ESTUDIO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN COMPENSADOR ESTÁTICO PARA SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE...

ESTUDIO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN COMPENSADOR ESTÁTICO PARA SISTEMAS

DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: D-STATCOM

Autores

Msc. Jorge Wilson González

I.E. Gabriel Jaime López

I.E. Juliana Ríos Betancur

I.E. Andrés Emiro Diez

Esp. Hugo Alberto Cardona

Esp. Idi Amín Isaac

Facultad de Ingeniería Eléctrica

IX Jornadas de Investigación

Octubre 6 de 2004

Unidad académica: Escuela de EducaciónFacultad: Ingeniería EléctricaProfesor: Esp. Hugo Alberto Cardona / Msc. Jorge Wilson González/ Esp. Idi Amín IsaacE – mail: [email protected] /[email protected]/ [email protected]

CONTENIDOCONTENIDO

Introducción.

Impacto de las variaciones de voltaje en los sistemas de distribución.

Descripción y análisis del compensador estático para distribución D-STATCOM.

Simulación y resultados de un DSTATCOM.

Conclusiones.

Crecientes exigencias de la industria debido al incremento de equipos electrónicos.

Avances en nuevas tecnologías basadas en semiconductores de potencia.

Desarrollo de controladores Custom Power diseñados para mejorar el comportamiento de los sistemas eléctricos de distribución.

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

De acuerdo a EPRI (Electric Power Research Institute -USA) los dispositivos Custom Power han demostrado tener un buen desempeño en las redes de distribución donde han sido instalados.

INTRODUCCIÓN (Cont)INTRODUCCIÓN (Cont)

En el ámbito mundial, empresas de energía principalmente en Francia, USA y Japón están ofreciendo niveles de energía de más alta calidad y confiabilidad, utilizando dispositivos Custom Power.

Japon

Japon

USA

USA

Pais

USA

Canada

Japon

American Electric Power

Empresa para el procesamiento de

Flicker de voltaje del 8 a 12%.

+- 2MVA12,47KV

Problema presentado

Especificaciones del dispositivo instalado

Empresa de Energía

Tipo de usuario

+- 2MVA25kV

34 MVA77 kV

20 MVA

BC Hydro

Central Japan Railway Co.Chubu Electric Corporation

Empresa procesadora de madera

Empresa ferroviaria

Empresa Manufacturera de

Regulación de voltaje y flicker de voltajeFluctuaciones de voltaje y desbalance Compensación de flicker de voltaje

5 MVA4,16kV

22kVCompensación de flicker de voltaje

3,5 MVA33kV

+- 2MVA12,47kV

Empresa de productos para la construcción

Oglethorpe Power

Flicker y factor de potencia

Empresa de reciclaje de productos de acero

Regulación de voltaje y flicker de voltaje

Seattle Iron & Metals

Mitsubishi Steel

Empresa Manufacturera de

INTRODUCCIÓN (Cont)INTRODUCCIÓN (Cont)

IMPACTO DE LAS IMPACTO DE LAS VARIACIONES DE VARIACIONES DE

VOLTAJE EN LOS S.D VOLTAJE EN LOS S.D

Los problemas con la calidad de la potencia eléctrica originan generalmente costosas pérdidas en los procesos de producción de empresas e industrias.

Las caídas de voltaje (SAGS) tienen generalmente los mismos efectos sobre algunos equipos sensibles que una interrupción momentánea.

La causa mas común de los sags de voltaje son las descargas atmosféricas. También pueden ser debidas a fallas en los circuitos o a la presencia de cargas fluctuantes o no lineales.

Una forma de mitigar las variaciones de voltaje es mediante el uso de tecnologías Custom Power y lograr así el nivel de calidad de la potencia deseado del lado de la carga.

IMPACTO DE LAS IMPACTO DE LAS VARIACIONES DE VARIACIONES DE

VOLTAJE EN LOS S.D VOLTAJE EN LOS S.D

El D-STATCOM es un controlador perteneciente a la tecnología Custom Power, basado en electrónica de potencia (GTO, IGBT), que actúa como una fuente de energía reactiva que proporciona un control de voltaje flexible en el punto de conexión de la carga, mejorando la CPE en los sistemas de distribución.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOMDEL D-STATCOM

Las principales funciones del D-STATCOM son:

Mitigar el efecto de los Sags y Swells de voltaje sobre cargas sensibles.

Regulación de voltaje. Compensación de corrientes armónicas. Control de Potencia Reactiva. Mitigación de Flicker de voltaje. Energía ininterrumpida si es usada con un

dispositivo almacenador de energía.


El dispositivo consiste en un inversor 3 de estado sólido conectado en derivación respecto a la línea de distribución mediante un transformador de acople y con un capacitor que actúa como fuente de energía para la operación del inversor.


Operación del D-STATCOM

El intercambio de potencia reactiva se realiza variando el la amplitud y fase del voltaje en el inversor con respecto al voltaje terminal de la línea permitiendo el control flexible del voltaje terminal de la línea y corregir el factor de potencia en tiempo real.


Si Vi =Vs No hay flujo de potencia reactiva hacia el sistema.

Si Vi >Vs Hay suministro potencia reactiva hacia el sistema. (Modo capacitivo).

Si Vi <Vs Hay absorción de potencia reactiva del sistema. (Modo inductivo).


El D-STATCOM opera dentro de un límite inferior de voltaje (V1) y un límite superior de voltaje (V2).

Si el voltaje del sistema excede estos límites, el D-STATCOM actúa como una fuente constante de corriente.

Característica VI del D-STATCOM


Adicionalmente el D-STATCOM también puede ser equipado con un dispositivo almacenador de energía (batería, capacitor, SMES, flywheel, etc) para suministrar potencia activa sin interrupción durante salidas temporales del servicio.


El D-STATCOM trata cada fase independientemente y está preparado para compensar disturbios en cualquier combinación de fases. Un Sag sobre una fase puede resultar en un Swell sobre otra fase y el D-STATCOM debe ser capaz de restaurar Sags y Swells simultáneamente.


El D-STATCOM emplea un esquema de modulación de ancho pulso (PWM) para generar corrientes de frecuencia mayores a la fundamental. Las señales senoidales son usadas como referencia para construir la señal senoidal de potencia y la diente de sierra para establecer en que instantes se deben encender en y apagar los dispositivos.


La siguiente figura muestra un D-STATCOM conectado al circuito equivalente de un sistema industrial, el cual fue modelado mediante PSCAD/EMTDC para observar el comportamiento de la red ante diferentes tipos de perturbaciones.

SIMULACIÓN Y SIMULACIÓN Y RESULTADOSRESULTADOS

DEL D-STATCOM DEL D-STATCOM

A

B

C

A

B

C

A B C

300 [MVA]

110.0 11 [kV] 34.5

#1 #3

GCn1

GCp4

GBn3

GBp6

GAn5

GAp2

3 PhaseRMS

Vrms

531

264

0.05

A

B

C

0.01

CBA

Sw

itch

C

10

0.0

Vrms

A

B

Compar-ator

A

B

Compar-ator

CtrlA

CtrlB

GAp2

GAn5

GBp6

GBn3

C

B

A

SwitchA

Triangular

A

B

Compar-atorCtrlC

GCn1

GCp4

TimedBreakerLogic

Open@t0SwitchC

Phase

FreqMag

Sin1.0

60.0

CtrlA

Alfa

Phase

FreqMag

Sin

D+

F +

Alfa

1.0

60.0

-120.0

CtrlB

Phase

FreqMag

Sin

D+

F +

Alfa

1.0

60.0

120.0

CtrlC

TimedBreakerLogic

Open@t0SwitchB

D +

F

-

I

P

TconstPgain

AngleOrderTIME *

Vre

f

Ve

rr

VRMS_filter

Vrms

Alfa

A

B

C

CBA

Sw

itch

D

30

0.0

TimedBreakerLogic

Open@t0SwitchD

TimedBreakerLogic

Open@t0SwitchA

0.01

0.01

C

B

A

SwitchB

Cerro 110kV

FAULTSC

B

A

ABC->G

TimedFaultLogic

0.0

23

0.4

0.4

0.0

23

0.0

23

0.4

A

B

C

A

B

C 13.8

#2 #1

110.0

300 [MVA]

C

B

A

BRK

BRK

TimedBreaker

LogicOpen@t0

MOTOR DE INDUCCION

13.8 kV, 500 HP

0.0 TIN

0.0WIN

StoT

Iarranque

Iarranque

0

Graficas

A B C

A B C1

20

.0

#2

#1

34

.5

1 [M

VA

]

ABC 3 PhaseRMS Vrmsresidencial

Vrmsresidencial

Motor A

C

1

0

B

W

S

T

10

0.0

10

0.0

74.48 0.0358

Carga Mina

0.0358

0.0358

65.56 0.0769

Carga Monte-Cerro

*57.29578G

1 + sT11 + sT2

74.48

0.0769

0.076965.56

65.56

74.48

D-STATCOM

Controls

2.5

0

Pgain

1.99153

0.05

0

Tconst

0.0305085

Banco de condensadores

Motor de induccion

Falla trifasica a tierra

Banco de condensadores

Falla trifasica a tierra

Motor de induccion

Todas las perturbaciones

Usuarios sensibles

Señales Senoidales

SIMULACIÓN Y SIMULACIÓN Y RESULTADOSRESULTADOS

DEL D-STATCOM DEL D-STATCOM

Los dispositivos Custom Power proporcionan en muchos casos un mejor desempeño que otros métodos convencionales para mitigar los problemas que se presentan en los usuarios de las redes.

La escogencia de la solución más apropiada depende de varias características como lo son los requerimientos del sistema, de la carga y de los costos de inversión.

El D-STATCOM ha demostrado tener un excelente desempeño. Es una tecnología atractiva para su futura aplicación en los sistemas de distribución colombianos.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Normalmente son elevados los valores de inversión de equipos Custom Power como el presentado en este trabajo. Se seguirá investigando en futuros trabajos del Grupo TyD de la UPB la forma de reducir estos costos aumentando sus posibilidades de aplicación en los S.D colombianos.

Se espera que con este trabajo las empresas de distribución de energía eléctrica colombianas se motiven a continuar abordando investigaciones con universidades y centros de investigación en el campo de tecnologías Custom Power, ya que el futuro y actual esquema de operación y mercado de los sistemas eléctricos de distribución requieren altos niveles de flexibilidad y automatismo.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

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