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Revista CIER Nº 52 - 2009
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Congreso Internacional de Distribución Eléctrica - CIDEL 2006
27 al 29 de noviembre de 2006
Buenos Aires, Argentina INDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. CALIDAD DE ENERGÍA
3. ENERGÍA PERSONALIZADA �CUSTOM POWER�
4. EQUIPOS DE ENERGÍA PERSO- NALIZADA
5. DVR (DYNAMIC VOLTAGE RES- TORER) O RESTAURADOR DI- NÁMICO DE VOLTAJE
6. D-STATCOM (DISTRIBUTION STATIC COMPENSATOR) O COMPENSADOR ESTÁTICO PARA DISTRIBUCIÓN
7. PROCEDIMIENTO EXPERIMEN- TAL
8. DIMENSIONAMIENTO
9. COSTOS
10. CONCLUSIONES
11. REFERENCIAS
Desarrollo de modelos simplificados para dimensionar técnico-
económicamente compensadores dinámicos en sistemas de potencia
industrial
Resumen: En los últimos años el uso en las industrias de nume-rosos equipos sensibles a variaciones rápidas en la magnitud de voltaje y corriente, han hecho que las exigencias en la calidad de energía sean mayores.Dado que estas perturbaciones son casi inevitables, ya que son causadas por el efecto transitorio de fallas a nivel de transmisión y istribución surge el concepto de energía personalizada (en ingles Custom Power), que sugiere la entrega de una calidad de energía, con pocas interrupciones del suministro eléctrico, perturbaciones de voltaje y corriente dentro de límites especí! cos y pocos armó-nicos.
En función a todas las razones antes mencionadas el presen-te trabajo tiene como objetivo investigar acerca de los métodos y equipos de compensación dinámica existentes en el mercado, uti-lizados para suavizar las variaciones rápidas de voltaje y corriente. Para luego crear un modelo en Simulink de cada uno de estos equi-pos que permita hacer una simulación dentro de un sistema eléc-trico industrial, para analizar su comportamiento, desempeño ante diferentes perturbaciones, realizar el dimensionamiento del equipo y de! nir la ubicación de estos equipos en el sistema.
Manuel A. Salcedo, José Vivas / Universidad Simon Bolívar
VENEZUELA
José Ysmael Da Silva/INELECTRA S.A.C.A
[email protected]@inelectra.com
Los equipos a estudiar son el DVR (Dynamic Voltage Restorer) y el D-STATCOM (Distribution Static Compensator), siendo estos dos alternativas de conexión de equipos basados en el uso de inversores para suavizar el efecto de las perturbaciones. El DVR, se conecta en serie con la carga y esta diseñado para solventar problemas de variaciones de voltaje. El DSTATCOM, se conecta en paralelo con la carga y esta diseñado para solventar problemas de variaciones de corriente en la línea.
El resultado del trabajo permite determinar las ventajas técnico-económicas de la utilización de estos equipos en las redes de distribución industrial, así como las condiciones, como el tipo de industria, la deman-da y el nivel de cortocircuito que pueden afectar esta decisión.
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1. Introducción
En la actualidad, la existencia de innumerables cargas sensibles a las variaciones rápidas en la tensión, hacen necesario la instalación de equipos que permitan mejorar la calidad de la energía en-tregada por la fuente. Surge entonces el concepto de emplear controladores basados en electrónica de potencia en la red de distribución, para sumi-nistrar un nivel especí! co de calidad de energía, el cual es llamado �Custom Power�. [1-5]
Existe una gran variedad de dispositivos, por tal motivo, el presente trabajo se limita a estudiar y modelar el DVR (Dynamic Voltage Restorer) y el DSTATCOM (Distribution Static Compensator), por ser las soluciones que utilizan inversores de potencia, almacenan la energía en un capacitor DC y ofrecen una rápida velocidad de respuesta (½ ciclo).
La característica principal del DVR es regular el voltaje en la carga ante perturbaciones provoca-das en la fuente de energía y la del D-STATCOM es proteger el sistema eléctrico de las perturbacio-nes provocadas por las cargas.
La creación de un modelo computacional de los equipos permitirá dimensionar y realizar pruebas dentro de los sistemas eléctricos industriales, para evaluar su desempeño y las mejoras que estos equipos generen.
2. Calidad de energía
En los últimos años, la sensibilidad de las car-gas industriales ha hecho que tome importancia, las variaciones existentes en el voltaje y su dura-ción, sobre la pérdida total de la producción.
Esto ha llevado a un creciente interés en las técnicas para evitar o mitigar tales variaciones y a la comparación de los costos de éstas, con las perdidas económicas causadas por las paradas no programadas. [6,7]
Una buena calidad de energía consiste en man-tener un voltaje en la barra de distribución casi si-nusoidal, con valores constantes en su magnitud y frecuencia.
Adicionalmente la energía suministrada al con-sumidor debe ofrecer una alta con! abilidad.
3. Energía personalizada �Custom
Power�
Para atacar o solventar las perturbaciones men-cionadas en la Sección 2, surge la necesidad de mejorar la calidad del suministro, lo que llevó a la creación del concepto de energía personalizada, que signi! ca entregar al usuario una calidad es-pecí! ca, lo que implica cumplir con las siguientes características:
pocas interrupciones, �
tamaño y duración de las variaciones de ten-� sión dentro de límites especí! cos,
bajo nivel de armónicos en la tensión y corrien-� te,
bajos desbalances en las fases y mínimas " uc-� tuaciones,
asegurar que las cargas no lineales y con fac-� tores de potencia bajos no tengan un efecto signi! cativo en los voltajes ! nales, en la barra y en las corrientes que circulan por las líneas.
Una buena utilización del concepto de Energía Personalizada bene! ciará al consumidor indus-trial, comercial y doméstico que tenga en su siste-ma cargas sensibles. [6] [10] [11]
4. Equipos de energía personaliza-
da
Estos equipos son usados como ! ltros activos, para balanceos de carga, corrección del factor de potencia y regulación de voltaje. Los ! ltros acti-vos eliminan las corrientes armónicas y pueden ser conectados en serie o en paralelo. Otros de estos equipos son utilizados para compensar car-gas ante perturbaciones de voltaje o desbalances. Entre estos equipos tenemos:
1) Compensador Estático de distribución (Dis-
tribution Static Compensator, D-STATCOM):
Este equipo se conecta en derivación, y está for-mado por un inversor de voltaje que se alimen-ta de un capacitor DC. La salida del inversor de voltaje se conecta al sistema AC a través de un transformador de acoplamiento, y de esta manera el equipo es capaz de inyectar o absorber poten-cia reactiva de la red para lograr balancear los vol-tajes de la carga, corregir el factor de potencia y/ o ! ltrar armónicos.
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2) Restaurador Dinámico de Voltaje: (Dynamic
Voltage Restorer, DVR): Este equipo se conecta en serie, y basa su funcio-namiento en la inyección de un voltaje en cuadra-tura con la corriente de la línea, generado por un inversor de voltaje alimentado de un capacitor DC que permite mantener la barra de carga con un voltaje completamente sinusoidal libre de pertur-baciones y/ o armónicos.
3) Acondicionador Uni! cado de Calidad de
Energía: (Uni! ed Power Quality Conditioner, UPQC): Este dispositivo es la combinación del DSTATCOM y el DVR, permitiendo la inyección de corriente en pa-ralelo y de voltaje en serie.
4) Compensador Estático de Reactivos (Static
Var ompensator, SVC):
Este dispositivo está formado por dos bloques principales conectados en derivación; Capacitores Interrumpidos por Tiristores (Thyristor Switched Capacitor, TSC) y Reactores controlados por Tiris-tores (Thyristor Controlled Reactor, TCR).
Existen variaciones de este dispositivo como lo es el Compensador Adaptable de Reactivos (Adaptive Var Compensator, AVC) el cual única-mente dispone de un conjunto discreto de TSC.El conjunto de todos estos dispositivos permite la creación del llamado Custom Power Park. [6] [10] [11]
5. DVR (dynamic voltage restorer) o
restaurador dinámico de voltaje
5.1. Funcionamiento
El tipo de conexión utilizado por el DVR es en serie con la carga, de esta manera el dispositivo es capaz de inyectar un voltaje a la carga que su-pla la perturbación proveniente de la fuente de ali-mentación.
Para llevar a cabo este objetivo el dispositivo requiere de una medición del voltaje de la fuente
(Vs ) o voltaje de entrada al DVR (V
t ) , voltaje en
la carga (Vl ) y corriente por la línea (I
s ) principal-
mente.
Con el uso de estas variables es posible es-tablecer un lazo de control que las censa cons-tantemente, generar la señal de onda que con-traponga a la perturbación y así mantener el voltaje en la carga en un valor preestablecido.
El control del dispositivo permite que el DVR no solo sea capaz de realizar una ampli! cación de la señal de voltaje durante la perturbación, sino que el voltaje inyectado se encuentra en cuadratura con la corriente de la línea logrando entregar úni-camente potencia reactiva a la red. Ver Fig. 1. [14]
5.2. Modelación Simulink
En la modelación del Restaurador Dinámi-co de Voltaje (DVR) se utilizó el toolbox de Mat-lab Simulink® llamado SimPowerSystems®, el cual basa su funcionamiento en el uso de va-riables de estado. La perturbación se simula como una falla trifásica a través de impedancia lo cual permite modelar un transitorio tipo im-pulso en la barra de alimentación. Esta a su vez puede ser modi! cada en magnitud y duración.
5.3. Esquema de Control
En la implementación del sistema de control para el DVR, se utilizó la transformación a coor-denadas dq0, las cuales convierten a señales continúas o DC, los fasores del voltaje instantá-neo obtenidos por medición directa durante el fun-cionamiento del dispositivo, y de esta manera se facilita la implementación de un lazo cerrado de control para la compensación.
En el modelo la transformación a coordenadas dq0 se realizó con la utilización de la caja �abc to dq0� de SimPowerSystem, a la cual se le coloca
como entrada el voltaje en fasores (Vlabc
) y la se-ñal que se desea tomar como referencia, en este
caso es el voltaje de la barra de carga ( Vlabc
). Así se cumple con las variables requeridas por
la transformada dq0.
A partir de las señales de voltaje en coor-denadas dq0, al voltaje de la coordenada d ! ja-
do como referencia ( Vd ref
) se le resta el volta-
je de la coordenada d (Vd ) y así se obtiene el
error de voltaje que debe aportar el compen-
Fig. 1. Esquema de secuencia positiva del DRV, representado
por la fuente de voltaje en serie Vf.
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Vs I
s R+jX V
f Carga
R+jX Carga
R+jX Carga
+ Vt + V
I
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sador Fig.2, el cual es procesado a través de un controlador PI que de acuerdo su con! gu-ración mejora el tiempo de respuesta del DVR.
Adicionalmente el voltaje de la coordenada q
(Vq)
) y el voltaje de la coordenada 0 (V0 ) se hacen
cero, para lograr la eliminación de los desbalan-ces en la barra de carga. Finalmente se convierte el voltaje del compensador de coordenadas dq0 a fasores.
Para lograr esto se toma como referencia para la transformación el voltaje en la barra de carga
(Vlabc
), lo que permite generar la forma de onda de oltaje del compensador y la fuente que sumadas hace que la carga tenga una forma de onda igual a la referencia. Fig. 3. [12]
Fig. 3. Voltaje en la barra de Carga en coordenadas dq0. Compensado
por el DVR, para una perturbación que comienza en 0,1 seg. y ! naliza
en 0,2 seg. Se observa que existe una forma de onda transitoria cuya
duración depende de la con! guración del controlador PI.
Fig. 2. Voltaje del DVR en coordenadas dq0 para una per-
turbación que comienza en 0,1 seg. y ! naliza en 0,2 seg.
5.4. Validación del modelo
La metodología utilizada para la validación del modelo se basó en el desarrollo de las ecuaciones matemáticas planteadas por Aridam Ghosh, en supaper �Compensation of Distribution System Vol-taje Using DVR� [13], las cuales consideran el fun-cionamiento del DVR para una condición de per-turbación constante. Luego se establecieron los mismos parámetros en el modelo desarrollado en este trabajo, para ! nalmente comparar los resulta-dos obtenidos a partir de las ecuaciones del artícu-lo (calculados) con los del modelo desarrollado en el trabajo y asegurar su correcto funcionamiento.
Los cálculos se realizaron sobre un sistema equivalente cuyos datos se aprecian en las si-guientes ecuaciones. A partir de las ecuaciones (1) y (2) y ! jando el ángulo de referencia de refe-rencia en el voltaje de la carga en la ecuación (3). Se puede calcular la corriente de la Fuente .
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
a2!=!0,6246!,! b
2!=!0,7808
Haciendo un recorrido de la malla tenemos:
(7)
Donde a2 + j. b
2 , representa la caída en el alimen-
tador.
!!!!!!!!!!!!a2!=!0,088!, b
2!=!0,084
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Substituyendo (6) en (7), obtenemos:
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(8)
Para diferentes valores de |Vs| manteniendo la
misma carga y la misma con! guración de la red, se obtienen los resultados mostrados en la Tabla I.
Los valores de voltaje obtenidos di! eren del valor teórico calculado debido a dos factores: La perturbación es provocada a través de una falla trifásica a tierra, cuya impedancia produce un va-lor de perturbación en el voltaje aproximado y la con! guración de la red presenta un nivel de cor-tocircuito, lo que hace que la fuente de voltaje no sea ideal como se plantea en la formulación de los cálculos.
Aun así los resultados obtenidos aseguran el correcto funcionamiento del modelo del DVR de-sarrollado en Simulink.
6. D-STATCOM (Distribution static
compensator) o compensador está-
tico para distribución
6.1. Funcionamiento
El tipo de conexión utilizado por este disposi-tivo es en derivación en la barra de carga, así se logra suplir la corriente requerida por la carga en presencia de una perturbación y mejorar el factor de potencia.
En el primer caso el D-STATCOM sirve como ! ltro o acondicionador de carga para mejorar la calidad de la energía, mientras que en el segundo ayuda generando o consumiendo potencia reacti-va en la barra de carga eliminando los problemas asociados con el bajo factor de potencia.
Tabla I. Voltajes p.u. calculado y del Modelo Simulink
Para lograr esto, el dispositivo debe medir el
voltaje en la barra de carga (V abc
) y la corriente
de carga (I l). A partir de estas variables se pue-
de establecer un lazo de control que las cense constantemente y genere la señal de la onda que contraponga a la corriente de la perturbación y así mantener el voltaje en la barra de carga en un valor preestablecido. Al igual que en el DVR, el control del D-STATCOM no solo es capaz de inyectar una corriente durante la perturbación sino que ésta se encuentra en cuadratura con el voltaje en la barra de carga, lo que permite entregar únicamente po-tencia reactiva a la red.
6.2. Modelación Simulink
El modelo esta formado por los elementos que simulan un sistema eléctrico equivalente como lo son la fuente trifásica, la impedancia del alimenta-dor y la carga. Además se encuentra conectado el D-STATCOM en derivación con la barra de carga.
Al igual que en el DVR, se simula la perturba-ción mediante un transitorio de impulso provocado por una falla trifásica a través de impedancia, pero en este caso se produce la falla en la barra de carga, ya que con esto se simulan los consumos bruscos de corriente que provocan las cargas no lineales y que a su vez afectan al sistema de dis-tribución aledaño.
El D-STATCOM, está formado por fuentes de corriente controladas, cuya forma de onda se ge-nera en la caja de control mediante un lazo de control y a partir de las mediciones del sistema eléctrico, el cual se describe en detalle en el punto siguiente.
6.3. Esquema de Control
De igual forma que en el control del DVR, se utilizó la transformación a coordenadas dq0 de las formas de voltaje y corriente medidas directamen-te del modelo equivalente del sistema eléctrico, ya que esta metodología facilita la implementación de un lazo cerrado de control por convertir las formas de ondas de fasores a señales continuas o DC.
Para lograr esto se realizan mediciones instan-
táneas de corriente en la barra de carga(Isabc
). És-tas se transforman a coordenadas dq0, tomando
como referencia la corriente de carga ( Isabc
).
Luego teniendo las señales de corriente de la
carga (Isabc
) en coordenadas dq0, se le resta a la
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p.u.) Calcula-do (p.u.)
Modelo Simulink (p.u.)
1 0,1476 0,1352
0,8 0,3627 0,3289
0,75 0,4414 0,4385
0,7 0,5637 0,5478
0,6 0,2727 0,2527
0,5 0,4018 0,3951
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Fig. 4. Corriente del D-STATCOM en coordenadas dq0, para
una perturbación que comienza en 0,1 seg. y ! naliza en 0,8
seg.
Una vez obtenida la corriente en coordenada d que debe entregar el compensador, se hacen pero la coordenada q y 0 de manera que mantengan el balance en las corrientes de carga. Fig. 5.
Para luego convertir la corriente del compensa-dor de coordenadas dq0 a fasores con el uso de la caja �dq0 to abc� de SimPowerSystem. Además de tomar como referencia para la transformación
el voltaje en la carga (Vlabc
) adelantado en ° 90 .
De esta manera se tiene la magnitud requerida y se obliga al compensador a una inyección neta-mente reactiva de potencia. Fig. 6.
Fig. 5. Corriente en la Carga ya compensada en coordenadas
dq0.
Fig. 6. Angulo de Fase y la Corriente del D- STATCOM
A partir de estas señales ! nalmente se puede obtener la forma de onda en fasores de la corrien-te que debe entregar el D-STATCOM en derivación al momento de compensar una perturbación.
6.4. Validación del modelo
Se utilizó la misma metodología aplicada para validar el DVR, en este caso haciendo el desa-rrollo de las ecuaciones planteadas por Bishnu P. Muni, S. Eswar Rao, JVR Vithal, SN Saxena, RL Das Glal y M. Aruchalam [15].
A partir de las siguientes ecuaciones del " ujo depotencia entre el compensador y la barra de carga.
(9)
(10)
Y considerando que el compensador debe aportar únicamente potencia reactiva, tenemos que _=0 , esto hace que P=0 . Por lo que obtene-
mos para diferentes valores de Vabc
de la pertur-bación, manteniendo la misma carga y la misma con! guración de la red los resultados presentados en la Tabla II:
El " ujo de potencia reactiva calculado di! ere del valor obtenido en el modelo Simulink, debido principalmente a que se está asumiendo que el " ujo de potencia activa desde el compensador a la carga en los cálculos es cero, lo cual en la realidad no es cierto.
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referencia ! jada la corriente de la coordenada d; de esta manera se obtiene la magnitud de corrien-te en coordenada d que debe ser inyectada por el compensador para mantener el voltaje preestable-cido en la barra de carga. Fig. 4.
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7. Procedimiento experimental
Se evaluaron distintos casos para cada uno de los modelos que permitieran analizar el comporta-miento del equipo a través del modelo. La red eléctri-ca utilizada fue de 480V y una carga de 40 kVA con un factor de potencia de 0,78.
El estudio se centró en el cálculo de la potencia instantánea y potencia promedio de los modelos del DVR y D-STATCOM ante una perturbación, lo cualpermitió el análisis del comportamiento de los mode-los en las siguientes condiciones de operación:
1) Variación de la magnitud de la perturbación.
2) Variación de la duración de la perturbación.
3) Variación del nivel de cortocircuito.
4) Variación de los parámetros del controlador PI.
8. Dimensionamiento
En el caso del DVR, se pudo observar que los parámetros importantes son la potencia aparente entregada en el estado estacionario y el tiempo de duración de la perturbación. Para ninguno de los casos las potencias en los estados transitorio fuesigni! cativa, lo cual indica su poca importancia en el dimensionamiento del DVR. Además se pudo observar que con la variación de los parámetros del controlador PI se puede lograr un buen ajuste para disminuir el tiempo de respuesta del equipo.
En el caso del D-STATCOM, al igual que en elDVR se pudo observar que los parámetros impor-tantes para el dimensionamiento fueron la poten-cia reactiva entregada y el tiempo de duración dela perturbación. Mientras que la potencia en los estados transitorio igualmente presenta una leveimportancia.
En base a estos análisis, se de! ne a continua-ción una metodología sencilla que permite hacer un dimensionamiento de estos equipos:
1. Caracterizar la perturbación: Se debe estudiarcual es el origen de la perturbación y de! nir sumagnitud y duración. Esto con el ! n de escoger elDVR en el caso de que la perturbación provenga de una falla en la alimentación o el D-STATCOM en el caso de que la perturbación provenga de la carga.
2. De! nir la red eléctrica: Se deben obtener losparámetros que caracterizan a la red eléctrica en estudio y establecerlos en el modelo Simulink delequipo previamente seleccionado.
3. Simulación: Una vez con! gurado el modelo, serealiza la simulación para el tiempo requerido de la perturbación.
4. Dimensionamiento: A partir de los resultados de potencia en régimen estacionario arrojados por elmodelo, se puede tener una dimensión aproxima-da del equipo requerido para solventar la perturba-ción en estudio. Y dependiendo de la duración de la perturbación se obtiene también la energía que debe tener almacenado el equipo.
Debido a que estos equipos son personaliza-dos y al momento de requerirlos los fabricantes se encargan de realizar el estudio de la perturbación y dimensionar los equipos de acuerdo a las carac-terísticas de su producto. Los modelos desarrolla-dos en este trabajo permiten hacer un estimado de la capacidad del equipo requerido, para su especi-! cación y estimado de costo.
9. Costos
A partir de datos facilitados por empresas fabri-cantes de estos equipos se puede realizar una es-timación de costos de los equipos de compensa-ción dinámica de reactivos. Aún así, estos precios son aproximados, ya que la fabricación de dichos equipos se hace en base a los datos especí! cos que presente cada cliente y caso.
Para el DVR, el costo se encuentra entre 250-300 USD/kVAr. Esto para un equipo que típica-mente puede mantener una perturbación máxima de 12 ciclos.
El D-STATCOM tiene un costo de 150 USD/kVAk. En este caso los valores de perturbación máxima que puede mantener este equipo se en-cuentra en 10 ciclos.
Aún así los valores obtenidos aseguran el buen funcionamiento y validación del modelo Simulink desarrollado en este trabajo.
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(p.u.) calculado (p.u)
ModeloSimulink (p.u.)
0,70 0,8490 0,8561
0,75 1,0253 0,9521
0,80 0,5524 0,5333
0,85 0,2851 0,2709
Tabla II. Flujo De Potencia reactiva calculado y del Mo-
delo Simulink
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Es importante acotar que la fabricación de es-tos equipos se realiza bajo pedido y su precio pue-de variar al aumentar la capacidad de almacena-miento de energía que se realiza mediante el uso
de módulos de capacitores.
10. Conclusiones
Para la aplicación de soluciones Custom Power como el DVR y D-STATCOM es importante cono-cer las características, el origen de la perturbación y las cargas críticas del sistema. Esto permitirá ladisminución de los costos de inversión en este tipo de soluciones.
El dimensionamiento correcto de estos dispo-sitivos permite realizar una comparación de sus costos con los bene! cios que generará su instala-ción en la red, con lo cual es posible decidir sobre la conveniencia o no de instalarlos.
Finalmente se puede decir que en la actualidad la utilización de este tipo de soluciones es costo-sa, lo cual reduce su aplicación a sistemas que presentan un alto costo de falla, por el valor del producto que manejan. Sin embargo, con el rápi-do desarrollo que está presentando la electrónica de potencia y la creciente demanda de este tipo de equipos, impulsada por la existencia de cargas cada vez más sensibles, se estima que los costos bajarán y su aplicación será generalizada en los próximos años.
11. Referencias
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vol. 13, No. 3, pp. 419-426,1998.
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