulación demuestran las ventajas del uso del inversor multinivel, además de validar la estrategia de control de la tensión de los condensadores.

vsw ' k = ( vck − vc ( k −1) ) ⋅ sck

(3)

La corriente que fluye a través del k-esimo condensador esta definida por:

ick = ( sck − sck +1 ) ⋅ ich

(4)

Esta corriente fluyendo a través de los condensadores produce un cambio en las tensiones de los condensadores, dado por:

ΔVck =

II. Estructura del convertidor multinivel tipo condensadores flotantes

1 Ck

∫

t2

t1

ick ⋅ dt

(5)

Donde: ΔVck : Cambio de tensión en el condensador k, [V]

La estructura del convertidor multinivel tipo condensadores flotantes se basa en la asociación de n-celdas de conmutación, tal como se ilustra en la Fig. 1. Los interruptores (elementos semiconductores de potencia con control al apagado y al encendido) que forman una célula de conmutación se controlan de manera complementaria, dando como resultado que se obtengan 2n estados de conmutación, A partir de estos estados se obtienen (n+1) niveles de tensión, por lo que hay niveles de tensión que pueden obtenerse con diferentes estados de conmutación; a esta propiedad se le conoce como redundancia de estados.

Ck : Valor del condensador k, [F] ick : Corriente a través del condensador k, [A] t1 ,t 2 : Intervalo de tiempo de un estado de conmutación, [s] Las ecuaciones (1)-(5) definen las características, requerimientos y comportamiento dinámico de la estructura multinivel de tipo condensadores flotantes.

III. Configuración de Sistema En la Fig. 2, se muestra un diagrama a bloques del sistema eléctrico considerado. El sistema esta compuesto por los siguientes bloques: 1) Generador, 2) Red Eléctrica, 3) Carga, 4) Transformador de acoplamiento, 5) Sensor de la tensión de la red, 6) Sensor de corriente de carga, 7) Punto de acoplamiento común, PCC (punto de conexión del compensador), 8) Sensor de corriente del inversor, 9) Inversor multinivel tipo CF y selector de estados, 10) Obtención de fase del vector de tensión de la red (marco de referencia giratorio), 11) Transformación de coordenadas abc/dqo, para corrientes del inversor, 12) Transformación de coordenadas abc/dqo, para corrientes de la carga, 13) Control de corriente del inversor y 14) Modulación PWM multinivel de tipo vectorial.

Fig. 1. Estructura del convertidor multinivel tipo condensadores flotantes de cuatro celdas (5 niveles). El adecuado funcionamiento de esta estructura se obtiene si la tensión del k-esimo condensador, vck(t), cumple con:

vck (t ) =

k E (t ) n

(1)

Donde: k posición del condensador en la estructura n numero de celdas E Tensión cd de alimentación Definiendo una función de conmutación binaria,

sck ∈ [0,1] ,

la cual representa el estado de conmutación (on/off) del la kesima celda, la salida de tensión está dada por: n

vo = ∑ ( vck − vc ( k −1) ) ⋅ sck

Fig. 2. Sistema eléctrico con compensador en paralelo

(2)

k =1

Donde:

La inyección de reactivos se logra conectando el inversor multinivel en paralelo con la red a través de un transformador de acoplamiento. El inversor multinivel se compone de 3 brazos de 5 niveles, como el mostrado en la Fig. 1, y donde la fuente de alimentación será asegurada por un condensador.

vco = 0

La tensión en terminales de los interruptores esta definida por:

2

Consiste de una memoria EPROM donde se almacenan las tablas con los estados de conmutación del convertidor (4 bits con el estado para cada una de las 4 celdas que componen el brazo de convertidor: S1, S2, S3 y S4). Además se cuenta con dos circuitos de tipo Latch (74LS374) a la entrada y salida de las tablas, para permitir la estabilidad de los datos de entrada y salida. El estado de conmutación aplicado al convertidor es actualizado a cada cambio de nivel. Esta estrategia ha sido validada experimentalmente en un brazo de 5 niveles.

IV. Estrategia de control de tensión en condensadores del convertidor (FCMLC) El inversor multinivel debe ser visto como una fuente de niveles de tensión discretos, independientemente de la aplicación. Para ello, se debe de asegurar que las tensiones de los condensadores flotantes cumplan con (1). A partir de (5), se sabe que para una evolución nula de la tensión de los condensadores se requiere que la corriente que circula por estos sea igualmente nula. Esto se puede lograr en un sentido de valores promedio. La redundancia que presentan los convertidores multinivel de tipo condensadores flotantes permite implementar estrategias para el balance de la tensión de los condensadores. En la Tabla 1 se muestran los estados de conmutación correspondientes a cada nivel y su efecto en la tensión de los condensadores. Tabla 1. Estados de conmutación para un convertidor de 5 niveles de tipo condensadores flotantes. PWM Nivel 0 1

2

S4

Señales de S3 S2 S1

0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1

0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1

0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0

0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0

0

1

1

1

3

1 1 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

4

1

1

1

1

Estado Vc 1 0 * 1 1 2 0 4 * 8 * 3 * 5 1 6 0 9 1 10 0 12 * 7 * 11 * 13 1 14 0 15 *

i = 1 ENT Vc 2 Vc 3 * * 1 0 * 1 0 * * 1 0 * 1 0 * *

* * * 1 0 * 1 1 0 0 * 1 0 * * *

Vc 1 * 0 1 * * * 0 1 0 1 * * * 0 1 *

i = 0, SAL Vc 2 Vc 3 * * 0 1 * 0 1 * * 0 1 * 0 1 * *

* * * 0 1 * 0 0 1 1 * 0 1 * * *

Fig. 3. Diagrama esquemático de la generación de las señales de control mediante la selección de estados redundantes.

V. Modelado del sistema En la Fig. 4 se muestra el diagrama equivalente del inversor acoplado a la red eléctrica. La representación utiliza una notación con fasores espaciales. El transformador de acoplamiento se representa por la resistencia y la inductancia de corto circuito RC y LC, respectivamente. La tensión Us es la tensión de salida del inversor, aplicada en el lado secundario

Si Vck > Vrefk entonces Vck=0 (modo de carga); si Vck