Utilización de la compensación conjunta en los sistemas eléctricos de potencia

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. DEPARTAMENTO DE ELECTROENERGÉTICA. TRABAJO DE DIPLOMA. UTILIZACIÓN DE LA COMPENSACIÓN CONJUNTA EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA.. AUTOR: Mario Enrique Echemendia Bada. TUTOR: MSc. Jorge Luis Portal Gallardo. SANTA CLARA 2012-1013 “AÑO 55 DE LA REVOLUCIÓN".

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) i. TAREA TÉCNICA.  Revisar la bibliografía relacionada con los distintos dispositivos FACTS empleados en los Sistemas Eléctricos de Potencia.  Describir los compensadores con conexión conjunta, exponer su principio de funcionamiento y las características de los más importantes.  Simulación mediante el Matlab-Simulink el comportamiento ante distintas perturbaciones del compensador con conexión conjunta más importante.  Escritura del Trabajo.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(4) ii. RESUMEN. Los denominados Sistemas de Transmisión Flexibles en Corriente Alterna (FACTS, por sus siglas en inglés) son una variedad de equipos basados en electrónica de potencia que pueden otorgar una amplia flexibilidad a los modernos sistemas de transmisión de energía. En este trabajo se estudian los distintos dispositivos FACTS haciendo énfasis en los de conexión combinada. En primer lugar se realiza una descripción de las características, clasificación, ubicación, ventajas y aplicaciones de los distintos dispositivos FACTS. También se analizan los dispositivos con conexión conjunta dando a conocer una descripción de algunos de ellos y analizando con mayor profundidad el Controlador de Flujo de Potencia interlíneas (IPFC, por sus siglas en inglés) y el Controlador Unificado del Flujo de Potencia (UPFC, por sus siglas en inglés). Debido a la importancia para los Sistemas Eléctricos de Potencia del UPFC se hace una implementación en MATLAB-Simulink del mismo y se analiza dicha modelación viendo su comportamiento en la red eléctrica..

(5) iii. TABLA DE CONTENIDOS. TAREA TÉCNICA .................................................................................................................i RESUMEN ........................................................................................................................... ii INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. GENERALIDADES DE LOS FACTS. .................................................. 4. 1.1. Sistemas Flexibles de Transmisión de C.A. (FACTS)..................................... 4. 1.2. Flujo de Potencia en un Sistema de C.A. .......................................................... 6. 1.3. Ubicación de los FACTS. ..................................................................................... 8. 1.4. Clasificación de los Equipos FACTS. ................................................................. 9. 1.4.1. Según el tipo de Conexión. .......................................................................... 9. 1.4.2. Según el tipo de Tecnología utilizada para la Conmutación del. Dispositivo. .................................................................................................................. 11 1.4.3. Según el Principio de Operación. .............................................................. 14. 1.5. Ventajas de los Dispositivos FACTS................................................................ 15. 1.6. Aplicación de los Dispositivos FACTS. ............................................................ 16. 1.7. Descripción General de los Compensadores. ................................................ 17. 1.7.1. Compensador Estático de Reactivos (SVC)............................................ 18. 1.7.2. Capacitor Serie Controlado por Tiristores (TCSC). ................................ 19. 1.7.3. Compensador Estático (STATCOM)......................................................... 20. 1.7.4. Compensador Serie Estático Síncrono (SSSC). ..................................... 22.

(6) iv 1.7.5. Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC). ............................ 23. 1.7.6. Sistema de Transmisión flexible en CA Distribuido (D-FACTS). ......... 24. 1.7.7. Compensador Estático Convertible (CSC). ............................................. 25. 1.7.8. Enlace de Corriente Directa a alto Voltaje (HVDC). ............................... 26. CAPÍTULO 2.. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA. .............. 28. 2.1. Transformador Desfasador Controlado por Tiristores (TCPST). ................. 28. 2.2. Controlador de Potencia entre Fases (IPC). ................................................... 29. 2.3. Controlador Unificado de Flujo de Potencia Generalizado (GUPFC). ........ 30. 2.4. Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas (IPFC). ................................... 31. 2.4.1 2.5. Principios y Características Operativas. ................................................... 31. Controlador Unificado del Flujo de Potencia (UPFC). ................................... 40. 2.5.1. Descripción y Principio de Operación del UPFC. ................................... 40. 2.5.2. Modos básicos de Operación del UPFC. ................................................. 42. 2.5.3. Capacidad de Control en la Transmisión de Potencia Convencional. 43. 2.5.4. Control Independiente del Flujo de Potencia Activa y Reactiva. .......... 47. 2.6. Validación del UPFC como el más importante. .............................................. 50. CAPÍTULO 3.. MODELACIÓN Y ANÁLISIS DEL CONTROLADOR UNIFICADO. DE FLUJO DE POTENCIA (UPFC). ............................................................................... 53 3.1. Bloques más Importantes del SimPowerSystems. ........................................ 53. 3.1.1. Fuente Programable de Voltaje (Programmable Voltage Source). ..... 53. 3.1.2. Rama RLC Serie Trifásica (Three-Phase Series RLC Branch)............ 56. 3.1.3. Fuente Trifásica (Three-Phase Source). .................................................. 57. 3.1.4. Carga Trifásica RLC Paralela (Three-Phase Parallel RLC Load). ....... 58. 3.2. Descripción del Modelo. ..................................................................................... 60. 3.3. Simulación del Control de Potencia con el empleo del UPFC. .................... 63.

(7) v CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 69 Conclusiones .................................................................................................................. 69 Recomendaciones ......................................................................................................... 71 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ 72 ANEXOS.

(8) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo natural de las poblaciones y de los países se ve reflejado en el crecimiento de los sistemas de potencia, que deben crecer de la mano con los cambios en la industria y en la humanidad misma. Así, las compañías de generación, de transmisión y de distribución de energía eléctrica han ido incrementando sus necesidades en términos de capacidad, confiabilidad y seguridad, para lo cual se requieren avanzadas tecnologías en protecciones, monitoreo y especialidad en control, en los grandes Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP). La estabilidad y la seguridad juegan un papel importante para garantizar una operación segura y confiable de los SEP. Mucho se ha estudiado y desarrollado en torno a las necesidades y actualmente éstos cuentan con sofisticados sistemas de control. En los últimos 25 años, con los grandes desarrollos en tecnologías de nuevos materiales, y por tanto en electrónica de potencia, han surgido nuevas alternativas para mejorar e incrementar el desempeño y la capacidad de los sistemas de transmisión de potencia. A esta alternativa se le conoce como Sistemas de Transmisión Flexibles en Corriente Alterna. El incremento de estabilidad y de versatilidad en el control de los SEP mediante la aplicación de los FACTS, sigue siendo un tema de actualidad. Las empresas de prestación de servicios de transmisión de energía pueden ver en los dispositivos FACTS respuestas a las cuestiones financieras y de mercado que demandan una operación más óptima y rentable del SEP. Ahora más que nunca, los avances tecnológicos son necesarios para la operación confiable y segura de.

(9) INTRODUCCIÓN. 2. los sistemas de potencia. Para alcanzar tanto la confiabilidad operacional como altos niveles de rentabilidad financiera es claro que se requiere un control y utilización más eficiente de la infraestructura del sistema existente y esto es posible en mayor medida con los equipos basados en electrónica de potencia. Los FACTS son herramientas que pueden proveer soluciones técnicas para resolver los nuevos retos de operación en los sistemas con mínimas inversiones en infra estructura (en proporción con las soluciones esperadas), con mínimo impacto ambiental y con mejores tiempos de implementación, comparados con la construcción de nuevas líneas de transmisión cuando se trata de grandes distancias, y se perfila como una característica fundamental de un sistema de potencia moderno. La situación problémica de este trabajo es la necesidad de conocer el funcionamiento de un modelo del Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC por sus siglas en inglés) en un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP). Esto conlleva al problema científico siguiente: ¿Por qué el Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC) es el dispositivo más versátil de los FACTS? El objeto de estudio de este trabajo es: la compensación con conexión conjunta de los dispositivos FACTS. Objetivo general. . Analizar los distintos controladores utilizados para la compensación conjunta y escoger el más importante para simular un modelo que utilice el programa Simulink del MATLAB.. Objetivos específicos. . Revisar la bibliografía relacionada con los distintos dispositivos FACTS empleados en los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP).. . Describir los compensadores con conexión conjunta, exponer principio de funcionamiento y características de los más importantes..

(10) INTRODUCCIÓN. . 3. Simulación mediante el Matlab-Simulink con la ayuda de las herramientas disponibles en el Toolbox SimPowerSystems del comportamiento ante distintas perturbaciones del compensador con conexión conjunta más importante.. . Expresar los resultados de la simulación.. En el capítulo 1 se dan a conocer diferentes aspectos de los FACTS, como su definición, ubicación, ventajas y aplicaciones. También se expone su clasificación de acuerdo a su conexión, tecnología y principio de operación. Otro aspecto es la descripción de los dispositivos más importantes dando a conocer su principal función dentro del SEP. En el capítulo 2 se analizan con mayor profundidad los compensadores de conexión conjunta dando a conocer lo más relevantes de alguno de ellos, haciendo énfasis en el IPFC y el UPFC y se da a conocer porqué el Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC) es el más importante. En el capítulo 3 se realiza una simulación del UPFC, donde primeramente se dan a conocer los bloques más significativos utilizados, se describe el modelo y se analizan los resultados obtenidos..

(11) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 4. CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 1.1 Sistemas Flexibles de Transmisión de C.A. (FACTS). El desarrollo de la electrónica de potencia ha conducido al desarrollo e implementación de dispositivos que realizan las mismas funciones que los mecánicos, pero con una mayor velocidad de operación y menos problemas técnicos. La filosofía de los sistemas de transmisión flexibles de C.A. (FACTS por sus siglas en inglés), desarrollada a finales de los 80s, es el uso de dispositivos basados en tiristores para controlar el flujo de potencia en una línea de transmisión, esto permite utilizar las líneas cerca de sus límites térmicos y/o forzar los flujos de potencia por rutas determinadas. Debido a la rapidez en su operación, estos dispositivos también pueden ser utilizados para controlar problemas dinámicos del sistema. De acuerdo al IEEE la definición de estos dispositivos es la siguiente [1]: “Sistema de transmisión de corriente alterna que incorpora controladores estáticos basados en electrónica de potencia para mejorar la controlabilidad e incrementar la capacidad de transferencia de potencia.” El concepto de FACTS fue introducido por Hingonari a la comunidad técnica en 1988 [2]. Este es un concepto nuevo, no obstante, incluye a los compensadores estáticos de VAR´s, los cuales han sido utilizados desde los años 70. De hecho, fueron utilizados por primera vez en el control de un sistema de transmisión de C.A. en 1978 [3] en un proyecto conjunto de EPRI y la Minnesota Power and Light. Sin embargo, para algunos controladores FACTS que están emergiendo.

(12) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 5. actualmente no se tiene la experiencia con la que se cuenta con otros dispositivos, teniendo como consecuencia los riesgos asociados a la nueva tecnología. A pesar de esto, la mayoría de los controladores FACTS tienen muchas características en común con aquellos que ya han sido probados, lo cual es un gran apoyo para la utilización de los mismos. La tecnología de FACTS abre nuevas oportunidades en el control de la potencia y el incremento de la capacidad disponible, ya que la posibilidad de controlar la corriente a través de una línea a un costo razonable, permite incrementar la capacidad de las líneas existentes. Esto se puede lograr debido a que estos dispositivos tienen la capacidad de manejar parámetros que actualmente restringen a los sistemas eléctricos de potencia (impedancia serie y shunt, ángulo de fase, oscilaciones a frecuencia subsíncronas), permitiendo además operar las líneas de transmisión cerca de sus límites térmicos, lo que anteriormente no era posible sin violar las restricciones de seguridad del sistema. Asimismo, el desarrollo de estos dispositivos también ha tenido repercusiones importantes en el aspecto económico de las compañías suministradoras, debido al ambiente competitivo actual (desregulación). El potencial de esta tecnología se basa en la posibilidad de controlar la ruta del flujo de potencia y la habilidad de conectar redes que no estén adecuadamente interconectadas, dando la posibilidad de comerciar energía entre agentes distantes, lo que antes era muy difícil. Los dispositivos FACTS han sido ampliamente estudiados tanto en su impacto directo sobre el sistema eléctrico de potencia como el económico, ya que estos influyen en los flujos de carga óptimos y en las restricciones de seguridad. Aun así, los dispositivos FACTS no son una tecnología ampliamente utilizada debido a su alto costo [4]..

(13) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 6. 1.2 Flujo de Potencia en un Sistema de C.A. Una de las características de los sistemas eléctricos de potencia, es que la energía eléctrica generada debe ser igual a la energía demandada, ya que la energía eléctrica no puede almacenarse. Si no se consigue este balance de energía en cada momento, se pueden presentar ciertos problemas. Por ejemplo, si la generación es menor que la carga, el voltaje y la frecuencia disminuirán y como consecuencia la carga será igual a la generación menos las pérdidas de transmisión. Cuando se tiene un balance generación-carga, la potencia real fluye de las áreas de generación a las áreas de carga a través de todas las rutas disponibles. El flujo de potencia entre dos puntos a través de una línea de transmisión sin pérdidas está dado por la ecuación:  sen( i   j )   Pij  ViV j    X ij  . (1). Donde: Vi = Voltaje en el nodo de envío. V j = Voltaje en el nodo receptor..  i = Ángulo en el nodo de envío.  j = Ángulo en el nodo receptor. X ij = Impedancia entre nodos.. La característica principal de los controladores FACTS, es la capacidad que tienen para modificar los parámetros del sistema, lo cual permite controlar el flujo de potencia, ya que: • Al controlar la impedancia de la línea X ij , se puede controlar la corriente, así como la potencia activa. • El control del ángulo, permite controlar el flujo de corriente..

(14) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 7. • Inyectar un voltaje en serie con la línea y ortogonal a la corriente, puede aumentar o disminuir la magnitud de la corriente. • Inyectar un voltaje en serie con la línea y con cualquier ángulo de fase, puede controlarla la magnitud y la fase de la corriente de línea y por lo tanto, se puede controlar la potencia real y reactiva de forma más precisa. • La combinación del control de la impedancia de línea con un controlador serie, y la regulación de voltaje con un controlador shunt puede ser una medida efectiva de controlar el flujo de potencia real y reactiva entre dos sistemas. El elemento básico de los FACTS es el tiristor. Esencialmente el tiristor es un conmutador controlado de silicio, con un ánodo, un cátodo y un terminal de control llamado compuerta. Existen dos tipos principales de tiristores: el Rectificador Controlado de Silicio (SCR), conocido también como tiristor convencional que tiene la capacidad de encendido mediante una señal adecuada, y el tiristor con capacidad de apagado (GTO) el cual puede encenderse y apagarse mediante señales adecuadas. Las ventajas que presenta el tiristor sobre los dispositivos de conmutación mecánica son: • Los tiristores son capaces de conmutar mucho más rápido y además se pueden utilizar para redireccionar la potencia en una fracción de ciclo. Esta ventaja permite amortiguar oscilaciones de potencia, lo cual no puede hacerse con controladores mecánicos. • Los dispositivos de conmutación mecánica tienden a desgastarse, mientras que los controladores basados en tiristores pueden conmutar dos veces cada ciclo sin deteriorarse. Los controladores basados en tiristores ofrecen oportunidades sin precedentes para regular la transmisión de C.A., incrementando o disminuyendo el flujo de potencia en líneas específicas y respondiendo de manera casi instantánea a los problemas de estabilidad..

(15) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 8. 1.3 Ubicación de los FACTS. Existen tres factores a considerar cuando se ha tomado la decisión de instalar un dispositivo FACTS: • El tipo de dispositivo. • La capacidad requerida. • La ubicación que optimice el funcionamiento del dispositivo. De estos factores, el último es de gran importancia, ya que la ubicación de los FACTS depende del efecto deseado y de las características propias del sistema. Por ejemplo, si se desea evitar el flujo en anillo, primero se tiene que identificar el anillo y después se debe ubicar el dispositivo en una de las líneas de transmisión de éste para forzar el flujo en la manera deseada. La diferencia entre una ruta directa y la determinada por la red se denomina "flujo en anillo", que se caracteriza por una circulación de potencia que disminuye la capacidad disponible de la línea. Ahora bien, si se desea mejorar la operación económica del sistema a incrementar la capacidad de transmisión de potencia, el dispositivo FACTS se puede ubicar en una línea subutilizada, aumentando el flujo a través de ella, o bien, colocarlo en la línea más cargada para limitar el flujo por la misma, permitiendo mayor flujo por el resto de sistema. Otro aspecto que hay que tomar en cuenta es la selección de las señales de retroalimentación para estos dispositivos, ya que ésta información es de vital importancia para el diseño de estabilizadores basados en dispositivos FACTS. El criterio para la selección ha sido la capacidad máxima de los estabilizadores para amortiguar las oscilaciones en el sistema de potencia. Sin embargo, para un buen diseño de los estabilizadores, además de la máxima eficiencia de los mismos, un factor relevante es la robustez de los estabilizadores a las condiciones de operación del sistema de potencia..

(16) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 9. Esto significa que en la etapa de selección de la localización y las señales de retroalimentación se debe examinar no sólo la efectividad de los estabilizadores en condiciones típicas de operación, sino también su robustez sobre otras condiciones de operación [5]. 1.4 Clasificación de los Equipos FACTS. 1.4.1 Según el tipo de Conexión. En general, según el tipo de conexión, los equipos FACTS se dividen en cuatro categorías [6]: • Controladores Serie: algunos controladores serie podrían ser impedancias variables, tales como capacitores, reactores, etc., o fuentes de frecuencia basadas en dispositivos de electrónica de potencia, que actúen bajo frecuencias fundamentales, armónicas o subarmónicas. En principio todos estos controladores inyectan tensión en serie con la línea: si su ángulo de fase está en cuadratura con la corriente, sólo afectará directamente al flujo de reactivos. Cualquier otro tipo de relación afectará al flujo de potencia activa (Figura 1.1, b). • Controladores Shunt: los controladores shunt pueden ser de tipo impedancia, de tipo fuente, o de alguna combinación entre éstos, de manera semejante como ocurre en los controladores serie. En principio inyectan flujos de corriente al sistema. Si su ángulo de fase está en cuadratura con el voltaje de línea entonces sólo afectará directamente al flujo de reactivos. Cualquier otra combinación afectará al flujo de potencia activa (Figura 1.1, c). • Controladores Combinados Serie-Serie: podría tratarse de una combinación de controladores serie separados, los cuales son controlados mediante un sistema de transmisión multilínea. Asimismo podría tratarse de un controlador unificado como el UPFC, donde controladores serie permiten un control de reactivos en la línea, y además transfieren potencia real entre las líneas mediante un cable de poder. Esta capacidad de transferencia de potencia permite balancear tanto el flujo de potencia activa como reactiva, logrando.

(17) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 10. maximizar la utilización de estos sistemas de transmisión. También son conocidos como Interline Power Flow Controller (Figura 1.1, d). • Controladores. Combinados. Serie-Shunt:. podría. tratarse. de. una. combinación entre un controlador serie y otro shunt, controlados en forma coordinada, o podría tratarse de un controlador unificado, inyectando corriente a la línea por el controlador shunt y tensión por el controlador serie. Sin embargo, debido a la conexión en continua, existe un intercambio real de potencia entre los controladores, pudiendo controlarse tanto la potencia activa como la reactiva (Figura 1.1, e, f y g).. Figura 1.1. Algunos tipos de controladores FACTS. Cada uno de los dispositivos mencionados presenta ciertas características operativas que hacen que tengan un impacto distinto en el sistema al cual se conectan. Por ejemplo, para propósitos de aplicación, como el control del flujo de potencia y el amortiguamiento de oscilaciones, un controlador serie puede ser.

(18) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 11. mejor que un controlador en derivación. Por otra parte, un controlador en derivación es mucho más efectivo para mantener el perfil de voltaje en un nodo. 1.4.2 Según el tipo de Tecnología utilizada para la Conmutación del Dispositivo. Una manera de clasificar los dispositivos FACTS es de acuerdo a la tecnología utilizada para la conmutación de los dispositivos, considerando esto se tienen dos categorías: • Controladores FACTS basados en tiristores convencionales. Esta clasificación comprende los siguientes dispositivos:  Reactor controlado por tiristores (TCR).  Compensador estático de VARs (SVC).  Compensador serie controlado por tiristores (TCSC). • Controladores. FACTS. basados. totalmente. en. dispositivos. semiconductores. En esta clase de FACTS se emplean dispositivos como (IGBT y GTO, por sus siglas en inglés), dentro de este grupo encontramos principalmente los siguientes elementos:  Compensador estático síncrono (STATCOM).  Compensador serie estático síncrono (SSSC).  Controlador unificado de flujos de potencia (UPFC). La principal diferencia entre estos grupos estriba en la capacidad para generar potencia reactiva e intercambiar potencia real. De tal forma que en el primer grupo, estas habilidades son excluyentes, ya que el SVC y el TCSC, son compensadores de reactivos pero no son capaces de intercambiar potencia real con el sistema, o en el caso del TCVR y TCPAR, los cuales pueden intercambiar potencia real o reactiva, pero no son capaces de generar potencia reactiva..

(19) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 12. El segundo grupo tiene la capacidad inherente, como una máquina síncrona, para intercambiar potencia real y reactiva con el sistema, además de generar o absorber de forma automática la potencia reactiva intercambiada, teniendo como consecuencia compensación reactiva sin capacitores o reactores de C.A. Sin embargo, la potencia real intercambiada se debe suministrar o absorber a través del sistema de C.A. Los dispositivos basados en electrónica de potencia presentan una gran diferencia en cuanto a velocidad de respuesta respecto a los dispositivos mecánicos, además de ganar repetitividad y suavidad en el control [7]. La Tabla 1.1 resume los principales dispositivos, de los cuales algunos aún están en etapa de desarrollo y experimentación [1]. Tabla. 1.1. Principales. dispositivos. FACTS. desarrollados. y. en. experimentación. Controladores FACTS. Atributos de Control. Compensador Estático Síncrono. Control de voltaje, compensación de VAR's,. (STATCOM sin. amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad. almacenamiento).. de voltaje.. Compensador Estático Síncrono. Control de voltaje, compensación de VAR's,. (STATCOM con. amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad. almacenamiento).. transitoria y dinámica, estabilidad de voltaje.. Compensador estático de VAR's (SVC, TCR, TCS, TRS).. Control de voltaje, compensación de VAR's, amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad de voltaje.. Resistencia de interrupción. Amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad. Controlada por tiristores (TCBR).. transitoria y dinámica.. Compensador serie estático. Control de corriente, amortiguamiento de. Síncrono (SSSC sin. oscilaciones, estabilidad transitoria y. almacenamiento).. dinámica, estabilidad de voltaje, limitación de.

(20) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 13. la corriente de falla. Compensador serie estático. Control de corriente, amortiguamiento de. Síncrono (SSSC con. oscilaciones, estabilidad transitoria y. almacenamiento).. dinámica, estabilidad de voltaje. Control de corriente, amortiguamiento de. Capacitor serie controlado por. oscilaciones, estabilidad transitoria y. Tiristores (TCSC, TSSC).. dinámica, estabilidad de voltaje, limitación de la corriente de falla. Control de corriente, amortiguamiento de. Reactor serie controlado por. oscilaciones, estabilidad transitoria y. Tiristores (TCSR, TSSR).. dinámica, estabilidad de voltaje, limitación de la corriente de falla.. Transformador cambiador de. Control de potencia activa, amortiguamiento. fase controlado por tiristores. de oscilaciones, estabilidad transitoria y. (TCPST o TCPR).. dinámica, estabilidad de voltaje. Control de potencia activa y reactiva, control. Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC).. de voltaje, compensación de VAR's, amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad transitoria y dinámica, estabilidad de voltaje, limitación de la corriente de falla.. Limitador de voltaje controlado por tiristores (TCVL).. Límite de voltaje dinámico y transitorio. Control de potencia reactiva, control de. Regulador de voltaje controlado. voltaje, amortiguamiento de oscilaciones,. por tiristores (TCVR).. estabilidad transitoria y dinámica, estabilidad de voltaje. Control de potencia reactiva, control de. Controlador de flujo de potencia. voltaje, amortiguamiento de oscilaciones,. interlínea (IPFC).. estabilidad transitoria y dinámica, estabilidad de voltaje..

(21) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 14. 1.4.3 Según el Principio de Operación. Si consideramos a los equipos FACTS según su principio de operación, es posible agruparlos en dos grandes grupos [6]: • Generadores Estáticos Sincrónicos (SSG): consisten en convertidores de potencia realizados con dispositivos estáticos, alimentados por una apropiada fuente de energía eléctrica, y operados para producir distintos voltajes fasoriales de salida. Estos pueden acoplarse a un sistema de potencia alterna con el fin de intercambiar en forma independiente potencia activa y reactiva. El UPFC forma parte del grupo de los SSG. • Compensadores Estáticos Variables (SVG): consisten en sistemas, equipos o mecanismos eléctricos realizados con dispositivos estáticos. Son capaces de absorber de forma controlada corriente capacitiva y/o inductiva de un sistema eléctrico de potencia, entregando o absorbiendo de este modo potencia reactiva. El SVC forma parte del grupo de los SVG. Otra posibilidad que poseen estos equipos es la utilización de fuentes de almacenamiento de energía no convencionales, como medio para interactuar activamente con el sistema eléctrico. En la Figura 4 pueden apreciarse conexiones de este tipo para distintas configuraciones. El IEEE PES entrega algunos acrónimos para los distintos métodos de almacenamiento de energía existentes, los cuales deben ser conectados al convertidor de potencia a través de una interfaz. La conexión del convertidor con el sistema eléctrico se realiza a través de inversores trifásicos [8]. Existen otros criterios para clasificar los dispositivos FACTS, como son: la frecuencia de conmutación, forma de almacenamiento de la energía y la presencia de enlaces de CD [9]..

(22) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 15. 1.5 Ventajas de los Dispositivos FACTS. La tecnología FACTS se basa en la idea de mejorar la utilización de las líneas de transmisión existentes, aumentando su capacidad mediante el control de los parámetros del sistema mediante dispositivos electrónicos [ 1 0 ] . Con la instalación de los dispositivos FACTS se pueden obtener los siguientes beneficios: • Control del flujo de potencia. El control del flujo de potencia puede realizarse, de acuerdo a. las necesidades de los proveedores, para obtener flujos. óptimos, atravesar condiciones de emergencia o una combinación de ambos. • Incrementar la cargabilidad de las líneas al aumentar su capacidad térmica. Esto se puede lograr superando otras limitaciones y compartiendo la potencia de las líneas según su capacidad. • Es también importante observar que la capacidad térmica de línea varía por. un. margen. muy. grande. dependiendo. de. las condiciones. ambientales. • Incrementa la seguridad del sistema a través del incremento de los límites de estabilidad, limitando las corrientes de corto circuito y sobrecargas. • Proporciona seguridad en las conexiones en líneas vecinas, de tal modo que disminuyan los requisitos de reserva total de la generación en ambos lados. • Provee una gran flexibilidad en los sitios de nueva generación. • Mejora en las líneas. • Reduce el flujo de potencia reactiva. • Reduce los flujos en lazo. Una propiedad única de los FACTS es la gran flexibilidad que presentan en los tres estados operativos del sistema de potencia: pre falla, falla y post falla. La capacidad para controlar transitorios y para impactar rápida y significativamente el estado de post falla los hace sumamente atractivos..

(23) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. Para. comparar. los. beneficios. que. pueden. traer. 16 algunos. dispositivos. compensadores se pueden utilizar los siguientes criterios [7]: • Estabilidad transitoria. • Amortiguamiento de oscilaciones. • Estabilidad de voltaje (largo plazo). • Estabilidad de voltaje (corto plazo). Generalmente estos criterios pueden ser calculados, lo que permite evaluar qué dispositivo es más adecuado para el sistema. 1.6 Aplicación de los Dispositivos FACTS. Los dispositivos FACTS han tenido aplicación mundial en los siguientes campos [11]: Cables Submarinos: Los cables tienen una capacitancia grande, por lo tanto los cables de CA requieren una corriente de carga grande (potencia reactiva), en una magnitud de orden mayor a la de las líneas áreas. La corriente de carga que fluye en los cables puede ser reducida solamente conectando inductores en derivación con el cable en intervalos de 15-20 kilómetros. En esta área, la tecnología de los FACTS (por ejemplo, el Controlador Unificado de Flujo de Potencia, UPFC) puede proporcionar una mejora controlando la magnitud de los voltajes para mantenerlos idénticos. De esta manera, la longitud útil del cable desde el punto de vista de la corriente de carga puede ser reducida a la mitad. Este acercamiento puede proporcionar una solución económica para las distancias submarinas. moderadas hasta cerca de 100 kilómetros, pero. para la transmisión interurbana la HVDC seguirá siendo indiscutida. Transmisión Aérea. a Grandes Distancias. Si la transmisión aérea es. suficientemente larga, digamos 1000 kilómetros, el ahorro en costos de capital y en pérdidas con una línea de la transmisión de C.C. pueden ser suficientes para.

(24) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 17. pagar dos convertidores, esta distancia se conoce como la distancia de rotura. Esta distancia de rotura está sujeta a muchos factores. Entre ellos se tienen el costo de la línea, el derecho de vía, la necesidad de tap`s a lo largo de la línea y a menudo el más importante, la política para obtener el permiso de construir la línea. Sin embargo, es importante reconocer que mientras que los FACTS pueden desempeñar un papel importante en un uso eficaz de la transmisión de CA, no tiene probablemente demasiada influencia en la distancia de rotura. Transmisión subterránea. Las distancias de rotura para HVDC (Enlace de Corriente Directa a Alto Voltaje) con líneas de 100 km hasta 1000 km, los costos son menores que para líneas aéreas. La transmisión de cable tiene un potencial significativo en la reducción de costos, tal como el costo de cables y el costo de las estructuras. Conexión de Sistemas de Corriente Alterna con diferentes frecuencias: Por razones históricas a lo largo del mundo existen frecuencias de 50 y 60Hz. La frecuencia de 60 Hz prevalece en los países americanos con la excepción de Argentina y Paraguay. Estos dos países y el resto del mundo operan a 50 Hz. Exceptuando a Japón el cual opera en 50 y 60Hz. la. tecnología. HVDC. para. enlazar. sistemas. de. Por lo cual se utiliza diferente frecuencia de. operación. 1.7 Descripción General de los Compensadores. Los. compensadores. nombrados,. tienen. diferentes. configuraciones. y. combinaciones de elementos inductores, capacitores, resistores, switches mecánicos, tiristores y otros elementos que permiten realizar la compensación de potencia al sistema. A continuación se realiza una breve descripción del funcionamiento de algunos dispositivos compensadores, así como su curva característica, topología y las variables que afectan en el sistema de potencia..

(25) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 18. 1.7.1 Compensador Estático de Reactivos (SVC). El compensador estático de reactivos (SVC, por sus siglas en inglés) en comparación con la compensación conmutada mecánicamente suministra un control más suave y preciso. Además puede mejorar la estabilidad de la red y puede ser adaptado instantáneamente a nuevas situaciones. Un SVC tiene la capacidad de suministrar rápida y continuamente la potencia reactiva requerida para el control dinámico de oscilaciones de voltaje para diferentes condiciones del sistema y por tanto mejora la estabilidad del sistema de transmisión y distribución [12]. Un SVC consiste principalmente de un conjunto de tiristores conectados en anti paralelo, reactores de núcleo de aire y capacitores de alta tensión en CA y de un transformador de potencia para alcanzar los niveles de tensión requeridos. La configuración del SVC puede ser básicamente basada en capacitores conmutados por tiristores (TSC, por sus siglas en inglés) y/o en reactores conmutados o controlados por tiristores (TSR/TCR, por sus siglas en inglés), como se muestra en la Figura 1.2.. Figura 1.2. Esquema de conexión de un SVC. En la Figura 1.3 se presenta el comportamiento del SVC, en donde la parte izquierda de la curva representa la inyección de reactivos hacia la red. Esto ocurre cuando el voltaje está por debajo de los límites establecidos y la parte derecha de la curva representa la absorción de reactivos del sistema. Se da cuando el voltaje está por encima de los límites establecidos..

(26) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 19. Figura 1.3. Curva característica de un SVC. 1.7.2 Capacitor Serie Controlado por Tiristores (TCSC). Los dispositivos serie normalmente compensan potencia activa, además tienen influencia sobre la impedancia efectiva de la red, la estabilidad y el flujo de potencia. Los dispositivos serie se implementan en la mayoría de los casos para mitigar oscilaciones entre áreas en el sistema eléctrico de potencia. El capacitor serie controlado por tiristores (TCSC, por sus siglas en inglés) incrementa el amortiguamiento de la red cuando varios sistemas de potencia de gran magnitud son interconectados. Además puede evitar la resonancia subsincrónica entre unidades de generación de plantas térmicas y líneas de transmisión con compensación serie. La curva característica de este dispositivo se muestra en la Figura 1.4..

(27) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 20. Figura 1.4. Curva característica de un TCSC. Principalmente el TCSC suministra amortiguamiento electromecánico entre sistemas de potencia de gran magnitud, cambiando la reactancia de una línea de transmisión específica. Además el TCSC cambia su impedancia (vista por la corriente de línea) para las frecuencias subsincrónicas, tal que se evite una probable resonancia subsincrónica. Un esquema de conexión para este compensador se muestra en la Figura 1.5.. Figura 1.5. Diagrama esquemático de un TCSC. 1.7.3 Compensador Estático (STATCOM). El compensador estático (STATCOM, por sus siglas en inglés) es un SVC implementado mediante una fuente convertidora de voltaje (VSC, por sus siglas en inglés), como se muestra en la Figura 1.6. Presenta un mejor desempeño hacia la red, en comparación con un SVC, ya que está en capacidad de mejorar la calidad de la potencia ante comportamientos anómalos en la red, como caídas de voltaje y.

(28) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. flickers [12]. Un STATCOM. 21. es implementado mediante dispositivos de. conmutación como tiristores de apagado por compuerta (GTO, por sus siglas en inglés), transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) o tiristores controlados mediante una compuerta integrada (IGCT, por sus siglas en inglés).. Figura 1.6. Diagrama esquemático de un STATCOM. La característica de operación del STATCOM se muestra en la Figura 1.7, la cual presenta limitaciones a bajo voltaje. Además la línea punteada representa una región de operación transitoria. Una de las ventajas de este dispositivo es la de poder suministrar potencia reactiva independientemente del voltaje en su punto de conexión, esto implica que el compensador entrega su máxima capacidad durante las peores contingencias de la red [12].. Figura 1.7. Curva característica de un STATCOM. Un STATCOM tiene la capacidad de regular el voltaje en un barraje, lo que implica que los transformadores con cambiadores de tomas no son usados con la misma frecuencia, esto reduce los costos de mantenimiento en este tipo de transformadores [13]. Este compensador es capaz de inyectar potencia reactiva a.

(29) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 22. la red por medio de la inyección de corriente (magnitud variable). El STATCOM requiere de un capacitor para mantener el voltaje en el inversor. El control del compensador se logra variando el ángulo de conmutación del dispositivo semiconductor para que la componente fundamental del voltaje generada por el inversor sea forzada a estar en atraso o adelanto respecto al voltaje del barraje al cual se encuentra conectado. Esta variación del ángulo de conmutación es de unos pocos grados, permitiendo que el flujo de potencia salga o entre al inversor [14]. 1.7.4 Compensador Serie Estático Síncrono (SSSC). El compensador serie estático síncrono (SSSC, por sus siglas en inglés) es un dispositivo compensador serie basado en una fuente convertidora de voltaje (VSC), como se muestra en la Figura 1.8. Es capaz de suministrar compensación inductiva o capacitiva independientemente de la corriente de la línea. El SSSC por lo general tiene la misma disposición electrónica que el STATCOM, a diferencia de que el SSSC es acoplado a la red a través de un transformador en serie a la línea de transmisión. El transformador serie tiene como función inyectar un voltaje en la línea en cuadratura con la corriente de la misma para incrementar o reducir la caída de voltaje por reactivos y de esta manera controlar la transferencia de potencia.. Figura 1.8. Diagrama esquemático de un SSSC. El capacitor de CD que posee el equipo sirve para mantener el voltaje de CD, permitiendo que aumente o disminuya la potencia transmitida a la línea a través de.

(30) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 23. una pequeña fracción de la potencia máxima independientemente del ángulo de fase. Debido a la capacidad de este dispositivo para generar o absorber reactivos, los sistemas de potencia cercanos son insensibles a resonancias subsincrónicas [15]. La configuración de este dispositivo es muy similar a la del STATCOM aunque en su implementación es más complicado debido al montaje requerido y a las protecciones necesarias, además su compensación está limitada a la capacidad de almacenamiento de energía del capacitor [12]. 1.7.5 Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC). El controlador unificado de flujo de potencia (UPFC, por sus siglas en inglés) permite controlar el flujo de potencia además de un control independiente de voltaje. La principal desventaja de este dispositivo es el alto costo de implementación. El UPFC está compuesto de un compensador estático (STATCOM) y un compensador estático serie (SSSC). Este dispositivo se comporta como un compensador en derivación y como un cambiador de fase. Está compuesto de un transformador en serie y uno en derivación, ambos conectados a fuentes convertidores de voltaje con un enlace de CD en común, como se muestra en la Figura 1.9 [12].. Figura 1.9. Esquema de un UPFC. El convertidor conectado en derivación se utiliza para suministrar la potencia real demandada por el convertidor serie a través del enlace de CD. La potencia real intercambiada está determinada por la diferencia angular del voltaje del convertidor y el voltaje del sistema de CA. El convertidor en derivación también.

(31) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 24. puede generar o absorber potencia reactiva en sus terminales de CA, por lo tanto, también puede ejecutar las funciones de un compensador estático de reactivos [16]. El convertidor serie inyecta un voltaje de magnitud y ángulo controlable en serie con la línea a través de un transformador de acoplamiento. Este voltaje de CA se produce por la conmutación de tiristores alimentados con CD desde el capacitor de enlace [16]. Debido a que el UPFC es una combinación del STATCOM y del SSSC, el modelo es obtenido también como una combinación de estos dos compensadores [17], [18], [15]. La estructura de control para estos dispositivos es más compleja ya que debe coordinar el tipo de compensación requerido por la red, debido a que el compensador está en capacidad de impactar el voltaje, la corriente y la fase del sistema de potencia [16]. 1.7.6 Sistema de Transmisión flexible en CA Distribuido (D-FACTS). Un sistema de transmisión flexible en CA distribuido (D-.FACTS, por sus siglas en inglés) es un dispositivo de menor capacidad que un FACTS convencional [19], estos se instalan en la línea de transmisión como se muestra en la Figura 1.10.. Figura 1.10. Esquema de conexión de un D-.FACTS. Estos dispositivos controlan la impedancia de la línea de transmisión aumentando o disminuyendo la impedancia de la misma, o en caso de requerirse no afecta la impedancia de la línea. Este tipo de dispositivos presentan un costo más atractivo.

(32) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 25. ya que la electrónica que requieren manejar es mucho menos robusta que la de un FACTS convencional. Los D-FACTS presentan una alta confiabilidad. La forma en que el dispositivo controla el flujo de potencia es a través de una inductancia variable (AVI, por sus siglas en inglés) [19]. Un esquema general de este tipo de compensador se muestra en la Figura 1.11.. Figura 1.11. Diagrama de bloques de un D-.FACTS. El controlador del D-FACTS hace que el puerto conozca la relación entre el voltaje y la corriente o entre el flujo y la corriente de la inductancia mediante el control del inversor. De esta forma un puerto es equivalente a una inductancia. El dispositivo posee un filtro para eliminar los armónicos producidos por los dispositivos de conmutación del inversor. 1.7.7 Compensador Estático Convertible (CSC). El compensador estático convertible (CSC, por sus siglas en inglés) tiene como objetivo controlar el flujo de potencia entre varias líneas, mientras que otros dispositivos de compensación (UPFC, SSSC, entre otros) controlan el flujo de potencia de una línea de transmisión [12]. Dentro de esta categoría están el controlador generalizado de flujo de potencia unificado (GUPFC, por sus siglas en inglés), el cual combina un convertidor en derivación y dos o más convertidores en serie (Figura 1.12 a) y el controlador de flujo de potencia entre líneas (IPFC, por sus siglas en inglés), que se compone de dos o más convertidores serie (Figura 1.12 b)..

(33) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 26. Figura 1.12. a) Esquema de un GUPFC, b) Esquema de un IPFC. 1.7.8 Enlace de Corriente Directa a alto Voltaje (HVDC). Con un dispositivo back to back se puede controlar y limitar el flujo de potencia sobre una línea. Este tipo de dispositivos no pueden ser sobrecargados. Pueden funcionar aun cuando hay pérdidas de líneas por sobrecarga. Los sistemas HVDC back to back con convertidores basados en tiristores, necesitan de filtros (ocupando grandes espacios) para reducir la distorsión armónica. La potencia reactiva no es controlada. Este tipo de dispositivos son usados para acoplar redes que no están en sincronismo o para transmitir potencia en líneas de transmisión muy largas. También se encuentran dispositivos HVDC basados en fuentes convertidores de voltaje (VSC), los cuales pueden beneficiar redes en sincronismo. Estos dejan un menor rastro en la red y permiten el control del voltaje, además pueden operar como dos STATCOM [12]. Un esquema de este tipo de dispositivos es mostrado en la Figura 1.13.. Figura 1.13. Esquema de un HVDC..

(34) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS FACTS.. 27. Un sistema HVDC permite el control del flujo de potencia sin ningún tipo de acople con la frecuencia. Un sistema HVDC basado en tiristores sólo controla potencia activa, mientras que los basados en fuentes convertidores de voltaje permiten además un control independiente de la potencia reactiva, mejora el control del voltaje, la estabilidad y el control dinámico del flujo de potencia [12]..

(35) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS. FACTS. CON. 28. CONEXIÓN. CONJUNTA.. Aunque son varios los dispositivos FACTS que se encuentran bajo investigación y que combinan las ventajas de los dispositivos serie y paralelo buscando mejores prestaciones técnicas y financieras en su aplicación en un SEP, en este capítulo se mencionan los más relevantes haciendo énfasis en el IPFC y el UPFC. Los controladores de conexión conjunta son muy útiles para el control de potencia activa y reactiva, control de voltaje, compensación de VAR's, amortiguamiento de oscilaciones, estabilidad transitoria y dinámica, estabilidad de voltaje y limitación de la corriente de falla. Estos dispositivos pueden ser de conexión serie-serie y de conexión serie-paralelo. Entre los de conexión serie-serie se destaca el Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas (IPFC, por sus siglas en inglés), el cual puede controlar los flujos de dos o más líneas. Entre los de conexión serieparalelo el más conocido es el Controlador Unificado del Flujo de Potencia (UPFC, por sus siglas en inglés), el cual presenta ventajas comparativas sobre los controladores convencionales. 2.1. Transformador Desfasador Controlado por Tiristores (TCPST).. El Transformador Desfasador Controlado por Tiristores (TCPST, por sus siglas en inglés) es un transformador desfasador ajustado por la conmutación de tiristores para proveer una variación rápida del ángulo de fase. En general el desplazamiento de fase se obtiene mediante la adición de un vector de tensión perpendicular acoplado en serie con cada una de las fases. Este vector se obtiene desde las otras dos fases mediante un transformador conectado en paralelo.

(36) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 29. (Figura 2.1).. Figura 2.1. Transformador desfasador controlado por tiristores (TCPST) o Regulador del ángulo de fase controlado por tiristores (TCPAR). La tensión serie perpendicular se puede variar mediante la utilización de componentes electrónicos de potencia. La utilización de circuitos que tienen la posibilidad de invertir la tensión, puede originar desplazamiento de fase en otras direcciones. Este controlador se lo denomina también como Regulador del ángulo de fase controlado por tiristores (TCPAR). 2.2. Controlador de Potencia entre Fases (IPC).. Es un controlador de potencia activa y reactiva conectado en serie, el cual posee en cada fase ramas inductivas y capacitivas para controlar separadamente el desplazamiento del ángulo de las tensiones. La potencia activa y reactiva se puede fijar independientemente para ajustar el desplazamiento de fase y/o la impedancia de rama, utilizando una conmutación mecánica o electrónica. En el caso particular donde la impedancia inductiva y capacitiva forman un par conjugado, cada terminal del IPC es una fuente de corriente pasiva dependiente de la tensión en el otro terminal. Este componente se basa en el amplio concepto del controlador serie, el cual puede diseñarse para efectuar el control de la potencia activa y reactiva..

(37) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 2.3. 30. Controlador Unificado de Flujo de Potencia Generalizado (GUPFC).. El Controlador Unificado de Flujo de Potencia Generalizado (GUPFC, por sus siglas en inglés), propuesto por Gyugyi y colaboradores en 1998 [20], combina tres o más convertidores series y paralelos trabajando juntos. Esto se hace con el objetivo de incrementar las ventajas del control de voltaje y del control de flujo de potencia que se pueden lograr con el de dos convertidores UPFC, pero a diferencia de este el GUPFC es un dispositivo teórico. El más simple tiene tres convertidores, como se muestra en la Figura 2.2. Uno de los tres convertidores está en paralelo con un nodo y los otros dos están en serie. Los tres conectados a través de transformadores a dos líneas de transmisión, conectados todos en una subestación.. Figura 2.2. Principio operacional del dispositivo GUPFC de tres convertidores. La arquitectura de un GUPFC, indicada en la Figura 2.2, provee al sistema control total sobre cinco cantidades del sistema de potencia, incluyendo la magnitud del voltaje en el nodo i y los flujos de potencia activa y reactiva independientes en las dos líneas [21]. Mientras más convertidores en serie se incluyan, más grados de libertad de control se introducirán y, de esta manera, se puede lograr una mayor cantidad de objetos de control. Puede intercambiarse potencia activa entre los convertidores serie y paralelo a.

(38) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 31. través del enlace común de CD. Si se desprecian las pérdidas en los convertidores, la suma de potencia activa intercambiada entre los conversores debe ser cero. Está claro que el GUPFC puede representarse como la combinación de un UPFC y un IPFC, obteniéndose de esta manera un controlador con las características y ventajas de estos dos dispositivos FACTS. 2.4. Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas (IPFC).. El Controlador de Flujo de Potencia interlíneas (IPFC, por sus siglas en inglés), fue propuesto por Gyugyi, Sen y Schauder (1998) [1], cuyo objetivo es compensar varias líneas de transmisión en una Subestación (multilínea) dada. El esquema de este controlador, junto con la compensación serie reactiva controlable en forma independiente de cada línea, provee una capacidad para transferir potencia activa directamente entre las líneas compensadas [22]. Esto hace posible:  Igualar el flujo de potencia activa y reactiva entre las líneas.  Reducir la carga en las líneas sobrecargadas por medio de la transferencia de potencia activa Compensar contra las caídas de voltaje resistivas en la línea y la demanda de potencia reactiva correspondiente.  Incrementar la efectividad del sistema de compensación global cuando hay perturbaciones dinámicas. 2.4.1 Principios y Características Operativas. El controlador de Flujo de Potencia interlinea emplea varios convertidores CA-CD, donde cada uno provee compensación en serie para una línea diferente. Lo que significa que el IPFC posee varios Compensadores Sincrónicos Estáticos en Serie. No obstante, los convertidores de compensación son enlazados a través de los terminales de CD, tal como se ilustra en la Figura 2.3..

(39) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 32. Figura 2.3. Convertidores para el control del flujo de potencia interlínea. Con este esquema se puede controlar cualquier convertidor para suministrar potencia activa al enlace común en CD desde su propia línea de transmisión. Además, provee compensación reactiva en serie. Un IPFC elemental consiste de dos convertidores CA-CD conectados back-toback, cada uno compensando una línea de transmisión por medio de la inyección de voltaje en serie. Este esquema funcional es mostrado en la Figura 2.4, donde dos fuentes sincrónicas de voltaje con los fasores V1pq y V2pq en serie con las líneas de transmisión 1 y 2, representan dos convertidores CA-CD conectados back-to-back.. Figura 2.4. Controlador de Flujo de Potencia Interlínea con dos convertidores..

(40) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 33. El enlace común de CD está representado por medio de un enlace bidireccional para el intercambio de potencia activa entre las dos fuentes de voltaje. La línea de transmisión 1, representada mediante la reactancia X1, tiene una barra en el extremo emisor con un fasor de voltaje V1s y en la barra del extremo receptor con el fasor de voltaje V1r. El fasor de voltaje del extremo emisor de la línea 2, representada mediante la reactancia X2 es V2s, y el fasor de voltaje en el extremo receptor es V2r. Por conveniencia, se asume que todos los voltajes en el extremo emisor y en el extremo receptor son constantes y con amplitudes fijas ( V1s  V1r  V2 s  V2 s  1.0 p.u.). También con ángulos fijos ( 1   2  30 ) que resultan en ángulos de transmisión idénticos para los dos sistemas. Las dos fuentes de compensación de voltaje y las dos impedancias de las líneas también se asumen idénticas, esto es: V1 pqm  V2 pq max y X 1  X 2  0.5 p.u., respectivamente. Para establecer las relaciones de transmisión entre los dos sistemas, se selecciona el sistema 1 como referencia, el cual poseerá una controlabilidad libre tanto del flujo de potencia activa como reactiva de la línea. En la Figura 2.5 se muestra un diagrama fasorial del sistema 1, definiendo la relación entre V1s, V1r, VX1 (fasor de voltaje a través de la impedancia X1) y el fasor de voltaje insertado V1pq; con una magnitud controlable entre 0 y V1pqmáx y un ángulo entre 0 y 360º. En la Figura 2.6 se puede observar la variación de P1r y Q1r junto con la rotación V1pqmáx, ilustrado en el plano {P1r, Q1r}. Al seleccionar el ángulo de transmisión. 1  30 el Sistema 1 no compensado ( V1 pq  0 ) transmite una potencia activa Pr 30  1.0 p.u. y absorbe una potencia reactiva Qr 30  0.268 p.u. al extremo receptor. La rotación de V1pqmáx sobre los 360º produce un lugar geométrico circular para P1r y Q1r con un radio de. P   Q  2. 1 pq. 2. 1 pq.  0.5 p.u. con un centro.

(41) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 34. definido mediante las coordenadas Pr 30  1.0 p.u. y Qr 30  0.268 p.u. en el plano {P1r, Q1r}.. Figura 2.5. Diagrama fasorial del sistema de referencia del IPFC.. Figura 2.6. Variación de la potencia activa y reactiva en el extremo emisor y receptor en función de la compensación de voltaje inyectado. El lugar geométrico circular representado en la Figura 2.6 ilustra el límite para el rango del control bidimensional. Dentro de este rango está disponible cualquiera de los valores correspondientes a P1r y Q1r, logrados mediante la fijación apropiada de la magnitud V1pq y el ángulo ρ1pq. La compensación del sistema 1 descrito anteriormente es idéntica al que caracteriza la operación del UPFC. No obstante, en el caso del UPFC la potencia.

(42) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 35. activa intercambiada a través de la inserción de voltaje en serie se suministra a través de un convertidor conectado en derivación desde la barra del extremo emisor. En el caso del IPFC, la potencia activa se obtiene de la otra línea a través del convertidor de compensación conectado en serie a la línea. Con el fin de establecer un rango de compensación para la línea 2, debido a los constreñimientos impuestos por la compensación no restringida de la línea 1, la potencia de compensación provista por la línea 1 es descompuesta en una componente de potencia reactiva Q1pq y una componente de potencia activa P1pq. En los extremos, el fasor de voltaje inyectado V1pq se descompone en una componente en cuadratura (V1q) y una componente en fase (V1p) con la corriente de la línea. El producto de estos con la corriente de la línea define a P1pq y Q1pq. La componente. Q1pq. generada. internamente. por. el. convertidor. 1. provee. compensación reactiva en serie para la línea 1. La componente P1pq provee compensación de potencia activa para la línea 1, pero esta potencia debe ser suministrada por el convertidor 1 por medio del convertidor 2 desde la línea 2. Se puede demostrar que dentro de la región operativa circular del fasor de voltaje inyectado, la magnitud de V1pq es controlada sobre un rango de ángulo ρ. Esto para que su extremo se mantenga en una trayectoria en línea recta (línea de compensación de voltaje) paralela a la línea que conecta los fasores en los extremos emisor y receptor (línea de compensación de voltaje reactivo), tal como se ilustra a la izquierda de la Figura 2.6. En consecuencia, la componente de V1pq en fase con la corriente de la línea, resultará en una demanda de potencia activa constante (la que debe suplir ó absorber el convertidor) independiente del ángulo ρ. Esto significa, que dentro de la región de operación de V1pq, la compensación reactiva es variable a lo largo de una "línea de compensación de voltaje", independiente de la compensación de potencia activa. La demanda de potencia activa, por definición, es cero cuando la trayectoria de V1pq coincide con la "línea de compensación de voltaje reactivo" (esto es, cuando.

(43) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 36. V1 p  0 ), lo que divide la región operativa circular en dos mitades iguales. Una cantidad del incremento de potencia activa se suministrará al sistema 1, a medida que la línea de compensación varía, por encima de la "línea de compensación de voltaje reactivo" en la mitad superior de la región de control. Inversamente, el aumento de potencia activa variará por debajo de la "línea de compensación de voltaje reactivo" en la mitad inferior de la región de compensación. Con respecto al esquema del IPFC mostrado en la Figura 2.4 se puede concluir que el punto operativo del convertidor 1 que compensa el sistema de referencia, siempre se puede considerar un punto particular de la "línea de compensación de voltaje". En consecuencia, el punto correspondiente sobre la línea de control que relaciona a P1r y Q1r, sobre el plano {P1r, Q1r} define la potencia activa y reactiva resultante en la línea de transmisión. En General, para un punto operativo seleccionado el convertidor 1 tiene que intercambiar potencia, tanto activa como reactiva en la línea 1. Sin embargo, el convertidor genera internamente solo potencia reactiva y esta es suministrada por el intercambio de potencia activa. La demanda de potencia activa se mantiene constante, mientras que la potencia reactiva generada varía internamente a medida que cambia el punto operativo del convertidor a lo largo de la "línea de compensación de voltaje". Al variar el punto operativo (esto es con la compensación reactiva variable resultante) la potencia activa y reactiva del extremo receptor se mueve a lo largo de la línea de control P1r y Q1r sobre el plano {P1r, Q1r}, variando principalmente la potencia activa transmitida P1r. Si se mueve el punto operativo desde una "línea de compensación de voltaje" a otra, varía la demanda de potencia activa del convertidor, cambia la potencia activa y reactiva resultante del extremo receptor de la línea de control P1r y Q1r paralela al plano {P1r, Q1r} y varía principalmente la potencia reactiva Q1r de la línea. Por esta razón, se deduce que con el propósito de satisfacer la demanda de potencia reactiva del convertidor 1 operando a lo largo de una "línea de compensación de voltaje" seleccionada, el convertidor 2 debe operar a lo largo de.

(44) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 37. una "línea de compensación de voltaje" complementaria, con el fin de suministrar la potencia activa exigida desde la línea 2 a través del enlace en CD común para el convertidor 1. En otras palabras, se debe satisfacer continuamente siguiente la relación:. P2 pq   P1 pq. ó. V2 pq  cos 2 pq  V1 pq  cos 1 pq. (2.1). Donde: ψ1pq y ψ2pq son los ángulos entre los voltajes inyectados y la corriente de la línea (esto es: entre V2pq e I2 y entre V1pq e I2, respectivamente). En la práctica esta condición debe ser satisfecha controlando el convertidor 2, para mantener el voltaje en el enlace de CD común frente a la demanda de potencia activa variable del convertidor 1. La operación de los dos convertidores en el IPFC se ilustra en la Figura 2.7 con la ayuda de la “compensación complementaria de voltaje" y las líneas de control P1r y Q1r. En el convertidor 1 son ubicados tres puntos operativos en una de las "líneas de compensación de voltaje" seleccionada en forma arbitraria en el sistema 1.. Figura 2.7. Operación de dos Convertidores en un IPFC..

(45) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 38. En la Figura 2.7 se resumen las relaciones establecidas para los dos convertidores, donde se muestran dos diagramas fasoriales junto con los gráficos Pr vs. Qr caracterizando el sistema de potencia de dos líneas. También, se ilustran las "líneas de compensación de voltaje" complementarias, con la relación complementaria de las líneas Pr vs. Qr en las dos regiones de control, incluyendo aquella compensación puramente activa y puramente reactiva. Según la simetría establecida entre los dos sistemas, se desprende que el punto operativo del convertidor 2 se puede cambiar libremente a lo largo de la "línea de transmisión de voltaje" sin cambiar el flujo de potencia activa entre los dos convertidores. La inspección de los diagramas vectoriales a la izquierda de la Figura 2.4 muestra la trayectoria del fasor V1p. El centro de este arco está en un punto medio entre los fasores de voltaje de los extremos emisor y receptor. Se deduce entonces, que si la trayectoria del fasor de voltaje inyectado Vpq coincide con el arco definido anteriormente (esto es, si los puntos operativos del convertidor en compensación se restringen a este arco), entonces el convertidor solo provee compensación de potencia activa y la potencia reactiva intercambiada con la línea de transmisión es cero ( Q pq  0 ). Tal como se ilustra en la Figura 2.7, las "líneas de compensación de voltaje" están ubicadas simétricamente por encima y por debajo de las dos "líneas de compensación de voltaje reactivo" ( V1 p  0 y V2 p  0 ). De igual forma, las líneas complementarias de control Pr vs. Qr están ubicadas simétricamente por encima y por debajo de la línea de compensación puramente reactiva en la región de control circular del plano {P1r, Q1r}. Como se puede observar que las líneas complementarias de los dos sistemas deben estar en las dos mitades opuestas (arriba vs. debajo) de la región de control y compensación. Las líneas muestran claramente el significado de la restricción P2 pq   P1 pq para el esquema IPFC de los dos convertidores considerados. Solo en uno de los dos sistemas (sistema primario) es posible controlar el flujo de.

(46) CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS FACTS CON CONEXIÓN CONJUNTA.. 39. potencia reactiva y activa. En el otro solo se puede controlar el flujo de potencia activa dentro de los límites definidos mediante la compensación reactiva disponible, mientras que la potencia reactiva prevaleciente resulta afectada por la demanda de potencia activa del sistema de referencia. En los esquemas el ángulo de transmisión es fijado en 30º para ambos sistemas de potencia. El centro del lugar geométrico circular que define la región del control Pr vs. Qr está en las coordenadas Pro y Qro caracterizando el sistema de potencia no compensado a un ángulo de transmisión dado. En el sistema 1 de la Figura 2.8 la variación del ángulo δ1 mueve a P1ro y Q1ro en un lugar geométrico cuyo centro está en P1r  0 y Q1r  2.0 en el plano {P1r, Q1r}. En consecuencia, el centro del círculo límite de la región de control P1r vs. Q1r en el plano {P1r, Q1r} también se mueve a lo largo de este lugar geométrico circular, con la variación de δ1 = 0º, 30º y 60º. La corriente en la línea disminuye debido a la disminución del ángulo de transmisión y a la impedancia de compensación fija. Esto quiere decir que la potencia activa que intercambia el convertidor conectado en serie (con una especificación de voltaje fijo) con la línea no compensada disminuye.. Figura 2.8. Relación entre el ángulo de transmisión δ1 y la compensación en la región del plano {P1r, j Q1r}..