El impresionante paisaje de dunas de Namibia es un factor clave en el auge del turismo y una valiosa
fuente de ingresos para el país. Otro pilar básico, aún más importante, de la economía de Namibia es la
industria minera, naturalmente ávida de energía. Para satisfacer la creciente demanda de energía de
estos dos sectores y garantizar un suministro fiable de energía a todo el país, NamPower, compañía
eléctrica pública, ha instalado un nuevo sistema de transmisión de 400 kV en c.a. que enlaza su red con
la de la sudafricana Eskom. Los problemas de estabilidad de tensión, agravados por la nueva línea, se
han visto resueltos instalando un compensador estático de reactiva de ABB.
Factor
Rolf Grünbaum, Mikael Halonen, Staffan Rudin
de potencia
Un compensador estático de reactiva de ABB estabiliza la tensión de la red eléctrica de Namibia
L
a construcción de la nueva línea ha conferido fiabilidad al suministro de energía del país, pero también ha traído consigo problemas específicos. Por ejemplo, la propia longitud de la línea, 890 km, agrava determinados problemas (principalmente la inestabilidad de la tensión y una resonancia cercana a los 50 Hz) que ya existían en la red de NamPower.Para resolver estos problemas se ha ins-talado un compensador estático de reac-tiva (SVC) con un rango de 250 MVAr inductivos a 80 MVAr capacitivos. El pro-yecto llave en mano fue concluido con la satisfactoria puesta en servicio del SVC en la subestación de 400 kV Auas de NamPower, sólo 18 meses después de la firma del contrato.
Una nueva red de 400 kV
En Namibia, el consumo de energía eléc-trica se concentra en Windhoek y en las regiones del norte, donde está estableci-da la mayor parte de la industria minera y de extracción. Hasta hace poco, la red de NamPower tenía estructura radial y gran parte de la energía procedía de la central hidroeléctrica de Ruacana, en el norte, a través de un circuito de trans-misión de 520 km y 330 kV, enlazado a su vez con la red de Eskom, en el sur,
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por medio de una interconexión a 400 kV de 890 km de longitud. Con frecuencia la carga sobre la red alcanzaba los límites de estabilidad en períodos de baja carga, cuando no se recibía suministro de Ruacana. El sistema tiene la particularidad de disponer de líneas largas de 220 kV y 330 kV, y de
que las cargas son bajas en comparación con las fuentes de generación; estos dos rasgos agravaron todavía más los proble-mas de estabilidad en condiciones de baja carga.
Para resolver estos problemas, la com-pañía nacional decidió construir una red de 400 kV, cuya fase final (una inter-Compensador estático de potencia reactiva de Auas
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Esquema de la red NamPower
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1, 2 Sistema existente, con 4 generadores y sin generadores 3, 4 Nuevo sistema, con 4 generadores y sin generadores
5, 6 Durante la energización a 400 kV, con 4 generadores y sin generadores
Características de frecuencia/impedancia del sistema (a) y resonancia del sistema cercana a los 50 Hz (b) 3 1000 800 600 400 200 0 Ohms 0 50 100 f (Hz) 1 5 6 2 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 f (Hz) 1 2 3 4 Ohms a b
conexión de 400 kV entre Auas y Koker-boom ) concluyó en 2000. Esta línea, con un único circuito de 400 kV, refuerza el sistema de transmisión de NamPower al conectarlo con el sistema de Eskom, en el sur del país. Sin embargo, con sus 890 km de longitud es una línea dema-siado larga, de hecho, una de las más largas de ese tipo en el mundo. Esta gran longitud y la estructura en árbol de la red, a lo que hay que añadir la genera-ción remota y la gran longitud de las líneas radiales de Alta Tensión, da como resultado una capacitancia de carga muy elevada. En consecuencia, la frecuencia existente de resonancia en paralelo se aproxima más a 50 Hz y la red se hace más sensible a las variaciones de tensión durante los transitorios del sistema, por ejemplo cuando se energiza la línea de 400 kV o durante el periodo de restable-cimiento tras despejar una falta en la línea. Cada uno de estos fenómenos se traduce en una sobretensión extremada-mente alta y prolongada.
Resonancia y sobretensiones
La primera frecuencia de resonancia na-tural en paralelo de la red de NamPower se sitúa bastante por debajo de 100 Hz, concretamente entre 55 y 70 Hz (curvas
1 y 2 en ).3
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El efecto de añadir el nuevo tramo de línea de 400 kV (Aries-Kokerboom-Auas) y sus 4 reactancias, de 100 MVAr cada una, en derivación (en los extremos de la línea) ha sido desplazar la primera resonancia del sistema hasta una banda de frecuencias de entre 60 y 75 Hz (cur-vas 3 y 4). (La reducción de la impedan-cia del sistema a 50 Hz, debida a la nueva línea de 400 kV, muestra cómo ha sido reforzado el sistema).
Las curvas 5 y 6 de la figura represen-tan la impedancia de la red vista desde las barras de 400 kV de la S/E Auas en el instante en que la línea de 400 kV se energiza desde el tramo norte (desde Auas) y antes del cierre del interruptor del lado de Kokerboom.
El efecto de la resonancia en el sistema de NamPower puede ilustrarse mejor simulando lo que sucede en la subesta-ción Auas, representado por la curva 6. El estado de la tensión se muestra en , donde el interruptor de línea de Auas se cierra para t = 1,0 s, y se considera que el interruptor de Kokerboom está sincronizado en t = 1,2 s. Dada la gran capacitancia de carga de la línea, la tensión desciende en primer lugar pero más tarde se sobreeleva.
Las elevadas sobretensiones que apare-cen en Auas, con un valor pico superior a 1,7 pu y una sobretensión transitoria (TOV) mantenida superior a 1,5 pu, ates-tiguan la gravedad del problema. Está claro que, bajo determinadas condicio-nes de generación y carga del sistema, con la aparición de la resonancia de 50 Hz surgen sobretensiones dinámicas muy altas con elevadas constantes de tiempo.
Los estudios previos preveían la apari-ción de sobretensiones que harían inma-nejable el sistema de NamPower, a no ser que se aplicaran rápidamente medi-das de forma eficaz y fiable. Para resol-ver el problema de la resonancia se con-sideraron varias soluciones con reactan-cias fijas y conmutadas antes de decidir la instalación de un dispositivo FACTS en la subestación Auas. La decisión final recayó en la probada tecnología de los SVC convencionales [1].
Características de la tecnología SVC
El compensador estático (SVC) de Auas tiene un rango dinámico de 330 MVAr
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(de 250 MVAr inductivos a 80 MVAr ca-pacitivos) y ha sido instalado principal-mente para controlar la tensión del siste-ma, especialmente las sobretensiones extremas esperables (hasta 1,7 pu), dado que el valor de la frecuencia de resonan-cia está próximo a 50 Hz. Una caracterís-tica particular del proyecto es que el SVC está instalado en un sistema con líneas de gran longitud, escasa generación a nivel local y niveles de falta (potencia de cortocircuito) inferiores a 300 MVA. El SVC instalado es de un nuevo tipo, desarrollado por ABB para aplicaciones de potencia. Su particular principio de control ha sido patentado. La potencia inductiva de 250 MVAr la proporcionan tres reactancias controladas por tiristores (TCR) con una cuarta TCR permanente-mente bajo tensión y en stand-by . Dos filtros idénticos y de doble sintonía, de 40 MVAr cada uno, se ocupan de los armónicos y suministran potencia reacti-va (capacitireacti-va), operando en régimen permanente.
El SVC de Auas ha de tener una alta dis-ponibilidad. Si por alguna razón tuviera que interrumpirse su funcionamiento, el sistema de transmisión de 400 kV no podría utilizarse sin riesgo de peligrosas sobretensiones. Por eso se especificó una cifra de disponibilidad del 99,7%, que
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Las curvas azul, verde y roja representan las diferentes fases.
Energización de la línea Auas-Kokerboom de 400 kV desde el tramo norte, sin SVC.
4 600 400 200 0 -200 -400 -600 V (kv) 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 t (s) X Subestación Auas, de 400 kV 400 kV / 15 kV Transformador SVC (ahorro) 15 kV TCR1 TCR2 TCR3 TCR4 Filtro1 Filtro2 (ahorro) Alimenta-ción auxiliar Esquema unifilar del SVC de Auas
influyó considerablemente en el diseño técnico, calidad, funcionalidad y disposi-ción de los componentes y subsistemas, así como en el conjunto del esquema del SVC.
Rango de funcionamiento
El SVC de Auas proporciona control de resonancia en todo su rango de funcio-namiento , mucho más amplio que su rango continuo. El funcionamiento controlado es posible en toda la gama hasta una tensión primaria de 1,5 pu, una característica necesaria para con-trolar las condiciones de resonancia. Además de este control de resonancia, el SVC controla la tensión de secuencia positiva o directa (control de tensión simétrica) en el punto de conexión. Transformadores monofásicos En el sistema se han instalado cuatro transformadores monofásicos, uno de ellos de reserva. Dadas las elevadas sobretensiones que han de soportar
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durante la resonancia, estos transforma-dores se han diseñado con menor densi-dad de flujo que las unidensi-dades estándar; estos transformadores deberán ser los últimos del sistema NamPower en llegar a la saturación.
Válvula y reactancia TCR
Cada uno de los ramales TCR consta de dos reactancias de núcleo de aire conec-tadas a cada lado de una válvula de tiris-tores. Las reactancias tienen superficies externas especiales que las protegen de las extremas condiciones medioambien-tales de la zona, esto es, de las tormentas de arena y del sol del desierto.
Se adoptó una tensión secundaria de 15 kV como valor óptimo de diseño, tanto para el conjunto de tiristores como para las barras. Las válvulas de tiristores constan de pilas monofásicas formadas por tiristores en conexión antiparalela (16 tiristores, 2 de ellos redundantes, en cada válvula). Los circuitos ‘snubber’ (condensadores y resistencias conectados en serie) limitan las sobretensiones durante la desactivación del sistema. Los tiristores se disparan eléctricamente con energía tomada directamente del circuito snubber de amortiguación.
Un dispositivo de protección contra las sobretensiones limita la tensión que puede aparecer a través de la válvula; el dispositivo es activado por las unidades de control, que detectan la tensión ins-tantánea en cada capa de tiristores. Ramal TCR redundante
Se han instalado tres unidades TCR de 110 MVAr para abordar la sensibilidad de la red de NamPower a la potencia reacti-va y a las inyecciones de corrientes armónicas. Existe asimismo una cuarta reactancia TCR, idéntica, siempre en reserva y lista para entrar en servicio Características V/I, con los posibles puntos de funcionamiento del SVC en régimen
continuo y transitorio 6 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 V ( pu ) -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.2 2.5 3.0 3.5 4.0
Capacitive I (pu) Inductive
El área coloreada representa el funcionamiento continuo del SVC. Por encima de esta zona, el SVC puede operar hasta una tensión de 1,2 pu durante 3 s, hasta 1,3 pu durante 400 ms y hasta 1,5 pu durante 300 ms.
3 s
400 ms 300 ms
inmediatamente. Cada 30 horas el siste-ma de control del SVC conmuta auto-máticamente la unidad TCR de reserva para asegurar un reparto uniforme de las horas de funcionamiento entre las cuatro reactancias TCR.
Sistema redundante de refrigeración Una característica particular del SVC de Auas es que cada válvula TCR dispone de su propio sistema de refrigeración, existiendo, por tanto, cuatro sistemas. De este modo se minimizan los tiempos de avería y se aumenta la disponibilidad. Para la eventualidad de fallo de la ener-gía auxiliar en las frías noches del desier-to se utiliza como anticongelante una solución de agua y glicol.
Ramales de filtrado
Los MVAr capacitivos necesarios los proporcionan dos baterías de filtros de 40 MVAr, cada uno de los filtros con doble sintonización a los armónicos 3º y 5º y conectado con neutro aislado. Se optó por este diseño de doble sintoniza-ción para garantizar un filtrado suficiente incluso en caso de fallo de uno de los filtros.
Comportamiento en caso de corte del suministro
Dado que el SVC es esencial para el fun-cionamiento del sistema de NamPower, debe hacerse lo posible para evitar la apertura del interruptor del SVC, incluso en el caso de un cero en la red. En tal caso, la red podría ser energizada desde el lado de Eskom y el SVC tendría que estar inmediatamente preparado para controlar un posible estado de resonan-cia. Para esta tarea, el SVC dispone de tres alimentaciones auxiliares indepen-dientes, una de las cuales está alimen-tada directamente por la barra secunda-ria del SVC. El SVC puede funcionar en modo stand-by durante varias horas sin potencia auxiliar, estando activo su controlador MACH2, y pasa automática-mente al modo de control de resonancia en cuanto vuelve la tensión primaria.
El caso más desfavorable: energización de norte a sur
El escenario más desfavorable para el SVC y para el sistema de NamPower se Simulación digital en tiempo real. Línea de 400 kV energizada desde el norte, con y
sin el nuevo controlador de resonancia
7 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 Voltage / 400 kV (pu) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t (s) a) 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 Br efDI ( pu ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t (s) b) 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 Br efAdd ( pu ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t (s) c) a Respuesta de tensión, 400 kV b Salida del controlador SVC c Efecto del controlador de resonancia
Rojo Controlador PI convencional Azul Controlador de resonancia
Rolf Grünbaum Mikael Halonen Staffan Rudin ABB Utilities AB SE-721 64 Västerås Suecia Fax: +46 21 18 31 43 [email protected] Bibliografía
[1] R. Grünbaum, M. Noroozian, B. Thorvaldsson: : FACTS, poderosos sistemas para una transmisión flexible de potencia. Revista ABB, 5/1999. la tensión de cresta en Auas se reduce a
1,32 pu.
También se ha realizado un ensayo de campo de esta situación extrema. Com-parando los resultados de la simulación y del test de comportamiento del sistema se ve una correspondencia excelente entre ellos, lo que pone de manifiesto las posibilidades de mejora del nuevo controlador de resonancia para este tipo de condiciones.
Test de fallos por etapas
Tras la puesta en servicio de la subesta-ción Auas se comprobaron varias funcio-nes de control del SVC y el esquema de protección de interconexión, provocando para ello una falta fase-tierra. La figura muestra el comportamiento del SVC. Los
8 Comportamiento del SVC. Resultados de una falta fase-tierra en la subestación Auas
8 1.2 1.0 0.8 0.6 pu 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 1 0 -1 -2 pu 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 BrefDI 1 0 -1 -2 pu 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 t(s) BrefADD
a Respuesta de tensión, 400 kV b Salida del controlador SVC c Efecto del controlador de resonancia
resultados llevan a la conclusión de que el SVC controla la tensión y que el controlador de resonancia lleva al SVC a ser totalmente inductivo cuando se dan las condiciones de resonancia. La falta, que se inicia en el instante t = 4,9 s, se despeja abriendo la fase defectuosa en la línea Auas-Kokerboom. Transcurridos 1,2 s se inicia un reenganche monofási-co, comenzando por el interruptor de Kokerboom. En Auas la sobretensión se reduce a 1,14 pu.
Compartir más fácilmente la energía eléctrica a través de las fronteras
La instalación del sistema SVC de ABB ha terminado con los problemas de reso-nancia que venía sufriendo la red de Namibia. Ahora, las compañías eléctricas del Sur de África pueden integrarse y compartir su energía con más facilidad. Así se satisfará sin problemas la creciente demanda de energía de la región, el motor que le permitirá alcanzar sus objetivos económicos.
da cuando la línea de 400 kV se energiza desde el tramo norte (subestación de Auas). Esta condición del sistema, en que se inicia la resonancia crítica de 50 Hz, ha sido estudiada con un simula-dor digital en tiempo real, con y sin el nuevo controlador de resonancia. Según se muestra en , la sobretensión que aparece en Auas con un controlador PI convencional es de 1,62 pu. (Las dos frecuencias de resonancia, 56 y 81 Hz, que aparecen en los resultados corres-ponden, respectivamente, al primer y segundo polo del sistema). El nuevo controlador de resonancia influye consi-derablemente en el comportamiento del sistema, y la contribución adicional del controlador de tensión hace que el SVC pase a ser inductivo. El resultado es que
