CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEL STATCOM

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1 COMITÉ MEXICANO 14-6 BIENAL 1 CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEL STATCOM Ricardo J. Dávalo M. Juan M. Ramírez A. CINVESTAV- I.P.N. - Unidad Guadalajara Guadalajara, Jal., C.P MEXICO. rdavalo[jramirez]@gdl.cinvetav.mx Reumen: En ete trabajo e preenta una decripción cualitativa del funcionamiento del STATCOM, y de u elemento contitutivo. Se muetran la caracterítica operativa peculiare del dipoitivo. Se analiza el cambio de la magnitud y fae de la fuente convertidora de voltaje, con la conecuente variación del flujo de potencia reactiva manejada por el dipoitivo FACTS. Palabra Clave.- FACTS, STATCOM, Control de Voltaje I. Introducción Por vario año, la compenación de potencia reactiva ha tenido la atención tanto en la parte académica como en la parte indutrial. Epecialmente, en lo último año e ha pretado coniderable importancia a la configuracione de compenadore baado en inverore autoconmutado, llamado Compenadore de Potencia Reactiva Avanzado o STATCOM (Static Synchronou Compenator, por u igla en inglé). El control primario del inveror e tal que e regula el flujo de corriente reactiva a travé del STATCOM. Eto e, el controlador e utiliza para operar el inveror de tal manera que el ángulo de fae entre el voltaje del inveror y el voltaje de línea e ajuta dinámicamente, de modo que el STATCOM genera o aborbe potencia reactiva en el punto de conexión [1]. La Fig. 1 muetra un diagrama implificado del STATCOM con una fuente inverora de voltaje, E1, y una reactancia de enlace, Xtie, conectado a un itema con un voltaje Vth, y una reactancia de Thevenin Xth. Cuando el voltaje del inveror e mayor que el voltaje del itema, el STATCOM ve una reactancia inductiva conectada a u terminale. Por lo tanto, el itema ve al STATCOM como una reactancia capacitiva y el STATCOM e conidera operando en un modo capacitivo. Similarmente, cuando el voltaje del itema e mayor que el del inveror, el itema ve una reactancia inductiva conectada a u terminale. Por lo tanto, el STATCOM ve al itema como una reactancia capacitiva y el STATCOM e conidera operando en un modo inductivo. Depué de la aparición de lo convertidore electrónico de alta potencia baado en GTO, e poible generar o aborber potencia reactiva in el uo de banco de capacitore o inductore. Eto condujo al dearrollo y la aplicación de la nueva generación de dipoitivo FACTS. El Compenador Etático de Reactivo (SVC) e ha utilizado ampliamente para la regulación del voltaje en itema de potencia, mediante el control de la inyección de potencia reactiva. La evolución del SVC e el STATCOM, que e baa en el principio de que un inveror de voltaje genera un voltaje de AC controlable atrá de la reactancia de diperión del tranformador, de modo que la diferencia de voltaje a travé de la reactancia produce intercambio de potencia activa y reactiva entre el STATCOM y la red de tranmiión. Artículo recomendado y aprobado por el Comité Nacional de CIGRÉ-México para preentare en el Segundo Congreo Bienal, del 13 al 15 de junio del 1, en Irapuato, Gto. Fig. 1 STATCOM operando en lo modo capacitivo e inductivo La Fig. muetra un circuito inveror monofáico, referido como un polo, que conite de una válvula poitiva A+, y una válvula negativa, A-. Cuando un polo e conecta a travé de una erie de capacitore que e cargan con un voltaje total VDC, y la válvula e abren y cierran alternadamente, el voltaje de alida, Vao, en el punto medio del polo A con repecto al punto medio, O, del enlace capacitivo e una onda cuadrada que contiene una componente fundamental y toda la componente armónica impare. La amplitud de la componente fundamental e (/π) VDC y la amplitud de la componente armónica impar (n) normalizada repecto a la fundamental e (1/n) donde n = k + 1 para k = 1,, 3, etc., [1]. CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1

2 Fig. Un polo inveror y u voltaje de alida El STATCOM e pue uno de lo dipoitivo FACTS que pueden uare como compenador dinámico en itema de potencia, para proporcionar oporte de voltaje y mejorar la etabilidad [,3]. Aí que el STATCOM e un controlador multifuncional, lo que e una caracterítica importante de la nueva generación de controladore FACTS. II. Caracterítica del STATCOM El modelo en epacio de etado en el marco de referencia R-I (el marco de referencia íncrono rotatorio) para el circuito del STATCOM de la Fig. 3 puede ecribire como igue. Se adopta un itema por unidad igual que para el reto del itema. I d I dt V R I DC 1 L = 1 E L E R L ω 1.5k co C Donde: ω = 377 rad/ R L + ( θ ) I R R kin ( θ ) II L L ( θ ) 1.5kin ( θ ) V 1 DC ω C k co L p R C 6 k =, para un inveror de 1 pulo. π t tr E = E + E θ θ t 1 E = tan E = θ + θ t d ti tr ti θ : Ángulo entre E y E t Fig. 3 Circuito del STATCOM El STATCOM de la Fig. 3 conite de un inveror de voltaje baado en GTO y un capacitor (C) en el lado de DC. La reitencia (Rp) en paralelo con C repreenta la pérdida en el capacitor. El STATCOM etá conectado al itema a travé de un tranformador de acoplamiento repreentado por la inductancia de diperión (L) y la reitencia (R) [4]. La caracterítica V-I típica del STATCOM e muetra en la Fig. 4. Como puede vere, el STATCOM puede uminitrar tanto compenación capacitiva como inductiva, y e capaz de controlar u corriente de alida en u capacidad máxima, independientemente del voltaje del itema. Eto e, el STATCOM puede proporcionar plena potencia reactiva capacitiva a cualquier voltaje del itema. La Fig. 4 ilutra también que el STATCOM tiene una capacidad tranitoria adicional tanto en la región capacitiva como inductiva. La máxima obrecorriente tranitoria en la región capacitiva etá determinada por la máxima capacidad de corriente de encedido-apagado de lo inverore. En la región inductiva, lo inverore on naturalmente conmutado y por lo tanto la capacidad de corriente tranitoria etá limitada por la máxima temperatura permiible en la unión de lo conmutadore [5]. En la práctica, lo emiconductore preentan pérdida, y por lo tanto, la energía almacenada en el capacitor DC eventualmente e utilizaría para proporcionar la pérdida interna del inveror, diminuyendo el voltaje del capacitor. Sin embargo, cuando el STATCOM e utiliza para generación de potencia reactiva, el inveror mimo puede mantener cargado el capacitor en el nivel requerido de voltaje. Eto e logra haciendo que el voltaje de alida del inveror atrae al voltaje del itema en un pequeño ángulo (generalmente en el rango de.1º a.º). De éta manera el inveror aborbe una pequeña cantidad de potencia real del itema para proporcionar la pérdida interna, y mantener el voltaje del capacitor en el nivel deeado. El mimo mecanimo puede utilizare para incrementar o diminuir el voltaje del capacitor, CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1

3 y con eo la amplitud del voltaje de alida del inveror, con el propóito de controlar la generación o aborción de reactivo. el compenador e comporta como un capacitor inyectando potencia reactiva al itema de potencia. Si la amplitud del voltaje en nodo de AC e mayor al voltaje del compenador entonce la corriente fluirá del itema de potencia al compenador, comportándoe aí como un inductor, eto e, conumiendo reactivo. Si lo nivele de voltaje on iguale entre í entonce no exite intercambio de potencia reactiva. Similarmente el intercambio de potencia activa entre el compenador y el itema de AC e logra controlando el ángulo del voltaje del compenador repecto al ángulo del voltaje en el nodo de AC. Si éte ángulo e igual entre ambo no hay intercambio de potencia activa, ólo reactiva. Eto e puede motrar con el equema de la Fig. 6. Conidere do máquina (deprecie el tranitorio electromecánico) en donde e intala un compenador ideal entre ello do. El compenador e repreenta por una fuente enoidal de frecuencia fundamental. xl Vl V m V r xl xt Fig. 4 Caracterítica V-I del STATCOM V III. Funcionamiento del STATCOM Un compenador etático íncrono (STATCOM) e un convertidor de etado ólido que e conecta en derivación, capaz de generar o aborber de forma controlada tanto potencia reactiva como potencia activa. El STATCOM e análogo a una máquina íncrona ideal que genera un conjunto de voltaje balanceado a frecuencia fundamental, con amplitud y ángulo controlable. Éta máquina ideal no tiene inercia y u repueta e prácticamente intantánea. En la Fig. 5 e muetra la etructura báica de un STATCOM (a eta configuración e le denomina VSI de 6 pulo). Volt Fig. 6 Do máquina con un compenador ideal Magnitude del voltaje V m y del voltaje del compenador V V V m Potencia Activa en el compenador Sitema de ac V t X l V D 1 D 3 D 5 Q 1 Q 3 Q 5 D 4 D 6 D Q 4 Q 6 Q Fig. 5 Etructura báica de un STATCOM, denominado VSI de 6 pulo El intercambio de potencia reactiva entre el compenador y el itema de AC e logra variando la amplitud del voltaje del compenador. Si la amplitud del voltaje de compenador e uperior al voltaje del nodo de AC entonce la corriente fluirá del compenador al itema de potencia. En éte cao C + V d Potencia reactiva en el compenador tiempo () Fig. 7 Potencia áctiva y reactiva en el compenador al variar ólo el ángulo del voltaje del compenador y mantener contante la magnitud del mimo. En la Fig. 7 e muetra cómo cuando el voltaje del compenador V y el voltaje del nodo Vm on iguale tanto en magnitud como en ángulo, el intercambio de potencia tanto reactiva como activa e cero. En t =.5 el voltaje del compenador experimenta un cambio de 5º con repecto al CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1

4 ángulo del voltaje en el nodo, provocando aí un intercambio de potencia tanto reactiva como activa. En éte ejemplo el compenador etá conumiendo activo del itema de AC y entregando reactivo al itema V m V Magnitud del voltaje V m y voltaje en el compenador V Para entender el funcionamiento conidéree el inveror monofáico del puente completo de la Fig. 9. Ete conite de 4 IGBT, una fuente de voltaje de corriente continua (en lo convertidore reale éte e un capacitor), y do punto de conexión a, b al nodo del itema de potencia. El voltaje de corriente continua e convertido a voltaje de AC cuando el tranitor apropiado e encendido/apagado ecuencialmente. Volt 1 1 id Potencia activa en el compenador Sitema de ac P y Q vab Q1 iab a D1 Q3 b D3 C + V d Potencia reactiva en el compenador Q4 D4 Q D tiempo () Fig. Potencia áctiva y reactiva en el compenador al variar la magnitud del voltaje en el compenador y mantener contante el ángulo del mimo. En la Fig. e muetra el intercambio de potencia cuando el compenador inyecta un voltaje en cuadratura con la corriente del itema de AC. En t =.5 la magnitud del voltaje en el compenador cambia de 9.45 kv a 15 kv inyectando aí potencia reactiva al itema de AC, eto e ve reflejado en un incremento en el voltaje del nodo de AC. Lo parámetro de imulación on X l = X T = W; V l = 15 kv. y V r = kv. Con eto reultado e muetra una de mayore aplicacione del STATCOM que e el mantener y controlar el voltaje en un nodo. IV. Fuente convertidora de voltaje (VSI) La fuente convertidora de voltaje (VSI por u igla en inglé) on la bae de una nueva generación de dipoitivo FACTS como on el STATCOM (compenador etático íncrono), SSSC (compenador erie íncrono), y una mezcla de lo do que e el UPFC (controlador de flujo de potencia). Ete tipo de dipoitivo utilizan dipoitivo electrónico donde el encendido y apagado e controlado. Entre ello encontramo lo tiritore de apagado de compuerta (GTO, Gate Turn-Off Thyritor), lo tranitore bipolare de compuerta ailada (IGBT, Inulate gate bipolar tranitor), lo MTO (MOS turn-off thyritor) y lo IGCT (Integred gate-commutated thyritor) por mencionar alguno. La principal función de la VSI e la de generar voltaje de corriente alterna a partir de una fuente de voltaje de corriente continua, debido a eto e común encontrarla referenciada como inverore. Con una VSI e poible controlar la magnitud, el ángulo de fae y la frecuencia del voltaje de alida. Eta también e común encontrarla en aplicacione indutriale tale como en lo variadore de velocidad para motore de AC. Fig. 9 VSI monofáico de puente completo Con lo IGBT 1 y encendido, el voltaje v ab e +Vd para medio ciclo, y con 3 y 4 encendido, y 1 y conmutado, el voltaje v ab e Vd para el iguiente medio ciclo. Ete voltaje e independiente de la magnitud, ángulo y forma de onda del voltaje en el nodo de AC. La corriente de AC e el reultado de la interacción del voltaje generado por el convertidor, el voltaje en el nodo de AC y la impedancia entre ello. Suponga que en el inveror de la Fig. 9 la corriente que fluye dede el lado de AC al convertidor, iab e una enoidal como e muetra en la Fig. 1b [7]. Del tiempo t 1 a t, con lo IGBT 1 y encendido y 3 y 4 conmutado, v ab e poitivo e i ab e negativo. La corriente fluye a travé del dipoitivo 1 dede el lado de AC, punto a, y retorna por el punto b a travé del dipoitivo, eto e, el flujo e del lado de DC al lado de AC. Eta e una acción inverora. Del intante t a t 3, la corriente cambia de polaridad y fluye a travé de lo diodo 1 y fluyendo la potencia del lado de AC al lado de DC. En eta etapa la VSI e comporta como un rectificador. Durante éte período lo IGBT 1 y continúan encendido, ólo que no conducen corriente en forma invera, por lo éta fluye a travé de lo diodo. Del intante t3 a t4, con lo IGBT 3 y 4 encendido y 1 y conmutado, v ab e negativo mientra que i ab cambia de polaridad repecto al cao anterior. La corriente fluye a travé del dipoitivo 3 y, eto e, el flujo e del lado de DC al lado de AC. Del intante t 4 a t 5 ucede un cao imilar al intante t a t 3, la corriente fluye a travé de lo diodo 3 y 4 (acción rectificadora). CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1

5 i ab +V d v ab en derivación tradicionale, tale como el compenador etático de reactivo (SVC, por u igla en inglé). -V d.5 t 1 t 3 t 5 t t Capacitiva. i d Acción rectificadora Acción inverora Potencia Reactiva (VAR) Inductiva Fig. 1 Forma de onda para un VSI de puente completo monofáico -.3 Con eto podemo obervar que una VSI realiza tanto acción inverora debido a la conmutación de lo tranitore (tiritore í e el cao), como acción rectificadora por parte de lo diodo; eto e poible por el intercambio de corriente que exite entre el convertidor y el itema de AC. V. Ejemplo de aplicación tiempo () Fig. 1 Potencia reactiva Para el itema de la Fig. 11 con Va = 5 Kv. Xl = W y un tranformador de acoplamiento con relación 1:1, el STATCOM etá operando en la región inductiva y en t =.5 experimenta un cambio del tipo ecalón a la región capacitiva V Xl XT Amp -. Va tiempo () Fig. 11 Sitema de un nodo y STATCOM STATCOM El cambio de una región de operación a otra e efectúa por medio del cambio en la magnitud del voltaje de CD. En la iguiente figura 1-15 e muetra la repueta del compenador. En eta figura e oberva la capacidad del STATCOM para tranferir potencia reactiva del área inductiva al área capacitiva en uno cuanto miliegundo in preentar tranitorio coniderable en el voltaje del nodo (ver figura 13 y 15) al cual etá conectado. Eta rapidez de repueta e una la principale ventaja de lo dipoitivo baado en VSI ya que no e poible er alcanzada con otro tipo de dipoitivo [6]. Por eta razón el STATCOM e capaz de proporcionar un mayor deempeño obre lo compenadore Fig. 13 Corriente intantánea del lado de AC VI. Concluione La nueva generación de FACTS baada en equema del tipo VSI preentan caracterítica operativa que lo hacen umamente atractivo, dada u rapidez de repueta y la poibilidad de aportar u capacidad nominal ante condicione evera de funcionamiento. Eto hace que la tecnología de FACTS ea cada vez má aceptada en la indutria eléctrica, viualizándoe un futuro promiorio para tal tecnología. CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1

6 VII. Agradecimiento Lo autore agradecen al CONACyT por el oporte pretado al proyecto 347-A. Volt Volt (a) tiempo () Fig. 14 Magnitud de voltaje en (a) Compenador; (b) Nodo de AC (b) VIII. Referencia [1] K. K. Sen, "STATCOM STATic ynchronou COMpenator: theory, modeling, and application." IEEE Tranaction on Power Delivery, pp , 199. [] H. F. Wang, "Modelling STATCOM into power ytem." Paper BPT , IEEE Power Tech'99 Conference, Budapet, Hungary. [3] H. F. Wang, "Application of dampin torque analyi to STATCOM control." Electrical Power and Energy Sytem, Vol., pp ,. [4] C. D. Schauder and H. Mehta, "Vector analyi and control of advanced tatic var compenator." IEE Proc.-C, vol. 14, no. 4, pp , [5] Y. H. Song and A. T. John, Flexible ac tranmiion ytem (FACTS), The Intitution of Electrical Engineer, [6] C. Schauder, M. Gernhardt, E. Stacey, T. Lemark, L. Gyugyi, T. W. Ceae, A. Edri, "Operation of ±1 MVAR TVA STATCON", IEEE Tran. On Power Delivery, vol. 1, no. 4, pp , Obtober [7] Narain G. Hingorani, Lazlo Gyugyi, "Undetanding FACTS Concept and technology of Flexible AC Tranmiion Sytem", IEEE Pre 15 Biografía Volt (a) Ricardo Dávalo e originario de la ciudad de México. Recibió el grado en Ingeniería Electrónica de la Univeridad Autónoma de Guadalajara, y el grado de Maetro en Ciencia en Ingeniería Eléctrica con epecialidad en Sitema de Potencia en el CINVESTAV, Unidad Guadalajara, México. Actualmente e encuentra trabajando para obtener el grado de Doctor en Ciencia en el CINVESTAV, Unidad Guadalajara. Su principal interé e el dieño, control y modelado de dipoitivo FACTS. Volt tiempo () Fig. 15 Voltaje intantáneo (a) Compenador; (b) Nodo de AC (b) Juan M. Ramírez recibió el grado en Ingeniería Eléctrica de la Univeridad de Guanajuato, México en 194 y el grado de Maetro en Ciencia en Ingeniería Eléctrica-Sitema de Potencia de la UNAM en 197. Recibió el grado de Doctor en Ciencia en Ingeniería Eléctrica de la UANL en 199. Se unió al departamento de Ingeniería Eléctrica del CINVESTAV en 1999, donde actualmente e profeor de tiempo completo. Su interé actual e en dipoitivo FACTS y el control de itema de potencia. CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 1