Poderosos Sistemas Para una Transmisión Flexible de la Energía

Transcripción

1 X JORNADAS TÉCNICAS ABB CHILE, DE ABRIL, 2017 FACTS Poderosos Sistemas Para una Transmisión Flexible de la Energía Francisco Chiuminatto, ABB FACTS US. System Design Manager

2 Agenda Introducción a sistemas FACTS (Flexible AC Transmission Systems) Compensación paralelo (shunt) - Static Var Compensator (SVC) - Static Synchronous Compensator (STATCOM) - Soluciones Híbridas (STATCOM Híbrido) Compensación serie - Controlable : Thyristor Controlled Series Capacitor (TSCS) April 18, 2017 Slide 2

3 Integridad, Salud, Seguridad y Medio Ambiente Siempre lo más importante Integridad Código de Conducta Entrenamiento Regular Responsabilidad propia Liderazgo y cultura Salud, Seguridad y Medio Ambiente Trabajar duro, nunca relajarse Capacitaciones regulares Análisis de riesgos y mitigaciones 24/7 balance appropiado Responsabilidad propia Liderazgo y cultura April 18, 2017 Slide 3

4 FACTS Misión Mejorar Desempeño Ayudamos a nuestros clientes a ser exitosos y climáticamente preparados mediante soluciones FACTS competitivas y confiables. Nuestra oferta permite optimizar sistemas eléctricos de modo que se: Incrementa la capacidad y se mejora la confiabilidad Incrementa la eficiencia y optimiza el costo de la energía Adapta rápidamente a un futuro sustentable Somos un socio confiable que siempre cumple sus promesas Promover la Innovación Nuestros sistemas y ofertas de servicios se caracterizan por liderar la innovación a largo plazo de modo de proveer mayor valor a nuestros clientes. Atraer Talento Estamos comprometidos en atraer y retener personases dedicadas y competentes y ofrecer a nuestros empleados un ambiente de trabajo global atractivo. Actuar de Manera Responsable Sustentabilidad, reducir el impacto ambiental y las ética en los negocios son el núcleo de nuestra oferta de mercado y de nuestras propias operaciones. April 18, 2017 Slide 4

5 Las 10 Tecnologías Superiores de la década (IEEE Spectrum) April 18, 2017 Slide 5

6 Sistemas de Transmisión Desafíos de las Redes Modernas Aumento del consumo de energía Mercados de Energía desregulados Aumento de retiro de servicio de grandes plantas generadoras convencionales - carbón o nuclear Más bancos de condensadores a nivel de distribución - corrección del factor de potencia Aumento del flujo de potencia bidireccional Envejecimiento de las redes Urbanización Transmisión de energía a larga distancia es cada vez mayor cargas muy lejos Aumento de las fuentes de energía renovables y distribuidas Enfoque en los aspectos ambientales La red actual es muy dinámica y esto aumentará en el futuro. Refuerzo de la red, muchas veces en sistemas de potencia con gran complejidad. FACTS y HVDC son soluciones apropiadas para alcanzar las redes flexibles, confiables y seguras. April 18, 2017 Slide 6

7 Estabilidad del sistema La habilidad del Sistema de sobreponerse a contingencias Estabilidad Angular (Transient Stability) Estabilidad de Tensión (Voltage Stability) P Pmax P M A 1 A Pmax= 2 2 V X sin A margin La estabilidad en los sistemas de potencia está asociada a tener márgenes suficientes. Los márgenes restringen la capacidad de transmisión CRIT (a) April 18, 2017 Slide 7

8 Compensación paralelo (shunt) o compensación serie = April 18, 2017 Slide 8

9 Un pionero en tecnologías inteligentes Compensación paralelo (shunt) SVC desde 1975 STATCOM (SVC Light) desde 1997 STATCOM (PCS6000) desde 1999 Compensación serie Fija (SC) desde 1950 Controlable (TCSC) desde 1997 FACTS es una tecnología probada! El primer condensadores serie en el mundo ( tecnología FACTS) conectado a un Sistema eléctrico de potencia fue suministrado al State Power Board de Suecia por una de la compañías que mas tarde fundaría ABB. April 18, 2017 Slide 9

10 Proveedor mundial Más de 800 plantas suministradas durante los últimos 30 años 1-10 stations stations >50 stations April 18, 2017 Slide 10

11 Base instalada ABB en Sudamérica SVC Light SVC Utility SVC Industry SC (Series Compensation) Yaracuy (1+2) Barquisimeto San Geronimo Barbacoa La Horqueta Aparta El Tablazo (1,2,3) Bolivar (1+2) do Colombia Venezuela Tucurui-Manaus El Tunal Sao Luis x2 Cano Limón Acailandia (1+2) Maraba (1+2) Ande Ecuador Itacaiunas Guayaquil Intertie-Imperatriz (1+2) Cajamarca Peru Presidente Dutra Chicolayo Oeste Intertie-Colinas (1+2) Trujillo Norte Brazil Extremoz Vizcarra São João do Piaui Lima (1+2) Ribeiro Goncalves (1-4) Tintaya Onca Puma (1+2) Cotaruse-Mantaro (1+2) Vilhena Bolivia Cotaruse-Socabaya (1+2) Barro Alto (1+2) Socabaya Escondida Recreo Cardones Polpaico Cerro Navia Colbun (1+2) Puelches (1+2) Puerto Montt Chile Argentina Paraguay Coxipo Itumbiara Rio Verde (1+2) Intertie-Miracema Juiz De Fora (1+2) Piracicaba Haberá (1+2) Anastacio Ivaipora (1-6) Rodriguez (1+2) Olavarria (1-4) Henderson (1+2) Choele Choel (1-4) April 18, 2017 Slide 11

12 FACTS Resumen Portafolio FACTS Utilities/Energías Transmisión, renovables, smart grids y transporte (ferrocarril) Industrias Metales Minería, Oil & gas Compensación Serie (SC) Condensador Serie Fijo (FSC) Condensador Serie Controlado por Tiristor (TCSC) Compensación serie Static Var Compensation (SVC) Mejora la estabilidad de tensión Facilita la integración de renovables Balance de carga Mejora de la calidad de la energía Mitiga el Flicker Mejora productividad mediante el factor de potencia Híbrido (SVC + STATCOM) Static Synchronous Compensator (STATCOM) Desempeño optimizado Mejora la estabilidad de tensión Reactores y Capacitores conectados por Tiristores operan en paralelo PCS 6000 (up to +/-38 MVAr) or SVC Light (up to +/-360 MVAr) Mejora la estabilidad de tensión Facilita la integración de renovables Balance de carga Mejora de la calidad de la energía Alto desempeño mitigando Flicker Mejora productividad mediante el factor de potencia PCS 6000 or SVC Light Mejora de la calidad de la energía Alto desempeño mitigando Flicker Mejora productividad mediante el factor de potencia Compensación Paralelo (shunt) April 18, 2017 Slide 12

13 Beneficios de la compensación paralelo dinámica (shunt) SVC: Static Var Compensator STATCOM: STAtic Synchronous COMpensator (SVC Light ) Regulación y control de una tensión definida, a un valor de referencia, bajo condiciones normales como durante contingencias. Provee una respuesta rápida de potencia reactiva en los instantes posteriores a una contingencia. Previene y reduce los riesgos de colapso de tensión en la red. Previene sobretensiones durante rechazos de carga. Incrementa la tensión durante perturbaciones tales como fallas en el sistema. Detecta y amortigua oscilaciones de potencia activa. Incrementa la capacidad de transmisión de potencia, mediante la estabilización de la tensión en puntos débiles (grandes cargas) en la red. April 18, 2017 Slide 13

14 FACTS - Flexible AC Transmission Systems SVC and STATCOM SVC - Static Var Compensator Tiristores como dispositivo semiconductor Conmutación dependiendo de la tensión de la red Extinción de corriente en cruce a cero STATCOM - Static Synchronous Compensator Basado en Voltage-Source Converters (VSC) Conmutación forzada SVC Light - IGBT como dispositivo semiconductor - Convertidor de tres niveles (NPC) - Convertidor chain-link (multi-level) April 18, 2017 Slide 14

15 SVC Clásico Ejemplo de diagrama unilineal (-50/+150 Mvar) Transformador de Poder Conecta los componentes principales del SVC a la barra de alta tensión. TCR Thyristor Controlled Reactor Provee potencia reactiva inductiva. Controlado dinámicamente de cero a corriente inductiva máxima. Genera de harmónicos de corriente Filtros de Harmónicas Reduce las harmónicas generadas por el TCR. Provee potencia reactiva capacitiva. Siempre conectados. TSC Thyristor Switched Capacitor Provee potencia reactiva capacitiva. Dos estados posibles: corriente capacitiva cero o corriente capacitiva máxima. Reduce pérdidas. April 18, 2017 Slide 15

16 SVC Clásico Ejemplo de layout (-50/+150 Mvar) Transformador del SVC 2. Reactores del TCR 3. Capacitores del TSC 4. Reactor del TSC 7 5. Capacitores de los filtros de harmónicos Reactores de los filtros de harmónicos 7. Resistores de los filtros de harmónicos Sala de Control y de la válvula de tiristores 9. Radiadores del sistema de refrigeracion April 18, 2017 Slide 16

17 SVC Clásico Inductor Controlado por Tiristores (TCR) Provee el control continuo de absorsion de potencia reactiva I Reactor L VL Vp Controlled Susceptance Th1 Th2 Thyristor Valve April 18, 2017 Slide 17

18 SVC Clásico Capacitor Conmutado por Tiristores (TSC) Vp 90º L I Capacitor bank including currentlimiting reactor wt Vc Vc Vp wt Th1 Th2 I Thyristor Valve wt No existen limitaciones en el número de conmutaciones consecutivas FP wt April 18, 2017 Slide 18

19 STATCOM STATic Synchronous COMpensator Control continuo de potencia reactiva en ambos rangos: capacitivo e inductivo (rango simétrico) Control de potencia reactiva sin la necesidad de grandes componentes pasivos Convertidor Fuente de Voltaje (VSC) actúa como una fuente de tensión variable La operación de la corriente a los límites del convertidor se convierte en una fuente de corriente constante. VSC Operación Capacitiva Vvsc>Vsys, La corriente esta 90 gradods adelantada al voltaje Inductive operation Vvsc<Vsys, La corriente esta 90 gradods atrasada al voltaje I cap I ind April 18, 2017 Slide 19

20 STATCOM - SVC Light para sistemas de transmisión SVC Light First generation SVC Light Second generation Introduced VSC technology 3-level NPC Multi-level chain link Need for filters Yes, high-pass No (depending on design) Active filtering Yes, up to 9 th harm. Yes, up to 9 th harm. DC capacitor Common Distributed Losses Medium Low IGBT ABB StakPak, 2.5 kv, 1600 A ABB StakPak, 4.5 kv, 2000 A Converter voltage Up to 35 kv Up to 69 kv Power range per block Up to +/- 100 Mvar Up to +/- 360 Mvar April 18, 2017 Slide 20

21 SVC Light para sistemas de transmisión Second Generation Basada en SVC Light introducido en 1997 por ABB Rango dinámico más largo con el mismo tipo de IGBT IGBT en módulos para mayor flexibilidad Modo de falla segura La calidad del desempeño es mayor (bajas harmónicas, bajas pérdidas) La estructura de la válvula y la sala se simplifica El convertidor es diseñado en sub-módulos IGBT conectados en puente H Utiliza menos superficie Conexión directa (sin transformador) hasta 69 kv April 18, 2017 Slide 21

22 SVC Light para sistemas de transmisión Performance Conectado en Delta Topología Chain-link Se incrementa la tensión a la que se puede conectar. Mayor rango de potencia Mejor desempeño y pérdidas Espectro de harmónicas mejorado. Simplifica la optimización del desempeño, superficie y costos April 18, 2017 Slide 22

23 SVC Light para sistemas de transmisión Principio de funcionamiento April 18, 2017 Slide 23

24 SVC Light para sistemas de transmisión Generación de Harmónicas 1 2 levels levels 1 Line-line voltage spectra (pu U d ), p lev =11, ma=0.9 WTHD0: 4.1% levels levels levels levels WTHD0: 1.7% levels WTHD0: 0.51% levels WTHD0: 0.2% Harmonic order April 18, 2017 Slide 24

25 Modulo de convertidor Multinivel = 4 Puentes H Completos Ejemplo de tensión con 24 módulos en serie Uv(t) [kv] time s VSC Toolbox version Nov :00:20 April 18, 2017 Slide 25

26 SVC Light para sistemas de transmisión: Layout 1. VSC Sala de la válvula 2. Sala de Control & Protección 3. Sala de bombas 4. Reactores de línea 5. Radiadores 6. Transformador de poder April 18, 2017 Slide 26

27 SVC Light para sistemas de transmisión: Confiabilidad SVC Light Next generation utiliza muchos módulos operados en serie. Un numero de módulos redundantes permitirá fallas sin necesidad de sacar el convertidor de servicio inmediatamente. La capacidad total puede ser mantenida incluso cuando algunos IGBTs fallan. April 18, 2017 Slide 27

28 SVC Light para sistemas de transmisión: Seguridad ABB 4.5 kv 2000 A StakPak IGBT Utilizado en HVDC y FACTS Descarga de los links en CC (DC) activados automáticamente durante la desconexión Menor agrupación de conductores incrementa robustez en el ciclo térmico Sin riesgo de explosión Refrigeración en cada lado April 18, 2017 Slide 28

29 Caracteristica VI - STATCOM x SVC Superior en sobretensiones Rango Normal de Operación U AC SVC = Superior en sub-tensiones 1.0 pu = SVC Light STATCOM Capacitivo -I max I max Inductivo April 18, 2017 Slide 29

30 STATCOM Híbridos Topologías STATCOM + ramas conmutadas del SVC (TSC and TSR) Adecuado para rangos de operación de gran tamaño y asimétricos (típicamente se requiere un rango capacitivo mayor) Banco de capacitores e inductores controlados por interruptores (MSC/MSR) pueden ser combinados en el convertidor para situaciones con requerimientos dinámicos menores. Easily expandable for higher ratings MSC/MSR for slow voltage variations April 18, 2017 Slide 30

31 Característica VI Solución Híbrida HV bus Capacidad de sobrecarga limitada debido al VSC Y MV bus ~ = TSR VSC TSC -200 Mvar +/-100 Mvar +200 Mvar April 18, 2017 Slide 31

32 Qué tecnología utilizer? SVC vs STATCOM Recuperación del Voltaje Con Compensador al límite Mismo Tamaño al nivel de voltaje crítico Mismo tamaño a nivel de voltaje nominal April 18, 2017 Slide 32

33 SVC Light / SVC Clásico Sistema de control MACH April 18, 2017 Slide 33

34 SVC Light / SVC Classic Sistema de control MACH April 18, 2017 Slide 34

35 Condensadores Serie BENEFICIOS Reduce el costo del Sistema de transmisión debido a que menos líneas son requeridas. Incremento en la capacidad de transferencia de potencia. Regulación de voltaje en estado estacionario e incremento en el margen de estabilidad angular. Mejora el balance de potencia reactiva Disminuye el impacto ambiental (por ejemplo se requieren menos permisos). Reducción de pérdidas operacionales por balance de carga en líneas paralelas. Control de flujo de potencia (TCSC) Mitigación de resonancias subsíncronas (SSR), utilizando una parte controlable (TCSC) Detección y amortiguación de oscilaciones de potencia activa utilizando una parte controlable (TCSC) April 18, 2017 Slide 35

36 Condensadores Serie Conexión típica a la línea de transmisión. Condensador Serie April 18, 2017 Slide 36

37 Condensadores Serie Diagrama Unilineal Instalación con dispositivo de bypass rápido. Capacitores Isolating Disconnector Bypass Disconnector Isolating Disconnector MOV (Metal Oxide Varistor) que limita el voltaje en el capacitor inmediatamente durante un sobrecarga de corriente en la línea OCT (Optical Current Transducer) Transductor de corriente óptico. OCT Capacitor OCT Dispositivo de Bypass Rápido, realiza un bypass rápido del capacitor y del MOV, reduciendo la energía disipada en el MOV. Discharge Current Limiting & Damping Equipment MOV OCT Interruptor de Bypass (Bypass Switch) Reactor de corriente de descarga que limita y amortigua la corriente de descarga durante una operación de bypass. Desconectadores de aislamiento y bypass utilizados para mantenimiento y servicio Fast Protective Device CapThor Bypass Switch (Breaker) OCT OCT Platform Structure April 18, 2017 Slide 37

38 ABB Condensadores Serie 1. Condensadores 2. MOV (resistor no lineal) 3. OCT (Transformador de corriente e interfaz óptica) 4. Dispositivo de protección rápido 5. Limitación de corriente de descarga 6. Interruptor de Bypass Plataforma 7 8. Aisladores 9. Fibra Óptica Sala de control Escalera de acceso a la plataforma 9 10 April 18, 2017 Slide 38

39 Capacitor Serie Controlable (TCSC) Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) En 1992, ABB desarrolló y probó un interruptor de tiristor al aire libre En 1997, ABB desarrolló y construyó el primer condensador serie libre de resonancia subsíncrona (SSR) utilizando TCSC y el algoritmo de control SVR. Thyristor Controlled Series Capacitor April 18, 2017 Slide 39

40 Thyristor Controlled Series Capacitor Thyristor Controlled Series Capacitor Diagrama Unilineal incluye ahora una válvula de tiristor. La válvula del tiristor será controlada para agregar una corriente de circulación que aumente la tensión del condensador. La válvula de tiristor también puntea el condensador y sustituye la necesidad de un dispositivo de protección rápida. Isolating Disconnector Bypass Disconnector TCSC breaker OVT OCT Isolating Disconnector OCT Capacitor TCSC Reactor MOV OCT Thyristor Valve OCT Bypass Switch (Breaker) OCT Platform Structure April 18, 2017 Slide 40

41 TCSC Operation - Capacitive (boost) mode 2 File: CAP Line current [pu] Valve current [pu] Capacitor current [pu] Capacitor voltage [pu] Time [s] April 18, 2017 Slide 41

42 Operación de un TCSC modo Capacitivo (boost factor kb >1) IL a-p/2 2 beta= 20.0 deg 2 beta= 25.0 deg 2 beta= 30.0 deg uc 1 0 uc 1 0 uc a UC deg deg deg il, iv 0-1 il, iv 0-1 il, iv b IV deg deg deg deg April 18, 2017 Slide 42

43 Relación en estado estacionario entre el Angulo de control y kb 4 Boost factor vs. control angle, lambda= KB beta (deg) April 18, 2017 Slide 43

44 Rango típico de operación para POD = April 18, 2017 Slide 44

45 Thyristor Controlled Series Capacitor Mitigacion de Resonancia Subsincrona Características del TCSC La resonancia eléctrica se mueve fuera del rango de frecuencia crítico debido a la impedancia aparente del TCSC TCSC permite el uso de la compensación en serie incluso en los casos en que existe el riesgo de SSR La contribución esencial a la mitigación del SSR puede ser proporcionada como una propiedad inherente del control del tiristor, principalmente independiente de la sintonización del sistema de control April 18, 2017 Slide 45

46 Rango típico de operación para mitigación de SSR CAP-mode: Continuous operation CAP-mode: 30 min overload CAP-mode: 10 sec overload BP-mode: Continuous operation BP-mode: 30 min overload BP-mode: 10 sec overload 2 Boost factor k B Line current [pu] April 18, 2017 Slide 46

47 TCSC - Amortiguación Eléctrica Negativa Studios de Amortiguación Elctrica 0.4 Heysham G8, case Electrical damping, D e [-] No SC FSC TCSC Torsional frequency [Hz] April 18, 2017 Slide 47

48 Conclusiones FACTS son: - Tecnologías maduras - Tecnologías adecuadas también para desafíos actuales y futuros en sistemas de transmisión con menor participación de fuentes de generación convencional April 18, 2017 Slide 48

49 Light Technology Test Center April 18, 2017 Slide 49

50 SVC Light Sala de la válvula de un MMC April 18, 2017 Slide 50

51 FACTS Ejemplo de instalación: Cerro Navia SVC Light, Chile Cliente: Transelec Año de puesta en Servicio: 2011 Necesidad del Usuario Un incremento de la demanda de energía de la mano con la economía del país Un incremento a la oposición de construir líneas de transmisión nuevas Un requerimiento de una mejor utilización de la infraestructura existente La Respuesta de ABB Un SVC Light (STATCOM) instalado en Cerro Navia del Sistema Interconectado Central. Rango de operación del SVC Light, 220 kv, -65/+140 Mvar Beneficios para el cliente Incremento de la transmisión de potencia desde el sur de Chile hacia la capital, Santiago. Proveer control dinámico de tensión durante estado estacionario como durante perturbaciones Contribuir potencia reactiva durante fallas en el sistema Reducción del riego de Black-Out. April 18, 2017 Slide 51

52 FACTS Ejemplo de instalación : SVC Minera Antamina (Perú) Necesidad del Usuario Cliente: Antamina Año de puesta en Servicio: 2000 Minera Antamina PERÚ Lima Soporte de la tensión durante régimen estacionario y durante contingencias Maquinas eléctricas de grande porte tales como grandes motores AC, trenes de velocidad variable y ciclo convertidores. La Respuesta de ABB Un SVC Clásico instalado en la subestación Antamina Rango de operación del SVC, 220 kv, -45/+90 Mvar Beneficios para el cliente Reducción de las paradas de operación las máquinas. Mejora del perfil de tensión. Disminución de perturbaciones durante partida/detención de grandes cargas April 18, 2017 Slide 52

53 FACTS Ejemplo de instalación : TSCS Projecto N/S Eletronorte, Brazil Cliente: Electronorte Año de puesta en Servicio: 1999 Pline (MW) Brazil No TCSC POD active North-South Interconnection 5 SCs + 1 TCSC Both TCSC PODs active Necesidad Eliminar las oscilaciones de potencia active que pudiesen aparecer en la interconexión de 1200 km 500 kv entre los sistemas de Electronorte (Norte) y Furnas (Sur). Solución 5 Condensadores Serie Fijos y 1 TCSC Marabá SC tamaño 348 Mvar Colinas SC tamaño 2x161 Mvar Miracena SC tamaño 161 Mvar Imperatriz SC tamaño 161 Mvar Imperatriz TCSC tamaño 107 Mvar Beneficios Posibilitar la interconexión en corriente alterna, que de otro modo no hubiese sido posible debido a las oscilaciones de potencia entre los sistemas time (sec) Pline (MW) time (sec) April 18, 2017 Slide 53

54 FACTS Customer example: SVC TCSC Raipur, India Cliente: Power Grid Año de puesta en Servicio: 2004 Necesidad del Usuario Asegurar la estabilidad de la interconexión entre la región Este y la región Oeste. Respuesta de ABB Dos TCSC en 400 kv Beneficios para el cliente Incrementar la capacidad de transmisión de energía. Los TCSC mitigaran oscilaciones de potencia entre los sistemas. Tiempo de entrega de 16 Meses. April 18, 2017 Slide 54

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