i alguna vez ha sido necesario un proyecto de prestigio para demostrar las credenciales de FACTS en lo que se refiere a la mejora de las redes de transmi- sión y distribución, ninguno mejor que los condensadores en serie de 500 kV para Dafang, destinados a asegurar el suministro
de electricidad de Beijing, el enlace ferro- viario a través del Túnel del Canal de la Mancha o el Paso del Águila, que une Esta- dos Unidos y México, o Cada uno a su manera, estos proyectos evidencian por qué los FACTS despiertan tanto interés en el sec- tor de la electricidad.
Dafang: condensadores en serie para asegurar el suministro en la región de Beijing
La demanda de energía de la zona cubierta por North China Power Network, región de la capital Beijing en la que viven 140 millo- nes de personas, está creciendo de forma El sector del suministro de energía esta evolucionando rápidamente por causa de la desregula- ción y privatización. Durante años, las inversiones en la red de transmisión de muchos mercados no han sido suficientes y esto ha centrado finalmente la atención en el aumento de utilización de las líneas de transmisión existentes, en la cooperación multidisciplinar y en el problema de la calidad de la energía. La consecuencia es el gran interés actual por soluciones, tanto nuevas como clásicas.
Precisamente se trata de las soluciones FACTS (Flexible AC Transmission Systems), entre ellas SVC, SVC Light®, TCSC y otras. Estas soluciones, que se benefician de los importantes avances técnicos de la última década, hoy son las soluciones más actuales para muchas y varia- das necesidades. Una aplicación típica consistiría en aumentar la capacidad de cualquier línea de transmisión, pero en este artículo nos limitaremos a describir varios casos especiales y el modo en que se han afrontado los requerimientos específicos de los mismos.
S
constante pero no es fácil instalar una nueva central. Una alternativa interesante consiste en instalar condensadores de com- pensación en serie en el corredor de trans- misión existente. ABB, a la que se encarga- ron estos trabajos, ha instalado reciente- mente dos condensadores en serie (ambos con valores nominales 372 MVAr y 500 kV) en el centro de cada línea de un corredor de 300 km con circuitos gemelos, que une Datong y Fangshan . Los equipos entra- ron en funcionamiento en junio de 2001, apenas nueve meses después de la firma del contrato.
Un condensador en serie actúa redu- ciendo la reactancia de transferencia de la línea hasta la frecuencia de la red (50 Hz) y alimentando al mismo tiempo potencia reactiva al circuito. Esto trae consigo varias ventajas:
n Mayor estabilidad angular. Para hacer posible la transmisión siempre debe haber cierta diferencia entre los ángulos de fase
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de tensión en cualquiera de los extremos de la línea. Esta aumenta con la potencia y el condensador en serie mantiene la diferencia angular entre límites seguros, es decir, ase- gura que la diferencia angular no aumenta tanto como para poner en peligro la estabi- lidad angular.
n Más estabilidad de la tensión en el corredor.
n Reparto optimizado de la potencia entre los circuitos paralelos. Sin los condensado- res en serie, la línea con menor capacidad de transmisión se saturaría en primer lugar y no se podría introducir más potencia en el sistema, a pesar de la reserva de capaci- dad de la otra línea. Los condensadores en serie redistribuyen la potencia entre las línea y mejoran la utilización del sistema.
Los condensadores en serie están plena- mente integrados en el sistema de potencia, beneficiándose de la capacidad de control, de protección y de supervisión de este.
Están totalmente aislados a tierra.
Los dispositivos principales de protec- ción utilizados son varistores de ZnO e inte- rruptores automáticos. Los primeros, desti- nados a limitar la tensión en el condensa- dor, están complementados por un descar- gador de disparo forzado para dominar el exceso de corriente durante una secuencia de fallo. Los interruptores automáticos conectan y desconectan los condensadores en serie cuando es necesario. También son necesarios para extinguir el descargador, que no es de autoextinción.
Los condensadores han sido dimensio- nados no solo para el funcionamiento bajo condiciones estables de la red, sino también para la eventualidad de perturbaciones gra- ves en el sistema, como es la pérdida de una de las dos líneas paralelas de 500 kV.
En este caso, el condensador de la línea que sigue en servicio ha de ser capaz de dominar durante cierto tiempo la plena carga de ambas líneas. De hecho, esta ha sido una de las razones para instalar en primer lugar los condensadores en serie:
para garantizar la seguridad de la transmi- sión de electricidad a la región de Beijing incluso en caso de caída de una línea.
Enlace recíproco en el Paso del Águila (BtB Light)
La tecnología SVC Light1)ha resuelto con éxito los problemas de calidad de la energía en varios proyectos realizados por ABB.
Basada en una plataforma común de con- vertidores VSC, la tecnología SVC Light tam- bién aporta soluciones a las aplicaciones de acondicionamiento de la energía eléctrica en los sistemas de transmisión. El enlace del
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Condensadores en serie de 500 kV en Dafang 1
1)SVC Light es el nombre de producto de un compensador estático síncrono de ABB, basado en IGBT.
A este respecto, lo más importante es el hecho de que la instalación de capacidad de transmisión de potencia activa, utilizan- do HVDC Light a lo largo de una cierta distancia o en configuración recíproca, soporta simultáneamente la transmisión de potencia activa bidireccional y la potencia reactiva dinámica. Por lo tanto, se dispone sin problemas de un robusto soporte para la tensión conjuntamente con la transmisión de potencia en estado estacionario.
La subestación del Paso del Águila (ope- rada por AEP, American Electric Power), situada en una zona remota de Texas cerca- na a la frontera con México, está conectada al sistema de transmisión de Texas por dos líneas de transmisión de 138 kV. La central de generación más cercana de cierta impor- tancia (150 MW) está situada a 145 km, de modo que proporciona un escaso soporte de tensión a la zona del Paso del Águila.
El Paso del Águila también dispone de una línea de transmisión de 138 kV que une la subestación de Piedras Negras (operada por CFE, Comisión Federal Eléctrica) en el lado mexicano. Esta es utilizada principal- mente en casos de emergencia para transfe- rir cargas entre sistemas eléctricos, aunque dicha transferencia implica la interrupción de la corriente eléctrica, ya que los sistemas de CFE y de AEP son asíncronos (a pesar de tener ambos una frecuencia de 60 Hz).
Se ha buscado una solución mejor para superar esta desventaja y además resolver los problemas resultantes del aumento de la demanda.
proporcionaría unos años de respiro. La ins- talación de un VSC es ideal en el caso de sistemas débiles, ya que el soporte reactivo alternativo, proporcionado por condensado- res en paralelo, disminuye rápidamente cuando se reduce la tensión. Ampliando este escenario, dos VSC conectados de forma recíproca (BtB) no sólo suministra- rían la potencia reactiva necesaria sino que también permitirían transferir potencia acti- va entre los dos sistemas eléctricos. Un esquema recíproco permitiría mantener per- manentemente activada la línea de 138 kV que une el Paso del Águila y Piedras Negras y además transferir instantáneamente potencia activa desde cualquiera de los sis- temas.
La capacidad de controlar dinámicamen- te, y al mismo tiempo, tanto la potencia activa como la potencia reactiva no tiene precedentes antes de la existencia de las interconexiones recíprocas basadas en con- vertidores VSC, ya que esta característica es inherente a los mismos.
impulso (PWM) para controlar los puentes basados en IGBT. Además, la modulación PWM permite controlar sin restricciones tanto las tensiones de secuencia positiva como las tensiones de secuencia negativa.
Esto garantiza un funcionamiento fiable del enlace recíproco (BtB) incluso si los siste- mas de corriente alterna conectados están desequilibrados. Además, el enlace puede activar, alimentar y proporcionar soporte a una carga aislada. En el caso del Paso del Águila esto hará posible el suministro inin- terrumpido de energía eléctrica para las car- gas locales, aunque se hayan disparado las conexiones a una de las redes colindantes.
Ambos lados del enlace pueden ser activa- dos también desde el otro lado de la fronte- ra sin necesidad de realizar conmutaciones que pueden provocar la interrupción del suministro a los consumidores.
La instalación de enlace recíproco
En la figura se muestra un diagrama monofilar simplificado del enlace recíproco del Paso del Águila.
El esquema recíproco (BtB) consta de dos VSC de 36 MVA acoplados a un bus común de condensadores de corriente con- tinua. Los VSC son del tipo NPC (punto neutro fijo), también conocidos con el nom- bre de convertidores de tres niveles. Cada uno de los VSC está conectado a un conjun- to trifásico de reactancias de fase, cada una de las cuales está conectada a un transfor- mador elevador de tensión convencional situado en el lado correspondiente del enla-
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Eagle Pass
VSC VSC
Piedras Negras Diagrama monofilar del enlace recíproco del Paso del Águila
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ce recíproco. En la figura se muestra la disposición de la instalación BtB.
Modos de funcionamiento del enlace BtB
Los dos VSC del enlace recíproco (BtB) pueden ser configurados para una gran variedad de funciones. En el Paso del Águila, las principales configuraciones ope- rativas del enlace recíproco son las siguien- tes:
n Control de la tensión n Control de la potencia activa n Funcionamiento independiente de los
dos VSC
n Funcionamiento del enlace recíproco en caso de imprevistos
Control de la tensión
En este modo, tanto el sistema de AEP como el de CFE tienen capacidad para con- trolar independientemente la tensión. El enlace recíproco proporciona en ambos lados la potencia reactiva requerida para mantener una tensión prefijada. Se puede
3 transferir potencia activa desde cualquiera de los lados manteniendo constante al mismo tiempo la tensión del sistema en ambos lados. Si es necesario, toda transfe- rencia prevista de potencia activa es reduci- da automática e instantáneamente por el sistema de control para suministrar la potencia reactiva necesaria para mantener la tensión en un valor constante.
Control de potencia activa
En este modo es posible transferir potencia activa entre el sistema de AEP y el sistema de CFE. La transferencia de potencia es posible cuando la tensión está dentro de una banda inactiva. Si la tensión está fuera de ella, el enlace recíproco cambia automá- ticamente al modo de control de tensión.
A continuación, el enlace recíproco reduce, automática e instantáneamente, el flujo de potencia activa para suministrar la potencia reactiva necesaria. La banda inactiva ha sido diseñada de forma que la conmutación de los condensadores locales o los cambios de la generación remota, que producen ligeras
oscilaciones de la tensión, no provoque que el enlace recíproco cambie al modo de con- trol de tensión.
Funcionamiento independiente de los dos VSC
Si fuera necesario realizar operaciones de mantenimiento en uno de los lados del enlace recíproco (BtB), el otro lado seguirá siendo capaz de controlar la tensión a ambos lados del enlace. Esto se lleva a cabo abriendo el bus de corriente continua con el fin de dividirlo en dos mitades.
Cuando el enlace de corriente continua está abierto, no puede transferirse potencia acti- va entre los dos lados del enlace recíproco.
Cada VSC será entonces capaz de suminis- trar al otro lado hasta ±36 MVAr de poten- cia reactiva.
Funcionamiento del enlace recíproco en caso de imprevistos Si se pierde una de las líneas de 138 kV en la subestación del Paso del Águila, la línea de 138 kV restante puede soportar solo
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Enlace recíproco BtB del Paso del Águila Primer plano: equipos a 138 kV y filtros de armóni- cos. Plano medio: construc- ciones modulares para aloja- miento de los convertidores, sistemas de control y equi- pos auxiliares. Al fondo:
torres de refrigeración para los convertidores IGBT refri- gerados por agua.
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carga de 50 MW en la subestación (carga de AEP más exportación a CFE). El enlace recí- proco suministra la potencia reactiva nece- saria para mantener una tensión de 1 pu.
Estudios del flujo de cargas han demostrado que un imprevisto en la línea de transmi- sión del lado de AEP afectará poco a la transferencia de energía eléctrica de CFE a AEP.
Funcionamiento dinámico Las gráficas reproducidas en muestran claramente el carácter dinámico del funcio- namiento de las instalaciones BtB Light en el Paso del Águila. Las curvas 1–7 muestran la respuesta del enlace recíproco a los rayos en una zona remota, en la que se había producido una caída de tensión en la red de AEP. Durante el fallo, la corriente (capa- citiva) en el enlace recíproco se elevó hasta casi 1 pu con el fin de mantener la tensión en el bus del Paso del Águila.
Enlace ferroviario en el Túnel del Canal de la Mancha
En 2007 se terminará la línea férrea electrifi- cada del tren de alta velocidad que une Londres y Francia a través del Túnel del Canal. Entonces se podrá viajar de Londres a París en solo dos horas, a una velocidad máxima de 300 km/h. El sistema de alimen- tación eléctrica ha sido proyectado para car- gas elevadas (potencias nominales del orden de 10 MW) y fluctuantes (aceleración y deceleración rápidas). El sistema seleccio- nado para alimentación de la tracción es un moderno sistema eléctrico de 2 ž 25 kV y
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PCIA 20000913 17;10;19 Iac Sys A
PCIA 20000913 17;10;19 Uac Sys A
PCIA 20000913 17;10;19 PQ Ref Sys A PCIA 20000913 17;10;19 Udc Sys A PCIC 20000913 17;10;19 Uac S1 C -500
-250 0
250 A
BC
-1.5-1.0 -0.50.51.51.00
A B C
-1.5-1.0 -0.50.51.51.00
AB C
-40 -20 0 20 40
AB C
0.8 1.0 1.2 1.4
U+
U-
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-1.0 -0.5 0 0.5 1.0
P Q
3
4
7 6 5
Caso de fallo remoto 1: Tensiones de 138 kV en AEP
2: Intensidades del secundario del transformador reductor de tensión en AEP, en amperios
3: Corrientes de reactancias de fase en AEP 4: Tensiones de 17,9 kV en AEP
5: Tensiones entre fase y tierra de 17,9 kV en AEP 6: Tensiones de corriente continua
7: Convertidor en AEP, referencia de potencia activa (P) y reactiva (Q) 4
50 Hz, con sistema de autotransformador integrado para garantizar que la caída de tensión a lo largo de las líneas de tracción sea baja. La reducción de la tensión desde la tensión de red se hace con transformado- res conectados entre dos fases .
Sistema SVC en los tres puntos de alimentación de energía de tracción
Una importante característica de este siste- ma de energía es el compensador estático de var (SVC), cuya principal función es compensar la asimetría de carga y mantener la tensión del ferrocarril en la eventualidad de disparo de una estación de alimentación, caso en el que dos secciones estarán ali- mentadas desde una estación
La segunda tarea de los SVC es mante- ner el factor unitario de potencia durante el funcionamiento normal. Esto asegura que la tarifa de la potencia activa sea baja.
Tercero, los SVC mitigan la contamina- 5
ción de armónicos filtrando los armónicos generados por la carga de tracción. Esto es importante, ya que el nivel de armónicos generados por el sistema de tracción en los puntos de conexión de la super-red tiene límites estrictos.
Los SVC para mantenimiento de la ten- sión se conectan al lado de tracción de los transformadores de potencia. Los transfor- madores de la super-red de alimentación de la energía de tracción tienen dos arrolla- mientos de Media Tensión en serie, ambos conectados a tierra en su punto medio. Esto da lugar a dos tensiones, desfasadas 180º, entre los terminales del arrollamiento y tie- rra. Los SVC se conectan a través de dichos arrollamientos. Como consecuencia de ello existen dos SVC monofásicos idénticos que conectan con tierra la alimentación y la catenaria.
La carga de tracción, de hasta 120 MW, se conecta entre dos fases. Sin compensa- ción, esto daría lugar a aproximadamente
un 2% de tensión de secuencia de fase negativa. Para contrarrestar el desequilibrio de la carga, en la subestación de Sellindge se ha instalado un equilibrador de carga (un SVC controlado asimétricamente) . La subestación está conectada trifásicamente a la red.
El equilibrador de carga transfiere poten- cia activa entre las fases con el fin de crear una carga equilibrada (según se observa desde la super-red). A continuación descri- bimos brevemente el funcionamiento del equilibrado de la carga.
Corriente de carga
Cuando la carga se conecta solo entre dos fases (B y C), la corriente de tracción puede expresarse mediante dos vectores de fase que representan la secuencia positiva y la secuencia negativa . La suma de los dos vectores es la corriente resultante (la corriente en la fase A es cero y las corrien- tes en las fases B y C son de la misma mag- nitud, pero de fase opuesta). Obsérvese que las amplitudes de los vectores no son ver- daderamente representativas.
Para compensar la secuencia negativa y por lo tanto equilibrar la corriente que va a ser generada por los sistemas de fuerza, el equilibrador de carga genera una corriente de secuencia de fase negativa (pura), (ILB), tal como se muestra en . Esta corriente equilibra exactamente la corriente de secuencia de fase negativa procedente de la carga (I-LOADen ).
El equilibrador de carga de la subesta- ción de Sellindge ha sido optimizado para hacerse cargo de una carga conectada entre las fases C y A. La teoría dice que, para equilibrar una carga puramente activa, debe conectarse un condensador entre las fases A y B y una reactancia entre las fases B y C. La carga de tracción también tiene
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8 7
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Technologies for the Utility Industry
TCR 3rd
25 kV 25 kV45 MVAr40 MVAr
40 MVAr 45 MVAr
400 kV
SVC
Catenary
Feeder
5th 7th TCR 3rd 5th 7th
Sistema de alimentación de energía eléctrica para el enlace ferroviario del Túnel del Canal de la Mancha, entre Inglaterra y Francia. Subestación de Singlewell con dos compensadores de var, monofásicos y estáticos, ambos con valores nominales 25 kV y –5/40 MVAr
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una parte reactiva, que debe ser equilibrada de la misma forma. En esta subestación no sólo se compensa la asimetría sino también el factor de potencia. Esto se consigue insertando un condensador entre las fases C y A.
Redundancia
Es fundamental contar con una alta disponi- bilidad, de modo que todos los componen- tes críticos son redundantes: al circuito prin- cipal se le ha añadido una cuarta fase redundante completa. Todas las fases deben ser lo más independientes posible de las otras.
Estos requisitos han dado lugar a una disposición exclusiva de la instalación y a un diseño especial del control y de la pro- tección. Existen cuatro ‘entrefases’ (conjunto de componentes conectados entre fases) totalmente independientes. Cada una de las entrefases incorpora un conjunto indepen- diente de filtros, resistencias, válvulas de tiristores, circuitos lógicos activados por tiristores, transformadores de medición, dis- positivos de protección por relés y un siste- ma de refrigeración. En cada una de las conexiones a las barras de la subestación se han integrado un interruptor y un secciona- dor. Los filtros pueden ser conectados y
desconectados a la cuarta entrefase para convertir esta en una derivación inductiva o capacitiva.
En el sistema trifásico actúan dos siste- mas de control independientes, mientras que los sistemas activados por tiristores y los circuitos lógicos actúan directamente sobre cada una de las entrefases. Los siste- mas de control están totalmente separados, igual que los circuitos lógicos activados por tiristores y la totalidad del sistema de pro- tección. En caso de fallo en una de las entrefases, el sistema de control hace que se dispare el sistema de protección, y empiece a funcionar la unidad de reserva.
= +
IaIb
Ic Ic
Ib Ia
Ic
Ib
ILOAD
I+LOAD I-LOAD
=
+
IaIb Ic Ic
Ib
Ia Ib
Ic
ILOAD
ILB ILB+ILOAD
Componentes de secuencia de fase de la corriente de carga
7 8 Equilibrado de la corriente de carga
Las válvulas de tiristores utilizan un nuevo tipo de tiristor, un dispositivo bidi- reccional con dos tiristores antiparalelos en una oblea común de silicio. Esto reduce a la mitad el número de unidades necesarias en las válvulas. El tiristor es un dispositivo de 5 pulgadas con una capacidad de corriente de aproximadamente 2.000 A (eficaces).
Conclusiones y perspectivas La mejora del funcionamiento de las redes eléctricas es cada día más importante por razones económicas y medioambientales.
Los dispositivos FACTS son la solución mejor establecida en el mercado para mejo- rar la utilización de las líneas de transmi- sión.
El caso de China es un ejemplo clásico de cómo la actualización de la capacidad de transmisión de la línea existente podría suministrar a la región de Beijing la electri- cidad que tanto necesita. Esta solución podría ser llevada a la práctica en muy
poco tiempo, en solo 9 meses, para hacer disponible la electricidad generada a gran distancia allí donde se necesita.
Con el caso del Paso del Águila hemos ilustrado las posibilidades de las nuevas tec- nologías que combinan las características avanzadas de FACTS con la capacidad de interconexión de redes eléctricas. Esta mul- tiplicidad de uso es posible gracias a los últimos desarrollos de la tecnología de semiconductores y de control. Esta instala- ción ha aumentado enormemente la utiliza- ción de los recursos disponibles para la transmisión.
Finalmente, el enlace ferroviario del Túnel del Canal muestra la flexibilidad de los dispositivos FACTS, que también pueden ser utilizados para resolver los problemas creados por cargas de nuevo tipo. El des- equilibrio provocado por las nuevas cargas ferroviarias puede ser mitigado con solu- ciones robustas que evitan la degradación del suministro eléctrico para los usuarios.
En un futuro próximo veremos que los dispositivos FACTS encuentran usos más amplios cuando previamente se ha mejora- do el funcionamiento de la red. El grado en que es posible controlar la red reducirá las inversiones en líneas físicas de transmisión.
Actualmente, ABB está estudiando la posibi- lidad de combinar los dispositivos FACTS con la información en tiempo real y las tec- nologías de la información, llevando así a estos dispositivos más cerca de sus límites físicos.
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Autores Rolf Grünbaum Åke Petersson Björn Thorvaldsson ABB Utilities AB Power Systems SE-721 64 Västerås Suecia
Fax: +46 21 32 48 10 rolf.grunbaum@se.abb.com
Bibliografía
[1] R. Grünbaum, M. Noroozian, B. Thorvaldsson: FACTS, poderosos sistemas para una transmisión flexible de la energía. Revista ABB, 5/1999, 4–17.
TCR TCR 3rd
25 kV 25 kV
2x42 MVAr 84 MVAr 400 kV
33 kV
Catenary Standby
phase
Feeder
5th 7th
Equilibrador dinámico de carga en la subestación de Sellindge (33 kV, –80/+170 MVAr) 9
