Análisis de un Compensador Vectorial Serie Incrustado en un Sistema Eléctrico de Potencia para el Control de Flujos de Potencia

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1 Sexto Coloquio Interdisciplinario de Doctorado Universidad Popular utónoma del Estado de Puebla nálisis de un Compensador ectorial Serie Incrustado en un Sistema Eléctrico de Potencia para el Control de Flujos de Potencia Efrain illalvazo Laureano, Juan Miguel González López, Julio C. Rosas Caro 2 Universidad Popular utónoma del Estado de Puebla, efrainhazur@hotmail.com Universidad Popular utónoma del Estado de Puebla, juangol796@hotmail.com 2 Instituto Tecnológico de ciudad Madero, rosascarojc@hotmail.com Resumen Este trabajo analiza un Compensador ectorial Serie (SeC) en el contexto de Sistemas Flexibles de Transmisión de C (FCTS), este convertidor electrónico de potencia está basado en una fuente C-C y es capaz de operar entre dos subestaciones eléctricas con el fin de controlar el flujo de potencia que circula por la línea de transmisión. Las simulaciones de este modelo se realizan mediante la ayuda del software EMTDC/PSCD y se utiliza un sistema de potencia de 2 generadores y 3 subestaciones como sistema de prueba en la cual los resultados obtenidos muestran con claridad la capacidad de esté dispositivo para controlar el flujo de potencia en las líneas de transmisión, haciéndolo muy competitivo con los hasta ahora propuestos. Palabras Clave Electrónica de potencia, Interruptores bidireccionales C, FCTS, estabilidad de sistemas eléctricos de potencia, flujos de potencia.. Introducción. La Figura muestra un sistema eléctrico de potencia, el cual está compuesto en términos generales, por los tres subsistemas: Generación de energía, transmisión, y centros de carga. (Expósito, 2). La generación de energía se realiza en las centrales eléctricas, ésta se transporta por el sistema de transmisión que consta principalmente de subestaciones eléctricas y líneas de transmisión con el fin de entregar la energía a los centros de carga en las normas específicas de calidad y fiabilidad para ser utilizada por los consumidores (Grainger, 994). Figura. Sistema Eléctrico de Potencia (SEP). En los últimos años los centros de carga han aumentado el consumo de energía eléctrica debido al rápido crecimiento de la población y de la industria lo que provoca un aumento en la generación que se debe transportar desde los centros de generación hasta los consumidores provocando que algunas líneas de transmisión se saturen o congestionen la red de transmisión y estén trabajando cerca de sus límites físicos. Una solución a éste problema es la de construir nuevas líneas de transmisión, pero generan un costo muy elevado. demás, debido a las presiones sobre el cuidado y conservación del medio ambiente y del derecho de vía, hace cada vez es más difícil, si no imposible, la construcción de nuevas líneas de transmisión, (rriaga, ). Este hecho ha dado la oportunidad a la electronica de potencia mediante el diseno de dispotivos conocidos como FCTS que de acuerdo con (Hingorani, ) "son sistemas de transmisión de corriente alterna que incorporan controladores estáticos basados en electrónica de

2 potencia para mejorar la controlabilidad e incrementar la capacidad de transferencia de potencia especialmente el líneas de transmisión." 2. Estado del arte. La tecnología de FCTS abre nuevas oportunidades en el control de la potencia y el incremento de la capacidad disponible en el sistema de potencia, ya que la posibilidad de controlar la corriente a través de una línea a un costo razonable, permite incrementar la capacidad de las líneas existentes en la red de transmisión. Esto se puede lograr debido a que estos dispositivos tienen la capacidad de modificar parámetros que actualmente restringen a los sistemas eléctricos de potencia, permitiendo además operar las líneas de transmisión cerca de sus límites físicos, lo que anteriormente no era posible sin violar las restricciones de seguridad del sistema. En la Tabla se puede observar la mayoría de dispositivos FCTS propuestos en la literatura, gracias al avance significativo de la electrónica de potencia se han venido diseñando mejores, más compactos y económicos dispositivos FCTS. La mayoría de los dispositivos FCTS presentados en esta tabla han sido ampliamente estudiados bajo un sinfín de aplicaciones, tal como control de flujos de potencia activa y reactiva, control de la magnitud de voltaje, amortiguamiento de oscilaciones de potencia, optimización de flujos de potencia, entre otras (González, 6). Tabla. Revisión general de FCTS, (González, 6) Recientemente nuevos controladores basados en convertidores vectoriales a.c/a.c han sido propuestos demostrando con ellos que es posible alcanzar los mismos objetivos que en c.c. Hablado exclusivamente de la nueva generación de FCTS, (Lopes, ) diseñó el primer dispositivo FCTS serie basado en un convertidor a.c para controlar el flujo de potencia activa entre dos líneas de transmisión, donde describe el uso de un SeC para el control de la potencia activa en una línea de transmisión con una estructura simple, inyectando una reactancia capacitiva serie que es ajustada automáticamente a través del ciclo de trabajo. Una breve comparación del SeC con respecto al TCSC es presentado en (Mancilla F. D., 8) dentro de un pequeño sistema de potencia radial que consta de tres subestaciones, un generador y una carga, mostrando que el SeC presenta un control más suave que el TCSC durante transitorios, ya que el TCSC se diseña para brincar de una región operativa capacitiva hacia la inductiva en condiciones de transitorios para evitar la operación de circuito abierto y reducir armónicos. Una evaluación comparativa entre el SeC y el SSSC es presentada en (Mancilla F. D., 8), está comparación está basada en el modelado a gran detalle de los interruptores dentro de un sistema con una fuente representada por un voltaje con magnitud y fase, lo mismo para la subestación eléctrica y la carga, permaneciendo constantes en su desempeño, en este análisis se muestra que el SSSC requiere almacenar energía capacitiva cerca del doble y 2

3 aproximadamente 66% extra de semiconductores para la misma aplicación. En la práctica ningún SeC ha sido construido o instalado en una línea de transmisión real, de cualquier forma una estimación comparativa del costo de los componentes para estos dos controladores también es presentada en (Mancilla F. D., 8). En este artículo se muestra que el costo del SSSC es más alto que el SeC. (Gonzalez J. M., 2), (González, 6), (Gonzalez J. M., 7), y (Ramirez J. M., 7) analizaron estos dispositivos desde el punto de vista del sistema eléctrico de potencia, realizando un análisis en estado estable y de estabilidad transitoria, mediante un análisis fasorial implementándolo en el método de Newton Raphson y Euler modificado, con un control PI, además realizaron comparaciones de este dispositivo con el SSSC y el TCSC demostrando que es muy competitivo también en cuanto al desempeño dentro del sistema eléctrico de potencia. Se presenta también por primera vez una evaluación completa de este dispositivo respecto a controladores similares, TCSC y SSSC (por sus siglas en ingles Capacitores Serie Controlados por Tiristores y Compensador Síncrono Estático Serie, respectivamente), en su aplicación para el control de oscilaciones de potencia, estabilidad de voltaje y análisis de pequeña señal con sus modelos y controles asociados para su análisis. Los resultados obtenidos ilustran que con la aplicación del SeC se mejoran las oscilaciones cuando se compara con el TCSC y con el SSSC, consecuentemente la construcción de este tipo de dispositivos puede ser una mejor alternativa respecto a los ya existentes para la compensación dinámica en serie de líneas de transmisión, especialmente donde el espacio y el costo en la construcción son un problema. La rápida conmutación de los IGBT s ocasiona un comportamiento no lineal que aún no ha sido explorado en esta nueva topología de FCTS, mientras que en los convencionales se ha demostrado que se tiene un mejor comportamiento con el diseño de estrategias de control más complejos como por ejemplo la logia difusa, entre otros. Por lo que exististe una área de oportunidad por explorar en esta área, ya que la incógnita inminente es Esta topología se desempeñará mejor con otras estrategias de control más complejas que tomen en cuenta la conmutación de los IGBT s? De ahí que el presente proyecto de investigación este enfocado en el diseño de un algoritmo de control para el dispositivo FCTS basado en esta nueva generación conectado en serie con el fin de controlar el flujo de potencia activa de una mejor forma bajo la estrategia de un control difuso, ya que este tipo de control ha demostrado ser más eficiente en muchas de las aplicaciones, en donde el control clásico y moderno no han sido capaces de arrojar resultados eficientes; además de la facilidad de implementar los algoritmos y estrategias de control en dispositivos electrónicos. demás de incorporarlo dentro de un sistema eléctrico de potencia en donde los voltajes en las subestaciones no permanecen constantes, sino que dependen de las condiciones y eventos que se presenten en el mismo, tal como apertura de interruptores, líneas de transmisión fuera de servicio, etc. Para lograr este objetivo, primero es necesario realizar simulaciones del dispositivo incorporando todos los elementos que lo conforman y que interactúen con el sistema, este articulo presenta los avances obtenidos en este tema de investigación, el cual consiste en la simulación detallada de los dispositivos electrónicos que conforman el SeC, posteriormente es incorporado en un sistema eléctrico de potencia para analizar su comportamiento, por el momento se ha diseñado un control lineal (PI) que será utilizado para comparaciones con sistemas de control más robustos que se diseñen en un futuro. Cabe mencionar que hasta el momento este tipo de análisis en donde se realizan las simulaciones de todos los dispositivos electrónicos y a su vez incorporarlo en un sistema eléctrico de potencia no ha sido explorado en la literatura por lo que es una de las primeras aportaciones importantes de este tema de investigación. El resto de este trabajo está estructurado como sigue: La sección 3 presenta una breve descripción del funcionamiento del SeC, mientras que la sección 4 muestra en forma general como fue implementado en el software EMTDC así como su control. En la sección 5 se presentan algunas simulaciones, resultados y análisis de su comportamiento dentro de un sistema eléctrico de potencia para finalizar con las conclusiones. 3. Compensador ectorial Serie SeC El esquema del SeC se muestra en la Figura 2, (Lopes, ). Este compensador serie consiste de: un transformador de T a, T b y T c ; compensación de capacitores C a, C b y C c ; además de interruptores controlados por PWM S a, S b, S c, S a, S b y S c. Durante el periodo de conmutación cuando los interruptores S a, S b, S c están cerrados, la compensación capacitiva es conectada, mientras que los interruptores S a, S b y S c están abiertos evitando así un corto-circuito operando de forma complementaria con respecto a S a, S b y S c. 3

4 B C Series injection transformer T a T b Transmission Line T c C a C b C c S a S b S c ' S a ' S b ' S c Figura 2. Línea de transmisión con SeC. El compensador SeC básicamente provee una reactancia capacitiva variable X SeC, el cual se ajusta a través de las variaciones del ciclo de trabajo D s. Por lo tanto se puede decir que este dispositivo controla el flujo de potencia variando la reactancia. La impedancia equivalente entre la subestación de envío y recepción del SeC se puede definir como (Mancilla F. D., 8): ( ) 2 X = n D x () 2 SeC s c Observe que en () la impedancia inyectada en serie depende del ciclo de trabajo D s para los interruptores; por lo tanto, este ciclo de trabajo provee un control en el flujo de potencia. El fasor de voltaje en el lado primario del transformador de acoplamiento visto desde el lado de la línea de transmisión en la Figura 2 puede ser evaluado como sigue: ( ) 2 = n D I (2) 2 s s km Observe que en () y en (2) todas las cantidades son las máximas cuando el ciclo de trabajo es cero. Por lo tanto, el punto de operación en el cual el ciclo de trabajo es el mínimo determina la capacidad del dispositivo incluyendo los M del transformador. 4. Simulacion del SeC en PSCD Un análisis detallado debe incluir todos los elementos esenciales, incluyendo los bloques del control donde son requeridos los pulsos para la conmutación de los interruptores. Es evidente de la Figura 2 que los principales componentes para ser evaluados son el SIT, el enlace de c.a.-c.a. (convertidor de potencia) y los capacitores. El proceso comienza asumiendo que los voltajes de envío y recepción de la línea de transmisión donde el SeC es instalado son conocidos, el cual son obtenidos de un estudio de flujos de potencia así como la máxima cantidad de reactancia capacitiva inyectada en serie, (típicamente la valor máximo de reactancia inyectada permitida es el 7% de la reactancia de la línea de transmisión donde el compensador es instalado). La Figura 3 muestra el bloque construido en PSCD que corresponde al SeC, este consiste en dos subsistemas, uno para el transformador SIT, y el otro para el convertidor vectorial que contiene a los interruptores bidireccionales. La Figura 4 muestra el diagrama de control de la estrategia adoptada para controlar la potencia activa que circula por la línea de transmisión. Se realiza una medición de la línea y, a continuación, se cambia a valores unitarios, la señal pasa a través de un filtro para deshacerse del ruido y, a continuación, esta información se compara con la referencia. EPij es el error de esta diferencia y es utilizado por el bloque de adelanto-atraso y por el PI bloque para obtener el valor del ciclo de trabajo utilizado como señal portadora. 4

5 Figura 3. SeC implementado en PSCD Figura 4. Estrategia de control Una señal rampa es utilizada a 24Hz, Figura 5, esto es 4 veces superior a la frecuencia del sistema. La señal portadora (q) obtenida en la Figura 4 es usada para compararla con la señal rampa y así construir el pulso que conmutará los interruptores. Por lo tanto, tres señales (Ds) y tres (D's) complementarios tienen que ser construidas. Figura 5. Estrategia PWM 5

6 Efrain illalvazo Laureano, Juan Miguel González López, Julio C. Rosas Caro El convertidor matricial está representado en la Figura 6. El subsistema requiere la aportación de dos señales (Ds y Dsp) que se obtienen en la salida del esquema de control. Estas señales corresponden al ciclo de trabajo y representan la activación y desactivación de los interruptores. Figura 6. Convertidor matricial implementado en PSCD. 5. Resultados de simulación El sistema IEEE 2 máquinas y 3 subestaciones (Figura 7) es usado aquí como sistema de prueba para analizar el comportamiento del SeC. El sistema consiste de dos generadores, 3 nodos, y 3 líneas de transmisión y una carga conectada al nodo 3, entiéndase por nodo a las subestaciones eléctricas. El sistema corresponde al caso donde dos áreas de generación de energía son conectadas a través de una línea de transmisión larga. mbos generadores son modelados en gran detalle con los modelos subtransitorios, asumiendo excitadores tipo (C4a) y un gobernador hidráulico tipo en la máquina conectada al nodo, estos modelos son obtenidos de (Kundur, 4 ). La carga conectada al nodo 3 consiste de 9MW y 3MR y es modelada como impedancia constante. Bus 38k Bus 3 38k Bus 2 38k G BRK3_2p G2 Load Figura 7. Sistema de potencia de prueba IEEE 3 nodos. La Figura 8 y 9 presentan un análisis del sistema eléctrico de potencia bajo la apertura de un interruptor y sin el SeC incorporado en el sistema. El sistema está trabajando sin ningún evento durante el primer segundo. En t= segundo se presenta la apertura del interruptor mostrado en la Figura 7 como (BRK3_2p), después de 3 ciclos el interruptor vuelve a cerrar. Observe en la Figura 8 (a) el comportamiento de la potencia activa y reactiva en la carga durante el evento. La Figura 8 (b) muestra la conducta de los generadores, presentándose una serie de oscilaciones que se van amortiguando con el tiempo. La Figura 9 ilustra los flujos de energía por las líneas de transmisión, observe como el generador aporta 4 MW (P3) mientras que el generador 2 aporta los restantes 5 MW que se distribuyen equitativamente por las líneas de 6

7 transmisión P23 y Pp23 que están conectadas en paralelo. Similarmente para la potencia reactiva, el generador aporta 57 MR (Q3), mientras que las líneas 23 y p23 transportan 5MR cada una. S load in MW W gen in pu Figura 8. Potencia en Carga y velocidad de generadores sin SeC. P l Q l W g W g2 (a) Potencias en la carga b) elocidades en generadores Q flows in MR P flows in WM Flujos de potencia activa en lineas de transmision Flujos de potencia reactiva en lineas de transmision Figura 9. Flujos de potencia en líneas de transmisión sin SeC P 3 P 23 P p23 Q 3 Q 23 Q p23 La congestión de las líneas de transmisión se da mucho en estos casos donde dos líneas de transmisión están conectadas en paralelo ya que en muchas ocasiones la impedancia de las líneas de transmisión no es la misma en ambas líneas de transmisión por lo que una de ellas se congestiona, motivo por el cual es necesario la instalación de un FCTs. Para este ejercicio, un SeC es conectado en la línea 2-3 a través de un transformador serie de acoplamiento para regular la potencia activa en la línea de transmisión, de tal forma que se desea que por una línea de transmisión se transporten 333MW y por la otra 67 MW. Las respuestas obtenidas de las simulaciones se muestran en las Figs. -3. La Figura ilustra los flujos de potencias en las líneas de transmisión, observe que efectivamente el SeC es capaz de controlar el flujo de potencia activa a través de una línea de transmisión. La Figura presenta la velocidad angular de los generadores ante la perturbación presentada con el SeC instalado y las potencias en las cargas. Por otro lado, la Figura 2 muestra el voltaje que debe ser inyectado en serie por el SeC a la línea de transmisión con el fin de controlar la potencia activa al valor de referencia. El ciclo de trabajo necesario para controlar la potencia activa y necesarios para la conmutación de los interruptores se muestra en la Figura 3. Este ciclo de trabajo es acerca del 24% del periodo total de conmutación P 3 P 23 P p Q 3 Q 23 Q p23 P flow s MW Q flow s M (a) Flujos de potencia ctiva (b) Flujos de potencia Reactiva Figura. Flujos de Potencia en líneas de transmisión con SeC 7

8 W gs W gs2 9 8 P load Q load elocity in pu. S load in MW (a) Potencia en carga (b) elocidad de generadores Figura. Potencia en Carga y velocidad de generadores con SeC. 2 5 serie serie serie in kolts Time Figura 2. oltaje inyectado en serie con la línea de transmisión D s Ds [] Figura 3. Ciclo de trabajo 6. Conclusiones El modelo detallado del SeC fue simulado en un sistema de potencia multimáquinas con el uso de paquete EMTDC/PSCD. Las respuestas de las simulaciones muestran un comportamiento muy satisfactorio. Estos resultados claramente indican la efectividad de este dispositivo, diferentes señales fueron presentadas para su análisis donde claramente se muestra la capacidad de este dispositivo. Con ellos se puede asegurar la transmisión de la energía eléctrica 8

9 aumentando la eficiencia de las líneas de transmisión llevándolas a sus límites de operación sin poner en riesgo la seguridad del sistema eléctrico; además de colaborar con el cuidado y preservación del medio ambiente. Por otra parte se visualiza claramente las ventajas que trae consigo la utilización de los nuevos dispositivos de electrónica de potencia como los IGBT s. Referencias. rriaga, J. a. (). Computer modelling of electrical power system. England: John Wiley & Sons. 2. Expósito, G. (2). nálisis y operación de sistemas de energía eléctrica. España: McGraw Hill. 3. Gonzalez, J. M. (7). C/C series converter in transient stability. Proceedings on north american power system, New Mexico, Gonzalez, J. M. (2). Modeling and comparative study of seriec vectorial compensators. IEEE Transaction on power delivery,. 5. Grainger, J. J. (994). Power system analysis. Singapore: Mc Graw-Hill. 6. Gonzalez, J. M. (6). Dispositivos FCTS basados en fuentes convertidoras de ac-ac. 7. Hingorani, N. G. (). Understanding FCTS: Concepts and technoloty of Flexible C Transmission. New York: Institute of Electrical and Electronic Engineers. 8. Kundur, P. (4). Power systems stability and control. New York: McGraw-Hill. 9. Lopes, L.. (). Pulse width modulated capacitor for series compensation. IEEE Transaction on power electronics, 8.. Mancilla, F. D. (8). comparative evaluation of series power flow controllers using DC and C link converters. IEEE Transaction on power delivery, 2.. Ramirez, J. M. (7). Steady state and transient stability studies with an C/C PWM series compensator. IEEE PES summer meeting, Florida. 2. Ramirez, J. M. (7). Steady state formulation of FCTS devices based on C-C converters. IEE proceedings on electric power applications, 3. 9