Víctor Lituma Silva Rafael Pérez Ordóñez Marcos Guerrero Zambrano ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL GUAYAQUIL-ECUADOR 2009

Transcripción

1 1 DEÑO E MPLEMENACÓN DE UN COMPENADOR EÁCO DE POENCA REACA (D-ACOM); BAADO EN UN CONERDOR RFÁCO CON MODULACÓN NUODAL DE ANCHO DE PULO (PWM), CONROLADO POR UN PROCEADOR DGAL DE EÑALE (DP M30C000) ícto Lituma ilva Rafael Péez Odóñez Macos Gueeo Zambano ECUELA UPEROR POLÉCNCA DEL LORAL GUAYAQUL-ECUADOR 009 Resumen-El popósito de este tabajo es de pesenta un modelo de DACOM (Compensado estático de distibución- Distibution tatic Compensato). El modelo es implementado mediante una simulación digital paa detemina su espuesta dinámica sobe el monitoeo del facto de potencia. El cicuito modelo del dispositivo de mitigación incluye un esquema de modulación PWM (Modulación sinusoidal de ancho de pulso) y su cicuito de contol. Las gaficas de las fomas de onda obtenidas de la implementación física se pesentan al final de la pesente investigación. Palabas claves- DACOM (Distibution static compensato), C (oltage ouce Convete), PWM (inusoidal Pulse Width Modulation), RP (nstantaneous Reactive Powe heoy), GB (nsulated Gate Bipola ansisto) E. NRODUCCON n los últimos años se han dado avances significativos en el campo de los semiconductoes de potencia. Estos han hecho posible la apaición de la ecnología de istemas Flexibles de ansmisión y Distibución; conocidos como FAC y CUP espectivamente. En estos dispositivos el componente elevante es el convetido estático de potencia (inveso). Dependiendo del tipo de petubación y del sistema eléctico (númeo de fases) a compensa, es la tipología del convetido (selección del modo de opeación y de conexión del convetido). El convetido seleccionado equiee de un elemento almacenado de enegía, el cual incide en su etapa de potencia. El esultado es un convetido que con un adecuado sistema de contol, se taduce en un compensado que binda bajo tiempo de espuesta ante petubaciones de la calidad de enegía. Es así que en el pesente tabajo abodaemos una modelación y simulación de un Compensado estático paa mitiga los efectos del bajo facto de potencia en un sistema eléctico tifásico con caga R-L. Paa tal función, se escogió el Compensado Estático de Distibución (DACOM). Este compensado genea e inyecta potencia eactiva o puede absobela si es necesaio. El contol de la diección del flujo de eactivos se basa en la difeencia de magnitudes de voltajes ente la ed a compensa y el convetido. Un pocesado digital de señales, DP (Digital ignal Pocesso) se encaga de dicho contol. El DP, mediante un pogama pedeteminado, enfoca la egulación del facto de potencia del sistema, la amotiguación de posibles oscilaciones de la compensación y la egulación de la magnitud del voltaje de salida del convetido. Es impotante destaca que el DACOM no es más que una fuente egulada de voltaje que se encaga de la coección del facto de potencia de un sistema de distibución eléctico, mediante la inyección de eactivos, con el objetivo de mejoa la calidad de la enegía.. ELEMENO Y PRNCPO BÁCO DE OPERCÓN DEL DACOM El pincipio básico del sistema de tansmisión o distibución cualquiea que sea su evolución y foma final, es popociona una ed de suministo capaz de entega enegía eléctica desde la geneación hasta los centos de consumo sobe una amplia áea geogáfica en condiciones de un mecado eléctico fluctuante. Estas consideaciones fomalizaon el concepto del DACOM como sistema CUP. us dos objetivos básicos son aumenta la capacidad de tansfeencia de potencia de los sistemas de distibución y de binda estabilidad del flujo de dicha potencia en las utas designadas. Un compensado estático síncono de distibución o DACOM es un dispositivo convetido/inveso de estado sólido que se conecta en deivación (paalelo). Capaz de genea o absobe de foma contolada tanto potencia eactiva como potencia activa. Está basado en la topología llamada Fuente Convetidoa de oltaje (C) [1]. En la Figua.1 se puede obseva un diagama de bloques de un DACOM y su punto de acoplamiento común (PCC) a una ed de distibución.

2 . A fin de que el intecambio de potencia sea sólo eactiva, la fase de la ed de distibución debe se igual a la fase del voltaje de salida del compensado. Es deci θ φ. Po oto lado, las vaiables que implican las magnitudes de los voltajes de la ed de distibución y de la salida del convetido, 1 y espectivamente son de vital impotancia paa defini la diección del flujo de eactivos. La Figua.3 esume los modos de opeación. Figua.1 Diagama de bloques de un DACOM y su PCC El gáfico anteio pemite un análisis simplificado de los modos de opeación del DACOM. En la Figua. se obseva las vaiables que se equieen paa el análisis del modo de opeación del compensado. Estas son: el ángulo de fase del voltaje de la ed de distibución y del convetido; θ y φ espectivamente; y las magnitudes del voltaje de la ed de distibución (1) y del voltaje de salida del convetido (). Figua.3 Modos de Opeación del DACOM egún los modos de opeación, cuando el DACOM genea potencia eactiva, se dice que está en Modo Capacitivo y entonces inyecta eactivos al sistema de distibución. Po oto lado, cuando el DACOM absobe potencia eactiva, este está en Modo nductivo, y entonces se compota como un elemento consumido de eactivos, siendo el sistema de distibución el encagado de suministalos. e dice que en el modo inductivo el DACOM es una caga adicional al sistema mientas que en el modo capacitivo, éste actúa como una fuente intecalada de voltaje al sistema []. En la figua.4 se obseva el cicuito equivalente del compensado y el sistema en ambos modos. Figu a. aiables paa Modo de Opeación del DACOM. e tiene que el flujo de potencia activa y eactiva es bidieccional dependiendo del modo de opeación del compensado. Paa efectos de la coección del facto de potencia, el compensado povee de potencia eactiva a la ed de distibución. La inyección de eactiva está sujeta a condiciones de las vaiables descitas en la Figua.. Figua.4 DACOM opeando en los modos capacitivo e inductivo.

3 3. DAO NECEARO PARA EL DEÑO DEL COMPENADOR e diseña el compensado paa que sea el adecuado paa su popósito y adicionalmente sea económicamente ventajoso. La siguiente infomación es necesaia paa su diseño: Diagama unifila del sistema al cual el compensado seá conectado. ensión y Fecuencia nominales. nfomación sobe la vaiación de la potencia eactiva y/o la caga elevante. aiación de ensión e ntensidad de Coiente Contenido Amónico Potencia Reactiva equeida y posible velocidad de contol Conexión de ansfomadoes Condiciones Ambientales. EL DACOM COMO COMPENADOR e ilusta a continuación (e Figua 4.1) un diagama de bloques de los componentes pincipales de un sistema paa la coección del facto de potencia (PFC). Figua 4. Estuctua básica de un DACOM El convetido está confomado po dispositivos electónicos de potencia, GB (RAMY 0UP60B). El enlace de coiente es una inductancia que facilita la tansfeencia de enegía ente la ed (sistema de distibución) y el convetido de potencia. El contolado gaantiza meticulosamente la ejecución de los pocesos de compensación de las coientes eactivas y de la coección del facto de potencia. El bloque de acondicionamiento de señales pemite tansfoma los valoes instantáneos de tensión y coiente del convetido de potencia a niveles capaces de se manejados po el contolado. El elemento almacenado de enegía epesenta la etapa de potencia del compensado. Está constituido en su foma más simple po un banco de bateías. A. Análisis de fueza del compensado Paa el diseño de la etapa de fueza, se inicia con un diagama unifila base paa el análisis del sistema y su compensado. La Figua 4.3 muesta un diagama unifila y las espectivas vaiables del sistema y compensado. Figua 4.1 Diagama de Bloques de un PFC Los tes bloques epesentan: el contolado PWM, la ntefase de Alto oltaje y la Fuente D.C. La estuctua intena del DACOM se compone de cinco elementos básicos (e Figua 4.). El pincipal es el convetido, luego se obseva el enlace de coiente ente el convetido y el PCC El elemento almacenado de enegía, los dispositivos de acondicionamiento de las señales de potencia y el contolado. Figua 4.3 Diagama Unifila de un DACOM coecto de Facto de Potencia

4 4 Los datos necesaios paa el diseño del compensado pueden esumise a cuato datos pincipales tales como Potencia, ntensidad de coiente eléctica, ensión/fecuencia y Conexión de ansfomadoes. El dimensionamiento del DACOM usa como efeencia los paámetos anteioes. Comenzando con un diseño sencillo, un diagama unifila básico simplificado de conexión al sistema, se puede descibi en la Figua 4.4 con fines de análisis del dimensionamiento. P DACOM 0 [ W ] (3) Con el mismo citeio (δ 0), se tiene: Q DACOM O Q DACOM Cos O ( 0) O [AR] (4) Consideando que paa condiciones ideales de facto de potencia igual a 1, la inyección de potencia eactiva del convetido sólo depende de la magnitud de su voltaje de salida (s). Dado que el índice de modulación m, incide en s es posible también expesa dicha potencia en téminos de tal índice. (e sección 4.1.3) La ecuación (4) seá el fundamento de contol, paa la inyección de potencia eactiva del DACOM. Figua 4.4 Diagama Unifila Básico paa el diseño de un DACOM Potencia Paa implementa la geneación de potencia eactiva, el citeio de funcionamiento del DACOM nos clasifica en el modo en donde el voltaje de salida del convetido es mayo en magnitud al voltaje de la fuente altena pincipal del sistema. Estando ambos voltajes en fase. De las expesiones paa la potencia activa y eactiva paa el DACOM [3], se tienen: P DACOM O in ( δ ) (1) ntensidad de Coiente Eléctica La intensidad de coiente eléctica del sistema queda definida po las componentes fasoiales de la coiente del convetido (s) y la coiente de la caga ( L ), dando oigen a la coiente fasoial de la fuente altena de suministo eléctico (o). O + Redefiniendo la ecuación anteio, expesando la coiente de la caga en sus componentes activa y eactiva, ( LP ) y ( LQ ) espectivamente, se tiene: O L L + + (5) ( + ) De la anteio se deduce que paa la fuente altena de suministo pincipal, povea únicamente coiente activa a la caga, la componente fasoial de coiente de salida o de compensación del convetido (s) debe esta egida po la expesión: LP LQ j [A] (6) LQ Q Cos ( ) O DACOM δ iendo el desfase (δ 0), se tiene: P DACOM O in( 0 ) 0 () al que O LP, es deci, la componente activa de la caga es suministada únicamente po la fuente de suministo pincipal. Ota foma de simplifica el análisis de la coiente de compensación, es a tavés de la impedancia de las inductancias de izado en la salida del convetido ( ) y de la

5 5 difeencia de voltajes ente s y o en el PCC. La expesión queda: Δ j Δ j s L N O j Donde la magnitud de la coiente del compensado viene esumida po la ecuación: m O DC [A] Es peciso ecoda el cumplimiento de la noma EEE , que manifiesta que el valo pocentual de los amónicos de coiente (HDi), debe se infeio al 30% de la coiente nominal fundamental. ensión y fecuencia. La tensión y fecuencia nominales de opeación de la fuente altena pincipal de suministo vienen dadas po el agente que binda el sevicio y el sistema y/o el sistema de distibución al cual se conecte el DACOM. La tensión o voltaje de salida del convetido (s) depende del índice de modulación. El convetido actúa como una fuente egulada de voltaje que se expesa como un pocentaje del valo de una fuente fija o continua ( DC ); etapa de almacenamiento de enegía del convetido, epesentada po un banco de capacitoes o de bateías. Expesando el voltaje de línea-neuto de salida s, como un pocentaje de la fuente fija, en téminos del índice de modulación (m): [ ] (7) (8) (9) Dado que la foma de onda sinusoide de voltaje en el PCC es constante y peiódica en el tiempo, la vaiación depende del voltaje s del convetido y se expesa: DC Δ O O m [ ] (11) Paa efectos del cumplimiento de la noma EEE la vaiación de tensión pemitida en s; paa tensiones infeioes a los 69 k, seá del 3% del voltaje nominal po consumido. La distosión amónica de tensión según la noma anteiomente mencionada establece un valo del 5% de la fundamental del voltaje nominal. Conexión de tansfomadoes. En la implementación de las tajetas de pueba es conveniente una fuente vaiable de alimentación (ARAC) junto a tansfomadoes eductoes, paa configua distintas calibaciones de voltaje de distibución y con ello usa valoes seguos de compaación paa el contolado del DACOM. La conexión de tales tansfomadoes debe tene una configuación estella-estella ateizada, siendo esta la foma más adecuada paa balancea cagas en una ed de distibución. B. Análisis de contol del compensado La esencia del diseño de contol consiste en la manipulación de la coiente de inyección. Debido a la alta fecuencia de la conmutación de los GB en compaación con las señales de efeencia, el análisis del compotamiento equiee su linealización a baja fecuencia [4]. El contolado de coiente compaa la coiente de efeencia paa la compensación con la coiente de inyección. En función del eo, genea las señales de pueta adecuadas paa el convetido (inveso). La Figua 4.5 muesta la estuctua típica paa un inveso monofásico con fuente de tensión. Donde el voltaje línea-línea ( LL ) de salida del convetido se expesa como: DC sl L 3m [ ] (10) Paa efectos de la modulación sinusoidal es aplicable el 50% del valo de la fuente fija, DC /. La fecuencia de la tensión de salida del convetido viene dada po la misma fecuencia de geneación e igual a 60 Hz. Obsevando las ecuaciones paa la potencia activa y eactiva, (1) y (), se evidencia que ambas dependen de la magnitud de la vaiación de voltajes ( ) ente el convetido (s) y el punto de acoplamiento común (o). Δ O Figua 4.5 Contol de coiente monofásico e extiende la estuctua paa cada una de las líneas que se quiee compensa en el análisis tifásico. Al contola simultáneamente todas las coientes de línea, es necesaia una tansfomación de las coientes de línea a un plano complejo

6 6 donde están descitas po las dos componentes de un único faso de coiente. Al selecciona un eje de efeencia otatoio paa el plano complejo, este debe gia sinconizado con la tensión de la ed a la fecuencia angula fundamental (ω). El vecto coiente otaá a esta fecuencia. La estuctua del contolado opeando en el maco de efeencia otatoio síncono se ve en la Figua 4.6. e definen dos coeficientes o índices de modulación m elevantes: el coeficiente de modulación de amplitud m a, y el coeficiente de modulación de fecuencia m f f f c m c. El esultado de la compaación paa un m f pequeño y modulación po anchua de pulsos lineal m a <1se obseva en la Figua 5.1 Figua 5.1 Resultado de la modulación con potadoa tiangula Figua 4.6 Contol de coiente en sistemas tifásicos mediante maco síncono La señal de salida del contolado coesponde a la tensión que el inveso debe aplica en los extemos de la inductancia de izado (bobina de inyección) paa que la coiente de compensación coesponda a la coiente de efeencia. La función de la modulación PWM es detemina los tiempos que cada uno de los GB pemanece en uno de sus dos estados de opeación paa cada intevalo de conmutación. El contol se ealiza a tavés de la pogamación usando bloques aget fo C000. Después se implementa cagando tal pogama usando la intefase COMPOER UDO con un pocesado digital de señales, DP M30C MODULACÓN PWM Conocida también como modulación con potadoa tiangula. Este tipo de modulación compaa la señal de eo o moduladoa con una señal tiangula o en dientes de siea de alta fecuencia llamada potadoa. El esultado es una señal de salida de fecuencia constante con un ciclo de tabajo vaiable. La fecuencia de conmutación fs10khz es la adecuada paa el coecto desempeño del contolado (DP). El ciclo de tabajo de cada una de las amas del puente inveso en cada peiodo de conmutación queda establecido po la elación ente el valo instantáneo de la señal moduladoa y la amplitud de la potadoa. e evita la pesencia de subamónicos de la fecuencia fundamental y/o amónicos paes; en la coiente de inyección; usando un valo enteo impa paa m f. Es indispensable evita aumenta la amplitud de la señal moduladoa, m a >1, paa que el modulado no opee en sobemodulación. De lo contaio se piede la linealidad ente la fecuencia moduladoa y el índice de modulación m a. Esto povoca un incemento en el contenido amónico en compaación con la opeación en el ango lineal.. MÉODO DE LA POENCA REACA NANÁNEA Es un método de contol usado paa el contol de las coientes de compensación amónicas y de mejoa del facto de potencia en sistemas tifásicos de tes y cuato hilos. Es conocido como RP de sus siglas en inglés, también se lo llama método pq. (e Figua 6.1) Paa un sistema tifásico a tes hilos, el cálculo de la potencia instantánea, RP, consumida po la caga en un maco de efeencia estacionaio es a tavés de la tansfomación de Clake. Esta aplicación pemite conveti los valoes instantáneos de tensión y coiente en la caga a un plano complejo αβ0. iendo m, m s y m t las epesentaciones vectoiales de la tensión y la coiente en la caga. (e Figua 6.) Figua 6.1 Deteminación de la coiente eactiva de la caga

7 7 usando el método pq Paa evita la dependencia del cálculo de la potencia se utiliza un maco de efeencia que gia en el plano complejo, sinconizado con la señal en el punto de conexión. Así se detemina diectamente las componentes activa y eactiva de la coiente de caga. Paa ealiza esta convesión del plano estacionaio al otatoio, se usa la tansfomada de PARK. (e Figua 6.3) Esta tansfomación poyecta las componentes α y β sobe un maco otatoio según la ecuación: Figua 6. ansfomación de Clake La matiz que descibe la tansfomación es: Donde cosωt y senωt son funciones obtenidas mediante un PLL sinconizado con la tensión de la ed y opeando a la fecuencia del maco otatoio. (1) La pimea fila coesponde a la componente de secuencia ceo. Usando la tansfomación a la coiente y a la tensión en la caga se obtienen las componentes αβ0 de las mismas. Figua 6.3 Contolado RF paa la compensación de coiente eactiva Con estas componentes el método pq calcula las potencias instantáneas activa p (eje α) y eactiva q (eje β) en el plano complejo estacionaio. El cálculo de las potencias se ealiza mediante la expesión:. GRAFCA Y ANÁL DE REULADO De la implementación física del compensado se tiene: la coiente del convetido, coiente de convetido, coiente de la fuente, diagama fasoial de los voltajes de línea-neuto en la caga, facto de potencia antes y después de la compensación y HD de la coiente y voltaje de la fuente.

8 8 Figua 7.1 Coiente de la caga Figua 7.4 Diagama fasoial de los voltajes de línea-neuto en la caga La coiente de la fuente también pesenta un distosión del pefil de onda, consecuencia de la compensación amónica inyectada po el compensado. El diagama fasoial muesta el compotamiento angula de la coiente de la caga especto al voltaje de la misma. Figua 7. Coiente del convetido La coiente de la caga es pefectamente sinusoide dado su voltaje de alimentación, no así la coiente del convetido. La distosión del pefil es consecuencia de la componente amónica de la coiente de inyección del compensado. Figua 7.5 Facto de Potencia antes de la compensación Figua 7.6 Facto de Potencia después de la compensación Figua 7.3 Coiente de la fuente

9 9 El facto de potencia después de la compensación muesta una coección cecana a la unidad. Esto pemite deduci un compotamiento adecuado de la linealización de la caga seleccionada, peo es elevante menciona que no efleja el compotamiento dinámico de la caga. La potencia activa se incementa de 0.07kW a un valo de 0.16kW, mejoando el suministo de coiente activa de la fuente. El valo de HD de coiente y voltaje son 6.1% y 3.3% espectivamente, lo que cumple las nomas EEE de contole amónicos paa la calidad de enegía. AGRADECMENO Los autoes desean agadece la colaboación pestada po la ECUELA UPEROR POLÉCNCA DEL LORAL po el uso de laboatoios y equipos paa el diseño e implementación del pesente poyecto. Además se expesa un pofundo agadecimiento al diecto del poyecto de tesis Msc. íxifo Falcones Zambano. Figua 7.7 HD de la coiente de la fuente BBLOGRAFÍA [1] H. G. amiento Algunas consideaciones paa identifica la aplicación de contoladoes FAC en los sistemas de tansmisión, nstituto de nvestigaciones Elécticas, Cigé-México Bienal, 001. [] R. Dávalos, Juan Ramíez, Caacteísticas Funcionales del DACOM, CNEA-.P.N., Cigé-México Bienal, 001. [3] J. H. ivas, J. G. uáez MULACÓN EN AP DEL COMPENADOR EACO DE POENCA REACA ULZANDO ECNCA DE MODULACON PWM, Univesidad imón Bolíva, enezuela, 004. [4] J. F. Petit, opologías y algoitmos de contol paa filtos activos aplicados a la mejoa de la calidad de suministo eléctico, Antepoyecto de tesis doctoal, Univesidad Calos de Madid, 005. Figua 7.8 HD del voltaje de la fuente Paa ambos casos los amónicos de la coiente y del voltaje de la fuente coesponden a las nomas establecidas po la noma EEE CONCLUON En la simulación del contol se tomo pecauciones paa los valoes de salida del coiente del convetido en la sobemodulación. L coiente de salida del convetido puede llega a 30A en sobemodulación. El pefil de foma de onda de la coiente del convetido es distosionado como consecuencia de la componente amónica de la coiente de inyección del compensado. Al limita la coiente de salida del convetido a 5A, paa m0.7 la espuesta de coiente del convetido pesenta una amplitud de 1.4 A. Paa un m0.7 el facto de potencia compensado se apoxima a 0.99.