Compensación de la Potencia Reactiva por medio de los FACTS

Partes: 1, 2

Introducción

La potencia reactiva no tiene un significado físico real, pero es reconocida como un factor esencial en el diseño y la buena operación de sistemas de potencia. La potencia real y reactiva en líneas de transmisión en una red integrada es gobernada por la impedancia de línea, magnitudes de voltaje, la diferencia de ángulo entre los finales de línea y el rol que juega la línea en el mantenimiento de la estabilidad de la red bajo contingencias dinámicas. La transferencia de potencia en la mayoría de los sistemas de transmisión integrados es restringida por la estabilidad transitoria, estabilidad de voltaje, y/o la estabilidad de potencia. La compensación o control de la potencia reactiva (VAR) es una parte esencial en un sistema de potencia para minimizar las pérdidas y maximizar la capacidad de transmisión de potencia y para mantener el voltaje entregado.

La compensación de la potencia reactiva se está rápidamente convirtiendo en una de las soluciones más económicas y efectivas para resolver ambos problemas, los tradicionales y los nuevos, en sistemas de transmisión de potencia. Es una práctica bien establecida utilizar compensación de potencia reactiva para controlar la magnitud de voltaje en una barra particular en cualquier Sistema Eléctrico de Potencia (SEP). En el pasado, compensadores sincrónicos, inductores y capacitores mecánicamente conmutados y reactores saturados han sido aplicados para controlar el voltaje del sistema. Desde finales de los 60"s, Reactores Controlados por Tiristor (TCR), pos sus siglas en inglés, en conjunto con Capacitores Fijos (FCs) o Capacitores Conmutados por Tiristor (TSCs) han sido utilizados para inyectar o absorber potencia reactiva.

En un sistema electromagnético "ideal", el voltaje y la frecuencia en los varios puntos de distribución de potencia deben ser constantes, presentándose solo la componente fundamental y un factor de potencia cercano a la unidad. En particular, estos parámetros deben ser independientes del tamaño y las características de la carga de los consumidores; esto puede ser conseguido solo si estas cargas están equipadas con compensadores de potencia reactiva para hacer la red independiente de los cambios probables que aparecen en los puntos de distribución.

La compensación de cargas es una de las técnicas para controlar la potencia reactiva, así mejorar la calidad de la energía en las líneas de transmisión de corriente alterna; esta técnica es generalmente utilizada para la compensación de cargas individuales o un grupo de ellas. Esta tiene tres objetivos esenciales: 1) corrección del factor de potencia, 2) mejora de la regulación de voltaje, 3) balancear la carga. Cada alternativa tiene sus ventajas y limitaciones técnicas y económicas, y es el objetivo de este trabajo proveer una explicación y comparación entre varias alternativas.

Explicación, clasificación por acción y por composición

1.1 DISPOSITIVOS FACTS.

Los sistemas de control de los FACTS (Flexible AC Transmission System) están basados en la posibilidad de manejar los parámetros interrelacionados que restringen los sistemas (impedancias serie y shunt, ángulo de fase, oscilaciones a frecuencias 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.

Cada sistema de las empresas posee redes de potencia eléctrica que integran sus centros de generación y cargas, las que a su vez se interconectan con los sistemas vecinos.

Esto permite compartir potencia entre las redes de regiones alejadas, con el propósito de aprovechar la diversidad de las cargas debidas a diferencias de clima y horarias, disponibilidad de diversas reservas de generación en zonas geográficas distintas, cambios en precios del combustible y en la regulación, entre otras.

Para facilitar gran parte de las transferencias de potencia, estas redes interconectadas ayudan a minimizar la necesidad de aumentar las plantas de generación y permiten a empresas y regiones vecinas comprar y vender potencia entre ellas. Esto lleva a una operación segura y a más bajo costo.

En los últimos años la demanda eléctrica ha crecido y seguirá creciendo considerablemente, unido a un aumento en la competencia en el sector generación. La gran dificultad que ha surgido es la adquisición de nuevos "derechos de vía". Los FACTS pueden aportar en este caso, permitiendo una mejor utilización de las líneas ya existentes, aumentando su capacidad útil por medio de modificaciones de la impedancia y del ángulo de fase.

El flujo de potencia entre dos puntos a través de una línea de transmisión está dado por:

De esta expresión se desprende que la potencia que fluye por una línea no depende de los propietarios, de los contratos ni de los límites térmicos, sino más bien de los parámetros físicos de la red: voltaje en los extremos de la línea, impedancia de la línea y ángulo de fase de voltaje y corriente que se presenta al comienzo y al final de cada línea por el camino posible. Esto conlleva a la dificultad de transmitir flujos de potencia a través de caminos determinados.

1.2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES.

Las innovaciones en tecnología de semiconductores han permitido la construcción de nuevos y poderosos tiristores como los tiristores de apagado de puerta, GTOs (Gate Turn-off Thyristors) y como los transistores bipolares de puerta aislada, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). El desarrollo basado en esos dispositivos semiconductores primero estableció la tecnología de transmisión DC a alto voltaje HVDC, como una alternativa para la transmisión AC a largas distancias, y ésta tecnología, a su vez, estableció la base para el desarrollo de los sistemas de transmisión flexible en AC, FACTS, equipos que pueden ser usados para resolver los problemas en sistemas de transmisión AC mencionados en los numerales anteriores.

Los controladores FACTS son el resultado de una combinación de equipos convencionales de compensación, tecnología de punta en electrónica de potencia y de microelectrónica. Estos aspectos sumados al uso de los avances en el área de las comunicaciones, hacen de los dispositivos FACTS equipos que contribuyen a una operación óptima de un SEP. Así, los FACTS pueden ser definidos como aquellos sistemas de transmisión en corriente alterna basados en electrónica de potencia, y en otros controladores estáticos, cuyo fin es aumentar el control e incrementar la capacidad de transferencia de potencia de un SEP.

Los dispositivos FACTS tienen como base operativa el desarrollo de dispositivos semiconductores con poderosas características en cuanto a capacidad de potencia y tamaño. Los más poderosos dispositivos semiconductores para aplicaciones de potencia siguen siendo los tiristores, los cuales tienen la capacidad de manejar más de 10KV y llevar corrientes superiores a los 5 KA [6]. Algunos de estos dispositivos, como el GTO, ofrecen ventajas adicionales para interrupción de corriente, lo que habilita el uso de convertidores de conmutación forzada, que es una de las ventajas constructivas y de las características avanzadas de los dispositivos

FACTS.

Los dispositivos IGBT son utilizados en convertidores de baja capacidad nominal de potencia, principalmente son utilizados en redes de medio y bajo voltaje y son parte importante de muchos dispositivos empleados en incrementar la calidad de la potencia en estos niveles de tensión gracias a sus características de rapidez de respuesta ya que permiten el suicheo con frecuencias en un rango entre los 3KHz y los 10KHz.

Aunque los tiristores son parte fundamental de la operación de un dispositivo FACTS, es posible realizar simplificaciones circuitales a la hora de analizar el impacto de un dispositivo FACTS en los flujos de potencia en un sistema. Estas simplificaciones suponen la operación adecuada del equipo FACTS como un todo, y no requieren detallar las dinámicas de un tiristor en la operación de un FACTS inserto en un SEP. Por este motivo, y dado que este trabajo orienta su análisis hacia el impacto de los FACTS en un SEP y no hacia el control mismo de los FACTS, no se enfatiza en detalles concernientes a la tecnología de semiconductores.

La idea operativa fundamental de un dispositivo FACTS es afectar alguno de los siguientes parámetros: variación de frecuencia, variación de voltaje, variación del ángulo de fase, entre otros. Los dispositivos FACTS pueden influenciar uno o más de esos parámetros y de este modo influenciar el flujo de potencia.

En términos generales, estos dispositivos pueden generar los siguientes impactos sobre el sistema de potencia en el que se insertan:

1. Pueden proporcionar un control rápido y continuo del flujo de potencia en los sistemas de transmisión controlando los voltajes en los nodos críticos, cambiando la impedancia de las líneas de transmisión o controlando el ángulo de fase al final de las líneas.

2. Permiten el incremento de la carga de las líneas de transmisión a niveles cercanos a los límites térmicos. Por ello pueden aumentar la transferencia de potencia a través de sistemas de transmisión que tienen restricciones en la actualidad, optimizando el uso de la infraestructura disponible y suministrando potencia a bajos costos a un gran número de consumidores.

3. Permiten la disminución de las oscilaciones que pueden dañar equipos y/o limitar la capacidad de transmisión de potencia eléctrica. Por esto pueden ser aplicados para manejo de la congestión e incremento de la estabilidad.

4. Permiten al sistema mayor habilidad para transferir potencia eléctrica entre áreas controladas, de forma que los márgenes de generación de reserva se reduzcan de 18% a 15%.

5. Permiten la prevención de apagones en cascada al evitar los efectos de fallas y de equipos dañados.

6. Permiten disminución de pérdidas de potencia activa, menores costos de producción de energía y cumplimiento de requerimientos contractuales mediante el control de los flujos de potencia en la red.

Es importante notar que el aprovechamiento de las ventajas de los sistemas de comunicación actuales en las redes de potencia y las altas velocidades de respuesta de los dispositivos tiristores que conforman la dinámica de los FACTS, son esenciales para que estos dispositivos puedan operar sobre los flujos de potencia cuando se quieren resolver problemas de inestabilidad en el SEP. Por otro lado, es un factor crucial seleccionar la mejor solución desde los puntos de vista técnico y económico, dado que hay una gran variedad de dispositivos que pueden ser utilizados para estos efectos.

• CLASIFICACION DE LOS EQUIPOS FACTS.

Existe un gran número de dispositivos "FACTS" con distintas constituciones, no obstante, su principio de funcionamiento no suele ser complicado y en muchos de ellos se deriva de la simple aplicación de la electrónica a equipos conocidos tradicionalmente.

Por ello, podremos dividir a los FACTS en cuanto a su concepción en dos grandes grupos:

• FACTS derivados de la aplicación de "Conmutadores Electrónicos" a equipos tradicionales.

• FACTS basados en la aplicación de "Convertidores"

Y en cuanto a sus acciones sobre el sistema los dividimos como:

• Dispositivos de Compensación en paralelo, derivación o "Shunt".

• Dispositivos de compensación en serie.

• Dispositivos desfasadores.

1.4 COMPENSADORES EN SERIE.

El principio de la compensación en serie consiste en controlar las ondas de tensión y corriente, corriente en la línea de transmisión, ya sea mediante un cambio en la reactancia de la línea, o bien mediante la inyección de una tensión en serie con la línea. La compensación serie se emplea para disminuir la reactancia de transferencia de una línea eléctrica a la frecuencia de la red. La instalación de un condensador en serie genera energía reactiva, que de una forma auto regulada, compensa una parte de la reactancia de transferencia de la línea. Como resultado se obtiene un mejor funcionamiento del sistema de transporte gracias a:

• aumento de la estabilidad angular del corredor de potencia

• mejora de la estabilidad de la tensión del corredor

• optimización de la división de potencias entre circuitos paralelos

Como su nombre lo indica, en este grupo encontramos a los controladores que se conectan en serie al elemento específico (una línea de transmisión por ejemplo) y que pueden ser impedancias variables tales como capacitores o reactores, o una fuente variable construida en base a elementos electrónicos de potencia que entreguen una señal de voltaje a frecuencia primaria, subsíncrona o a las frecuencias armónicas deseadas. Mientras la señal de voltaje esté en cuadratura con la corriente de línea el controlador consumirá o entregará sólo potencia reactiva. En cualquier otro caso se verá involucrado un manejo de potencia activa.

Figura 1. Diagrama equivalente de la compensación serie.

La compensación en serie inserta energía reactiva en la línea de transmisión. Mediante esto se logra acortar virtualmente las líneas. Como consecuencia, el ángulo de transmisión se reduce, y la transferencia de energía se puede aumentar sin la reducción de la estabilidad del sistema.

En la siguiente tabla se muestran las diferentes opciones, dependiendo si se compensa con un condensador, un reactor o un sistema de electrónica de potencia.

El funcionamiento de estos dispositivos puede observarse en los siguientes diagramas fasoriales:

Sin compensación

Figura 1.2. Diagrama fasorial de tensiones sin compensación

Con compensación

Figura 1.3. Diagrama fasorial de tensiones con compensación.

Dentro de los elementos a que encontramos en este grupo están:

• 1. Compensadores Estáticos Síncronos Serie (SSSC)

• 2. Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas (IPFC)

• 3. Capacitor Controlado por Transistores Serie (TCSC)

• 4. Capacitor Encendido por Transistores Serie (TSSC)

• 5. Reactor Controlado por Transistores Serie (TCSR)

• 6. Reactor Encendido por Transistores Serie (TSSR).

1.5 COMPENSADORES EN PARALELO (Shunt)

La compensación en paralelo consiste en suministrar potencia reactiva a la línea, para aumentar la transferencia de potencia activa, manteniendo los niveles de tensión dentro de los rangos aceptables de seguridad. Tal como los controladores series, los elementos que se pueden conectar son los mismos, y la diferencia es que inyectan señales de corriente al sistema en el punto de conexión. El manejo de potencia activa mediante estos elementos está condicionado por los ángulos de desfase, del mismo modo que los controladores serie.

Figura 1.4. Diagrama equivalente de la compensación en paralelo.

El funcionamiento de estos dispositivos puede observarse en los siguientes diagramas fasoriales:

Sin compensación

Figura 1.5. Diagrama fasorial de tensiones y corrientes sin compensación.

Con compensacion.

Figura 1.6. Diagrama fasorial de tensiones con compensacion.

En la siguiente tabla se muestran las diferentes opciones, dependiendo si se compensa con un condensador, un reactor o un sistema de electrónica de potencia.

En este grupo están:

• 1. Compensadores Estáticos Síncronos (STATCOM)

• 2. Generador Estático Síncrono (SSG)

• 3. Sistema de Almacenaje de Energía en Baterías (BESS)

• 4. Almacenaje de Energía en Superconductores Magnéticos (SMES)

• 5. Compensador Estático de Reactivos (SVC)

• 6. Reactor Controlado por Tiristores (TCR)

• 7. Reactor Encendido por Tiristores (TSR)

• 8. Capacitor Encendido por Tiristores (TSC)

• 9. Generador (o Consumidor) Estático de Reactivos (SVG)

• 10. Sistema Estático de VARs (SVS)

• 11. Resistor de Freno Controlado por Tiristores (TCBR).

1.6 COMPENSADORES COMBINADOS SERIE-SERIE.

Podemos encontrar dos tipos de controladores. En primer lugar el control se hace por separado pero de modo coordinado en un sistema multilíneas. O, como se muestra en la figura, el centro de control es unificado y permite entregar la compensación reactive serie requerida por cada línea, pero también permite el flujo de potencia activa entre las líneas involucradas mediante el DC Power Link. Esta capacidad de controlar el tránsito de potencia activa se conoce como Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas hace posible balancear el flujo de las potencias reactivas y activas en las líneas de transmisión y mediante esto, maximizar la utilización y capacidad de transporte de las mismas.

Figura 1.7. Diagrama equivalente de la compensación serie-serie.

1.7 COMPENSADORES COMBINADOS SERIE-PARALELO

Del mismo modo que la combinación serie-serie, también se pueden operar de dos maneras. La primera mediante una combinación de controladores serie y paralelo controlados coordinadamente como se muestra a continuación:

Figura 1.8. Diagrama de la compensación serie- paralelo.

O mediante un Controlador de Flujo de Potencia Unificado, que tal como en el caso anterior, posee la capacidad de agregar transferencia de potencia activa entre líneas si es necesario, mediante el DC Power Link.

Figura 1.9. Diagrama del controlador unificado de potencia.

Dentro de los controladores serie-paralelo encontramos:

1). Controladores de Flujo de Potencia Unificados (UPFC)

2). Transformador Cambiador de Fase Controlado por Tiristores (TCPST)

3). Regulador de Ángulo de Fase Controlado por Tiristores (TCPAR)

4). Controlador de Potencia de Interfase (IPC).

Existen otros controladores que no están en el marco de los grupos descritos y que son los siguientes:

1). Limitador de Voltaje Controlado por Tiristores (TCVL), que es un varistor controlado por Tiristores usado para limitar la tensión entre sus terminales durante condiciones transientes

2). Regulador de Voltaje Controlado por Tiristores (TCVR), que corresponde a un transformador controlado por tiristores que puede proveer voltaje variable con control continuo.

Esquemas, funcionamiento de los TSC y TCR

2.1 CONDESADOR CONMUTADO POR TIRISTORES (TSC).

Consisten en bancos de condensadores estáticos cuya conexión o desconexión ocurre en la primera pasada por cero de la onda de corriente, con la ayuda de tiristores, lo que hace que no existan corrientes transitorias peligrosas durante la conexión y que el proceso sea muy rápido (menos de un ciclo). A pesar de su mayor costo son empleados en sistemas de transmisión importantes, de donde se aprovechan mejer sus ventajas.

2.2 ESQUEMA DE LOS TSC.

El esquema del condensador conmutado por tiristor o Thyristor switched capacitor (TSC) representa la configuración más sencilla de la utilización de dispositivos electrónicos de potencia en el control de reactiva. Este elemento está formado por un interruptor de estado sólido en serie con un condensador o batería de condensadores.

Figura 2.1. Configuración de un TSC.

En la figura 2.1 se muestra un interruptor de estado sólido formado por dos tiristores (TR1 y TR2) en antiparalelo. De forma que, para conectar el condensador (C) se disparan los dos tiristores al mismo tiempo empezando a conducir tan pronto estén polarizados positivamente. Para la desconexión se anula la señal de disparo y los tiristores se apagarán en el instante en que la corriente que los atraviesa cruce por cero. En serie con el condensador es habitual encontrar una bobina (L), ya sea para limitar la derivada de la intensidad di(t)/dt y así proteger a los tiristores, o bien, para crear un filtro sintonizado a una determinada frecuencia.

2.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TSC.

La actuación del interruptor estático es prácticamente instantánea, por consiguiente, se puede elegir como instante de conexión aquel en que el valor de la tensión de alimentación provoque la menor corriente transitoria.

Para estudiar en detalle el transitorio de conexión del condensador C cuando éste está en serie con una bobina ideal L, se emplea el circuito de la Ilustración que sigue, donde se considera un comportamiento ideal para el interruptor estático.

Figura 2.2. Esquema equivalente de un TSC

La tensión de alimentación e (t) se puede poner como:

Por consiguiente, la expresión para la tensión del condensador Uc (t) si el interruptor se cierra en el instante t" es:

El cálculo de la intensidad se puede realizar utilizando la relación

Para el cálculo de K1 y K2 las condiciones iniciales que se consideran son la intensidad inicial del circuito y la tensión inicial del condensador:

Por otra parte, para que el transitorio de conexión sea mínimo es necesario que la componente natural de la corriente sea nula, es decir, que tanto K1 como K2 sean cero, o sea:

El cumplimiento simultáneo de ambas condiciones no se puede garantizar, ya que la tensión de un condensador depende de su instante de desconexión y del tiempo que lleve desconectado. No obstante, para una tensión residual dada, se asume como aceptable que el instante más favorable para la conexión es aquel en que la tensión de alimentación es igual a la tensión residual, o lo que es lo mismo, cuando la tensión en los tiristores se anula, ya que:

Figura 2.3

Figura 2.4

Con el TSC se eliminan los interruptores empleados en el esquema de la figura 2.2, de esta forma la conexión y desconexión de la batería es prácticamente instantánea y se suprimen las corrientes de conexión. No obstante, con este elemento la capacidad de regulación de la reactiva dependerá nuevamente del número de escalones empleado.

2.4 REACTOR CONTROLADOPOR TIRISTORES (TCR).

Otro elemento característico en los SVC es la bobina (reactor) controlada por tiristores (Thyristor controlled reactor) TCR. La principal misión de este elemento es la de conseguir una regulación continua y rápida de la potencia reactiva consumida por una bobina.

2.5 ESQUEMA DE LOS TCR.

El esquema de un TCR está formado por una bobina (R+L) y un convertidor CA/CA compuesto por dos tiristores en antiparalelo. En este caso, a la electrónica de potencia se le aplica un control de fase, de forma que se regula el valor eficaz de la corriente que circula a través de la reactancia.

Figura 2.5 Configuración de un TCR.

Si en vez de realizar un control de fase, los tiristores se emplean como si fuesen un interruptor estático, la configuración descrita recibe el nombre de bobina conmutada por tiristores o Thyristor switched reactor (TSR). Para minimizar los transitorios de desconexión el instante más favorable sería cuando la tensión de alimentación alcanzase su nivel máximo o mínimo.

Otra alternativa podría ser la de utilizar los tiristores para controlar la intensidad de una batería de condensadores, no obstante, el aplicar el control de fase sobre capacidades ocasionaría fuertes corrientes de conexión que tendrían que soportar los propios tiristores, además de la dificultad que esto originaría en el control.

2.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TCR.

Al aplicar el control de fase sobre los tiristores, se consigue que vayan conduciendo alternativamente de forma que la intensidad resultante es una sucesión de transitorios sobre un conjunto RL. Esto es lo que se puede ver en la Ilustración 10, donde a partir de un instante definido por el ángulo de disparo a se inicia la conducción de cada uno de los tiristores TR1 y TR2.

Figura 2.6.

Para el estudio del comportamiento del TCR se supone un comportamiento ideal de los tiristores y que la tensión de alimentación es sinusoidal pura, esto es:

En primer lugar se van a estudiar los instantes de conexión de los tiristores. El tiristor de ciclos positivos, TR1, se activará en el instante t', el cual teniendo en cuenta (1b) se calcula como (ver Ilustración 4):

Donde a es el ángulo de disparo y t'0 es el instante en de cruce por cero de la tensión con pendiente positiva.

Análogamente, el tiristor para ciclos negativos, TR2, se activará en el instante t'' cuya expresión es:

Donde t"0 es el instante es el instante en de cruce por cero de la tensión con pendiente negativa.

Los instantes de final de conducción de los tiristores (apagado, bloqueo), se producen en el cruce por cero de la intensidad, después de iniciada la conducción (ver en figura 1.14).

Una vez definidos los instantes de conducción y apagado, la intensidad se puede definir según los siguientes intervalos:

Y resultando:

De donde se puede deducir, debido a la igualdad supuesta para los ángulos de disparo de TR1 y TR2, que:

Figura 2.7

Figura 2.8

Descripción de los principales equipos FACTS: (SVC, STATCOM, SSCC, IPFC, UPFC)

3.1 COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS (SVC o CER).

El SVC se desarrolló a principios de los años 70 para el control de la tensión en puntos de la red en los que hubiese hornos de arco de eléctrico. Este tipo de horno se carga con chatarra de acero en la que se introducen unos electrodos. Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos produce un calor intenso que funde el acero. Durante el proceso de fundición se producen unas variaciones bruscas y de carácter aleatorio en la corriente que se consume. De esta forma, el resto de los consumos conectados a la red en paralelo con el horno pueden padecer unas variaciones de tensión indeseables, por ejemplo, en forma de flicker (parpadeo).

3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SVC.

El principio de funcionamiento del SVC, basado en electrónica de potencia, se adapta perfectamente al tipo de situaciones descritas anteriormente, ya que se puede realizar un control progresivo y rápido de la tensión, o sea de la reactiva, en el punto de la red en el que se desee actuar.

El funcionamiento del Compensador Estático de Reactivos (Static Var Compensator), se basa en la utilización de tiristores conjuntamente con condensadores y bobinas (inductores), y su configuración consiste en un arreglo de compensadores en paralelo, usualmente tanto TCR (Reactor Controlado por Tiristores) como TSC (Condensador Conmutado por Tiristores) de manera de contar con la posibilidad de realizar compensación capacitiva o inductiva. Los compensadores operan coordinados por un sistema de control, cuya estrategia más común es mantener la tensión en el punto de conexión en un valor fijo específico.

En estas situaciones en las que la variable de control es la tensión, la actuación sobre el SVC se puede realizar a través de un regulador que actúe sobre el ángulo de disparo del TCR y que conecte o desconecta las unidades de TSC en función de la desviación de la tensión con respecto a la tensión de referencia.

Los dispositivos basados en SVC se pueden emplear en los sistemas de transporte de la energía eléctrica para aumentar la capacidad de transporte. La aplicación en los sistemas de transporte de energía eléctrica de los sistemas como el mostrado, es decir, basados en electrónica de potencia, es y estabilidad de las líneas de transporte. La aplicación en los sistemas de transporte de energía eléctrica de los sistemas basados en electrónica de potencia, es lo que se viene llamando Flexible AC Transmission Systems (FACTS).

3.3 COMPOSICION y ESQUEMA DEL SVC.

Los SVC consisten en bancos de condensadores estáticos (conectables o no mediante tiristores), en paralelo con un reactor controlado por tiristores. Los tiristores permiten controlar la magnitud de la potencia reactiva consumida en el reactor, y con ello hacer que el conjunto sea capacitivo o inductivo (ver Figura 3.2 y 3.3), permitiendo realizar así una compensación de reactivos completa y rápida (menos de un ciclo por fase). Una parte de los condensadores debe cumplir además el papel de filtro para las corrientes armónicas generadas por la forma de operar el reactor. El conjunto se conecta al sistema de transmisión mediante un transformador, cuyo secundario va normalmente en delta, para eliminar las terceras armónicas.

Figura 3.1. Diagrama esquemático de un SVC.

3.4 COMPORTAMIENTO DEL SVC.

El SVC tiene un comportamiento capacitivo o inductivo en función del estado de operación de las distintas unidades de capacidad (TSC o controladas mecánicamente), del TCR y de la dimensión de los condensadores fijos, ya sea en baterías o filtros LC. La utilización de unidades TSC en paralelo con el TCR permite disminuir la su inductancia para el funcionamiento en el lado capacitivo, ya que el TCR sólo tendría que cubrir el salto de reactiva entre dos escalones del TSC. Al reducir el tamaño del TCR también disminuirían los armónicos inyectados por éste a la red.

La inclusión de filtros LC, ya sea sintonizado a un determinado armónico o bien paso-bajo, sirven para evitar que parte de los armónicos generados en el TCR se transmitan a la red.

Las baterías de condensadores, o inductancias, accionadas mecánicamente pueden trabajar como unidades de reactiva de reserva que entrarían en funcionamiento en aquellas condiciones más severas para el control realizado por el SVC.

Figura 3.4 Composición por fase de un SVC

3.5 APLICACIONES DEL SVC:

Estos equipos se emplean para el control de variaciones rápidas de tensión (parpadeos) en hornos eléctricos de arco, y para el control de la tensión en sistemas de transmisión importantes.

De manera específica en:

• Control de la tensión para aumentar la calidad del suministro permitiendo, por ejemplo, mitigar la aparición de flicker cuando existen hornos de arco.

• Desde el lado del transporte de energía eléctrica se emplean para mejorar la estabilidad y la capacidad de transporte de las líneas de transporte.

• El SVC se puede poner en paralelo con un determinado consumo cuyo comportamiento varíe rápidamente para obtener un factor de potencia cercano a la unidad en todo instante

• En el caso de consumos monofásicos variables, como es el caso de la tracción en trenes eléctricos, el SVC se usa para equilibrar el consumo en cualquier régimen de funcionamiento.

Figura 3.5 Ejemplares de equipos SVC. Potencia nominal de -60…+100 MVAr en la subestación Campos, Brasil fabricado por NOKIAN CAPACITORS.

Figura 3.6 Esquema de la disposición de un SVC.

Figura 3.7 Strathmore SVC, Australia (1 TCR/1TSC/3 Filter)

3.6 COMPENSADOR SINCRONICO ESTATICO (STATCOM).

A diferencia de los demás dispositivos FACTS para la compensación en paralelo (TCR, TSC y SVC), el STATCOM no se basa en dispositivos de conmutación. La inyección de corriente se obtiene con la ayuda de un condensador en corriente continua, conectado a la línea de transmisión mediante un convertidor con fuente de tensión y un transformador en paralelo. Controlando la magnitud relativa entre la tensión de línea y la de salida del inversor, el STATCOM puede proporcionar compensación capacitiva o inductiva, según la necesidad.

Figura 3.8 Esquema de conexión del STATCOM.

Este equipo se comporta como un compensador sincrónico, permitiendo un control continuo de la potencia reactiva, y ofrece una mayor velocidad de respuesta, mayor estabilidad y mejor manejo de perturbaciones dinámicas que un SVC, aunque a un mayor costo.

3.7 Ventajas del STATCOM sobre los demás equipos FACTS:

En primer lugar, actúa mucho más rápido y puede responder a fluctuaciones de voltaje en cuestión de un ciclo. En segundo lugar, puede generar mucha más potencia reactiva cuando el voltaje del sistema es bajo, que es justo el momento en que se requiere mucha potencia reactiva para evitar un nuevo colapso de voltaje.

Figura 3.9 Instalación completa de STATCOM.

3.8 COMPENSADOR SERIE SINCRONICO ESTATICO (SSSC).

El SSSC (Static Synchronous Series Compensator) es uno de los controladores FACTS más importantes. Este permite la inyección de un voltaje serie en cuadratura con la corriente de línea e independientemente de esta. Su propósito es aumentar o disminuir la caída de voltaje reactiva de la línea y controlar así la potencia transferida.

Este equipo puede incluir dispositivos de almacenamiento o absorción de energía para mejorar el desempeño dinámico del sistema de potencia por medio de la compensación adicional de potencia activa temporal, incrementando o disminuyendo temporalmente la caída de voltaje resistiva de la línea. Y puede estar basado en convertidores de voltaje o de corriente pero su conexión estando en serie con la línea. Los voltajes inyectados serán relativamente pequeños comparados con el voltaje de la línea y el aislamiento a tierra deberá de ser bastante elevado.

Este es un compensador que a diferencia de los demás dispositivos FACTS para compensación serie, esta configuración no utiliza dispositivos de conmutación para controlar la circulación de corriente del elemento de compensación (condensador, reactor). La inyección de tensión en cuadratura se obtiene con un condensador en corriente continua, conectado a la línea de transmisión por medio de un convertidor con una fuente de tensión y un transformador en serie. El grado de compensación se controla modificando la tensión de salida del convertidor, pudiendo incluso invertirse la fase, obteniéndose así la compensación inductiva. El sistema de control requiere muestreos de corriente y de voltaje que se obtienen de transformadores de medida que se indican en la figura de más abajo, como TC y TP

Figura 3.10. Esquema del SSSC

3.9 CONTROLADOR UNIFICADO DE FLUJOS DE POTENCIA (UPFC)

Los equipos FACTS presentados anteriormente son específicos en el tipo de compensación (que modifica el flujo de potencia en la línea). Cada uno presenta ciertas limitaciones en cuanto a la generación de reactivos y al intercambio de potencia activa con la línea de transmisión. los equipos son, o bien generadores de reactivos, como el SVC y el TCSC, incapaces de intercambiar potencia activa con el sistema, o reguladores como el TCPAR (Thyristor Controller Phase Angle Regulator), que pueden intercambiar potencia activa, pero no pueden generar reactivos.

En cambio los equipos basados en fuentes de tensión como el STATCOM y el SSSC, tienen la capacidad inherente de intercambiar potencia activa y reactiva con el sistema. Estos equipos generan o absorben automáticamente la potencia reactiva requerida y, por lo tanto, pueden realizar compensación de reactivos sin necesidad de condensadores o reactores en corriente alterna. En cuanto a la potencia activa intercambiada con el sistema, esta debe ser suministrada por ellos o absorbida desde ellos.

Como respuesta a la necesidad de controlar simultáneamente e independiente los flujos de potencia activa y reactiva, surge la idea de utilizar un dispositivo que combine las distintas capacidades de compensación mostradas anteriormente.

El Controlador Unificado de Flujos de Potencia (Unified Power Flow Controller, UPFC), propuesto por Gyugyi en 1991, presenta estas características.

Básicamente, el UPFC puede representar como una combinación de un STATCOM, y un SSSC unidos mediante un enlace (local) en corriente continua, permitiendo de este modo el libre flujo de potencia activa entre ambos dispositivos.

Figura 3.11 Estructura básica del UPFC.