En ingeniería eléctrica , un compensador síncrono estático ( STATCOM ) es un dispositivo de compensación reactiva conectado en derivación que se utiliza en redes de transmisión . Utiliza electrónica de potencia para formar un convertidor de fuente de voltaje que puede actuar como fuente o sumidero de potencia de CA reactiva para una red eléctrica. Es miembro de la familia de dispositivos FACTS .
Los STATCOMS son alternativas a otros dispositivos pasivos de potencia reactiva, como los condensadores y los inductores (reactores). Tienen una salida de potencia reactiva variable, pueden cambiar su salida en términos de milisegundos y pueden suministrar y consumir tanto vars capacitivos como inductivos . Si bien se pueden utilizar para soporte de voltaje y corrección del factor de potencia, su velocidad y capacidad son más adecuadas para situaciones dinámicas como el soporte de la red en condiciones de falla o eventos de contingencia .
El uso de dispositivos FACT basados en fuentes de voltaje ha sido deseable durante algún tiempo, ya que ayuda a mitigar las limitaciones de los dispositivos basados en fuentes de corriente cuya salida reactiva disminuye con el voltaje del sistema. Sin embargo, las limitaciones en la tecnología han impedido históricamente la adopción amplia de STATCOM. Cuando los tiristores de apagado por compuerta (GTO) se volvieron más disponibles en la década de 1990 [1] y tenían la capacidad de encenderse y apagarse a niveles de potencia más altos, los primeros STATCOM comenzaron a estar disponibles comercialmente. Estos dispositivos generalmente usaban topologías de 3 niveles y modulación por ancho de pulso (PWM) para simular formas de onda de voltaje.
Los STATCOM modernos ahora utilizan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), que permiten una conmutación más rápida a niveles de alta potencia. Las topologías de 3 niveles han comenzado a dar paso a topologías de convertidor multimodular (MMC), que permiten más niveles en la forma de onda de voltaje, lo que reduce los armónicos y mejora el rendimiento.
Cuando la CA ganó la Guerra de Corrientes a fines del siglo XIX y las redes eléctricas comenzaron a expandirse y conectar ciudades y estados, la necesidad de compensación reactiva se hizo evidente. [2] Si bien la CA ofrecía beneficios con la transformación y la corriente reducida, la naturaleza alterna del voltaje y la corriente generó desafíos adicionales con la capacitancia e inductancia naturales de las líneas de transmisión . Las líneas con carga pesada consumían energía reactiva debido a la inductancia de la línea y, a medida que el voltaje de transmisión aumentaba a lo largo del siglo XX, el voltaje más alto suministraba energía reactiva capacitiva. Como operar una línea de transmisión solo en su carga de impedancia de sobretensión (SIL) no era factible, [2] se necesitaban otros medios para administrar la energía reactiva.
En aquella época, las máquinas síncronas se utilizaban habitualmente para los generadores y podían proporcionar cierto apoyo de potencia reactiva, pero estaban limitadas debido al aumento de las pérdidas que causaban. También se volvieron menos eficaces a medida que las líneas de transmisión de mayor voltaje alejaban las cargas de las fuentes. Los bancos de reactores y condensadores en derivación fijos cubrían esta necesidad al implementarse donde fuera necesario. En particular, los condensadores en derivación conmutados por disyuntores proporcionaban un medio eficaz para gestionar los requisitos de potencia reactiva variables debido a las cargas cambiantes. [3] Sin embargo, esto no estaba exento de limitaciones.
Los condensadores y reactancias en derivación son dispositivos fijos que solo se pueden encender y apagar. Esto requería un estudio cuidadoso del tamaño exacto necesario [4] o aceptar efectos menos que ideales en el voltaje de una línea de transmisión. La necesidad de una solución más dinámica y flexible se hizo evidente con la válvula de arco de mercurio a principios del siglo XX. Similar a un tubo de vacío , la válvula de arco de mercurio era un rectificador de alta potencia , capaz de convertir altos voltajes de CA en CC. A medida que la tecnología mejoró, la inversión también se hizo posible y las válvulas de mercurio encontraron uso en sistemas de energía y enlaces HVDC . Cuando se conectaban a un reactor, se podían usar diferentes patrones de conmutación para variar la inductancia efectiva conectada [5] , lo que permite un control más dinámico. Las válvulas de arco continuaron dominando la electrónica de potencia hasta el surgimiento de los semiconductores de estado sólido a mediados del siglo XX [6] .
A medida que los semiconductores reemplazaron a los tubos de vacío, el tiristor creó los primeros dispositivos FACT modernos en el compensador estático VAR (SVC). [7] Al funcionar de manera efectiva como un disyuntor que podía encenderse en milisegundos, permitió conmutar rápidamente los bancos de capacitores. Conectado a un reactor y un subciclo conmutado, permitió variar la inductancia efectiva. El tiristor también mejoró en gran medida el sistema de control, lo que permitió que un SVC detectara y reaccionara ante fallas para brindar un mejor soporte al sistema. [8] El tiristor dominó el mundo de los FACT y HVDC hasta fines del siglo XX, cuando el IGBT comenzó a igualar sus clasificaciones de potencia. [9]
Con el IGBT, los primeros convertidores de voltaje y STATCOM comenzaron a ingresar al mundo de los FACT. Un prototipo de STATCOM de 1 MVAr fue descrito en un informe de Empire State Electric Energy Research Corporation en 1987. [10] El primer STATCOM de 100 MVAr de producción fabricado por Westinghouse Electric se instaló en la subestación Sullivan de Tennessee Valley Authority en 1995, pero fue retirado rápidamente debido a la obsolescencia de sus componentes. [11]
La base de un STATCOM es un convertidor de fuente de voltaje (VSC) conectado en serie con algún tipo de reactancia, ya sea un inductor fijo o un transformador de potencia . Esto permite que un STATCOM controle el flujo de potencia de manera muy similar a una línea de transmisión , aunque sin ningún flujo de potencia activa (real). [12] Dado un inductor conectado entre dos voltajes de CA, el flujo de potencia reactiva entre los dos puntos viene dado por:
dónde
:Potencia reactiva
: Voltaje del extremo de envío
:Diferencia de magnitud en el voltaje del extremo receptor
:Reactancia del inductor o transformador
:Diferencia de ángulo de fase entre y
Con un valor cercano a cero (ya que el STATCOM no proporciona potencia real y solo consume una pequeña cantidad como pérdidas [13] ) y un tamaño fijo, el flujo de potencia reactiva se controla mediante la diferencia de magnitud de los dos voltajes de CA. [14] De la ecuación, si el STATCOM crea una magnitud de voltaje mayor que el voltaje del sistema, suministra potencia reactiva capacitiva al sistema. Si la magnitud de voltaje del STATCOM es menor, consume potencia reactiva inductiva del sistema. Como la mayoría de los VSC modernos están hechos de electrónica de potencia que es capaz de realizar pequeños cambios de voltaje muy rápidamente, [15] es posible una salida de potencia reactiva dinámica. Esto se compara con un capacitor o inductor fijo tradicional, que está apagado (0 MVar) o en su máximo (por ejemplo, 50 MVar). Un STATCOM de tamaño similar oscilaría entre 50 MVar capacitivos y 50 MVar inductivos, en pasos tan pequeños como 1 MVar.
Dado que un STATCOM varía su magnitud de voltaje para controlar la potencia reactiva, la topología de cómo se diseña y conecta el VSC define la eficacia y rapidez con la que puede funcionar. Existen numerosas topologías diferentes disponibles para VSC y convertidores basados en electrónica de potencia; las más comunes se describen a continuación. Los IGBT se enumeran a continuación como el dispositivo de electrónica de potencia; sin embargo, los dispositivos más antiguos también usaban tiristores GTO.
Una de las primeras topologías de VSC fue el convertidor de dos niveles, adaptado del rectificador de puente trifásico . También conocido como rectificador de 6 pulsos, es capaz de conectar el voltaje de CA a través de diferentes rutas de IGBT basadas en la conmutación. Cuando se utiliza como rectificador para convertir CA en CC, esto permite que tanto la parte positiva como la negativa de la forma de onda se conviertan en CC. Cuando se utiliza en un VSC para un STATCOM, se puede conectar un condensador a través del lado de CC para producir una onda cuadrada con dos niveles.
Esto por sí solo no ofrece ventajas reales para un STATCOM, ya que la magnitud del voltaje es fija. Sin embargo, si los IGBT se pueden conmutar lo suficientemente rápido, se puede utilizar la modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la magnitud del voltaje. Al variar las duraciones de los pulsos, se puede controlar la magnitud efectiva de la forma de onda del voltaje. [16] Dado que PWM todavía solo produce ondas cuadradas, la generación de armónicos es bastante significativa. Se puede lograr cierta reducción de armónicos mediante técnicas analíticas en diferentes patrones de conmutación; sin embargo, esto está limitado a la complejidad del controlador. [17] Cada nivel del convertidor de dos niveles también comprende generalmente múltiples IGBT en serie, para crear el voltaje final necesario, por lo que la coordinación y la sincronización entre dispositivos individuales es un desafío.
Añadir niveles adicionales a una topología de convertidor tiene el beneficio de reflejar más de cerca una onda sinusoidal de voltaje real , lo que reduce la generación de armónicos y mejora el rendimiento. Si las tres fases de un VSC utilizan su propia topología de convertidor de dos niveles, el voltaje de fase a fase será de tres niveles (ya que si bien las tres fases tienen el mismo patrón de conmutación, están desplazadas en el tiempo una respecto de la otra). Esto permite un pico positivo y negativo además de un nivel cero, lo que agrega simetría positiva y negativa y elimina armónicos de orden par. [18] Otra opción es mejorar la topología de dos niveles a un convertidor de tres niveles.
Si se añaden dos IGBT adicionales al convertidor, se pueden crear tres niveles diferentes si se tienen dos IGBT encendidos a la vez. Si cada fase tiene su propio convertidor de tres niveles, se pueden crear cinco niveles en total. Esto crea una onda sinusoidal muy rudimentaria, pero el PWM sigue ofreciendo una generación de armónicos menor (ya que los pulsos siguen estando en los cinco niveles).
Los convertidores de tres niveles también se pueden combinar con transformadores y cambio de fase para crear niveles adicionales. [19] Un transformador con dos secundarios, uno Wye-Wye y el otro Wye-Delta, se puede conectar a dos convertidores trifásicos de tres niveles separados para duplicar el número de niveles. Se pueden utilizar devanados con cambio de fase adicionales para convertir los 6 pulsos tradicionales de un convertidor de tres niveles en 12, 24 o incluso 48 pulsos. [20] Con esta cantidad de pulsos y niveles, la forma de onda se aproxima mejor a una onda sinusoidal verdadera, y todos los armónicos generados son de un orden mucho más alto que se puede filtrar con un filtro de paso bajo .
Si bien la incorporación de un cambio de fase a los convertidores de tres niveles mejora el rendimiento armónico, esto se produce a costa de agregar 2, 3 o incluso 4 STATCOM adicionales. Además, agrega poca o ninguna redundancia, ya que el patrón de conmutación es demasiado complejo para adaptarse a la pérdida de un STATCOM. [21] Como la idea del convertidor de tres niveles es agregar niveles adicionales para aproximarse mejor a una onda sinusoidal de voltaje, otra topología llamada convertidor multinivel modular (MMC) ofrece algunos beneficios.
La topología MMC es similar a la de tres niveles en el sentido de que al encender varios IGBT se conectarán diferentes capacitores al circuito. Como cada "interruptor" IGBT tiene su propio capacitor, se puede generar voltaje en pasos discretos. Agregar niveles adicionales aumenta el número de pasos, lo que permite aproximarse mejor a una onda sinusoidal. Con niveles suficientes, no es necesario el PWM ya que la forma de onda creada es lo suficientemente parecida a una onda sinusoidal de voltaje real y genera muy pocos armónicos.
La disposición de los IGBT alrededor del capacitor para cada paso depende de las necesidades de CC. Si se necesita un bus de CC (para un enlace HVDC o un STATCOM con inercia sintética ), entonces solo se necesitan dos IGBT por nivel de capacitor. Si no se necesita un bus de CC y hay beneficios en conectar las tres fases en una disposición delta para eliminar armónicos de secuencia cero , se pueden usar cuatro IGBT para rodear el capacitor y desviarlo o conmutarlo en cualquier polaridad. [22]
Como el funcionamiento del VSC de un STATCOM se basa en cambiar el flujo de corriente para afectar el voltaje, sus características de voltaje-corriente (VI) controlan cómo funciona. [23] La característica VI se puede dividir en dos partes distintas: una región inclinada entre sus máximos inductivos y capacitivos, y sus puntos de funcionamiento máximos. Mientras está en la región inclinada entre sus máximos, se dice que el STATCOM está en modo de regulación de voltaje, donde suministra vars capacitivos para aumentar el voltaje o consume vars inductivos para reducir el voltaje. La velocidad a la que hace esto está establecida por la pendiente, que funciona de manera similar al control de velocidad de caída de un generador . Esta pendiente es programable y se puede establecer en un valor alto (para que el STATCOM regule el voltaje como un dispositivo reactivo fijo tradicional) o cerca de cero, produciendo una línea muy plana y reservando la capacidad del STATCOM para eventos dinámicos o transitorios. La pendiente máxima generalmente es alrededor del 5%, para mantener el voltaje del sistema dentro del 5% de su valor nominal.
Cuando opera en cualquiera de sus máximos, se dice que el STATCOM está en un modo de control VAR, donde está suministrando o consumiendo su salida reactiva máxima. A diferencia de un SVC tradicional, cuya salida reactiva capacitiva depende linealmente del voltaje, un STATCOM puede suministrar su capacidad capacitiva máxima para cualquier voltaje. [24] Esto ofrece una ventaja sobre los SVC, ya que la efectividad de un STATCOM no depende de la caída de voltaje causada por la falla. Si bien técnicamente es capaz de responder a magnitudes de voltaje cercanas a cero, normalmente un STATCOM está configurado para soportar caídas de voltaje de alrededor de 0,2 pu y menores, [25] para evitar que el STATCOM cause una sobretensión alta cuando la falla se despeje y el voltaje vuelva a la normalidad. Un STATCOM también puede tener una clasificación transitoria, donde puede proporcionar por encima de su corriente máxima durante un tiempo muy corto, lo que le permite ayudar al sistema mejor en caso de fallas más grandes. Esta clasificación depende del diseño específico, pero puede ser tan alta como 3,0 pu. [26]
Para controlar el funcionamiento de un STATCOM cuando está en modo de control de voltaje, se utiliza típicamente un regulador PID de lazo cerrado , que permite obtener retroalimentación sobre cómo el cambio del flujo de corriente está afectando el voltaje del sistema. Se muestra un regulador PID simplificado, sin embargo, a veces se utiliza un lazo cerrado separado para determinar el voltaje de referencia con respecto a la pendiente y cualquier otro modo que pueda tener un STATCOM. [27] Se puede utilizar un sistema PID completo, pero típicamente se elimina el componente derivado (o se establece muy bajo) para evitar que el ruido del sistema o las mediciones provoquen fluctuaciones no deseadas. [28]
Un STATCOM también puede tener modos adicionales además de la regulación de voltaje o el control de VAR, según las necesidades específicas del sistema. Algunos ejemplos son el filtrado activo de armónicos del sistema [29] o el control de ganancia para adaptarse a los cambios de intensidad del sistema debido a cortes de generación o de cargas. [30]
Como fuente de potencia reactiva rápida, dinámica y multicuadrante, un STATCOM puede utilizarse para una amplia variedad de aplicaciones, sin embargo, son más adecuados para dar soporte a la red en caso de fallas, eventos transitorios o eventos de contingencia. [31] Un uso popular es colocar un STATCOM a lo largo de una línea de transmisión, para mejorar el flujo de potencia del sistema. [32] En condiciones normales de funcionamiento, el STATCOM hará muy poco, sin embargo, en caso de una falla en una línea cercana, la potencia que se estaba suministrando se fuerza a otras líneas de transmisión. Por lo general, esto da como resultado aumentos de caída de voltaje debido al aumento del flujo de potencia, pero con un STATCOM disponible, puede suministrar potencia reactiva para aumentar el voltaje hasta que se elimine la falla (si es temporal) o hasta que se pueda conectar un capacitor fijo (si la falla es permanente). En algunos casos, se puede instalar un STATCOM en una subestación, para ayudar a dar soporte a múltiples líneas en lugar de solo una, y ayudar a reducir la complejidad de la protección en la línea con un STATCOM en ella. [33]
Dependiendo de la función de control disponible, los STATCOM también se pueden utilizar para aplicaciones más avanzadas, como filtrado activo, amortiguación de oscilaciones de potencia (POD) o incluso interacciones de potencia activa limitadas. Con el crecimiento de los recursos de energía distribuida (DER) y el almacenamiento de energía , ha habido investigaciones sobre el uso de STATCOM para ayudar o aumentar estos usos. [34] [35] Un área de investigación reciente es la inercia virtual: el uso de una fuente de energía en el lado de CC de un STATCOM para darle una respuesta de inercia similar a un condensador o generador sincrónico. [36]
Básicamente, un STATCOM es un tipo de compensador estático de VAR (SVC), con la principal diferencia de que un STATCOM es un convertidor alimentado por voltaje, mientras que un SVC tradicional es un convertidor alimentado por corriente . Históricamente, los STATCOM han sido más costosos que los SVC, en parte debido al mayor costo de los IGBT, pero en los últimos años, las potencias nominales de los IGBT han aumentado, cerrando la brecha.
El tiempo de respuesta de un STATCOM es más corto que el de un SVC, [10] principalmente debido a los rápidos tiempos de conmutación proporcionados por los IGBT del convertidor de fuente de voltaje ( los tiristores no se pueden apagar y deben conmutarse). Como resultado, el tiempo de reacción de un STATCOM es de uno a dos ciclos frente a los dos a tres ciclos de un SVC. [37]
El STATCOM también proporciona un mejor soporte de potencia reactiva a voltajes de CA bajos que un SVC, ya que la potencia reactiva de un STATCOM disminuye linealmente con el voltaje de CA (la corriente se puede mantener en el valor nominal incluso a un voltaje de CA bajo), a diferencia de que la potencia sea una función de un cuadrado del voltaje para SVC. [38] El SVC no se utiliza en condiciones de subvoltaje severo (menos de 0,6 pu ), ya que dejar los capacitores encendidos puede empeorar el sobrevoltaje transitorio una vez que se elimina la falla, mientras que STATCOM puede operar hasta 0,2–0,3 pu (este límite se debe a la posible pérdida de sincronicidad y enfriamiento). [39]
El tamaño de un STATCOM es menor, ya que no necesita los grandes condensadores utilizados por un SVC para TSC o filtros. [40]
