Criterios para la selección de filtros de armónicos en una planta industrial

(1)

FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE FILTROS DE

ARMÓNICOS EN UNA PLANTA INDUSTRIAL

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO ELÉCTRICISTA

PRESENTADO POR:

HENRY JONATHAN ALARCÓN CUBAS

PROMOCIÓN

2008-11

LIMA-PERÚ

(2)

(3)

(4)

El presente trabajo está dirigido principalmente a qmenes se m1c1an en la especialidad de Calidad de la Energía, específicamente en el análisis de armónicos en sistemas eléctricos de potencia, en él se muestra la metodología para la evaluación y selección del filtro pasivo óptimo para una Planta Industrial.

En ese sentido el Informe "Criterios de Selección de Filtros para armónicos en una Planta Industrial" se distribuye en los siguientes capítulos.

En el primer capítulo se desarrolla el planeamiento de la ingeniería del problema, abarcando la descripción y evaluación del mismo, así como los objetivos, limitaciones y síntesis del trabajo.

En el segundo capítulo se desarrolla el marco teórico conceptual, en el cual se mencionan los antecedentes del problema, la definición de los términos empleados y las bases teóricas donde se describen los fundamentos, efectos, mitigación y límites de la distorsión armónica.

En el tercer capítulo se plantea la metodología para la solución del problema, en el cual se describen la implementación y modelamiento en el software DlgSILENT Power Factory de la red equivalente y de cada uno de los elementos que conforman la Planta Industrial. Asimismo se describen y modelan también las alternativas propuestas para la solución del problema en el mencionado software de simulación.

En el cuarto capítulo se desarrollan los análisis de flujo de potencia, flujo de armónicos y barrido de frecuencia mostrando los resultados obtenidos para cada una de las alternativas propuestas, en las cuales se verifica el cumplimiento del IEEE Std 519-1992 "Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems" y del IEEE Std 18-2002 "Standard Shunt Power Capacitors" para así determinar el filtro óptimo conjuntamente con las especificaciones técnicas del mismo.

(5)

,

INTRODUCCION ... 1

CAPITULO I ···�··· 2

PLANEAMIENTO DE INGENIERÍA DEL PROBLEMA ... 2

1.1 Descripción del Problema ... 2

1.1.1 Análisis de Flujo de Potencia - Planta Industrial.. ... 5

1.1.2 Análisis de Flujo Armónico - Planta Industrial ... 1 O 1.1.3 Análisis de Flujo de Potencia - Planta Industrial con Banco de Capacitores ... 17

1.1.4 Análisis de Flujo Armónico - Planta Industrial con Banco de Capacitores ... 22

1.1.5 Barrido de Frecuencia - Planta Industrial con Banco de Capacitores ... 28

1.2 Objetivos del Trabajo ... 38

1.3 Evaluación del Problema ... 38

1.4 Limitaciones del Trabajo ... 38

1.5 Síntesis del Trabajo ... 38

, CAPITULO 11 ... 39

MARCO TEORICO CONCEPTUAL ... 39

2.1 Antecedentes del Problema ... 39

2.2 Definiciones Básicas ... 39

2.3. Base teórica sobre los armónicos ... 42

2.3.1 Fundamentos de armónicos ... 42

2.3.2 Armónicos en Sistemas de Potencia ... 56

2.3.3 Efectos de distorsión armónica en Sistemas de Potencia ... 61

2.3.4 Mitigación de armónicos en Sistemas de Potencia ... 66

2.3.5 Límites de distorsión armónica ... 73

CAPITULO 111 ...•... 83

METODOLOGÍA PARA LA SOLUCIÓN DEL PROBLEMA ... 83

3 .1 Planteamiento de la Metodología ... 83

3 .2.1 Cálculo de parámetros eléctricos para la red equivalente del SEIN ... 84

(6)

3.1.3 Implementación de los modelos de la red equivalente y componentes de la Planta

Industrial en el software DlgSILENT Power Factory ... 87

3.2 Alternativas para la Solución del Problema ... 96

3.2.1 Implementación de Filtros Pasivos ... 98

3.3 Solución del problema ... 113

, . CAPITULO IV ... 114

ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ... 114

4.1 Análisis de las alternativas de solución ... 114

4.1.1 Alternativa Nº_{l: Banco de Capacitores tipo Filtro Sintonizado Simple ... 114}

4.1.2 Alternativa Nº_{2: Banco de Capacitores tipo Filtro Amortiguado de 2do Orden ... 135}

4.1.3 Alternativa Nº_{3: Banco de Capacitores tipo Filtro C ... 156}

4.2 Comparación de Resultados ... 177

4.3 Selección de la alternativa óptima ... 180

4.4 Especificaciones técnicas del filtro seleccionado ... 181

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 190

(7)

La conexión de una Planta Industrial en particular, cuyo equipamiento no cuente con filtros de armónicos propios originaría una vez en operación, distorsión en las formas de onda de tensión y corriente generando a su vez el no cumplimiento de la NTCSE en su punto de conexión. De no mitigar dichos efectos se ocasionaría a su vez efectos eléctricos, tales como el aumento de pérdidas de potencia activa, sobretensiones en bancos de capacitores existentes, mal funcionamiento de las protecciones, daños en los aislamientos, deterioro de dieléctricos y disminución de la vida útil de los equipos por citar algunos ejemplos. Asimismo las distorsiones armónicas provenientes de Plantas Industriales generan un bajo factor de potencia en su punto de conexión, por lo que es necesario plantear alternativas que permitan corregir dicho factor de potencia, como por ejemplo el de realizar compensación reactiva en un puntos estratégicos. Por ello, con la finalidad de determinar la alternativa que nos permita atenuar las distorsiones armónicas dentro de los límites establecidos por el IEEE Std 519-1992 [8] , se plantea como alternativa la conexión de filtros armónicos que garanticen que las magnitudes de los armónicos tensión y corriente y el THD(V,I) satisfagan las características de equipos estandarizados y que los efectos de armónicos no filtrados sean tolerables.

(8)

1.1 Descripción del Problema

La conexión de una Planta Industrial al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) de las proporciones de plantas como ANTAMINA o YANACOCHA conllevan a realizar estudios eléctricos, tales como flujo de potencia, cálculo de cortocircuito, coordinación de protecciones, medición y análisis de armónicos. Dichos estudios conforman la estructura principal de un Estudio de Operatividad, el cual tiene como objetivo demostrar el efecto de las nuevas instalaciones sobre el SEIN y definir los ajustes para el sistema de protecciones. Los estudios eléctricos mencionados se describen brevemente a continuación:

• El flujo de potencia se requerirá para determinar perfiles de tensión y probables sobrecargas de líneas de transmisión o transformadores de potencia en la zona de influencia antes y después del ingreso de la Planta Industrial.

• _{El cálculo de cortocircuito se requerirá para proponer capacidades de ruptura nominal} en los nuevos equipos de la Planta Industrial y para verificar que ante el ingreso de dicha Planta Industrial, el nivel de cortocircuito de las barras existentes no supere la capacidad de ruptura nominal de los equipos existentes de maniobra y protección. • La coordinación de protecciones se elaborará bajo los lineamientos establecidos en el

documento "Criterios de Ajustes y Coordinación de los Sistemas de Protección del SEIN", el cual deberá verificar que los equipos de protección de la Planta Industrial coordinen con los ajustes de las protecciones en las instalaciones ubicadas dentro de la zona de influencia de la Planta Industrial.

(9)

r---� SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL

Red Equivalente

Piura Oeste 220

r---

---�

1 1 1

Barra 22kV

Fuente OC1

TRAFO1 220/22kV 45MVA

12 Pulsos

CONVERTIDOR Tipo: 12 Pulsos

Barra 220kV

Motor

MOTOR

PLANTA INDUSTRIAL

TRAFO2 220/22kV 45MVA

Carga Pasiva

CARGA

Fig. 1.1 - Diagrama Unifilar de la Planta Industrial en estudio en particular 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

(10)

Las características de la red equivalente y componentes de la Planta Industrial son mostradas a continuación:

Red Equivalente: Tensión: 220k V

Nivel de Cortocircuito:

Los valores mostrados corresponden a la máxima y mínima corriente de cortocircuito TABLA Nº_{l.1 Máxima Corriente de Cortocircuito Barra Piura Oeste 220kV}

Skss (MVA) 1213.278 Ikss (kA) 3.184

R/X 9.046

TABLA Nº_{l.2 Mínima Corriente de Cortocircuito Barra Piura Oeste 220kV}

Línea de Transmisión: Nivel de Tensión: 220kV Longitud: 10km

Skss (MVA) Ikss (kA) R/X

Capacidad de Transmisión: 90MW Tipo de Conductor: AAAC 400mm2 Simple Tema

Transformador:

Nivel de Tensión: 220/22kV Potencia: 2x45MVA

Impedancia: ZT = _{O .3 8+j 11. 99%}

747.902 1.963 6.887

Conexión: Estrella sólidamente aterrado/Estrella con resistencia aterrada Resistencia de aterramiento: R_g=_952.6ü

Motor:

Tensión: 22kV

Potencia en el eje: Peje= _{12 MW (Máxima carga)} Potencia en el eje: Peje= _{6 MW (Mínima carga)} Factor de Potencia: Cos<J>=_0.86

Eficiencia: 11=_88%

Reactancia: X� = 20%

(11)

Conexión: El motor se conecta en delta (X2,

= oo)

Carga:

Tensión: 22kV

Potencia Activa: 1 O MW (Máxima carga) Potencia Activa: 2.5 MW (Mínima carga) Factor de Potencia: Cos<l>=0.90

Convertidor: Tipo: 12 Pulsos

Potencia en el eje: P_eje=_{18 MW (Máxima carga)} Potencia en el eje: P_eje=_{2 MW (Mínima carga)} Factor de Potencia: Cos<j>=0.85

Eficiencia: 11=_96%

Espectro de Corriente Armónica:

TABLA Nº_{l.3 - Espectro de Corriente Armónica}

h

_{1 5 7}

11 ₁₃

_{17 19}

_{23 25}

_{29 31}

lb(%)

100 1.8 1.6 6.6 5.4 0.33 0.3 1.5 1.3 0.25 0.2

0.8 0.4

35

37

Se plantearon cuatro escenarios de operación para la Planta Industrial, en los cuales se analizaron el factor de potencia en el lado de baja tensión de transformador 220/22kV, por representar el factor de potencia de la barra 22k V, la cual es la barra de suministro de energía para la Planta Industrial. Los escenarios planteados son los siguientes:

Escenario Nº_l:_{Máxima corriente de cortocircuito en la barra Piura Oeste 220kV con} operación a máxima carga en la Planta Industrial.

Escenario Nº_2:_{Máxima corriente de cortocircuito en la barra Piura Oeste 220kV con} operación a mínima carga en la Planta Industrial.

Escenario Nº_3: _{Mínima corriente de cortocircuito en la barra Piura Oeste 220kV con} operación a máxima carga en la Planta Industrial.

Escenario Nº_4:_{Mínima corriente de cortocircuito en la barra Piura Oeste 220kV con} operación a mínima carga en la Planta Industrial.

Los análisis de flujo de potencia y flujo armónico para la Planta Industrial para los cuatros escenarios planteados:

1.1.1 Análisis de Flujo de Potencia - Planta Industrial

(12)

ESCENARIO Nº₁

r---� MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

---L_��P.P=�40�.13rnMwwr---Q;:22.28 Mvar r- ---c1:g��ºJ7

Barra 22kV

TRAFO1 220/22kV 45MVA

12 Pulsos

e!

1-Fuente DC1 Fuente DC2 CONVERTIDOR Tipo: 12 Pulsos

P=-40.09 MW Q=-23.66 Mvar cosphi=-0. 86

l=0.12kA

Motor

MOTOR

---�

TRAFO2 220/22kV 45MVA

Carga Pasiva

CARGA

Bajo Factor de Potencia Cos<f>=0.89

PLANTA INDUSTRIAL: Operación a máxima carga Fig. 1.2 Flujo de Potencia en la Planta Industrial para el Escenario Nº_l

(13)

ESCENARIO Nº₂

r--- ---, MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

Piura Oeste 220 220.00kV

1.00p.u.

---L�0�-00�d��!Lf7P�=Tc10�.sTI1MM1Wii1 ___________________ _

Q=5.45Mvar ,.--- a::ró;ºJ9

Barra 22kV

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

12 Pulsos

CONVERTIDOR Tipo: 12 Pulsos

P=-10.51 MW Q=-7.04 Mvar cosphi=-0.83

r=o.03 kA

Motor

MOTOR

---,

TRAFO2

220/22kV 45MVA

Carga Pasiva

CARGA

Bajo Factor de Potencia Cosip=0.84

PLANTA INDUSTRIAL: Operación a mínima carga

Fig. 1.3 Flujo de Potencia en la Planta Industrial para el Escenario Nº₂

(14)

ESCENARIO Nº₃

r---. ----,

MINIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Red Equivalente

Piura Oeste 220 220.00 kV 1.00p.u.

---L._¿O�.OO�d��!!..nP��0�.13�M�Wv"r ___________________ _ Q:22.28 Mvar

r---��

Barra 22kV

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

12 Pulsos

Motor

MOTOR

---�

TRAFO2

220/22kV 45MVA

Carga Pasiva

CARGA

Bajo Factor de Potencia Cosq,=0.89

PLANTA INDUSTRIAL: Operación a máxima carga

Fig. 1.4 Flujo de Potencia en la Planta Industrial para el Escenario Nº₃

En el Escenario Nº_{3, se aprecia un factor de potencia de 0.89 en el lado de 22kV de los}

(15)

ESCENARIO Nº₄

r---� MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

---L_��P.P=�10�.51�MWWr---_{Q=5.45 Mvar}

,. - - - �:rJ;ºJ.9

Barra 22kV

21.77 kV 0.99 p.u. -0.85 deg

Fuente DC1

TRAFO1 220/22kV

45MVA

12 Pulsos

Motor

MOTOR

---�

TRAFO2

Carga Pasiva

CARGA

Bajo Factor de Potencia Cos<f,=0.84

Fig. 1.5 Flujo de Potencia en la Planta Industrial para el Escenario Nº₄

(16)

. De acuerdo a los resultados obtenidos en la TABLANº _{1.4, la barra 22kV para los cuatro} escenarios planteados muestra que el perfil de tensiones mantiene niveles aceptables, sin embargo presenta factores de potencia con valores muy bajos debido a la presencia convertidor de 12 pulsos conectado en la barra 22kV de la Planta Industrial, dicho factor de potencia corresponde al obtenido en el lado 22kV del transformador 220/22kV, el cual representa el factor de potencia en la barra 22kV, observándose asimismo la insuficiencia de potencia reactiva para mantener el factor de potencia a un valor mínimo de 0.96; por lo cual concluimos que los resultados de flujo de potencia diagnostican un bajo factor de potencia en la lado de baja tensión del transformador 220/22kV, es decir, un bajo factor de potencia en la barra de suministro de energía para la Planta Industrial.

TABLANº _{1.4 Factor de potencia en el lado de 22kV} del transformador 220/22kV

J)escripclón

.. Escenario Nº_l Escenario Nº₂ Escenario Nº₃ Escenario Nº₄

, .

.·.Baf:'l'a22kV

. . . . . Tensión

_p.u . 0.97 0.99 0.97 0.99

trafa ·l20122kv

. ,Cqsci> ·14tdo22kV

0.89 0.84 0.89 0.84 1.1.2 Análisis de Flujo Armónico - Planta Industrial

Los resultados del análisis de flujo armónico mostrados en las TABLA Nº _{1.5, 1.6, 1. 7 y} 1.8 diagnostican en los Escenarios Nº_{l, 3 y 4 la operación de las barras Piura Oeste 220,} 220kV y 22kV con distorsión armónica individual y total de tensión por encima de los límites establecidos por el IEEE Std 519-1992 [8], según se aprecia en las TABLAS Nº_{l .5,} 1.6 y 1.7, sin embargo en el Escenario Nº_{2 se diagnostica la operación de dichas barras por} debajo de los límites establecidos por el IEEE Std 519-1992 [8], según la TABLA Nº_l.6.

TABLANº _{1.5 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD)}

para el Escenario Nº_l

IBD · Lúnite I� 51_9 · VII V 13 V 17 V 19 V 23 V 25 V 29 V 3¡ V 35 V 37 (%) Individual THD(%)

1.237 1.289 0.128 0.152 1.498 2.198 2.0H 0.457 0.794 0.315 3.93 1 1.5 TiID Lúnite lEEE 519

V 37 (%) Individual THD(%) 1.438 0.141 0.167 1.627 2.369 2.166 0.480 0.815 0.320 -L25 1 1.5 ·· ·. ·:volt�jés A,tmóJi.i.!:ÓS enla barra 22 kV (%) THD Lúnite IEEE 519

(17)

para el Escenario Nº₂

V 5 V 7 VII V 13 _{V 17} _{V ¡9 V 23 V 25} _{V 29} _{V 31} _{V 35} V 37 (%) Individual TI-ID(%) O.O I 6 0.020 0.143 0.149 O.O 15 O.O 18 0.178 0.267 0.186 0.049 0.088 0.035 0.44 1 1.5

·

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·

V 5 V 7 VII V 13 V 17 V ¡9 V 23 V 25 V 29 V 31 V 35 V 37 (%) Individual TI-ID(%) 0.017 0.022 0.160 0.166 0.016 0.019 0.192 0.287 0.197 0.051 0.090 0.036 0.47 1 1.5

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tij�Jlt�l)�

h\

V 5 V 7 _V11 _{V 13} _V17 _{V19 V}23 _V25 _{V 29} _{V 31} _{V 35} V 37 (%) Individual TI-ID(%) 0.042 0.053 0.357 0.355 0.031 0.034 0.275 0.354 0.156 0.028 0.001 O.O 1 1 0.70 3 5

TABLANº _{l. 7 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD)} para el Escenario Nº₃

Vo.tjtj,s Ar,móµj!?'.o,s: _{en la barnt Piura Oeste)iO,(%)} .. . ., 'tíu) < J;fmité)1i;�t'519

.. ,, . '., .. ·· '•.· •.

Vs V1 V11 V 13 V17 V 19 V23 V2s V29 V31 V 35 V37 (%) Individual THD(%)

0.212 0.276 1.113 ? '"'?_{__}

.,_.,

'"' _0.282_0.415 _55.2₁₃ _3.795_0.274 _0.171_0.488_0.215 _55.44 ₁ 1.5 ..

Voltajes Al'Qlónfoos �D la barra 220 kV (% .

.

THP

Lhriité IÉEE 519 Vs V1 V11 V 13 V17 V 19 V 23 Vis V29 V 31 V 35 V 37 (%) Individual THD(%)

0.229 0.298 2.263 1.-!80 0.298 0.436 57.275 3.907 0.277 0.171 0.478 0.208 57.51 1 1.5 V olt::d(l$ Armónicos en ht barra. 22 kV (%

nro

.

Límite IEEE 519 Vs V7 V11 V13 V17 V 19 V 23 Vis V 29 V 31 V 35 V 37 (%) Individual THD(%)

0.445 0.565 3.956 4.086 0.417 0.544 50.882 2.665 0.059 0.009 0.307 0.202 51.28 3 5

para el Escenario Nº₄

·Voltajes ÁnnónicÓs en

la

baro. Piura Oeste 22()'(%) •· THD Límite IEEE 519

V5 V1 V JI V 13 V17 V 19 V23 V 2s V 29 V31 V 35 V37 (%) Individual THD(%}

0.025 0.032 0.246 0.271 0.033 0.050 2.887 0.394 0.030 0.019 0.055 0.024 2.94 I 1.5 . Voltajes Annónicos e,n la barra 220 kV (%) THD Límite IEEE 519 Vs V1 V 11 V 13 V17 V 19 V 23 Vis V 29 V31 V3s V37 (%) Individual THD(%) 0.026 0.034 0.263 0.289 0.035 0.053 2.988 0.405 0.031 0.019 0.054 0.023 3.04 1 1.5

... _.·-: '

· Voltaj�s ,Annónicó$. en 1� bami 22 kV (% 1 THD Lúnif� IEEE 519

·:,.-:,;,;· ... :.

Vs V1 V11 V13 V17 V 19 V 23 V 2s V 29 V 31 V Js V 37 (%) Individual THD(%}

0.050 0.064 0.449 0.466 0.048 0.064 2.594 0.270 0.006 0.001 0.034 0.022 2.69 3 5

De los resultados mostrados en la TABLANº 1.7, se aprecia que el Escenario Nº3 presenta

excesivos niveles de distorsión armónica individual y total de tensión, por ende este

escenario resultaría ser el más crítico respecto a distorsión armónica de tensión, lo cual es

ocasionado por elevado voltaje armónico de orden 23 según se observa en el espectro de

armónicos para el Escenario N°3 mostrado en la Fig. 1.6. Asimismo, del análisis de flujo

armónico, se obtuvo la forma de onda de corriente que circularía por el lado de baja

tensión de uno de los transformadores 220/22kV correspondiente al Escenario Nº3 (Ver

Fig.1. 7), escenario elegido por presentar la mayor distorsión armónica total de tensión

(18)

82.50 ---, �

�� --- ______________________________ J

37.50

25.00

12.50

5.00 7.00

--Piuta O..!e '220: Otlloni6n Ann6nlca In '6 .._ Bern 220kV: DiatOfW6n �In"

--Ba,,. 22kV: Dat6t&l6n Ann6nlc:a in "'

1

Fig. 1.6 Espectro de armónicas de tensión en las barra Piura Oeste 220, 220kVy 22kV para el Escenario Nº₃

________________ J _________________ J _________________ J _________________ J ₁ ₁ _. ₁ ₁

1 1 1 1

(19)

ESCENARIO Nº₁

r---� MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

THD por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519: (V< 69kV; THD<5%)

TRAFO1

220/22kV 45MVA

12 Pulsos

Fuente DC1 Fuente DC2

Red Equivalente

1=352.27 A i=0.81 p.u. lrms=0.35 kA ltms=0.81 p.u.

t°J�2.g:�

HO=100.00%

Motor

MOTOR

···,·-·-·· .. , ... ·.-_···.:-·:··· ?--�--� ..

· :

-

�

· -r.

-

:

::

�

THD por encima del límite

¡

Tilf1,ff1f;D<l5%)

i

l

TRAFO2

220/22kV 45MVA

1•302.16A 1=1.04 p.u. lrms=0.30 kA ilms=1.04 p.u. cosphi=0.90 THO=0.96 ·� H0•100.00%

Carga Pasiva

CARGA

Fig. 1.8 Flujo Armónico en la Planta Industrial para el Escenario Nº_l

En el Escenario Nºl, del análisis de flujo armónico se aprecia que las barras Piura Oeste

220, 220kV y 22kV presentan niveles de distorsión armónica total de tensión por encima

de los límites establecidos por el IEEE Std 519 - 1992 [8], lo cual es debido a la inyección

(20)

ESCENARIO N 2

MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

1 THD por debajo del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

(V< 69kV; THD<5%)

TRAF01

220/22kV

45MVA

1=195.46A

THD por debajo del límite permitido según

ANSI/IEEE 519:

(V� 16JkV; THD<I.5%)

TRAFO2

Fig. 1.9 Flujo Armónico en la Planta Industrial para el Escenario Nº₂

En el Escenario Nº2, del análisis de flujo armónico se aprecia que las barras Piura Oeste

220, 220kV y 22kV presentan niveles de distorsión armónica total de tensión por debajo de

los límites establecidos por el IEEE Std 519 - 1992 [8], lo cual es debido a la disminución

de la potencia activa en el convertidor, la cual es proporcional a la inyección de armónicos

(21)

ESCENARIO Nº₃

�---�

MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

THD muy por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 5I9: (V< 69kV; THD<5%)

TRAFO1

THD muy por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

(V,:: 16IkV; THD<I.5%)

TRAFO2

Fig. 1.10 Flujo Armónico en la Planta Industrial para el Escenario Nº₃

En el Escenario Nº3, del análisis de flujo armónico se aprecia que las barras Piura Oeste 220, 220kV y 22kV presentan niveles de distorsión armónica total de tensión muy por

encima de los límites establecidos por el IEEE Std 519 - 1992 [8] debido a la inyección de

(22)

ESCENARIO Nº₄

r---.---� MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

U!!�!!'_E'-'f7-3i-30U.71�A:T ___________________ _

i=_{0.13 p.u.}

límite permitido según h

ANSI/IEEE 519: {l

(V< 69kV; THD<5%) liÍ

TRAF01

220/22kV 45MVA

Fuente DC1 Fuente DC2

CONVERTIDOR

THD por encima del límite permitido según

ANSI/IEEE 519: (V� 16JkV; THD<l.5%)

TRAF02

Fig. 1.11 Flujo Armónico en la Planta Industrial para el Escenario Nº₄

En el Escenario Nº_{4, del análisis de flujo armónico se aprecia que las barras Piura Oeste}

(23)

· Finalmente, de los análisis de flujo de potencia y flujo armónico se diagnostican los

siguientes problemas:

• _{Bajo factor de potencia en el lado 22kV del transformador 220/22kV, el cual}

representa el factor de potencia en la barra de suministro de energía para la Planta

Industrial.

• Distorsión armónica en las barras 220kV y 22kV fuera de los límites establecidos

por el IEEE Std 519-1992 [8].

En consecuencia, en-el ítem 1.1.3 se determinará como medida de solución para corregir e!

factor de potencia, la conexión de un banco de capacitores y posteriormente analizar la

incidencia en los niveles de distorsión armónica de tensión, sin embargo es importante

resaltar que la conexión de un banco de capacitores originará la aparición de una nueva

problemática, la cual se mencionará a continuación.

1.1.3 Análisis de Flujo de Potencia - Planta Industrial con Banco de Capacitores Al realizar el análisis de flujo de potencia se determina que para corregir el factor de

potencia a un valor de 0.96 se requiere como mínimo de 10 MVAR para los escenarios de

máxima carga en la Planta Industrial, mientras que en los escenarios de mínima carga, de 4

MVAR. En consecuencia, el banco de capacitores que se conectará en la barra 22kV para

mejorar el factor de potencia a 0.96 en el lado de baja tensión del transformador 220/22kV,

estará compuesto por dos pasos automáticos, el primer paso "C 1" tendrá una potencia

reactiva de 4 MVAR, mientras que el segundo "C2", de 6 MVAR, tal como se muestra en

la TABLA Nº 1.9. Asimismo, la operación del banco de capacitores para los cuatro

escenarios planteados se muestra en la TABLA Nº 1.1 O. Los resultados gráficos del flujo

de potencia se muestran en las Fig.1.12, 1.13, 1.14 y 1.15.

TABLANº _{1.9 Banco de Capacitores en la Planta Industrial}

'

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C�ptqt

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p�s.

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JClá.$_o\·-• X

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f

t

Cl 1 4

C2 2 6

TABLANº _{1.10 Operación del Banco de Capacitores en la Planta Industrial}

Escenario Nº_l _Cl ₄ _Si ₁₀

Escenario Nº₂ _Cl ₄ _Si _C2 ₆ _No ₄

Escenario Nº₃ _Cl ₄ _Si

C2 6 No 10

Escenario Nº₄ _Cl ₄ _Si

(24)

ESCENARIO N°₁

r---�

MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

220.00 kV 1.00p.u.

---L_�o�.oo�d�•L{pp�=•no.1�1-MW"1 ___________________ _

0=12.82 Mvar

,--- c��s

Barra 22kV

21.53 kV 0.98 p.u. -3.32 de

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

CONVERTIDOR Tipo: 12 Pulsos

Motor

MOTOR

---. ---�

TRAFO2

220/22kV

Carga Pasiva

CARGA

Factor de Potencia corregido

Cosrp=0.96

--�

=

_C2'í Paso1 Paso2

B"A1'\Jl:O DE -CAPACITORES

C=10 MVAR

C1=4 MVAR (Paso1) C2=6 MVAR (Paso2)

Fig. 1.11 Flujo de Potencia en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº_l

En el Escenario Nº 1, ante la conexión del banco de capacitores inyectando 1 OMVAR, es

decir, operando con sus dos pasos, se obtiene en el lado de 22kV de los transformadores

220/22kV un factor de potencia corregido a 0.96, el cual sería el factor de potencia en la

(25)

ESCENARIO Nº₂

r---� MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

220.00 kV 1.00 p.u.

---L�O�.O�Od�•Ljpp�=1filo.srr1wMWNI ___________________ _ 0=1.50 Mvaf

r - - - easphi=0.99

1=0.03 kA

---�

Barra 22kV

21.89 kV 1.00 p.u . .0.86 de

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

Fuente DC2

Motor

MOTOR

TRAFO2

220/22kV

45MVA

CARGA

Factor de Potencia corregido Cos<p=0.96

____ ! __ .,

1

C1 C2

Paso1 Paso2 B"ÁNCO DE

-CAPACITORES C=10 MVAR

Fig. 1.12 Flujo de Potencia en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₂

En el Escenario Nº_{2, ante la conexión del banco de capacitores inyectando 4MVAR, es}

(26)

ESCENARIO N°₃

r---� MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalenle

220.00 kV

---L�i�:��·�l..fpp� .• �o.,�,�-;;r--- a= t 2.e2 Mvar

r--- ��;OJS

Barra 22kV 21.53 kV 0.98 p.u. -3.32 de

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

Motor

MOTOR

---�

TRAFO2

220/22kV

carga Pasiva

CARGA

Factor de Potencia corregido Costp=0.96

=

_C1't

=

_C2'í

Paso1 Paso2 B"A"'NCO DE

Fig. 1.13 Flujo de Potencia en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₃

En el Escenario Nº3, ante la conexión del banco de capacitores inyectando 1 0MVAR, es

decir, operando con sus dos pasos, se obtiene en el lado de 22k V de los transformadores

220/22kV un factor de potencia corregido a 0.96, el cual sería el factor de potencia en la

(27)

ESCENARIO Nº₄

r---. ---�

MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

Red Equivalente

220,00 kV _1.00_p.u.

---L_�0�.00�·�·L..fpp:�10�.5�1M\MW;¡-,---

Q=1.50 Mvar

r - - - c�!g�J3ºJ9

Barra 22kV

21.89 kV 1.00 p.u. -0.86 de

Fuente OC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

Fuente DC2

Motor

MOTOR

---�

TRAFO2

220/22kV 45MVA

Carga Pasiva

CARGA

e,

Factor de Potencia corregido Cos<f,=0.96

C2

Paso1 Paso2

B"All.J'CO DE

Fig. 1.14 Flujo de Potencia en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₄

(28)

La TABLA Nº _{1.1 O resume los resultados de flujo de potencia para los cuatro escenarios} planteados, en el cual se muestra que la conexión del banco de capacitores corrige el factor de potencia a 0.96

TABLANº _{1.10 Factor de potencia en el lado 22kV con Banco de Capacitores}

1 1\;

!!l::iliJ

::¡f

_'i

_?

1.1.4 Análisis de Flujo Armónico - Planta Industrial con Banco de Capacitores

En el análisis de flujo armónico, la conexión de un banco de capacitores en la barra 22kV, disminuiría la distorsión armónica individual y total de tensión en las barras Piura Oeste 220, 220kV y 22kV para los Escenarios Nº_{l, 3 y 4, según los resultados mostrados en las}

TABLAS Nº _{1.11, 1.13 y 1.14 respectivamente, sin embargo solo para el Escenario N}º_4,

dichas barras estarían operando por debajo de los límites establecidos por el IEEE Std 519-1992 [8]. Cabe resaltar también la gran reducción de los niveles de distorsión armónica total de tensión para el Escenario Nº_{3, según se aprecia en la TABLAN}º _1.13

Lo contrario ocurre en el Escenario Nº_{2, dado que la conexión del banco de capacitores}

incrementaría la distorsión armónica individual y total de tensión en las barras Piura Oeste 220, 220kV y 22kv,· superando los límites establecidos por el IEEE Std 519-1992 [8], esto debido a la amplificación de la armónica de orden 11 en el capacitor "C 1" del banco de capacitores, tal como se aprecia en los resultados obtenidos para el Escenario Nº_{2 se}

muestran en la TABLANº _1.12.

TABLANº _{1.11 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD) con}

banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº_l

--. THD Límite IEEE519

Individual TI-ID(%)

1 1.5

Límite IEEE 519

Individual TI-ID(%)

(29)

TABLANº _{1.12 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD) con}

banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₂

(%) Individual THD(¾)

10.63 3 5

TABLANº _{1.13 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD) con} banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₃

... · ·. ...

.Voltajes ��4:QS eiila bárm �qéste 2'20(%) .··

TlJD

'

Lfinit� ��E 519 ..

V5 V7 vll V¡3 V17 V¡9 V23 V25 V29 V31 V35 V37 (%) Individual THD(¾) 0.467 2.869 1.106 0.695 0.033 0.029 0.160 0.161 0.068 0.431 0.099 0.030 3.23 1 1.5

·.e ·� Volta,ws Armónicos

en

la

bárra

220 kV.(%) THJ) Limite IEEE 519

Individual THD(¾)

0.503 3.087 1.184 0.741 0.035 0.031 0.166 0.165 0.069 0.431 0.097 0.029 3.46 1 1.5

Voltajes.A:rmónjcos en la barra 22 kV (%) TIID

0.967 5.780 2.042 1.206 0.049 0.038 0.145 0.111 0.015 0.022 0.062 0.028 6.32

Límite IEEE 519 Individual THD(¾)

3 5

TABLANº _{1.14 Distorsión Armónica de Tensión Individual (HD) y Total (THD) con}

compensación reactiva en la barra 22kV para el Escenario Nº₄

V5

> Voltajes Ármónicos en}abarra22kY(%)

V11 V 13 V17 V 19 Vn V 25 V 29 V31

obtenidos en las TABLAS Nº_{l.11, 1.12, 1.13 y 1.14 nos indican las probables armónicas}

(30)

ESCENARIO Nº₁

r---�

MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

---

�----THD aún por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

(V< 69kV THD<5%)

Fuente DC1

TRAFO1

220/22kV 45MVA

Red Equivalente

Piura Oeste 220

I=348.18A límite permitido según ANSI/IEEE 519:

Fig. 1.15 Flujo Armónico en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra

22kV para el Escenario Nº_l

En el Escenario Nºl, del análisis de flujo armónico ante la conexión de un banco de

capacitores inyectando lOMVAR, se obtiene que las barras Piura Oeste 220, 220kV y 22kV

presentan niveles de distorsión armónica total de tensión aún por encima de los límites

(31)

ESCENARIO Nº₂

r---�

MÁXIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

THD por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

(V< 69kV THD<5%)

Fuente DC1

TRAF01

220/22kV 45MVA

Red Equivalente

THD por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

C1=4 MVAR (Paso1) C2=6 MVAR (Paso2)

Fig. 1.16 Flujo Armónico en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra

22kV para el Escenario Nº₂

En el Escenario Nº_{2, del análisis de flujo armónico ante la conexión de un banco de}

(32)

ESCENARIO Nº₃

r---�--� MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

THD aún por encima del límite permitido según ANSI/IEEE 519: (V< 69kV THD<5%)

Fuente DC1 límite permitido según ANSI/IEEE 519:

Fig. 1.17 Flujo Armónico en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₃

En el Escenario Nº_{3, del análisis de flujo armónico ante la conexión de un banco de}

(33)

ESCENARIO Nº₄

r---�

MÍNIMA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

r---THD por debajo del límite permitido según ANSI/IEEE 519:

(V< 69kV THD<5%)

Fuente OC1 Fuente DC2

CONVERTIDOR

límite permitido según

ANSI/IEEE 519:

(V"=== 16/kVTHD<l.5%)

TRAFO2

Motor Carga Pasiva

MOTOR CARGA

Paso! Paso2

- --E3'A'1\J'CO DE' -CAPACITORES

C=10 MVAR

-

.,₁

Fig. 1.18 Flujo Armónico en la Planta Industrial con banco de capacitores en la barra 22kV para el Escenario Nº₄

(34)

Por otro lado, en la Fig. 1.19 se analiza el efecto de conectar un banco de capacitores sobre la forma de onda de corriente en el lado 22k V de uno de los transformadores 220/22k V para el Escenario Nº_{3 ( dicho escenario ha sido elegido por presentar excesivos niveles de}

distorsión armónica antes de la conexión del banco de capacitores según los resultados mostrados en la TABLANº _{1.7), observando en dicha figura que la conexión de un banco}

de capacitores aproxima dicha forma de onda lo más posible a la forma de una onda sinusoidal, lo anterior ocurrirá si y solo si la inyección de potencia reactiva por parte del banco de capacitores no origine el fenómeno de resonancia, el cual será analizado en el ítem 1.1.5 mediante el barrido de frecuencia para los cuatros escenarios planteados.

Corriente en el lado de baja tensión de uno de los transformadores 220/22kV - 45MV A - Con

1

¡---,

�

1

-- Tran5fOJmador1: Corric-nto/Lado LV in A

--�-- Transforrn.ador1: CorriOf'llollado LV in A

Fig. 1.19 Formas de Onda de Corriente en el lado de baja tensión del transformador 220/22kV con y sin banco de capacitores para el Escenario N°₃

1.1.5 Barrido de Frecuencia - Planta Industrial con Banco de Capacitores

(35)

M>0.00

--- _____ L _____________ J ______________ I ______________ L _____________ J ₁

1 1 1 1

---e.na 22kV: lmpodanda de la Red. Magnitud In Ohm

Fig. 1.20 Diagrama de Impedancia vs Frecuencia en la barra 22kV para el Escenario Nº_l

--- _____ .¡_ _____________ ...¡ __________ --1---1---j

1 1 1 1 1

---Barra 22kV: Impedancia de la Red, Ángulo In deg

Fig. 1.21 Diagrama de Angulo vs Frecuencia en la barra 22kV para el Escenario Nº_l

(36)

1250.00

--- _ _¡. _____________ _¡ ____________________________ ¡_ _____________ _¡

1 1 1 1

•2"0.00 ._ ____ __._ _____ ,_ ____ __._ _____ ._ ____ __._ _____ ._ ____ __._ _____ ._ ____ __._ ____ ._.1.

0.17 12.17 25.17 37.ar 50.17 1-1 62.67

---8Nfa 22kV: lmpedanÑ do la Rod. Magnilvd in Ohm

Fig. 1.22 Impedancia vs Frecuencia en la barra 22kV para el Escenario Nº₂

�oo --- _ _¡. _____________ _¡__________ �---L---1

1 1 1 1 1

---Barra 221cV: lmptdal\da 1M la Rod, Angv� In ffg

Fig. 1.23 Diagrama de Angulo vs Frecuencia en la barra 22kV

para el Escenario Nº₂

(37)

300.00

---l!Llna 221tV: lfflf*&anda CM la RH. Maenltlild In Ohm

Fig. 1.24 Diagrama de Impedancia vs Frecuencia en la barra 22kV para el Escenario Nº₃

--- ---+ _____________ J _____ ---- ._J ______________ L _____________ J

J 1 1 1 1

---Barna 22kV: lmpodancta do la Red, An;ulo In deg

(38)

1000.00

Fig. 1.26 Diagrama de Impedancia vs Frecuencia en la barra 22kV para el Escenario Nº₄

__ .1. _____________ J ____ _

1 1

(39)

La inyección de armónicos del SEIN a la red eléctrica de la Planta Industrial debió ser representada a través de una fuente de armónicos conectada en la barra Piura Oeste 220kV, sin embargo al no haberse contado con información respecto a medición de armónicos en la Subestación Piura Oeste, la única fuente que inyectará armónicos a la red eléctrica, en este caso, será el convertidor de 12 pulsos, este tipo de convertidor inyecta a la red eléctrica armónicos característicos de orden l 2k± 1, con "k" un número entero positivo, por consiguiente los armónicos característicos presentes en la red eléctrica son: 11 va_{, 13}va_{, 23}vª,

25v_{8, 35}va _{y 37}va _{armónica, donde el armónico de orden 11 sería el más representativo. Por}

consiguiente, una vez conocidos los armónicos característicos presentes en la red eléctrica se evalúan las probables frecuencias de resonancia originadas por al conectar el banco de capacitores.

Escenario Nºl : En la Fig. 1.20, se observa que la conexión del banco de capacitores

operando con sus dos pasos C 1 y C2, es decir entregando 1 O MVAR, genera una probable frecuencia de resonancia en h= 7.332, la cual es cercana a la 7ma _{armónica, sin embargo}

este orden de armónica no es una armónica característica presente en la red, por lo que la operación del banco de capacitores no provocará una condición resonancia paralelo con la impedancia armónica de la red. En la Fig. 1.28, se muestra el espectro de armónicos de corriente en los capacitores Cl (4 MVAR) y C2 (6 MVAR) correspondientes al primer y segundo paso respectivamente. Las corrientes armónicas se resumen en la TABLANº 1.15,

donde se aprecia que las corrientes eficaces Cirms) en los capacitores C 1 y C2 se encuentran

por debajo de límite establecido por el IEEE Std 18-2002 [9]

TABLANº _{1.15 Corrientes armónicas del banco de capacitores para el Escenario N}º_l

[l¡�ji�iii!!if:l�ti1ií1Jl1Jk�_i�4ij,�4.!�,i�iº!ilt�Jili�jit�:.fflt•"(�l;�J.

:

l:::f/,m;;�;;

¡¡��;:

_;�t,�

-I 17 I 19 I 23 I 25 I 29 I ;¡ I 35 l 37 (A) "';_,: �/ :;, , ,'

17.68 0.90 0.78 3.67 3.11 0.57 0.44 0.21 1.21 113.63 1.11

iy4í#;,�¡;jlllt�io.'.ií� �Íli-.�1l�t6� �:rp��J.�

(Si�;(�L • >-. :

''1�

:.

._.

l 17 I 19 I 23 I 25 I 29 I JI I 35 l 37 (A)

1.35 1.17 5.51 4.66 0.85 0.65 0.32 1.82

Escenario Nº_{2: En la Fig. 1.22, se observa que la conexión del banco de capacitores}

operando solo con el primer paso C 1, es decir entregando 4 MVAR, genera una probable frecuencia de resonancia en h= 11.168, cercana a la 11 va armónica, la cual es precisamente

(40)

el límite establecido por el IEEE Std 18-2002 [9] según se aprecia en la TABLA N 1.16.

En la Fig. 1.29, se muestra el espectro de armónicos de corriente en el. capacitor C 1 ( 4

MVAR).

TABLANº _{1.16 Corrientes armónicas del banco de capacitores para el Escenario N}º₂

operando con sus dos pasos Cl y C2, es decir entregando 10 MVAR, genera una probable

frecuencia de resonancia en h= 6.713, la cual es cercana a la 7ma _{armónica, sin embargo}

este orden de armónica no es una armónica característica presente en la red eléctrica, por lo

que la operación del banco de capacitores no provocará una condición resonancia paralelo

con la impedancia armónica de la red. En la Fig. 1.30, se muestra el espectro de armónicos

de corriente en los capacitores Cl (4 MVAR) y C2 (6 MVAR). Asimismo, las corrientes

armónicas se resumen en la TABLANº _{1.17, donde se aprecia que la corriente eficaz O}

rms)

en los capacitores Cl y C2 se encuentran por debajo de límite establecido por el IEEE

Std.18-2002 [9]

TABLANº _{1.17 Corrientes armónicas del banco de capacitores para el Escenario N}º₃

154.09 7.45 62.34 34.61 24.16 1.27 5.15 4.29 0.65 171.85 1.30

operando solo con el primer paso Cl, es decir entregando 4 MVAR, genera una probable

frecuencia de resonancia en h= 10.073, cercana a la llvª _{armónica, la cual es una armónica}

característica presente en la red eléctrica, sin embargo se verifica que la conexión del

banco de capacitores entregando 4MVAR no origina una condición resonancia paralelo con

la impedancia armónica de la red. En la Fig. 1.31, se muestra el espectro de armónicos de

corriente en el capacitor C 1 y los valores de corrient�s armónicas se resumen en la TABLA

Nº _{1.18, donde se aprecia que la corriente eficaz O}

rms) que circula en el capacitor C 1 no

supera el límite establecido por el IEEE Std.18-2002 [9]

TABLANº _{1.18 Corrientes armónicas del banco de capacitores para el Escenario N}º₄

l¡

(41)

200.00

--C1:Corriente,MagnHudlnA

--C2: Comente, Magnitud In A

Fig. 1.28 Espectro de armónicas de corriente en los capacitores Cl y C2 conectados en la barra 22k V para el Escenario Nº_l --C1: Cor,ktnto, Magnleud In A

11.0 13.0 17.0 19.0 23.0 25.0 29.0 31.0 35.0 37.01-)

(42)

200.00

Fig. 1.30 Espectro de armónicas de corriente en los capacitores Cl y C2 conectados en

la barra 22k V para el Escenario Nº3 ___________________________________________________________________ J ₁ 1

Fig. 1.31 Espectro de armónicas de corriente en el capacitor Cl conectado en

(43)

De los análisis de barrido de frecuencia, se concluye que la conexión del banco de

capacitores en la barra 22kV, origina una resonancia debido a la armónica de orden 11 en el

Escenario Nº_{2. El fenómeno de resonancia tiene su sustento teórico en el IEEE Std}

519-1992 [8], donde se menciona que la conexión de un banco de capacitores tiene una

frecuencia de resonancia la cual es calculada como se indica a continua�ión:

h=

Dónde:

h: orden de la frecuencia de resonancia.

MVAcc

MVARcap (1.1)

MV A_cc: Potencia de cortocircuito en la barra donde se conecta el banco de capacitores (MVA)

MVARc_ap: Potencia reactiva del banco de capacitores (MVAR)

En la TABLANº 1.19 se muestra la distorsión armónica total de tensión en las barras Piura Oeste 220, 220kV y 22kV pertenecientes a la zona de influencia de la Planta Industrial, observándose que en su mayoría dicha distorsión supera los límites establecidos por el IEEE Std 519- 1992 [8]

TABLA Nº_{l.19 Distorsión armónica total de tensión (THD) en las barras}

Piura Oeste 220, 220kV y 22kV

Escenario Nº_l Sin Banco de Capacitores 3.93 1.5 4.25 1.50

Con Banco de Capacitores 2.33 1.5 2.59 1.50 5.74

Escenario Nº₂ Sin Banco de Capacitores 0.44 1.5 0.47 1.50 0.70

Con Banco de Capacitores 4.29 1.5 4.79 1.50 10.63

Escenario Nº₃ Sin Banco de Capacitores 55.44 1.5 57.51 1.50 51.28

Con Banco de Capacitores 3.23 1.5 3.46 1.50 6.32 Sin Banco de Capacitores 2.94 1.5 3.04 1.50 2.69 Escenario Nº₄

2.09 Con Banco de Capacitores 1.16 1.5 1.24 1.50

5

5 5 5 5

Finalmente, de los análisis realizados se concluye que para conectar la Planta Industrial al SEIN a través una línea de transmisión desde la barra Piura Oeste 220, se requerirá de un

banco de capacitores de dos pasos tipo filtro con la finalidad de corregir el factor de

potencia y a su vez reducir los niveles de distorsión armónica en las barras Piura Oeste

220, 220kV y 22kV. Las alternativas para solucionar los problemas descritos en el presente

(44)

1.2 Objetivos del Trabajo

El presente trabajo se basa en lograr los siguientes objetivos:

• Seleccionar a nivel técnico el filtro pasivo óptimo para la Planta Industrial en estudio. • Desarrollar una metodología para el análisis de armónicos mediante el modelamiento y

simulación en el software DlgSILENT Power Factory.

• Determinar las ventajas y desventajas de cada uno de los filtros propuestos para corregir el factor de potencia y atenuar el contenido de armónicos presentes en la Planta Industrial.

1.3 Evaluación del Problema

Por las razones mencionadas en la descripción del problema, el mismo será evaluado empleando la herramienta de simulación DlgSILENT, la cual nos permitirá reproducir adecuadamente el comportamiento armónico de la Planta Industrial, obteniendo resultados que contribuyan a proponer alternativas de solución.

1.4 Limitaciones del Trabajo

• En el presente trabajo no se está considerando la implementación de una fuente de armónicos en la Subestación Piura Oeste debido a falta de información respecto a la medición de armónicos en la misma.

• El análisis para la selección de filtro óptimo se está realizando solo para el año de ingreso para la Planta Industrial, el cual según el presente trabajo sería el año 2013; no se está considerando el análisis de la Planta Industrial en los años posteriores.

• La selección del filtro óptimo solo se está determinando solo a nivel técnico, no se está considerando una evaluación económica para las alternativas planteadas.

• No se está implementando como alternativa de solución filtros activos debido a que sus modelos no se encuentran por defecto en los "elementos de red" del software DlgSILENT Power Factory, para implementarlos se requeriría de un mayor tiempo de investigación y análisis.

1.5 Síntesis del Trabajo

(45)

2.1 Antecedentes del Problema

Los armónicos han existido en los sistemas eléctricos de potencia por vanos años y

actualmente los efectos que producen las armónicas sobre los sistemas eléctricos de

potencia se han acentuado con mayor severidad, afectando principalmente a los parámetros

de diseño tales como la frecuencia y tensión eléctrica, los cuales se ven distorsionados en

la presencia de frecuencias armónicas.

Por lo cual, para reducir la distorsión armónica en los sistemas eléctricos de potencia se

plantean diferentes alternativas, las cuales se rigen al cumplimiento de normas y

recomendaciones establecidas para su control y mitigación. Los especialistas en temas de

Calidad de la Energía han desarrollado modelos más apropiados de los equipos, métodos

de simulación y procedimientos de análisis para realizar estudios de armónicos, los cuales

han permitido proponer mejores alternativas de solución.

Sin embargo, la solución de un problema nos puede originar otro, tal es el caso de la

conexión de banco de capacitores para la corregir del factor de potencia, que

eventualmente nos origina probables problemas de resonancia, las cuales reflejan

sobrecorrientes en capacitores, deteriorando y disminuyendo la vida útil de los mismos.

Ante ello, para atenuar las distorsiones armónicas y corregir el factor de potencia se

plantean la conexión filtros de armónicos. 2.2 Definiciones Básicas

Las siguientes definiciones dadas aquí, están ajustadas específicamente a los armónicos

generados por convertidores de potencia estática a las frecuencias del sistema eléctrico y

han sido extraídas del IEEE Std 519-1992 [8].

Armónico. Una componente sinusoidal de una onda periódica o cantidad que posee una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental.

NOTA: Por ejemplo, en una componente, cuando la frecuencia es el doble de la

(46)

Armónico, característico. Aquellos armónicos producidos por eqmpos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. En un convertidor de seis pulsos, los

armónicos característicos son los armónicos impares diferentes a los múltiplos de tres, por

ejemplo, los 5th, 7th, 11 th, 13th, etc.

h= kp± 1

k = algún entero

p = número de pulso del convertidor

Armónico, no característico. Armónicos que no son producidos por eqmpos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. Estos pueden ser el

resultado de frecuencias oscilatorias; una demodulación de armónicos característicos y la

fundamental; o un desbalance en los sistemas de potencia AC, el ángulo de retardo

asimétrico, o el funcionamiento del ciclo convertidor.

Carga no Lineal. Una carga que dibuja una onda de corriente no sinusoidal cuando es proporcionada por una fuente de voltaje sinusoidal.

Conmutación. Transferencia de corriente unidireccional entre los elementos del circuito convertidor del tiristor ( o diodo) que conducen la sucesión.

Convertidor. Un dispositivo que cambia la energía eléctrica de una forma a otra. Un convertidor semiconductor es un convertidor que usa semiconductores como elementos

activos en el proceso de conversión.

Distorsión Armónica Total (THD). Este término ha entrado en el uso común para definir el "factor de distorsión de tensión o corriente" (Ver: factor de distorsión)

Distorsión Demandada Total (TDD). La suma de la raíz cuadrada total de las distorsiones de corriente armónica en porcentaje de la máxima corriente de carga demandada (15 o 30

demanda min).

Factor Armónico. La relación del valor de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (RSS) de todos los armónicos al valor efectivo (RMS) de la fundamental.

.jE� + E� + E� ...

Factor Armónico (Para Tensión)

=

Ei

.J1� + 1� + 1� ...

Factor Armónico (Para Corriente) =

11

(2.1)

(2.2)

Factor de Calidad. Dos veces 1t la relación de la máxima energía guardada a la energía disipada por ciclo a una determinada frecuencia. Una definición equivalente aproximada es

(47)

frecuencias sobre los lados opuestos de la frecuencia de resonancia, donde la respuesta de la estructura resonante difiere en 3dB de la resonancia. Si el circuito resonante comprende una inductancia, L, y una capacitancia, C, en serie con una resistencia efectiva, R, entonces el valor de Q es:

Q=� �

_R�C

(2.3)

Factor de Distorsión (Factor Armónico). La relación de la raíz cuadrada de los

armónicos contenidos al valor efectivo de la cantidad fundamental, expresado en porcentaje de la fundamental.

DF

=

---.100%Suma de los cuadrados de las amplitudes de todos lo armónicos _{Cuadrado de la amplitud fundamental} (2.4)

Factor de Potencia, desplazamiento. La componente de desplazamiento del factor de

potencia; la relación de la potencia activa de la onda fundamental, en vatios, a la potencia aparente de la onda fundamental, en volt-amperios (incluyendo la corriente de excitación del transformador convertidor del tiristor).

Factor de Potencia, total. La relación de la potencia total de entrada, en vatios, a la

entrada en voltamperios total del convertidor. NOTAS:

(1) Estas definiciones incluyen el efecto de los armónicos de corriente y tensión (distorsión del

factor de potencia), el efecto del desplazamiento de fase entre corriente y tensión, y la excitación de

corriente del transformador. Los volt-amperios son el producto del voltaje rms por la corriente rms.

(2) El factor de potencia es determinado en los terminales de la línea AC del convertidor.

Filtro. Un término genérico usado para definir aquellos tipos de equipos cuyo propósito es

reducir el flujo de corriente ó voltaje armónico en ó aplicado a las partes específicas de un sistemas de potencia eléctrica, o en ambos.

Filtro ajustado. Un filtro que generalmente consiste de combinaciones de condensadores, inductores, y resistores que se han seleccionado de tal manera que presenten una impedancia mínima (máxima) relativa a una o más frecuencias específicas. Para un filtro paralelo (serie), la impedancia es un mínimo (máximo). Los filtros ajustados generalmente tienen una relativamente alta Q (X/R).

Filtro amortiguado. Un filtro que generalmente consiste de combinaciones de

(48)

presente una impedancia baja en un ancho rango de frecuencias. El filtro usualmente tiene

una relatividad baja Q (X/R).

Filtro Paralelo. Un tipo de filtro que reduce los armónicos proporcionando un camino de

baja impedancia para desviar los armónicos lejos de la fuente del sistema a ser protegido.

Filtro Pasa Alto. Un filtro que tiene una banda de transmisión senci!Ja extendida desde

alguna frecuencia de corte, diferente de cero, hasta la frecuencia infinita.

Filtro Serie. Un tipo de filtro que reduce los armónicos colocando una impedancia alta en

serie entre la fuente armónica y el sistema a ser protegido.

Relación de Corto-Circuito. Para un convertidor semiconductor, la relación de la

capacidad de corto-circuito de la barra, en MVA, en el punto de conexión del convertidor al

valor del convertidor, en MW.

2.3 Base teórica sobre los armónicos 2.3.1 Fundamentos de armónicos

Los armónicos son distorsiones de las ondas sinusoidales de tensión y/o corriente de los

sistemas eléctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales

ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su

operación normal. La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema

eléctrico crea problemas tales como, el aumento de pérdidas de potencia activa,

sobretensiones en los condensadores, errores de medición, mal funcionamiento de

protecciones, daño en los aislamientos, deterioro de dieléctricos, disminución de la vida

útil de los equipos, entre otros.

En un sistema eléctrico de potencia, los aparatos y equipos eléctricos que se conectan a él,

tanto por la propia Industria como por los clientes, están diseñados para operar a 60 Hz,

con una tensión y corriente sinusoidal. Por diferentes razones, se puede presentar un flujo

eléctrico a otras frecuencias de 60 Hz sobre algunas partes del sistema de potencia o dentro

de la instalación de una Planta Industrial. La forma de onda existente está compuesta por

un número de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias, incluyendo una referida a la

frecuencia fundamental. En la Fig. 2.1 se observa la descomposición de una onda

distorsionada en una onda sinusoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) conjuntamente

con ondas cuya frecuencia son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. El término

componente armónico o simplemente armónico, se refiere a cualquiera de las componentes

sinusoidales mencionadas previamente, la cual es múltiplo de la frecuencia fundamental.

(49)

fundamental. Los armónicos se definen habitualmente con los dos datos más importantes

que los caracterizan, los cuales son:

� Amplitud, la cual hace referencia al valor de la tensión o intensidad del armónico.

� Orden, la cual hace referencia al valor de su frecuencia referido a la frecuencia

fundamental (60 Hz).

Armónica de orden 1 (Fundamental)

60Hz

+

Armónica de Orden 3

180Hz

(h=3)

+

Armónica de Orden 5

300Hz

(h=5)

+

=

Forma de Onda Distorsionada

Fig. 2.1 Descomposición de una onda distorsionada en componentes múltiplos de la frecuencia fundamental

a. Representación de los Armónicos

Las series de Fourier constituyen un medio eficaz para estudiar y analizar la distorsión

armónica. Lo que permita la inspección de los diferentes constituyentes de una forma de

onda distorsionada a través de la descomposición de la misma. Generalmente, toda función

periódica no sinusoidal se puede representar en forma de una suma de términos (Series de

Fourier) compuesta por funciones sinusoidales tal y como se indica a continuación:

f(t)=Ao+

I

[A_hcos(hco₀t)+B_hsen(hro₀t)] h=l

f(t)=A₀+

I

C₁₁sen(hro₀t+cp₁₁) h=l

(2.5)