Modelo de SVC en ATP para compensación de líneas de transmisión largas a 230 kV

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(1)PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELÉCTRICO por. Juan José Reinoso Rojas. MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV. Sustentado el 11 de Diciembre de 2012 frente al jurado:. Composición del jurado. -. Asesor:. Ing. Mario A. Ríos M. Ph.D., Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Jurado:. Ing. Gustavo Ramos Ph.D., Profesor Asistente /Universidad de Los Andes.

(2) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 2 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV. CONTENIDO Lista de Figuras ....................................................................................................................... 3 Lista de Tablas ........................................................................................................................ 3 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 4. 2. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 5. 3. STATIC VAr COMPENSATORS .......................................................................................... 5 3.1. Configuraciones de los dispositivos SVC .................................................................. 6. 3.1.1 SVC con Tiristor-Reactor controlado (TCR), Tiristor-Capacitancia conmutada (TSC)……. ......................................................................................................................... 7 3.1.2 SVC con Tiristor-Reactor controlado (TCR), Capacitancia Conmutada Mecánicamente (MSC) ................................................................................................... 7 3.1.3 3.2 4. Bloque de Control .................................................................................................... 8. MODELO COMPUTACIONAL DEL SVC EN ATP .............................................................. 10 4.1. 5. SVC con Tiristor-Reactor controlado (TCR), Capacitancia Fija (FC) .................. 8. Caso de Simulación ................................................................................................ 11. 4.1.1. Modelo Computacionalde la Línea de Transmisión ....................................... 12. 4.1.2. Modelo Computacional del Bloque de Potencia ............................................ 12. 4.1.3. Modelo Computacional del Bloque de Control .............................................. 14. Resultados de Simulación ............................................................................................. 17 5.1. Conexión de carga capacitiva sin SVC .................................................................... 18. 5.2. Conexión Carga Inductiva sin SVC .......................................................................... 19. 5.3. Conexión de carga capacitiva con SVC................................................................... 21. 5.4. Conexión Carga Inductiva con SVC ........................................................................ 23. 6. CONCLUSIONES............................................................................................................. 24. 7. AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... 25. 8. REFERENCIAS ................................................................................................................ 26.

(3) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 3 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Diagrama de Bloques de un SVC ........................................................................................................ 6 Figura 3.2 Configuración SVC TCR-TSC ............................................................................................................... 7 Figura 3.3 Configuración SVC TCR-MSC. ............................................................................................................. 7 Figura 3.4 Configuración SVC TCR-FC ................................................................................................................. 8 Figura 3.5 Área de operación V-I para el SVC con configuración FC-TCR. ........................................................ 10 Figura 4.1 Diagrama de bloques del SVC. ......................................................................................................... 10 Figura 4.2 Modelo Completo del SVC en ATP.................................................................................................... 11 Figura 4.3 Modelo Computacional de la línea de transmisión. ........................................................................ 12 Figura 4.4 Configuración y Parámetros del Modelo de la Línea de Transmisión. ............................................ 13 Figura 4.5 Modelo Computacional del Bloque de Potencia y Línea de Transmisión. ........................................ 13 Figura 4.6 Modelo Computacional del Bloque de medición y el voltaje de referencia. .................................... 15 Figura 4.7 Modelo Computacional de los lazos de control y los circuitos de disparo. ...................................... 16 Figura 5.1 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Capacitiva). ........................................................ 18 Figura 5.2 Corriente en el devanado Primario del transformador (Carga Capacitiva). .................................... 18 Figura 5.3 Voltaje en el devanado Secundario del transformador (Carga Capacitiva). .................................... 18 Figura 5.4 Corriente consumida por la carga conectada (Carga Capacitiva). .................................................. 19 Figura 5.5 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Inductiva). .......................................................... 19 Figura 5.6 Corriente en el devanado Primario del transformador (CargaInductiva). ....................................... 20 Figura 5.7 Voltaje en el devanado Secundario del transformador (Carga Inductiva). ...................................... 20 Figura 5.8 Corriente consumida por la carga conectada (Carga Inductiva). .................................................... 20 Figura 5.9 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Capacitiva y con SVC). ........................................ 21 Figura 5.10 Corriente del devanado primario y la carga (Carga Capacitiva y con SVC). .................................. 21 Figura 5.11 Voltaje en el devanado secundario (Carga Capacitiva y con SVC). ................................................ 22 Figura 5.12 Corriente del devanado secundario (Carga Capacitiva y con SVC). ............................................... 22 Figura 5.13 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Inductiva y con SVC). ........................................ 23 Figura 5.14 Corriente del devanado primario y la carga (Carga Inductiva y con SVC). .................................... 23 Figura 5.15 Voltaje en el devanado secundario (Carga Inductiva y con SVC). .................................................. 23 Figura 5.16 Corriente del devanado secundario (Carga Inductiva y con SVC). ................................................. 24. LISTA DE TABLAS Tabla 7.1 Cargas utilizadas para la validación del modelo ............................................................................... 17.

(4) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 4 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 1. INTRODUCCIÓN. Como es bien sabido, algunas maniobras en un sistema de transmisión tales como la energización y desenergización de líneas, despeje de fallas o conexiones y desconexiones de cargas significativas para el sistema pueden traer consigo fenómenos que perturban la estabilidad y los niveles de tensión en el régimen transitorio así como el nivel de potencia reactiva presente en dichos sistemas de transmisión. Dichos fenómenos transitorios se ven acentuados cuando la línea de transmisión tiene una longitud de 260 Km o más por lo cual se vuelve de gran importancia el buscar soluciones que permitan corregir estos retos que afronta la industria y que a su vez traigan consigo practicidad y eficiencia. Los SVC (Static VAr Compensator) son dispositivos conectados en shunt que absorben o generan potencia reactiva y cuya salida está ajustada para intercambiar entre corrientes capacitivas e inductivas que permitan regular o controlar parámetros específicos del sistema de potencia[1]. Dichos dispositivos han sido usados para la compensación de potencia reactiva en redes eléctricas localizadas cerca a industrias que poseen máquinas que pueden llegar a descompensar el sistema además de optimizar la transmisión de energía en los sistemas de potencia mediante la regulación de voltaje. Se sabe que esta compensación tiene como objetivo el cambiar las características eléctricas naturales de la línea de transmisión para hacerla más compatible con los cambios de carga que se puedan llegar a presentar [2]. Básicamente, los dispositivos SVC basan su funcionamiento en una impedancia cambiante mediante la activación de un reactor o un capacitor que entra en funcionamiento cuando el sistema requiere regulación de voltaje o compensación de potencia debido a que la demanda de potencia de la carga actual cambia. Hoy en día, estos dispositivos (SVC) pueden surgir como una nueva alternativa de solución a los problemas de carácter transiente que se presentan en las líneas de transmisión de larga distancia (260 Km o más). Es por esto que hacer modelos computacionales lo suficientemente detallados, con las herramientas de simulación con las que hoy en día se cuenta, se convierte en un punto crucial para verificar la viabilidad de esta nueva alternativa. Se han planteado diversos modelos para los Static VAr Compensators entre los cuales se encuentra la simulación analógica. Dicha simulación consiste en usar el bloque de control físico y conectarlo al modelo computacional del bloque de potencia, lo cual proporcionaba una manera de verificar el comportamiento de estos dispositivos. Este tipo de simulación es muy costosa por lo cual se hacen necesarios modelos de carácter totalmente computacional que sean lo suficientemente precisos y confiables frente a este tipo de modelos físicos [3]. En el capítulo dos se definen los objetivos y alcances del proyecto realizado, delimitando así el área de estudio del trabajo y los resultados que se esperan obtener. En el capítulo.

(5) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 5 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV tres se presenta un pequeño resumen teórico de los conceptos necesarios para realizar la modelación computacional del dispositivo SVC, describiendo las diferentes configuraciones de estos dispositivos y sus bloques de potencia y control. En el capítulo cuatro se introduce en detalle el modelo computacional del dispositivo SVC implementado en ATP y el caso de estudio tenido en cuenta para el análisis de transientes. Así mismo, en el capítulo cinco se presentan los resultados obtenidos para el caso de estudio anteriormente nombrado y sus implicaciones. Finalmente en el capítulo seis se comentan las conclusiones obtenidas del proyecto junto con las dificultades presentadas y el futuro trabajo a realizar. 2. OBJETIVOS. El objetivo de este proyecto de grado es diseñar un modelo computacional para un SVC (Static VAr Compensator) en el software ATP (Alternative Transient Program) para estudios de compensación de potencia reactiva de líneas de transmisión largas a 230 kV que permitan analizar la respuesta transitoria de los problemas presentados previamente en estudios de transientes electromagnéticos. Para alcanzar dicho objetivo, se plantearon los siguientes objetivos específicos: Llevar a cabo una extensa revisión bibliográfica a cerca del estado de arte en la aplicación de modelos para implementar el SVC en ATP. Modelar computacionalmente tanto el bloque de compensación de potencia como el bloque de control del SVC (Static VAr Compensator) en el software ATP. Realizar un estudio de transientes electromagnéticos para líneas de transmisión largas a 230 kV con el modelo del SVC (Static VAr Compensator) anteriormente diseñado. Hacer una documentación adecuada del proyecto de modo que la investigación pueda ser retomada para futuros proyectos. Igualmente, se definió como alcance realizar el diseño de un modelo computacional para un SVC (Static VAr Compensator) y a realizar el estudio de transientes electromagnéticos para una línea de transmisión larga a 230 kV que será compensada con el modelo del SVC diseñado anteriormente. Todo lo anterior se realizará en el software ATP. 3. STATIC VAR COMPENSATORS. Los Static VAr Compensators han sido utilizados desde comienzos de la década de 1960 pero no fue sino hasta la década de 1970 que empezaron a ser utilizados para el control de voltajes de transmisión y el mejoramiento de la estabilidad de los sistemas de potencia [2]. Debido a la complejidad del modelo a simular, es necesario contar unas bases teóricas sólidas para el desarrollo del proyecto. Primero, es clave definir los SVC como un tipo de.

(6) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 6 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV dispositivos diseñados para generar y absorber potencia reactiva dependiendo de la variación de carga generada hora a hora. La Figura 3.1 presenta el diagrama de bloques que compone un dispositivo SVC. Estos dispositivos se encargan de cambiar dicha generación o absorción de potencia reactiva rápidamente para tratar de estabilizar los niveles de tensión en el sistema de transmisión de una manera rápida y eficaz [3]. La estabilidad transitoria de un sistema de potencia indica su capacidad para recuperarse de una perturbación mayor como fallas severas o conexiones de cargas significativamente grandes lo cual puede causar disminución en la potencia eléctrica transmitida por la línea mientras que la alimentación de los generadores sigue siendo constante. La diferencia entre la potencia mecánica de entrada y la potencia eléctrica de salida del generador ocasiona que la máquina se acelere [2].. Figura 3.1 Diagrama de Bloques de un SVC. 3.1. Configuraciones de los dispositivos SVC. Existen tres configuraciones básicas a la hora de diseñar un SVC [5], la elección de alguna de estas configuraciones es un paso clave a la hora de diseñar un dispositivo SVC ya que esta va a definir las restricciones y requerimientos del bloque de control. Para el modelo computacional que se va a realizar se escogió la configuración TRC-FC ya que esta brinda un mayor grado de simplicidad y practicidad para el caso de estudio que posteriormente será abordado..

(7) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 7 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 3.1.1 SVC con Tiristor-Reactor controlado (TCR), Tiristor-Capacitancia conmutada (TSC) En este modelo, la potencia que inyectan tanto el reactor como la capacitancia son controlados por dos tiristores lo cual da una variación mayor para la potencia resultante inyectada al sistema [5].En la Figura 3.2 Configuración SVC TCR-TSCse muestra un SVC con la configuración de TCR-TSC.. Figura 3.2 Configuración SVC TCR-TSC. 3.1.2 SVC con Tiristor-Reactor Mecánicamente (MSC). controlado. (TCR),. Capacitancia. Conmutada. Esta disposición tiene un funcionamiento muy similar al SVC TCR-TSC pero su única diferencia radica en la velocidad de acción del los switches mecánicos contra los tiristores ya que los mecánicos están conectados directamente a los buses de alto voltaje del sistema. La inyección de potencia reactiva por parte de estos dispositivos es muy similar a la inyectada por el dispositivo anterior [5].. Figura 3.3 Configuración SVC TCR-MSC..

(8) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 8 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 3.1.3 SVC con Tiristor-Reactor controlado (TCR), Capacitancia Fija (FC) Esta configuración consiste en una capacitancia fija conectada al lado secundario del transformador y una reactancia conectada en serie con dos tiristores. En la figura 1 se pude ver un diagrama simplificado de esta configuración. La potencia reactiva inyectada por la capacitancia siempre es fija y la variación va a estar dada por los ángulos de disparo de los tiristores. La potencia resultante va a estar determinada por la diferencia entre la potencia inyectada por la capacitancia y la inyectada por el reactor. Este es el modelo que va a ser utilizado para el proyecto debido a su simplicidad. En la Figura 3.4 se muestra el diagrama unifilar de un SVC con la configuración TCR-FC.. Figura 3.4 Configuración SVC TCR-FC. Cuando el ángulo de disparo de los tiristores α = 0 la válvula se cierra en el pico del voltaje aplicado y la corriente resultante será la misma obtenida en estado estable con una válvula permanentemente cerrada. Cuando el ángulo de disparo de los tiristores se encuentra en el siguiente rango 0 ≤ α ≤ π/2 la corriente por la inductancia puede ser expresada mediante la siguiente expresión [2]:. Esta misma expresión es válida también para el intervalo α ≤ ωt ≤ π – α ya que los tiristores se abren cuando la corriente alcanza el cero [2]. 3.2. Bloque de Control. Un dispositivo SVC diseñado para regular el nivel de tensión puede mejorar la estabilidad transitoria del sistema manteniendo el voltaje de transmisión a la par del flujo de potencia encontrado inmediatamente después de la aclaración de la falla. De otra manera, la estabilidad transitoria también puede ser incrementada incrementando temporalmente el voltaje por encima del voltaje de referencia durante el primer periodo de aceleración del.

(9) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 9 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV generador ya que dicho aumento de voltaje provocará un aumento en la potencia eléctrica transmitida y ayudará a desacelerar la máquina [2]. El bloque de control del SVC es una parte muy importante del dispositivo ya que es la encargada de determinar el ciclo de trabajo del TCR y por consiguiente el flujo de potencia reactiva por el SVC. El lazo de control para un SVC con configuración TCR-FC está compuesto principalmente por los circuitos de medición los cuales se encargan de tomar las medidas de corriente y voltaje en el bus que se quiere regular el voltaje. Dichas medidas son rectificadas y suavizadas para su posterior tratamiento. Por otro lado el regulador de voltaje más usado es un regulador PI que se encarga de mantener el voltaje del bus regulado a la par del voltaje de referencia. Finalmente los circuitos de disparo son los encargados de proporcionar las señales de disparo adecuadamente sincronizadas para los tiristores del reactor. Dentro de las técnicas más utilizadas para la obtención de las señales de disparo se encuentra la técnica de cruce de cero para lo cual se utiliza el estándar TCA 780 [6]. El control de un dispositivo SVC con configuración TRC- FC necesita desempeñar tres funciones principales. La primera hace referencia a la conversión de la corriente reactiva al ángulo de disparo necesario. Esta puede ser provista por la implementación de un circuito en tiempo real de la relación matemática entre la amplitud de la corriente fundamental del TCR y el ángulo de disparo. La segunda función es la computación de la corriente fundamental requerida del reactor la cual se realiza simplemente restando la corriente escalada del capacitor fijo con la corriente de referencia , la cual va a definir su naturaleza capacitiva o inductiva de acuerdo con su signo. La última función de la que se encarga el control del SVC es la de generar las señales de disparo para los tiristores del TCR. Esta tarea se logra mediante el circuito generador de pulsos que dependiendo del ángulo de disparo que reciba del control genera las señales de disparo con el ángulo requerido [2]. El área de operación del SVC con configuración TCR-FC está definida por las máximas admitancias capacitivas e inductivas y por las corrientes y voltajes máximas que procesen los componentes principales. En la Figura 3.5 se pude observar de una manera más precisa el área de operación V-I (Área sombreada) de estos dispositivos. hace referencia al voltaje límite del condensador y al voltaje límite de del TCR. A su vez y hacen referencia a los límites de corriente que presentan tanto el capacitor como la parte inductiva del SVC respectivamente. Por último, representa la admitancia del capacitor mientras que representa la máxima admitancia de la parte inductiva [2]..

(10) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 10 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV. Figura 3.5 Área de operación V-I para el SVC con configuración FC-TCR.. 4. MODELO COMPUTACIONAL DEL SVC EN ATP. La modelación de sistemas de potencia para posteriores estudios de transientes electromagnéticos requiere un cierto nivel de detalle que permita obtener resultados precisos a la hora de simular eventualidades en el dominio transitorio. Es por esto que se hace necesario detallar un modelo significativamente preciso de un dispositivo SVC para poderlo implementar en el software ATP. Este modelo implementado sigue el recomendado en [2]. Este modelo consta de 2 partes principales: La primera hace referencia a los circuitos de potencia, que van a ser los encargados de hacer la compensación y la segunda a los circuitos de control. En la Figura 4.1 se puede apreciar con mayor claridad esto.. Figura 4.1 Diagrama de bloques del SVC..

(11) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 11 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Como se puede ver, la parte de la izquierda nos muestra los circuitos de potencia encargados de hacer la compensación mientras que la parte derecha simboliza los circuitos de control del Static VAr Compensator. En esta misma referencia, es posible encontrar la descripción detallada de cada uno de los componentes del dispositivo SVC que será modelado más adelante. Finalmente la Figura 4.2 muestra el modelo completo del SVC en el programa ATP.. Figura 4.2 Modelo Completo del SVC en ATP.. 4.1. Caso de Simulación. El modelo del dispositivo SVC en ATP fue simulado conectado al final de una línea de transmisión de 260 Km a 230 kV mediante un transformador tridevanado con lados secundario y terciario a un nivel de tensión de 26 kV. El voltaje regulado por el dispositivo SVC es el voltaje del lado primario del transformador y en este punto es donde se analizan los fenómenos transientes de la conexión de la línea. Para poder analizar la estabilidad transitoria que el modelo del SVC proporciona a la línea de transmisión larga se simuló los siguientes cuatro escenarios: -. Conexión de carga inductiva de -200 MVAr sin dispositivo SVC. Conexión de carga capacitiva de 140 MVAr sin dispositivo SVC..

(12) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 12 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV -. Conexión de carga inductiva de -200 MVAr con dispositivo SVC. Conexión de carga capacitiva de 140 MVAr sin dispositivo SVC.. A continuación se presentan los modelos computacionales para la línea de transmisión larga y el dispositivo SVC. 4.1.1 Modelo Computacionalde la Línea de Transmisión Para la realización del proyecto se supone una línea de transmisión larga a un nivel de tensión de 230 kV en configuración de doble circuito, estructura normalizada y una longitud de 260 Km. Esta línea fue conectada a un generador de 230kV mediante dos interruptores, uno para cada circuito, y otros dos interruptores para la energización del barraje y del transformador. La Figura 4.3 muestra el modelo computacional utilizado para simular la línea de transmisión requerida. La Figura 4.4 muestra la configuración y los datos utilizados para la simulación de la línea de transmisión.. Figura 4.3 Modelo Computacional de la línea de transmisión.. 4.1.2 Modelo Computacional del Bloque de Potencia El modelo computacional del bloque de potencia es relativamente sencillo. Consta de dos secciones las cuales están diseñadas para variar el flujo de potencia reactiva entre -200 MVAr y 140 MVAr dependiendo de las señales de disparo de los tiristores. Este bloque consta de 2 cargas capacitivas conectadas en disposición Y y dos TCR conectados en disposición Delta a cada uno de los barrajes de baja tensión. Adicionalmente se cuenta con un transformador tridevanado en configuración Y-Y y Y-Delta con nivel de tensión de 230kV en el lado de alta y de 26kV en los dos lados de baja. La configuración de dicho transformador corresponde a que de esta manera no se presentan armónicos que puedan.

(13) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 13 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV distorsionar las ondas de voltaje y corriente en el lado del devanado primario. La Figura 4.5 muestra el bloque de potencia simulado en el software ATP.. Figura 4.4 Configuración y Parámetros del Modelo de la Línea de Transmisión.. Figura 4.5 Modelo Computacional del Bloque de Potencia y Línea de Transmisión..

(14) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 14 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Se calcularon los valores para las inductancias y los condensadores mediante la metodología descrita en [5] de la siguiente manera: - Cálculo de la inductancia del reactor: Se tomó como base la potencia reactiva que el reactor puede absorber que es de 170 MVAr y a partir de este dato se calculó la reactancia del TCR:. Adicionalmente se asumió que la reactancia equivalente del transformador era del 12% de la reactancia del TCR y con esto se calculó la reactancia. Finalmente se calcular el valor de la inductancia que se tiene que utilizara para que efectivamente el modelo pueda absorber la potencia necesaria en el punto máximo de operación.. - Cálculo del Banco de condensadores: Para realizar este cálculo también se partió de la potencia que se espera sea inyectada pro parte de la capacitancia fija:. 4.1.3 Modelo Computacional del Bloque de Control El modelo computacional del bloque de control está dividido principalmente en tres partes. La primera son los circuitos de medición los cuales se encargan de medir, rectificar y suavizar las ondas de voltaje y corriente en el bus de 230 kV pues es el voltaje que se quiere regular. La función de transferencia característica para el módulo de medición es la siguiente [5]:.

(15) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 15 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Donde Tm es la constante de tiempo para el circuito de medición. En la Figura 4.6 se muestra el modelo para el circuito de medición, así como el voltaje referencia que en esencia es la medición de un voltaje de 230 kV que no se ve perturbado en ningún momento.. Figura 4.6 Modelo Computacional del Bloque de medición y el voltaje de referencia.. El regulador de voltaje del SVC está compuesto por dos lazos de control. El primero es el lazo de control básico (BCL) que opera continuamente y utiliza un regulador PI para proporcionar la regulación del voltaje. La función de transferencia del regulador PI es la siguiente [6]:. Donde. ;. [6]. El segundo lazo de control es el Lazo de Control Rápido (FCL) el cual opera únicamente cuando existen perturbaciones en el sistema lo suficientemente grandes debido al uso de bloques banda-muerta. Adicionalmente se limitó la magnitud del control FCL a los rangos LSCR = 0.5OV; LICR = -0.9OV; LSBM = 3.0V; LIBM = -3.OV. La función de transferencia del controlador PD utilizado por el FCL es la siguiente [6]:.

(16) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 16 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV. Los circuitos de disparo fueron diseñados con la metodología de cruce de cero y se calibraron para que en el punto de equilibrio en el que la potencia reactiva que inyecta la pate capacitiva del SVC es absorbida por el TCR el ángulo de disparo requerido sea de lo cual brindará una compensación de potencia efectiva. La Figura 4.7 muestra los lazos de control junto con los circuitos de disparo que finalmente generaran las señales de disparo necesarias para la compensación de potencia reactiva por parte de los reactores. Por cuestiones de espacio solo se presentan las tres señales de disparo para una sección del SVC ya que la otra es exactamente igual.. Figura 4.7 Modelo Computacional de los lazos de control y los circuitos de disparo.. Como se puede ver, la señal linealizada que sale del lazo de control es sumada con una señal seno la cual después es comparada con un valor DC que se calibra para que cuando el sistema necesite una compensación reactiva de 140 MVAr este sea capaz de prender por completo el TCR y si necesita una compensación de 200 MVAr, el TCR sea apagado por completo para que solo el banco de condensadores opere..

(17) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 17 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 5. RESULTADOS DE SIMULACIÓN. La metodología de prueba utilizada consistió en simular el sistema de potencia anteriormente expuesto en cuatro escenarios diferentes. Los dos primeros escenarios corresponden a la energización de la línea y la posterior conexión de dos cargas, una de carácter inductivo y la otra capacitiva, todo esto sin conexión del dispositivo SVC. Estos dos primeros escenarios servirán como prueba de control para comparar con las siguientes simulaciones. Los dos últimos escenarios corresponden a la energización de la línea y posterior conexión de una carga significativa de carácter inductivo o capacitivo en la barra de 230 kV. Esta vez sí se tendrá conectado el dispositivo SVC con lo cual se procederá a comprar los resultados de los dos anteriores casos. Posteriormente se procederá a calcular la compensación de potencia reactiva mediante el factor de potencia resultante y de esta manera se podrá corroborar el correcto funcionamiento del modelo computacional del SVC y el efecto que tiene este en los fenómenos transitorios presentados por las maniobras simuladas. Las cargas que se simularon fueron diseñadas para que absorbieran o inyectaran determinada potencia reactiva y así poder probar el correcto funcionamiento del SVC. En la Tabla 5.1 se relacionan dichas cargas, así como su consumo de potencia y su factor de potencia. Tabla 5.1 Cargas utilizadas para la validación del modelo. CARGA R(Ω) 132,22 188,89. C(μF) 0 13,76. L(mH) 501,04 0. Potencia Reactiva Potencia Activa (MVAr) (MW) 200 -140. 196,03 137,22. Factor de Potencia 0,7 0,7. En primer lugar se presentarán los resultados de las simulaciones para los dos primeros casos expuestos anteriormente (Sistema sin SVC). Es importante señalar que la energización de la línea se produce a los 0,05 s y que la conexión de la carga se realiza a los 0,17 s. Se analizarán las tensiones en el devanado primario y secundario del transformador, a la par con las corrientes consumidas por la carga y el mismo dispositivo SVC. Finalmente, para validar el funcionamiento del dispositivo SVC se muestran las señales de disparo las cuales tienen una correspondencia a los fenómenos físicos presentados en el funcionamiento del dispositivo SVC..

(18) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 18 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 5.1. Conexión de carga capacitiva sin SVC Voltaje en el bus de 230 kV. 400 [kV] 300. 200. 100. 0. -100. -200. -300. -400 0.00. 0.05. (file SoloLinea.pl4; x-var t) v:VDLA. v:VDLB. 0.10. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:VDLC. Figura 5.1 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Capacitiva). Corriente en el devanado primario y la carga. 1200 [A] 800. 400. 0. -400. -800. -1200 0.00. 0.05. (file SoloLinea.pl4; x-var t) c:VATRAA-X0063A. 0.10 c:VATRAB-X0063B. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. c:VATRAC-X0063C. Figura 5.2 Corriente en el devanado Primario del transformador (Carga Capacitiva). Voltaje en el bus de 26 kV. 40 [kV] 30. 20. 10. 0. -10. -20. -30. -40 0.00 (file SoloLinea.pl4; x-var t) v:X0067A. 0.05 v:X0067B. 0.10. 0.15. 0.20. [s]. v:X0067C. Figura 5.3 Voltaje en el devanado Secundario del transformador (Carga Capacitiva).. 0.25.

(19) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 19 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Corriente en el devanado primario y la carga. 1200 [A] 800. 400. 0. -400. -800. -1200 0.10. 0.13. (file SoloLinea.pl4; x-var t) c:X0063A-X0089A. c:X0063B-X0089B. 0.16. 0.19. 0.22. [s]. 0.25. c:X0063C-X0089C. Figura 5.4 Corriente consumida por la carga conectada (Carga Capacitiva).. Como era de esperarse la conexión de cargas capacitivas en el bus de 230 kV no genera perturbaciones considerables en las ondas de voltaje ni del devanado primario ni del secundario. Se observa una perturbación en la onda de voltaje del devanado primario cuando se energiza la línea de transmisión lo cual es normal para cualquier energización de una línea de transmisión larga. Por otro lado la corriente de la carga presenta un transitorio cuando esta es conectada lo cual se debe a que el condensador estaba descargado y su magnitud aumenta debido a la parte resistiva de la carga. También es posible observar que la corriente del devanado primario aumenta significativamente cuando la carga es conectada. 5.2. Conexión Carga Inductiva sin SVC Voltaje en el bus de 230 kV. 400 [kV] 300. 200. 100. 0. -100. -200. -300. -400 0.00. 0.05. (file SoloLinea.pl4; x-var t) v:VDLA. v:VDLB. 0.10. 0.15. 0.20. v:VDLC. Figura 5.5 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Inductiva).. [s]. 0.25.

(20) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 20 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Corriente en el devanado primario y la carga. 1600 [A] 1200. 800. 400. 0. -400. -800. -1200. -1600 0.00. 0.05. (file SoloLinea.pl4; x-var t) c:VATRAA-X0063A. 0.10 c:VATRAB-X0063B. 0.15. 0.20. 0.25. [s]. c:VATRAC-X0063C. Figura 5.6 Corriente en el devanado Primario del transformador (Carga Inductiva). Voltaje en el bus de 26 kV. 40 [kV] 30. 20. 10. 0. -10. -20. -30. -40 0.00. 0.05. (file SoloLinea.pl4; x-var t) v:X0067A. 0.10. v:X0067B. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:X0067C. Figura 5.7 Voltaje en el devanado Secundario del transformador (Carga Inductiva). Corriente en la carga. 1500 [A] 1000. 500. 0. -500. -1000. -1500 0.10. 0.13. (file SoloLinea.pl4; x-var t) c:X0063A-X0089A. c:X0063B-X0089B. 0.16. 0.19. 0.22. c:X0063C-X0089C. Figura 5.8 Corriente consumida por la carga conectada (Carga Inductiva).. [s]. 0.25.

(21) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 21 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV En este caso se observan de nuevo los transitorios provocados por la energización de la línea pero a su vez se observa un pequeño transitorio en las ondas de voltaje tanto del devanado primario como del secundario. Esto obedece a la naturaleza física de las cargas de carácter inductivo. Por otro lado se observa un aumento significativo en el consumo de corriente del devanado primario del transformador cuando la carga inductiva es conectada. 5.3. Conexión de carga capacitiva con SVC. En este caso se va a simular la energización de la línea(0,05s) al mismo tiempo de la energización del dispositivo SVC(0,05s) y finalmente la conexión de la carga(0,17s). Voltaje en el bus de 230 kV. 400 [kV] 300. 200. 100. 0. -100. -200. -300. -400 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) v:VCARA. 0.10. v:VCARB. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:VCARC. Figura 5.9 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Capacitiva y con SVC). Corriente devanado primario y carga. 6000 [A] 4000. 2000. 0. -2000. -4000. -6000 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) c:VCARA -X0508A. 0.10 c:VCARB -X0508B. 0.15. 0.20. c:VCARC -X0508C. Figura 5.10 Corriente del devanado primario y la carga (Carga Capacitiva y con SVC).. [s]. 0.25.

(22) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 22 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Voltaje en el bus de 26 kV. 35.00 [kV] 26.25. 17.50. 8.75. 0.00. -8.75. -17.50. -26.25. -35.00 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) v:VSECA. 0.10. v:VSECB. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:VSECC. Figura 5.11 Voltaje en el devanado secundario (Carga Capacitiva y con SVC). Corriente devanado secundario. 50.0 [kA] 37.5. 25.0. 12.5. 0.0. -12.5. -25.0. -37.5. -50.0 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) c:X0500A-SVCA. 0.10 c:X0500B-SVCB. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. c:X0500C-SVCC. Figura 5.12 Corriente del devanado secundario (Carga Capacitiva y con SVC).. Se puede observar que los transientes causados por la energización de la línea se ven notoriamente reducidos debido a la acción del SVC. Sin embargo, se presentan fenómenos transitorios en las ondas de corriente que se deben principalmente a la energización de los componentes del dispositivo SVC. Por otro lado se observa que con la conexión de la carga las ondas de voltaje no se ven afectadas en gran medida. Esto se debe a la naturaleza de la carga capacitiva que es conectada y a que la regulación se lleva a cabo en base a los niveles de tensión. Finalmente se observa una disminución en el consumo de corriente por parte del dispositivo SVC lo cual se debe a que la impedancia del SVC aumenta pues el ciclo útil de la compensación por parte del TCR aumenta..

(23) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 23 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 5.4. Conexión Carga Inductiva con SVC. En este caso se va a simular la energización de la línea(0,05s) seguido por la energización del dispositivo SVC(0,05s) y finalmente la conexión de la carga(0,17s) Voltaje en el bus de 230 kV. 300 [kV] 200. 100. 0. -100. -200. -300 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) v:VCARA. 0.10. v:VCARB. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:VCARC. Figura 5.13 Voltaje al final de la línea de transmisión (Carga Inductiva y con SVC). Corriente por el devanado primario y la carga. 4000 [A]. 2000. 0. -2000. -4000. -6000 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) c:VCARA -X0508A. 0.10 c:VCARB -X0508B. 0.15. 0.20. 0.25. [s]. c:VCARC -X0508C. Figura 5.14 Corriente del devanado primario y la carga (Carga Inductiva y con SVC). Corriente por el devanado secundario. 50 [kA] 40. 30. 20. 10. 0. -10. -20. -30 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) c:X0500A-SVCA. 0.10 c:X0500B-SVCB. 0.15. 0.20. c:X0500C-SVCC. Figura 5.15 Voltaje en el devanado secundario (Carga Inductiva y con SVC).. [s]. 0.25.

(24) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 24 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Voltaje en la barra de 26 kV. 40 [kV] 30. 20. 10. 0. -10. -20. -30. -40 0.00. 0.05. (file BloquePotencia.pl4; x-var t) v:VSECA. v:VSECB. 0.10. 0.15. 0.20. [s]. 0.25. v:VSECC. Figura 5.16 Corriente del devanado secundario (Carga Inductiva y con SVC).. En este caso, se observa que los transientes de energización de la línea de transmisión son atenuados de una manera notoria pero que a su vez, al energizar el dispositivo SVC se presentan sobrepicos en la forma de la onda de las corrientes que posiblemente tengan su origen en el hecho de que los componentes del dispositivo SVC están descargados y presentan una reacción natural cuando son conectados al sistema. Así mismo es posible observar un fenómeno que permite comprobar el correcto funcionamiento del dispositivo SVC. Este fenómeno es la interrupción de la corriente en el devanado secundario ya que en 0.17s esta se reduce a cero. Esta eventualidad se debe a que en ese instante se conecta la carga inductiva que requiere toda la compensación de potencia reactiva por parte del SVC y esto se logra cuando el TCR está totalmente apagado lo cual deja en funcionamiento únicamente la parte capacitiva del SCV la cual requiere una corriente prácticamente nula.. 6. CONCLUSIONES. En resumen, el trabajo realizado fue el de desarrollar el modelo computacional de un dispositivo SVC y probarlo para estudios de fenómenos transitorios. Se puede decir que el desarrollo del proyecto ha sido satisfactorio ya que se cumplió con los objetivos planteados desde un principio. Sin embargo existen algunos factores que hubieran podido contribuir a un mejor desarrollo del proyecto. Por ejemplo, el cálculo del factor de potencia corregido para los cuatro casos analizados no fue posible ya que la resolución de las gráficas no fue lo suficientemente buena como para permitir medir el desfase presentado entre las ondas de corriente y voltaje. Se intentó subir la resolución de las gráficas simuladas en ATP pero el tiempo empleado por el simulador era bastante grande por lo cual se hacía ineficiente..

(25) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 25 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV Así mismo se recomienda para estudios futuros el estudio de la amortiguación de las oscilaciones en la generación de potencia lo cual requeriría un modelo preciso de la máquina generadora en donde se tuvieran en cuenta en detalle todos los parámetros de dicho generador. Por otro lado el estudio de la compensación de potencia reactiva y la estabilidad transitoria mediante dispositivos SVC en líneas de transmisión extra largas puede suponer un tema de estudio interesante para futuras investigaciones. De igual forma, el trabajo realizado deja las puertas abiertas para futuros diseños de sistemas de protecciones de sobre corrientes que puedan ayudar a controlar los sobrepicos de corriente presentados en la energización del dispositivo SVC. Este diseño de protecciones ayudaría a mejorar la estabilidad transitoria del sistema de transmisión empleado en este estudio. En conclusión, se encontró que los dispositivos SVC mejoran de una manera significativa la estabilidad transitoria de un sistema de potencia ya que ayudan a reducir los transientes de energización de las líneas de transmisión largas a un nivel de tensión de 230 kV y que compensan de manera eficiente los flujos de potencia reactiva provocados por la conexión de nuevas cargas al sistema. En cuando a las ondas de corriente, se encontró que al energizar el dispositivo SVC, este producía grandes picos de corriente de una duración significativamente corta pero que pueden llegar a afectar los diferentes dispositivos electrónicos de un sistema e incluso el mismo dispositivo SVC. Por otro lado es importante acotar que se verificó el correcto funcionamiento del modelo del dispositivo SVC en ATP pues los comportamientos tanto de los voltajes como las corrientes en los diferentes puntos del sistema de potencia correspondían a las reacciones lógicas y que se esperan obtener cuando se implementa un dispositivo SVC en un sistema de transmisión como el analizado. Finalmente, se hace importante destacar que el presente trabajo demuestra que los modelos computacionales son una gran alternativa de modelación y diseño ya que su practicidad, inmediatez y el bajo costo hacen que cualquier diseñador interesado en modelar este tipo de sistemas pueda tener las herramientas necesarias para simular dispositivos SVC y sus consecuencias sobre los sistemas de potencia.. 7. AGRADECIMIENTOS. Mis más sinceros agradecimientos a mi asesor de proyecto el Profesor Mario A. Ríos por guiarme durante el desarrollo de esta investigación y por las valiosas lecciones que me enseñó a través de mi carrera universitaria. También quiero agradecer a todos los profesores y compañeros que me ayudaron a lo largo de mi formación como Ingeniero y como persona..

(26) MODELO DE SVC EN ATP PARA COMPENSACIÓN 26 DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS A 230 kV 8 [1]. [2] [3]. [4] [5]. [6]. [7]. [8]. [9]. REFERENCIAS IEEE Press "Proposed terms and definitions for flexible AC transmission system (FACTS)," IEEE Transactions on Power Delivery, vol.12, no.4, pp.1848-1853, Oct 1997. Hingorani, Narain G. Understanding FACTS: Concepts and technology of flexible AC transmission systems. New York: IEEE Press, 2000. De Lima, A.C.; Wanderley, S.S.; Stephan, R.M.; , “Modelling a static VAr compensator unisg EMTP” Circuits and Systems, 1995., Symposium on Proceedings of the 38th Midwest, vol.1, no., pp.219-222 vol.1, 13-16 Aug 1995. Wang, X.; Iravani, M.R.; , "Energization transients of shunt reactors," IEEE Transactions on Power Systems, vol.12, no.4, pp.1626-1631, Nov 1997. ABB Power and Productivity for a better world, “Static Var Compensation”, Tomado en línea de: http://www.abb.com/cawp/gad02181/c1256d71001e0037c1256bd60043b75c.aspx Vasconcelos, A.N.; Ramos, A.J.P.; Monteiro, J.S.; Lima, M.V.B.C.; Silva, H.D.; Lins, L.R.; , "Detailed modeling of an actual static VAr compensator for electromagnetic transient studies," IEEE Transactions on Power Systems, vol.7, no.1, pp.11-19, Feb 1992. Berge, J.; Varma, R.K.; , "Design and Development of a Static VAR Compensator for Load Compensation Using Real-Time Digital Simulator and Hardware Simulation," 2007 Conference on Large Engineering Systems, vol., no., pp.6-12, 10-12 Oct. 2007 Tosato, F.; Quaia, S.; Rabach, G.; , "Reactive power compensation by TCR technology: simulation for large electrical loads control," Proceedings of Mediterranean Electrotechnical Conference, MELECON '89., pp.146-149, 11-13 Abr, 1989. CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad) “ESTUDIO PERSPECTIVAS DE LA INCORPORACIÓN DEFACTS EN EL SISTEMA NACIONAL DE TRANSMISIÓN DEL ECUADOR”, Tomado en línea de: http://es.scribd.com/doc/86341253/estudio-deperspectivas-de-incorporacion-de-facts-en-el-snt-#outer_page_156.

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