ESTUDIO Y MODELACIÓN DE DISPOSITIVOS FACTS PARA EL CONTROL DE TENSIÓN Y POTENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL

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1 ESTUDIO Y MODELACIÓN DE DISPOSITIVOS FACTS PARA EL CONTROL DE TENSIÓN Y POTENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL Rivera Ch, Mariam C 1 Bermúdez R, Omar E 1 (Recibido abril 2012, Aceptado mayo 2012) 1 CORPOELEC riveramariamc@gmail.com, omarbermudez5@gmail.com Resumen: Con el continuo avance del crecimiento de la demanda eléctrica nacional, genera que disminuya los niveles de tensión y del flujo de potencia reactiva a lo largo del sistema. Para controlar esos niveles de voltaje y de la potencia reactiva existen diversos métodos. Uno de esos métodos es la aplicación de dispositivos de electrónica de potencia Sistemas de Transmisión Flexibles de Corriente Alterna por sus siglas en ingles (FACTS). Este trabajo se fundó sobre el estudio y la modelación de los dispositivos FACTS para el control de tensión y potencia reactiva en el Sistema Eléctrico Nacional. Realizando una metodología para la localización de los FACTS en un sistema de potencia, basándose en un sistema IEEE 14 Barras, para luego analizar el Sistema de potencia. Palabras clave: Control de Tensión/ Estabilidad del Sistema de Potencia/ FACTS/ Potencia Reactiva/ Sistemas de Potencia STUDY AND MODELING OF FACTS DEVICES FOR THE CONTROL OF VOLTAGE AND REACTIVE POWER IN THE NATIONAL ELECTRIC SYSTEM Abstract: Abstract: With the continued advancement of the growth in national electrical demand, generated to decrease the voltage levels and reactive power flow throughout the system. To control these levels of voltage and reactive power are various methods. One such method is the application of power electronics devices, systems Flexible Alternating Current Transmission by its initials in English (FACTS). This work was founded on the study and modeling of FACTS devices for voltage control and reactive power in the national electricity system. Making a methodology for the location of FACTS in power system, a system based on IEEE 14 bus, and then analyze the behavior in the National Electric System. Keywords: Voltage Control/ Power System Stability / FACTS / Reactive Power / Power Systems. I. INTRODUCCIÓN El aumento de la demanda en los sistemas de potencia es un factor que debe estar ligado al incremento de la generación, al no ocurrir esta relación entre generación vs demanda, provoca que los niveles de tensión y flujos de potencia reactiva se vean afectados de manera desfavorable en ciertas zonas de un sistema eléctrico. Para controlar los niveles de tensión y de potencia reactiva existen diversos métodos, entre los cuales destacan los FACTS, los cuales son dispositivos empleando electrónica de potencia que permiten compensar reactivamente, ya sea inductivo o capacitivo, con el propósito de mejorar el perfil de tensión en la red. El estudio y la modelación de los dispositivos FACTS para el control de tensión y de potencia reactiva para el Sistema Eléctrico Nacional, se realizó con el fin de mejorar el comportamiento del sistema de potencia actual, con la actuación de los Dispositivos FACTS. El alcance de este trabajo partió del desarrollo del estudio del sistema IEEE 14 Barras simulado en MATLAB y de la herramienta Power System Analysis Toolbox, (PSAT, por sus siglas en ingles) para el análisis de sistema de potencia, a partir de allí se realizó una metodología para la localización de los dispositivos FACTS en el Sistema Interconectado Nacional y se observó su comportamiento en régimen permanente y en régimen dinámico. II. METODOLOGÍA GENERAL PARA LA LOCALIZACIÓN DE DISPOSITIVOS FACTS EN SISTEMAS DE POTENCIA. Para el desarrollo de la metodología se debe partir de las siguientes premisas para su inicialización: 104

2 Identificación y selección de barras con perfiles de tensión por debajo de 0.95 p.u, en régimen permanente. Identificación de barras en puntos de intercambio de potencia con alta cargabilidad de la red en estudio. A. Estudio en Régimen Permanente: Selección de Barras Factibles: Para la selección de las barras factibles a la evaluación de los FACTS, se basó el estudio en barras con niveles de tensión bajo, menor a 0.95 p.u. B. Selección de Barras con Niveles de Tensión Bajo: Al efectuar la revisión del Sistema de Potencia, ejecutar el flujo de carga empleando el método Newton Raphson, para observar los niveles de tensión, flujo de potencia activa y reactiva en dicho sistema. Identificando con estos los valores de voltaje por debajo del nivel de tensión máximo permitido de operación del sistema. C. Barras que Muestran Máxima Cargabilidad: Obtenidos los valores de los flujos de potencias en las líneas del sistema, se identifican las líneas que poseen mayor cargabilidad, se grafican los perfiles de tensión y de potencia activas. Prontamente se identifican las barras críticas del sistema, seleccionando de esta manera las barras que presentan la peor condición. D. Estudio en Régimen Permanente: Colocación de los (SVC) en las Barras Seleccionada del Sistema de Potencia: Después de seleccionadas las barras que poseen los perfiles de tensión bajo se procede a colocar los compensadores estáticos, para visualizar el comportamiento de los SVC, ejecutándose nuevamente el flujo de carga para observar su comportamiento en régimen permanente. E. Análisis de Barras Seleccionadas con la Incorporación de los FACTS: Para observar el comportamiento de las barras del sistema que presentan problemas de tensión, se debe visualizar los niveles de tensión resultantes del flujo de carga. Si los niveles de tensión no mejoraron a los niveles de operación deseados, de forma empírica, se ajusta la potencia inyectada al sistema hasta que de forma efectiva se observe como el nivel de tensión mejora en la red bajo estudio. F. Análisis de Barras que Presentaron Máxima Cargabilidad: Seguidamente de analizar los niveles de tensión se procede a visualizar el comportamiento de los FACTS y cómo influyen en las barras que presentaron mayor cargabilidad. A Estudio en Régimen Dinámico: Estabilidad de Tensión en el Sistema ante una Perturbación, con la Actuación de los Dispositivos FACTS. Después de analizar el sistema en régimen permanente con la incorporación de los FACTS, se realizan perturbaciones para observar el comportamiento de la red ante la incorporación de estos dispositivos cuando son sometidos a eventos para observar su actuación desde el punto de vista de estabilidad de tensión. B. Estudio en Régimen Dinámico con Evaluación de Escenarios de Alta Carga del Sistema con Variaciones de Carga, con la Actuación de Dispositivos FACTS. Para la evaluación de este caso se realizan dos tipos de evaluaciones: aumentos y disminución de carga, a fin de observar la compensación reactiva de los FACTS. Aumento de Carga: El primer caso será elevar la carga de forma porcentual y observar el comportamiento de las tensiones y de la potencia reactiva aportada por los compensadores. Disminución de la Carga: El segundo caso se trata de realizar disminuciones porcentuales de la carga, para luego observar el comportamiento de las tensiones y las potencias reactivas inyectadas por los compensadores. Figura 1. Metodología General para la Localización de Dispositivos FACTS, en un Sistema de Potencia. C. Estudio en Régimen Dinámico con Evaluación de Escenarios de Baja Carga del Sistema, con Variaciones de Carga con la Actuación de Dispositivos FACTS. Para la evaluación de baja carga se considera un sistema de potencia con bajos niveles de exportación, es decir un sistema que esté funcionando con baja carga. Aumento de Carga: El primer caso será elevar la carga de forma porcentual y observar el comportamiento de las tensiones y de la potencia reactiva aportada por los compensadores. 105

3 Disminución de Carga: El segundo caso se realiza con disminuciones porcentuales de la carga para luego observar el comportamiento de las tensiones y las potencias reactivas inyectadas por los compensadores. III. DESCRIPCIÓN DE ÁREA BAJO ESTUDIO El caso de estudio considerado fue el sistema occidente, específicamente el asociado a los estados andinos, debido que esta zona presenta barras con perfiles de tensión bajos. HACIA COLOMBIA CUATRICENTENARIO ISIRO P. PALMA PLANTA ENELVEN EL TABLAZO CENTRO E.de C. SIST. CASANAY BARQUISIMETO SANTA CUMANA II P. IGUANA CABUDARE CENTRAL TERESA SUR MOROCHAS GUANTA II CABIMAS JOSE BARBACOA I YARACUY D. LOSADA LA ARENOSA BUENA BARBACOA II INDIO LA VISTA ACARIGUA II HORQUETA EL FURRIAL * EL TIGRE EL VIGIA II SAN PLANTA BARINAS IV PALITAL GERONIMO LA CANOA GUAYANA PAEZ CALABOZO * URIBANTE HACIA COLOMBIA EL COROZO SAN AGATON CABRUTA MALENA GURI EL CALLAO II 765 kv 400 kv LOS PIJIGUAOS LAS CLARITAS 230 kv AISLADA A 230 kv OPERA A 115 kv * AISLADA A 400 kv OPERA A 230 kv SANTA ELENA HACIA BRASIL Figura 2. Descripción del área de estudio dentro del SEN. IV. RESULTADOS OBTENIDOS DEL CASO DE ESTUDIO EN EL SISTEMA CADAFE OCCIDENTE. A. Estudio en Régimen Permanente: Selección de Barras Factibles. En la Figura 3 se muestra la gráfica de los perfiles de tensión en (p.u) del Sistema Occidente antes de la incorporación de los dispositivos FACTS, donde se puede observar que existen diversas barras con perfiles de tensión que se encuentran por debajo de los valores de operación optimo. Asimismo, se muestran la Figura 4 donde se visualiza la gráfica de las lineas que presentaron mayor cargabilidad en el sistema Occidente. Figura 3. Perfiles de Tensión de Barras del Sistema Cadafe Occidente, antes de la incorporación de los dispositivos FACTS. 106

4 Figura 4. Potencias Activas en las Barras del sistema Cadafe Occidente, antes de la incorporación de los dispositivos FACTS. B. Estudio en Régimen Permanente: Colocación de los Compensadores Estáticos (SVC) en las Barras Seleccionada del Sistema de Potencia. Después de analizar el sistema y de ubicar las barras que presentaron problemas de tensión se procede a la ubicación de los dispositivos FACTS del sistema. Las barras seleccionadas para la ubicación de los dispositivos, fueron las que por su ubicación mejoraron los niveles de tensión en las barras que presentaron el perfil de tensión de rango bajo de operación. En la Tabla I se tiene los valores de los compensadores (SVC) calculados y las barras seleccionadas, según los criterios descritos anteriormente. En la Figura 5 se muestra el diagrama unifilar donde se observan las barras donde fueron ubicados los dispositivos FACTS. Tabla I. Barras Factibles para Colocar Compensadores Estáticos en el Sistema Cadafe Occidente. BARRAS SINY (MVA) ZSS (%) MÉRIDA II 50 3,46 BUENA VISTA 50 3,46 BARINAS I 80 0,395 C. Análisis de Barras Seleccionadas con los FACTS Incorporados en el Sistema. Después de la ubicación de los dispositivos estratégicamente en las barras seleccionadas, se procede a realizar nuevamente el estudio de los perfiles de tensión en estado permanente en el sistema. Figura 5. Diagrama Unifilar de la Red Cadafe Occidente a Nivel de tensión de 115 kv y 230 kv. Con los Dispositivos FACTS. En la Figura 6 se muestran las magnitudes de los perfiles de tensión en las barras analizadas anteriormente, con los compensadores ya incorporados. En esta grafica se puede observar se mejoran los perfiles de tensión en las que se ubicaron los dispositivos y en las barras que se encuentran aguas abajo del sistema. En la Figura 7 se visualiza la grafica con ambas curvas de los perfiles de tensión antes y después de la incorporación de los compensadores (SVC). Donde se puede observar la actuación de los compensadores estáticos en el sistema en régimen permanente y como mejoran los perfiles de tensión en las barras donde fueron ubicados. 107

5 Figura 6. Perfiles de Magnitudes de Tensiones en las Barras en el sistema de Potencia Cadafe Occidente, con la incorporación de los dispositivos FACTS. Figura 7. Comparación de los Niveles de Tensión en el Sistema. D. Estudio en Régimen Dinámico: Estabilidad de Tensión en el SEN Ante Perturbaciones, con la Actuación de los Dispositivos FACTS. Evaluación de una Falla Monofásica para Caso de Alta Carga con Exportación 8021 MW. Para la evaluación en régimen dinámico se realizaron varias perturbaciones en el sistema Cadafe Occidente. De los criterios descritos en la metodología se desarrolló una 108

6 falla monofásica en el extremo Yaracuy 230 kv entre las líneas de Yaracuy Morocha a 230 kv. En la Figura 8 se observa el diagrama unifilar donde se realizó una falla muy cercana a la barra, la línea que fue despejada para un tiempo de 0,067 ms, para un tiempo de simulación de 10 seg. Esta falla fue realizada para un sistema de alta carga para un nivel de exportación de 8021 MW. inductivos para luego inyectar reactivos capacitivos, hasta que comienzan a estabilizarse los compensadores de Mérida II y Buena Vista. Figura 8. Diagrama Unifilar de Falla Monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre Yaracuy Morocha a 230 kv. En la Figura 9 se puede observar que para el momento que es despejada la línea fallada, las tensiones en las barras monitoreadas, (Mérida II, Barinas I y Buena Vista), se elevan hasta 1.13 p.u, para luego descender hasta 0,9924 p.u. para luego comenzar a estabilizarse para un tiempo transcurrido de los 200 ms. Figura 10. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores Estáticos Cuando ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre Yaracuy Morocha a 230 kv, Exportación 8021 MW. E. Evaluación de una Falla Monofásica de Baja Carga con Exportación 6483 MW. Aplicando la misma falla monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre la línea Yaracuy Morocha a 230 kv, pero con un sistema a baja carga para un nivel de exportación de 6483 MW. En la Figura 11 se tiene los perfiles de tensión de las barras que fueron colocados los compensadores, (Mérida II, Barina I y Buena Vista). Donde se puede observar que después de transcurrida la falla las tensiones se elevan hasta 1,017 p.u pero luego descienden hasta 0,991 p.u, para luego comenzar a estabilizarse a los 100 ms. Figura 9. Estabilidad de Tensión ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre Yaracuy Morocha a 230 kv, con la actuación de los Dispositivos FACTS, Exportación 8021 MW. En la Figura 10 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva aportada por los compensadores al momento de ocurrir la falla los reactores aportan reactivos Figura 11. Estabilidad de Tensión ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre Yaracuy Morocha a 230 kv, con la actuación de los Dispositivos FACTS, Exportación 6483 MW. 109

7 En la Figura 12 se muestra la grafica de la actuación de los compensadores estáticos en las barras bajo estudio, donde se observa que luego de transcurrida la falla a los 0,067 ms, la potencia se eleva buscando como compensar al sistema inyectando reactivos capacitivos, para luego ir estabilizando al sistema, la barra donde se observa mayor actuación del compensador es la barra Barinas I. estabilizarse. Llevando los niveles de tensión a valores de operación deseados. Figura 13. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Alta Carga Exportación de 8021 MW. Figura 12. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores Estáticos Cuando ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kv, entre Yaracuy Morocha a 230 kv, Exportación 6483 MW. F. Evaluación de Variaciones de Carga para un Sistema de Alta Carga del Sistema con Exportación 8021 MW. Para realizar este tipo de perturbación se comenzó con un aumento de la carga de un 2,94 % para una exportación de 8021 MW. En la Figura 13 se muestra el comportamiento de las tensiones en las barras donde fueron colocados los compensadores estáticos y se puede visualizar que al momento de ocurrir la perturbación a los 0,5 ms la tensión post falla da hacia abajo indicando que el sistema necesita reactivos inductivos. Alcanzando un valor de tensión de 0,986 p.u en la barra Buena Vista. En la Figura 14 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva, donde se puede observar que al momento de ocurrir la elevación de la carga de 2,94% el dispositivo para compensar inyecta reactivos inductivos para elevar los perfiles de tensión a niveles óptimos de operación. Para este caso se observó una elevación de los niveles de exportación de CORPOELC - EDELCA a 8030 MW. Para la disminución de la carga se realiza un bote de carga de -2,94% para una exportación de 8021 MW. En la Figura 15 se tiene la gráfica con los perfiles de tensión en las barras donde fueron colocados los compensadores estáticos donde se visualizar que las tensiones luego de ocurrir la perturbación a los 0,5 ms las tensiones se elevan hasta 1,056 p.u, indicando que el sistema necesita reactivos inductivos. Luego el sistema comienza a Figura 14. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Alta Carga Exportación de 8021 MW. Figura 15. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Alta Carga para un Nivel de Exportación de 8021 MW. 110

8 En la Figura 16 se observa el comportamiento de las potencias reactivas asociadas a los compensadores instalados en las barras del sistema de Cadafe Occidente, donde se puede observar que al momento de hacerse el bote de carga los compensadores inyectan reactivos inductivos como en el caso anterior, el compensador que más aporta reactivos es el que se encuentra ubicado en la Barra Barinas I. En la Figura 18 se muestra la grafica donde se visualiza el comportamiento de las potencias reactivas de los compensadores instalados en las barras donde fueron colocados. En la figura se puede observar que los compensadores inyectan reactivos capacitivos. Para este caso se observó una disminución de los niveles de exportación de 6478 MW Figura 16. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Alta Carga para un Nivel de Exportación de 8021 MW. G. Evaluación de Variaciones de Carga para un Sistema de Baja Carga del Sistema con Exportación 6483 MW. Para la evaluación de Baja carga se consideró un sistema de potencia con un nivel de exportación de 6483 MW con un aumento de la carga de un 2,94%. En la Figura 17 se tiene la grafica con los perfiles de tensión donde se puede observar que después de transcurrido el evento a los 0,5 ms las tensiones descienden alcanzando valores de 0,977 p.u, indicando que necesitan reactivos capacitivos para poder llevar los perfiles de tensión a sus niveles de operación deseados. Figura 18. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW. En la Figura 19 se tiene la gráfica del comportamiento de los perfiles de tensión ante una disminución de carga de un -2,94% de la carga para un sistema de baja carga con de exportación de 6483 MW. donde se puede observar que transcurridos los 0,50 ms, la curva de la tensión se eleva hasta 1,043 p.u, indicando que el sistema necesita reactivos capacitivos. Para este caso se observó una disminución de los niveles de exportación de 6483 MW a 6478 MW. Figura 19. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW. Figura 17. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW. En la Fgura 20 se tiene el comportamiento de las potencias reactivas en los compensadores estáticos en las 111

9 barras bajo estudio, donde se puede observar que los dispositivos inyectan reactivos capacitivos al sistema y disminuyendo el nivel de exportación a 6478 MW. Figura 20. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW. V. CONCLUSIONES 1. Se elaboró una metodología para la localización de los en sistemas de potencia, empleando su validación con el modelo IEEE 14 Barras. 2. En el sistema Cadafe Occidente existen barras afectadas con bajos perfiles de tensión donde los dispositivos FACTS son una alternativa para mejorar los perfiles de tensión de esta red. 3. En el sistema Cadafe Occidente se pueden implementar dispositivos FACTS tipo SVC en tres subestaciones los cuales logran mejorar el perfil tensión alcanzando los niveles de operación deseados. 4. En el análisis de estabilidad de tensión ante perturbaciones como lo es el aumento o disminución de la demanda del SEN, los SVC inyectan reactivos capacitivos o inductivos dependiendo de la condición logrando controlar el perfil de tensión dentro de los rangos de operación para la red Cadafe Occidente y mejorando de esta manera la estabilidad de tensión. VI. REFERENCIAS 1. C. Camacho, Aplicación de Electrónica de Potencia a Sistemas de Potencia, Revista Fotónica y Electrónica, Proyecto 9.5, 2006, p J. Stevenson, Análisis De Sistemas De Potencia, Quinta edición, Editorial McGraw-Hill, 1998, p J. Vivas, A. Neira, G. Matas Comparación de Metodologías para Simulación de Dispositivos FACTS en Herramientas de Flujo de Carga, Eléctrica Departamento de Conversión y Transporte, Caracas, Venezuela. 4. I. Coronado, Ubicación de Dispositivos FACTS desde una Perspectiva Dinámica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN Unidad Guadalajara, MSc Universidad de Veracruz, México, Septiembre H. Ortiz, Estudio del Comportamiento Dinámico de los compensadores estáticos ante perturbaciones en el Sistema Eléctrica Nacional, Trabajo de Grado, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Unexpo, P. Kundur, Power System Stability and Control, Editorial Mc. Graw-Hill, 1993, p J. Candelo, Métodos para el Estudio de la Estabilidad de Voltaje en Sistemas de Potencia, Universidad del Valle, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Vol 19 (5), M. Bagriyanik, H. Dag, Determination of Location of Devices Using Fuzzy Decision Making, Istanbul Technical University, Electrical and Electronics Faculty Department of Electrical Engineering, Istanbul, Turkey, G. Anderson, T. Green, B. Pal, C. Rehtanz, Control avanzado de dispositivos FACTS, Revista ABB, Abril 2003, p J. Vivas, A. Estezo, D. Temes, Localización Óptima de FACTS Serie de Sistemas de Transmisión Considerando el Flujo de Potencia Activa, CVIE, Universidad Simón Bolívar, J. Hernández, A. R. Messina, Utilización de Dispositivos de Control en la Red de Transmisión para Amortiguar Oscilaciones de Potencia, CIGRE, Comité - Mexicano, en Irapuato, Bienal, Junio J. Ramírez, FACTS, CINVESTAV (Unidad de Guadalajara), A.; Matas, G, Dispositivos Controladores de Flujo de Potencia En sistemas de Transmisión, Universidad Simón Bolívar, Sarteneja, Venezuela, Octubre I. Coronado, P. Zúñiga, J. Ramírez, FACTS Soluciones Modernas para la Industria Eléctrica, Avance y Perspectiva, vol. 20, Julio Agosto 2001, p F. de la Bodega, M. Gutiérrez, Z. Aginako, K. Sagastabeita, FACTS Formas de Usar más Eficientes las Líneas Existentes, Departamento de Ingeniería Eléctrica E. U.I.T.I de Bilbao, Plaza de la Castilla, Bilbao. 16. Flexible AC Transmission Systems Impacto en los mercados competitivos Facts2, Paper de la ABB, P. García González, A. García Cerrada, Transporte Flexible de la Eléctrica en Corriente Alterna, Universidad Pontifica Comillas de Madrid, Madrid, Noviembre Diciembre S. Kamel, Modeling and Simulation of IEEE 14 Bus System with Facts Controllers, Norma IEEE,

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