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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

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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.

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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

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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

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Compensación Paralela, componentes, tiempos de respuesta, número de maniobras, rangos:

Fig. 3 Comparación Soluciones Compensación en Paralelo

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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,

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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).

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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

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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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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.

• • • • •

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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: [email protected] 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: ëï