FACTS II

1. Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Santiago de Chile FACTS II Prof: Sebastián Muñoz Urbina

2. STATCOM Es un dispositivo de la familia de los FACTS, utilizado para: Regular voltaje Controlar potencia reactiva Controlar flujo de potencia activa Este compensador estático fue desarrollado como un compensador de reactivos avanzado, donde un Convertidor de Fuente de Voltaje (VSC) es usado en lugar de reactores controlados y condensadores conmutados. Además, estos VSC’s requieren ser configurados con dispositivos con capacidad de apagado como GTO, IGBT, IGCT, MCT, etc., con la desventaja de que los cuales involucran mayores costos y pérdidas que los tiristores convencionales, utilizados en los compensadores tipo impedancia variable, como los SVC.

3. STATCOM • Respuesta más rápida que en el SVC. • Requiere menor espacio, ya que los componentes de mayor tamaño en el SVC, como los reactores, son prácticamente eliminados. • Es un dispositivo mucho más compacto que el SVC y es posible su reubicación. • Puede ser equipado con una fuente de potencia activa como una batería o un SMES (Superconductores Magnéticos de Almacenamiento de Energía). • El STATCOM tiene un mejor comportamiento durante condiciones de bajo voltaje, ya que puede mantener una corriente reactiva constante. En el SVC la corriente reactiva cae linealmente con el voltaje al alcanzar el límite de su susceptancia capacitiva. • Es posible aumentar la corriente reactiva del STATCOM bajo condiciones transitorias, si el dispositivo es diseñado para sobrecargas transitorias. En el SVC la corriente reactiva máxima está limitada por la capacidad de sus componentes pasivos: reactores y condensadores. Ventajas técnicas de los STATCOM sobre los SVC:

4. STATCOM Principios de operación Un STATCOM es comparable, funcionalmente, a un Condensador Sincrónico (o Compensador), el cual puede entregar potencia reactiva variable y regular el voltaje en la barra en que se encuentra conectado. El diagrama eléctrico de un Condensador Sincrónico (SC, del inglés “Synchronous Condenser”) se muestra en la figura, el cual muestra una fuente de voltaje AC, cuya magnitud (E) es controlada ajustando la corriente de campo.

5. STATCOM Principios de operación La ecuación que gobierna el flujo de potencia entre las barras con los voltajes y E es: Donde: S: flujo de potencia aparente P: flujo de potencia activa Q: flujo de potencia reactiva V: voltaje AC del sistema fase a tierra (rms) E: voltaje AC por fase (rms) fundamental del SC XL: reactancia de fuga α: el ángulo de desfase en entre V y E

6. STATCOM Principios de operación La ecuación que gobierna el flujo de potencia entre las barras con los voltajes y E es: Despreciando las pérdidas, la diferencia de ángulo de fase δ entre el voltaje generado E y el voltaje de la barra V puede ser asumido como cero. Al variar la magnitud de E, la corriente reactiva entregada por el SC puede ser variada. Cuando E = V, la corriente reactiva entregada es cero. Cuando E > V, el SC actúa como un condensador, mientras que cuando E < V, el SC actúa como un inductor. Cuando δ=0, la corriente entregada Ir y su correspondiente potencia reactiva Q están dadas por:

7. STATCOM Principios de operación En el caso del STATCOM, su salida de voltaje AC (Vc) es gobernada por el voltaje DC del condensador (Vdc) y puede ser controlado variando la diferencia de fase (α) entre Vc y Vs, también es posible controlar el voltaje de salida del STATCOM mediante el índice de modulación m, en el caso de control PWM. En la siguiente figura se muestran las características de operación del STATCOM: voltaje-corriente y voltaje-potencia reactiva, nótese que a diferencia del SVC, donde la inyección de corriente cae linealmente con el voltaje del sistema, el STATCOM puede mantener su corriente máxima a muy bajas tensiones.

8. STATCOM Topologías del STATCOM Las topologías de los STATCOM varía según el tipo de VSC que utilicen, las que se verán a continuación: VSC seis pulsos y dos niveles El VSC de seis pulsos, dos niveles es la configuración básica con que se puede diseñar un STATCOM, esta consiste en tres piernas (fases) con dos válvulas por pierna y un condensador electrostático en el lado DC como se muestra la figura:

9. STATCOM Topologías del STATCOM VSC seis pulsos y dos niveles Cada válvula consiste en un interruptor autoconmutado con un diodo antiparalelo. Al utilizar conmutación a frecuencia fundamental, ocho estados de conmutación son posibles con respecto a la polaridad de la fuente de voltaje DC (Vdc), para generar un set de ondas trifásicas en sus terminales AC, desplazadas sucesivamente en 120°

10. STATCOM Topologías del STATCOM VSC seis pulsos y dos niveles La expresión para el voltaje (rms) a frecuencia fundamental es: La expresión para el voltaje (rms) armónico es: La corriente reactiva fundamental del convertidor es: La corriente reactiva armónica del convertidor es: Los voltajes fase-neutro (0,±Vdc/3,±2Vdc/3) y el voltaje línea-línea (0,±Vdc ) del convertidor, mostrado en la figura contienen armónicos de corriente inaceptables, causando severas interferencias armónicas en el sistema

11. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso Para reducir el THD (distorsión armónica total) provocado por un convertidor de seis pulsos, conmutando a frecuencia fundamental, se utiliza la topología multipulso. El principio básico de operación consiste en combinar las entradas y salidas de convertidores básicos de seis pulsos, los cuales son operados con un desfase apropiado en una estructura Pn = 6n de pulsos ( Pn es el número de pulsos, n es el número de convertidores de seis pulsos), necesaria para cancelar todos los armónicos, excepto aquellos que son múltiplos de (Pnk±1), en el lado AC y los (Pnk) en el lado DC. Para lograr lo anterior, es necesario operar los convertidores con desfases sucesivos de 360°/6n entre cada uno de los n convertidores. Además, cada una de las ondas de voltaje AC generadas está desfasada por un transformador, con una configuración apropiada de su enrollado secundario.

12. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso Para ejemplificar lo anterior, se utilizará la siguiente figura donde se tienen dos puentes de seis pulsos, interconectados mediante transformadores Y-Y y D-Y, respectivamente. Los convertidores operan con un desfase de 30° entre ellos, obteniéndose los voltajes fase-fase mostrados en la figura A, estos voltajes se suman en los primarios de los transformadores, obteniéndose el voltaje de doce pulsos, mostrado en la figura B.

13. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso A B

14. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso El principio anterior se puede extender, para obtener fuentes convertidoras de mayor número de pulsos, por ejemplo, para obtener un convertidor de 48 pulsos se necesitan ocho convertidores de seis pulsos, con señales de disparo desfasadas en 7.5° entre ellas, tal como se muestra en la figura :

15. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso Para aplicaciones de alta potencia, el VSC de 48 pulsos representa una buena opción, ya que exhibe un contenido armónico casi nulo. Para VSC’s con número de pulsos superior a 24, la interfase magnética está constituida por dos etapas: la primera consiste en los transformadores de interfase, utilizados para sumar los voltajes de cada convertidor y la segunda es el transformador principal de acoplamiento, utilizado para conectar el VSC al sistema AC. • En base a lo anterior , un convertidor multipulso tiene las siguientes ventajas sobre uno de seis pulsos: • Incrementa la capacidad de potencia reactiva del inversor. • Mejora su comportamiento armónico. • Disminuye los armónicos de corriente en el lado DC. • Reduce significativamente los requerimientos de filtrado de armónicos.

16. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multipulso • Por el contrario, una configuración multipulso, a expensas de reducir su contenido armónico, tiene las siguientes desventajas: • Incremento del número de dispositivos electrónicos, magnéticos y componentes asociados, lo que provoca que aumente su costo. • La estructura magnética se vuelve más compleja, a medida que aumenta el número de pulsos. • A pesar que las pérdidas por conmutación de los dispositivos son bajas, ya que operan a frecuencia fundamental (una vez por ciclo), éstas conforman sólo un tercio de las pérdidas totales, el resto se debe al circuito magnético.

17. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multinivel En el convertidor VSC de dos niveles, seis pulsos, una de sus desventajas es que no puede generar un voltaje de salida cero, esto podría facilitar el control directo de la amplitud del voltaje fundamental de la onda generada, lo que se puede lograr utilizando la técnica de modulación por ancho del pulso (PWM). Debido a lo anterior se creó la topología multinivel, en ésta es posible generar un voltaje en forma escalonada, a partir de varios niveles de voltaje DC, usando normalmente condensadores. En la figura anterior se muestra el polo de una fase de un inversor con dos niveles, tres niveles y m niveles

18. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multinivel La topología de N niveles, se obtiene dividiendo los condensadores DC en N-1 secciones, generando un voltaje de fase de N niveles y un voltaje de línea de 2N-1 niveles. Cuando el número de niveles es suficientemente alto, el contenido armónico en el voltaje AC se reduce lo suficiente como para evitar la necesidad de filtros. • Las principales ventajas de esta configuración son: • Bajo contenido armónico del voltaje, comparado con el convertidor de dos niveles (onda cuadrada). • Disminución del estrés de voltaje provocado a los dispositivos de estado sólido, ya que solamente deben soportar una fracción del voltaje DC. • Alta capacidad de voltaje y potencia. • En el STATCOM, las principales configuraciones multinivel son: • Convertidor VSC multinivel con diodo de anclaje. • Convertidor VSC multinivel condensador compartido. • Convertidor VSC multicelda.

19. STATCOM Topologías del STATCOM Configuración Multinivel La implementación de cada variante del convertidor requiere el mismo número de interruptores para el mismo número de niveles, pero existe una gran diferencia en términos de los elementos pasivos, estrategias operacionales y de control. Todas las topologías multinivel, mencionadas anteriormente, son complejas y por lo tanto sus aplicaciones son limitadas. A continuación se describe cada una de las configuraciones mencionadas anteriormente. Convertidor VSC multinivel con diodo de anclaje El inversor multinivel con diodo de anclaje exhibe una topología como la que se aprecia en la figura de la siguiente lámina, en este caso una de tres niveles, en la cual los dos condensadores se comportan como fuentes de voltaje DC con valores de tensión Vdc/2 y –Vdc/2 . Como podemos apreciar en esta configuración, existe el doble de válvulas que en el convertidor de dos niveles. Además se requieren diodos adicionales para conectar el punto medio (neutro) de la fuente DC.

20. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor VSC multinivel con diodo de anclaje Para lograr el nivel de tensión Vdc/2 se deben disparar los interruptores S1 y S2 ; para obtener el nivel de tensión cero se deben disparar los interruptores S2 y S1’ y para obtener el nivel de salida –Vdc/2 se deben disparar los interruptores S1’ y S2’. Los diodos de anclaje proveen libre paso a la corriente durante el nivel cero, cuando los interruptores S2 y S1’ están disparados.

21. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor VSC multinivel con diodo de anclaje La duración de los voltajes Vdc/2y –Vdc/2 con respecto al nivel cero, depende del parámetro α, el cual define el intervalo de conducción de cada nivel, esto permite controlar directamente el voltaje fundamental producido en función del parámetro α. Cuando α es cero el voltaje producido es máximo, cuando es 90° su voltaje es cero. Una ventaja adicional, es que con una correcta elección de α, es posible eliminar armónicos de voltaje seleccionados, por ejemplo, si α=30°, los periodos de conducción para los intervalos de voltaje Vdc/2 y –Vdc/2 son de 120° cada uno, la onda generada en este caso está libre de armónicos impares múltiplos de tres (3ro, 9no, 12vo, etc.)

22. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor con capacitor compartido La figura muestra el circuito de una fase de un inversor con capacitor compartido. Este inversor provee una tensión de tres niveles entre a y n, los cuales son Vdc/2, 0 y –Vdc/2, su forma de onda es igual a la de la figura anterior. Para obtener el nivel de tensión Vdc/2, S1 y S2 deben ser encendidos, para obtener el nivel de tensión –Vdc/2, deben encenderse los interruptores S1’ y S2’ y para obtener el nivel 0, pueden ser encendidos los pares de interruptores (S1,S1’) o (S2,S2’). El condensador compartido C1 se carga cuando se encienden S2 y S2’ y se descarga cuando se encienden S2 y S2’ . Además, la carga de C1 puede balancearse mediante la selección apropiada de los interruptores para obtener el nivel 0.

23. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor con capacitor compartido Esta configuración del inversor tiene la ventaja que limita el estrés provocado por las variaciones de tensión en los dispositivos del circuito y por otra parte introduce estados de conmutación adicionales que pueden ayudar a mantener el balance de tensión en los condensadores DC.

24. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor multicelda El inversor multicelda en cascada es una topología diferente a las anteriores, ya que está basada en la conexión serie de inversores monofásicos, cada uno con su propia fuente DC aislada. La Figura 4.12 muestra el circuito de potencia para una fase de un inversor de nueve niveles con cuatro celdas en cada fase.

25. STATCOM Topologías del STATCOM Convertidor multicelda La tensión resultante de fase se sintetiza por medio de la adición de las tensiones generadas por las diferentes celdas. Cada puente monofásico genera tres niveles de tensión en la salida(+Vdc, 0 y -Vdc). El voltaje de salida total generado por el VSC, está constituido por la suma de las M formas rectangulares de voltaje producidas por cada puente en cada una de las fases. Por lo tanto, para obtener un VSC de M niveles es necesaria la conexión de (M-1)/2 puentes por cada fase

26. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM comercial: ABB El modelo desarrollado por ABB se denomina SVC Light, a diferencia de los diseños clásicos de STATCOM’s basados en GTO’s y más recientemente en IGCT’s (y que conmutan a frecuencia fundamental), el SVC Light se basa en semiconductores del tipo IGBT, que conmutan utilizando modulación por ancho de pulso (PWM). Un esquema típico de este diseño se muestra a continuación:

27. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM comercial: ABB Elementos del SVC Light: Convertidor de fuente de voltaje (VSC) Su configuración es de tres niveles, con diodo de anclaje, cuyo funcionamiento ya fue descrito. Este convertidor funciona bajo conmutación PWM, lo que le permite generar armónicos de mayor frecuencia y a su vez menor magnitud que los generados por un SVC clásico de igual capacidad. Además la utilización de conmutación PWM permite implementar un control que sintetiza tensiones de secuencia positiva y negativa en forma separada, lo que entrega mayor robustez ante grandes disturbios de la red. Transformador de acoplamiento Permite conectar el SVC Light al punto de conexión común (PCC) del sistema de transmisión. Por lo general la tensión del secundario del transformador es cercana a los 35 kV. Para operar a esta tensión los IGBT’s deben ser conectados en serie, formando una válvula. Resistencia de carga Se utiliza para cargar los condensadores a la tensión Vdc, previo a la conexión del SVC Light a la red.

28. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM comercial: ABB Elementos del SVC Light: Reactor de fase Permite proveer la impedancia necesaria, junto a la reactancia del transformador de acoplamiento, para que el SVC Light pueda operar. Además, permite disminuir el contenido armónico generado por el VSC. Filtros armónicos Si bien es cierto, el hecho de operar un VSC bajo conmutación PWM permite generar armónicos de alta frecuencia y baja magnitud, en aplicaciones de transmisión la frecuencia de conmutación de los IGBT’s se encuentra restringida a valores menores de 2 kHz.

29. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM comercial: ABB A modo de ejemplo, el SVC Light de Austin Texas, conectado a la red mediante un transformador de 138/32 kV, posee un VSC de ±100 MVAr, el cual conmuta a una frecuencia de 1260 Hz, 21 veces la frecuencia fundamental. Para filtrar los armónicos principales, posee dos filtros sintonizados a los armónicos 21 y 40, con capacidades de 5 MVAr y 10 MVAr respectivamente. Por último, es necesario mencionar que debido a que en este diseño del STATCOM, los armónicos generados son de menor magnitud que los generados por un SVC clásico, el tamaño de los filtros también se reduce.

30. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM instalado en S/E Cerro Navia El STATCOM instalado en Cerro Navia 220 kV, forma parte del proyecto STATCOM/SVC, cuyo objetivo principal es aumentar la potencia transmitida en 200 MW por la línea de 500 kV entre las subestaciones de Ancoa y Alto Jahuel, y Ancoa y Polpaico . En la figura se muestra el STATCOM inaugurado el 04 de julio del 2011

31. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM instalado en S/E Cerro Navia El STATCOM de Cerro Navia 220 kV es del tipo SVC Light descrito anteriormente y sus parámetros relevantes se muestran en la siguiente tabla:

32. STATCOM Ejemplos de STATCOM STATCOM instalado en S/E Cerro Navia

33. PWM