FACTS Formas de usar más eficientemente las líneas eléctricas existentes.

Transcripción

1 FA Forms de usr más eficientemente ls línes eléctrics existentes. Fustino de l Bodeg, Mrí Dolores Gutiérrez, Zlo Aginko, Koldobik J. Sgstbeiti Deprtmento de ngenierí Eléctric E...T.. de Bilbo (EH/PV) Plz de l sill nº, 480 (Bilbo) Tel.: , , , , fx: , e-mil: fustino.delbodeg@ehu.es, mridolores.gutierrez@ehu.es, zlo.ginko@ehu.es, koldo.sgstbeiti@ehu.es esumen. Desde sus comienzos, finles del siglo XX hst nuestros dís, l hor de dr su servicio, ls ompñís Eléctrics hn hecho frente los problems de optimizción de ls vribles del sistem sí como los problems inherentes ells socidos y sus limitciones. omo ejemplos típicos podemos citr: El mntenimiento de l tensión entre límites muy estrechos l finl de un líne. esuelt de form convencionl con l compensción de potenci rectiv medinte rectncis inductivs y/o cpcitivs conectds en serie o prlelo con l líne por esclones o de form discret. Los problems de optimizción del flujo de energí cundo lguns línes de trnsmisión están sobrecrgds l mismo tiempo que otrs están infrutilizds. Estos problems hn sido resueltos de form convencionl medinte dispositivos desfsdores, etc. El trbjo que presentmos, se bs en l utilizción de elementos pr el control estático y dinámico de ls redes, conocidos en el mundo técnico como "FA". El crónimo FA englob en definitiv l totlidd de dispositivos y sistems bsdos en l electrónic de potenci y utilizdos pr l trnsmisión de l energí en corriente ltern en ls redes de trnsporte y distribución de energí. Plbrs clve: Fibilidd, ontrol, Flexibilidd, Estbilidd, FA.. Aplicciones de los FA A l hor de bordr los problems relciondos con l trnsmisión de l energí eléctric, es necesrio indicr que no siempre los FA son l mejor solución. Pr que l instlción de FA quede justificd hn de drse en el interruptor l que fectn l menos un de ls dos siguientes crcterístics: Mniobrs frecuentes pcidd de respuest rápid rcterístics que no son cpces de proporcionr los interruptores electromecánicos. De no drse ests circunstncis se puede firmr sin temor equivocrse que l solución más rcionl, y tmbién l más brt, sigue siendo medinte dispositivos convencionles. Ls crcterístics nteriores ls proporcionn los interruptores y controldores de estdo sólido bse de tiristores que determinn sus plicciones, lo cul podrí resumirse grndes rsgos en: ontrol continuo de vribles eléctrics. ontrol de estbilidd. ontrol ontinuo. Trt sobre l regulción de determinds vribles eléctrics pr mntener unos vlores prefijdos en determindos puntos o zons, tles como tensión en brrs, potenci ctivo y/o rectiv trnsportd por ls línes, etc, cciones pr ls que se requieren de frecuentes mniobrs. omo ejemplo, los FA son útiles en suntos tles como: ontrol del flujo de potenci Limitción de ls potencis por línes y trnsformdores. ompensción en línes lrgs.. ontrol de Estbilidd Se trt sobre dispositivos de mortigumiento en condiciones de explotción en ls que se presentn

2 oscilciones de potenci poco mortiguds entre subsistems o zons distints; se requiere un cpcidd de respuest rápid. El uso de FA puede resolver problems de: Estbilidd en régimen permnente. Estbilidd trnsitori. Estbilidd osciltori.. lsificción de lgunos dispositivos FA más comunes Existe un grn número de dispositivos "FA" con distints constituciones, no obstnte, su principio de funcionmiento no suele ser complicdo y en muchos de ellos se deriv de l simple plicción de l electrónic equipos conocidos trdicionlmente. Por ello, podremos dividir los FA en cunto su concepción en dos grndes grupos: FA derivdos de l plicción de "onmutdores Electrónicos" equipos trdicionles. FA bsdos en l plicción de "onvertidores" Y en cunto sus cciones sobre el sistem los dividimos como: Dispositivos de ompensción en prlelo, derivción o "Shunt". Dispositivos de compensción en serie. Dispositivos desfsdores. En el estudio que continución relizmos nos vmos centrr únicmente en los FA bsdos en l técnic de conmutdores y plicdos dispositivos de compensción.. Dispositivos conectdos en prlelo, derivción o "shunt" (SV) Son los conocidos en l litertur técnic como "compensdores estáticos SHNT de potenci rectiv", que se designn como SV (Sttic Vr ompenstors). Estos dispositivos portn un inyección de potenci rectiv l red eléctric medinte el control de rectncis y/o cpciddes. Medinte l técnic de conmutción se pueden obtener los siguientes tipos de compensción: ompensción discret o por pquetes, como en l técnic clásic en el que se h sustituido el interruptor mecánico por uno electrónico. (El interruptor bre o cierr el circuito un número entero de semiciclos). ompensción continu, en cunto constitución y principio de funcionmiento es idéntic l nterior, diferenciándose en que, en este cso, los tiristores se utilizn como controldores ( El interruptor bre o cierr el circuito en un instnte culquier) Ddo que el funcionmiento y plicciones de los FA rdicn en l conmutción medinte tiristores, entendemos que es necesrio dr un visión concis pero clr sobre este elemento. 4. El Triristor (T) El Tiristor como es sbido, es un dispositivo que demás de ánodo "A" y cátodo "" como el diodo, dispone de un dispositivo de cebdo o puert "G", tl y como se indic (Fig.) A i Fig.. Tiristor 4. Estdos de funcionmiento Los estdos de funcionmiento del tiristor son dos: Estdo de Bloqueo y Estdo de onducción. Bloquedo o Abierto, en este estdo el tiristor est bloquedo o no conduce "i(t) 0" en los siguientes supuestos: undo l tensión ánodo cátodo es negtiv "u AK < 0" tl como un diodo. undo, ún siendo positiv l tensión ánodo cátodo "u AK > 0", o no se está inyectndo impulso de corriente lguno entre puert y cátodo "i g 0 " o este es negtivo "i g < 0". Est culidd le diferenci del diodo. onducción o errdo, en este estdo el tiristor dej psr l corriente y conduce "u AK 0". Este estdo se d: undo l tensión ánodo cátodo es positiv "u AK > 0" y se inyect un impulso positivo de corriente entre puert y cátodo "i g > 0 ". Mientrs conduce "i(t) > 0", el tiristor se comport como un diodo, volviendo bloquerse cundo se nul l corriente "i(t) 0"; en consecuenci un vez cebdo el tiristor l puert pierde todo poder de control sobre el mismo 5. Modos de funcionmiento i g u AK Estudiremos dos modos de funcionmiento: como interruptor y como reguldor. En mbos csos el elemento está formdo por dos tiristores conectdos en oposición o contrfse, conexiones llmds tmbién en ntiprlelo o prlelo inverso. (Fig. ) K

3 i T Se bre sin ruptur de corriente i 0, por tnto no existen sobretensiones trnsitoris. Se cierr de form csi instntáne. Se puede dejr psr l corriente sólo durnte lgunos ciclos, lo que es muy interesnte en determinds plicciones. Fig.. nterruptor o controldor 5. Funcionmiento como interruptor () Más conocido por ls sigls (Thyristor Switched), en su funcionmiento como interruptor permite conseguir l unión permnente entre fuente y crg, sí como su interrupción. Es decir los tiristores T y T permiten conectr o desconectr l crg. onsiderremos que el interruptor está cerrdo o en estdo de conducción cundo: Se enví l tensión de cebdo l puert del tiristor T l inicio de l semiond positiv de l tensión de limentción α 0, y l puert de T l inicio de l semiond negtiv. Entonces l corriente i ps o bien por T o por T, el interruptor est cerrdo "u AK 0" y l tensión en l crg coincide con l de limentción. En corrientes lterns l corriente v desfsd respecto de l tensión, es preciso por tnto que cundo l i > 0 quier psr por el tiristor T l señl de cebdo "i g " de l puert G todví se mnteng, idéntics considerciones pr el T. Lo expuesto nteriormente puede conseguirse por distintos procedimientos, uno de ellos puede ser el empleo de señles de cebdo muy nchs α 90º onsidermos que el interruptor está bierto o en estdo de bloqueo cundo: Suprimimos ls señles de cebdo de los tiristores; en ests condiciones el tiristor que esté conduciendo lo seguirá hciendo hst que l corriente se nule i 0, mientrs que el otro tiristor no podrá cebrse. El interruptor está bierto y soport l tensión de red Ventjs e inconvenientes del interruptor estático Ventjs: T No hy peligro de rebotes. Se bre con un retrdo máximo igul medio período. nconvenientes: Es más sensible ls sobrecrgs que el interruptor electromgnético. Sus estdos no son visibles exteriormente. Lo que en generl consej l utilizción de interruptores estáticos es: L usenci de sobretensiones de ruptur L posibilidd de ciclos de pertur-cierre rápidos. Ests dos crcterístics coinciden exctmente con ls requerids por los dispositivos FA. Este dispositivo, como y se h indicdo nteriormente, sólo permite un compensción discret. 5. Funcionmiento como reguldor o controldor (T) En l práctic es conocido por l brevitur T (Thyristor ontroller). El funcionmiento como reguldor o controldor solmente difiere del funcionmiento como interruptor en l form de tcr ls puerts, en lugr de plicr o suprimir ls señles de cebdo como en los interruptores, quí se desfs. Si en l semiond positiv de l tensión de líne se enví un impulso de corriente l puert en el instnte t α/ω, el tiristor en principio está en condiciones de conducir entre α ω.t π. Se observ, pues, que vrindo α se puede controlr el tiempo de conducción de los tiristores y, como consecuenci el vlor de l corriente. onducirá en el cso de que u AK > 0, lo que implic que i > 0. En corriente ltern hy un desfse entre tensión y corriente de vlor ϕ impuesto por l crg (generlmente inductiv) y, en consecuenci, i > 0 cundo ω.t > ϕ, por lo que pr que el tiristor conduzc ϕ α y α < ω.t π. Así vrindo α entre ϕ y π se hce vrir el vlor eficz de l corriente de su vlor máximo cero; por tnto /Z Ventjs e inconvenientes del reguldor estático A l hor de hblr de ls ventjs e inconvenientes, podrímos decir que en principio son ls misms que en

4 su funcionmiento como interruptor. Sin embrgo, vmos mtizr en un únic ventj y un único inconveniente que le diferencin. Ventj diferencidor: El controldor puede relizr un regulción continu, lo que represent un ventj suplementri. omo cso prticulr, de hecho si se le plic el impulso en α ϕ se comport como un interruptor. nconveniente diferencidor: L generción de rmónicos en l ond, que oblign l uso de filtros pr nulrlos. Por último, señlr que en el cso de FA que sen dispositivos de compensción ls crgs serán inductncis csi purs (utoinducciones y/o cpciddes), por lo que el ángulo ϕ ± π/. 6. ompensdores estáticos de potenci rectiv en derivción con técnic de conmutdores (SV) Los compensdores estáticos de potenci rectiv en prlelo conocidos por el crónimo SV (Sttic Vr ompestors) se utilizn desde hce muchos ños en ls redes de potenci pr mejorr ls condiciones de trnsporte, en concreto pr mntener l tensión de l red dentro de los límites exigidos. Su constitución y principio de funcionmiento son muy simples y se bsn en compensr l potenci rectiv Q, medinte el consumo de potenci inductiv Q L o cpcitiv Q en determindos puntos de l red; generlmente en subestciones tl y como se muestr en Fig. SV/ Fig.4. SV/ y SV/ SV/ En consecuenci, en lo quí trtdo estmos hblndo de FA derivdos de l plicción de conmutdores electrónicos equipos trdicionles conocidos como SV/ y SV/. L compensción relizd será discret o por pquetes. En el cso de que el interruptor mecánico se reemplzdo por un controldor T (Thyristor ontrolled), el compensdor es idéntico los nteriores pero con compensción continu, ejemplo: SV/T compensdor de rectiv de rectnci controldo por tiristores. En l práctic, en los FA el dispositivo básico SV suele estr compuesto por un cpcidd en prlelo con un rectnci gobernds por controldores o interruptores bse de tiristores e interruptores mecánicos. L Fig. 5 muestr un dispositivo SV básico compuesto en este cso por un cpcidd con interruptor de tiristores en prlelo con un rectnci controld por tiristores T. Su denominción es SV/T- (Sttic Vr ompestors Thyristor ontrolled ector- Thyristor Switched pcitor). MS MS T MS SV/MS Fig.. SV/MS SV/MS Los dispositivos indicdos se conocen como SV/MS l poseer un interruptor mecánico MS (Mecniclly Switched). Los nteriores dispositivos se convierten en FA l sustituir el interruptor mecánico por otro electrónico, estático, constituido por un válvul de tiristores bidireccionles (Thyristor Switched). Estos crónimos suelen venir compñdos de un o un pr indicr si conmut un cpcidd o un rectnci, tl y como se indic en l Fig. 4. Fig.5. Dispositivo Básico SV en FA. Según su constitución específic en l práctic se pueden encontrr ls siguientes configurciones: SV/T- y indicdo nteriormente. SV/T-F (Sttic Vr ompestors Thyristor ontrolled ector- Fixed pcitor) con cpcidd fij SV/T-MS (Sttic Vr ompestors Thyristor ontrolled ector- Mecniclly Switched pcitor) con cpcidd con nterruptor mecánico. SV/-

5 En los tres primeros l potenci rectiv Q puede vrirse de form continu, en el último cso sólo puede hcerse en form discret. entonces 0 e, luego est clro que el sistem de corrientes es simétrico. Se trt, pues, de convertir dicho sistem en otro simétrico y equilibrdo. Pr ello procedemos de l form que se indic en l Fig.7.: 7. SV de equilibrio de crg omo plicción práctic de lo nteriormente visto vmos desrrollr l constitución y funcionmiento de un tipo de compensdor interesnte, diseñdo pr trcción eléctric o crgs industriles muy simétrics, tles como hornos. L L L X X ten Z il Se trt de un dispositivo FA SV industril de Equilibrio de rg, utilizdo en trcción eléctric en subestciones ls que están conectdos sistems monofásicos 50 Hz. Ls crgs de los sistems de trcción son monofásics (entre ctenri y ril) y están limentds directmente por trnsformdores monofásicos conectdos entre dos fses de l red de energí (Figur 6). Al bsorber l crg entre dos fses se produce un fuerte desequilibrio en el sistem de trnsmisión (Figur 6b). Lo nteriormente expuesto es plicble tmbién hornos de inducción, etc. L L L - 0 (6) Z tenri il Fig.7. onstitución del SV de equilibrio de crg nstlremos un cpcidd bien en l AT o BT del trnsformdor, de tl suerte que se mejore el fctor de potenci de l crg Z l unidd (cosϕ ), con ello compensmos totlmente l potenci rectiv Q y, en consecuenci, l socición Z- se comport como un resistenci de vlor. Entre ls línes L-L y L-L instlmos elementos lmcendores de rectncis respectivs X y X con objeto de que no se produzc un consumo de potenci ctiv. 7. Principio de funcionmiento Estmos interesdos en determinr l nturlez y vlores de X y X que lo consiguen. Se trt, pues, de un problem elementl de Teorí de ircuitos: l resolución de un triángulo (Fig. 8) en el que l condición que se le impone es que ls corrientes de líne sen simétrics. L - L X ϕ L X (6b) Fig.6. Principio de funcionmiento en trcción eléctric y digrm vectoril Este desequilibrio gener problems tnto l compñí suministrdor de energí como otros clientes conectdos l red que reciben energí de peor clidd (prpdeo o flicker). omo vmos ver continución, este SV tiene l cpcidd de equilibrr este tipo de redes. 7. onstitución del SV de equilibrio de crg. Supóngse que el trnsformdor monofásico Fig.6 está conectdo entre l línes L y L respectivmente, Fig. 8. Triángulo equivlente l circuito FA Vemos su solución, teniendo en cuent que vmos poder escribir los vlores de ls tensiones compuests o de líne pr el sistem trifásico de tensiones como: donde: ; ; () j j 0º 0º ()

6 y teniendo en cuent ls expresiones de ls corrientes de rm del triángulo: ; Luego, ls corrientes de líne serán: ; () X que resuelto result: X X X X X 0 0 (9) (4) X X X X (0) Tl y como se muestr en l Fig. 9, X es un utoinducción y X es un cpcidd, mbs del mismo vlor y veces myor que. Por tnto ls ecuciones se verán reducids : Además sbemos que por trtrse de un triángulo 0 (5) j j Ω Ω () L condición necesri pr que el sistem de corrientes se simétrico y de l mism secuenci que el de tensiones es que: L L X (6) L X con lo que: (7) y teniendo en cuent () X X X j X X X que drá lugr l sistem de ecuciones: 0 (8) Fig.9. ircuito equivlente l FA Decir lo nterior equivle firmr que: Si consume un potenci ctiv P (W), ls rectncis X y X consumirán potencis rectivs Q -Q P/ (vr) Si medinte un trnsductor decudo se mide l P en l rm resistiv, medinte ls medids de e, de inmedito un utomtismo d orden de ctución pr inyectr potencis rectivs veces menores en ls rms L y respectivmente. Además de hcer simétrico y equilibrdo l sistem trifásico de corrientes, lo hce de l mejor form posible, pues lo convierte en resistivo puro (ls potencis rectivs son igules y opuests y en consecuenci se nuln). Ls corrientes de líne son menores, y en concreto en l relción, tl y como se muestr en el digrm vectoril de l Fig. 0

7 Por tnto, podemos decir que el FA de equilibrio de crg est compuesto por: m.- constituid por un SV/T- cpz de producir un potenci rectiv cpcitiv Q Q (t) m.- constituid por un SV/T cpz de producir un potenci rectiv inductiv Q Q L (t) m.- constituid por un SV/T- cpz de producir un potenci rectiv cpcitiv Q Q (t) Todo ello con el fin de mejorr el fctor de potenci de l crg Z l unidd (cos ϕ ), pudiendo instlrse en AT o BT. 8. onclusiones Fig.0. Digrm vectoril En l relidd, l potenci ctiv P no es constnte sino que es un función del tiempo P(t), luego Q, Q y Q tmbién lo serán, por lo que en l práctic l compensción deberá de ser instntáne, lo que puede relizrse de form stisfctori medinte l técnic de FA, que en este cso es conocido como FA de equilibrio de crg (Fig. ) L L L Q T Q T esumiremos ls conclusiones en: Se hn enumerdo, clsificdo y estudido un serie de dispositivos FA, los que entendemos como más significtivos; se hn vlordo sus prestciones, e indicdo que no todos están en form opertiv ún, estndo lgunos en fse de D. Es de hcer notr que estos dispositivos despiertn un grn interés en ls "ompñís Eléctrics" por lo novedoso. nterés no exento de precuciones pr su incorporción de form msiv en los sistems de l "ompñí". Otro specto considerr es su precio, y éste es elevdo, lo que hce qué ls inversiones se deriven soluciones de tipo convencionl, usándose los FA de form puntul. Por último, prece clro de form unánime que los FA serán equipos de uso hbitul en ls instlciones eléctrics en un tiempo no muy lejno. P 9. eferencis ' ATENAA T ' P, Q Q AL [] Yong Hu Song, Flexible A.. Trnsmission System (FA), London & mbsp: nstitution of Electricl Engineers, Londres (999) [] Nrin G.Hingorni, nderstnding FA: oncepts nd Thechnology of Flexible Trnsmission Systems, Ed. John Wiley & Sons nc. (999). [] Enrique Ach, ludio Fuerte-Esquivel y otros, FA: Modeling nd Simultion in Power Networks, Ed. John Wiley & Sons nc. (004). [4]. ouco, J. Pérez-Arrig,. rido y J. Soto, "A omputer Progrm Pckge for Anlysis of Smll Signl Sbility in Lrge Electric Power Systems", th Power Systems omputtion onference, Avignon (Frnci) (99) pp Fig.. FA de equilibrio de crg