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Compensador síncrono estático

En ingeniería eléctrica , un compensador estático síncrono ( 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 energía CA reactiva para una red eléctrica. Es miembro de la familia de dispositivos FACTS .

STATCOMS son alternativas a otros dispositivos pasivos de potencia reactiva, como condensadores e inductores (reactores). Tienen una salida de potencia reactiva variable, pueden cambiar su salida en términos de milisegundos y pueden suministrar y consumir vars tanto capacitivos como inductivos . Si bien se pueden utilizar para soporte de voltaje y corrección del factor de potencia, su velocidad y capacidad se adaptan mejor a 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 de la tecnología históricamente han impedido una adopción amplia de los STATCOM. Cuando los tiristores de apagado de puerta (GTO) estuvieron más disponibles en la década de 1990 [1] y tuvieron la capacidad de encenderse y apagarse a niveles de potencia más altos, los primeros STATCOM comenzaron a estar disponibles comercialmente. Estos dispositivos normalmente utilizaban topologías de 3 niveles y modulación de 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 las topologías de convertidor multimodular (MMC), que permiten más niveles en la forma de onda de voltaje, reduciendo los armónicos y mejorando el rendimiento.

Historia

Cuando AC ganó la Guerra de las Corrientes a finales del siglo XIX y las redes eléctricas comenzaron a expandirse y conectar ciudades y estados, la necesidad de una 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 genera desafíos adicionales con la capacitancia e inductancia naturales de las líneas de transmisión . Las líneas muy cargadas consumieron energía reactiva debido a la inductancia de la línea y, a medida que el voltaje de transmisión aumentó a lo largo del siglo XX, el voltaje más alto suministró energía reactiva capacitiva. Como no era factible operar una línea de transmisión solo con su carga de impedancia de sobretensión (SIL), [2] se necesitaban otros medios para administrar la potencia reactiva.

Una válvula de arco de mercurio utilizada para electrónica de potencia de alto voltaje.

Las máquinas síncronas se usaban comúnmente en ese momento para generadores y podían proporcionar cierto soporte de energía reactiva, sin embargo, eran limitadas debido al aumento de las pérdidas que causaban. También se volvieron menos efectivos a medida que las líneas de transmisión de mayor voltaje alejaron las cargas de las fuentes. Los bancos fijos de condensadores y reactores en derivación cubrieron esta necesidad al implementarse donde fuera necesario. En particular, los condensadores en derivación conmutados por disyuntores proporcionaron un medio eficaz para gestionar los requisitos variables de potencia reactiva debido a los cambios en las cargas. [3] Sin embargo, esto no estuvo exento de limitaciones.

Los condensadores y reactores en derivación son dispositivos fijos que solo se pueden encender y apagar. Esto requirió 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 realidad 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 fue posible y las válvulas de mercurio encontraron uso en sistemas de energía y conexiones HVDC . Cuando se conecta a un reactor, se podrían usar diferentes patrones de conmutación para variar la inductancia efectiva conectada, [5] permitiendo 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]

Cuando 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 eficazmente como un disyuntor que podía encenderse en milisegundos, permitía cambiar rápidamente los bancos de condensadores. Conectado a un reactor y un subciclo conmutado permitió variar la inductancia efectiva. El tiristor también mejoró enormemente el sistema de control, permitiendo que un SVC detecte fallas y reaccione ante ellas para brindar un mejor soporte al sistema. [8] El tiristor dominó el mundo de los FACT y HVDC hasta finales del siglo XX, cuando los IGBT comenzaron a igualar sus potencias nominales. [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] La primera producción de STATCOM de 100 MVAr fabricada por Westinghouse Electric se instaló en la subestación Sullivan de la Autoridad del Valle de Tennessee en 1995, pero se retiró rápidamente debido a obsolescencia de sus componentes. [11]

Teoría

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 energía de manera muy similar a una línea de transmisión , aunque sin ningún flujo de energía activo (real). [12] Dado un inductor conectado entre dos voltajes de CA, el flujo de potencia reactiva entre los dos puntos viene dado por:

Un STATCOM que consta de un VSC (abajo) y un inductor fijo (arriba). El inductor está conectado por el otro lado a un sistema de CA.

dónde

: Poder reactivo

: Voltaje final de envío

: Diferencia de magnitud en el voltaje final de recepción y

: Reactancia del Inductor o transformador

: Diferencia de ángulo de fase entre y

Con un valor cercano a cero (ya que el STATCOM no proporciona energía real y solo consume una pequeña cantidad en forma de pérdidas [13] ) y un tamaño fijo, el flujo de potencia reactiva está controlado por la diferencia en 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 del voltaje del STATCOM es menor, consume energía 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 condensador 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.

Topologías VSC

Dado que un STATCOM varía su magnitud de voltaje para controlar la potencia reactiva, la topología de cómo está diseñado y conectado el VSC define qué tan efectiva y rápidamente puede operar. Existen numerosas topologías diferentes disponibles para VSC y convertidores basados ​​en electrónica de potencia; las más comunes se tratan a continuación. Los IGBTS se enumeran a continuación como el dispositivo electrónico de potencia; sin embargo, los dispositivos más antiguos también usaban tiristores GTO.

Convertidor de dos niveles

Monofásico de un puente rectificador trifásico, mostrando 2 niveles posibles. La parte inferior derecha muestra el equivalente del interruptor de la operación IGBT.

Una de las primeras topologías VSC fue el convertidor de dos niveles, adaptado del puente rectificador trifásico . También conocido como rectificador de 6 pulsos, es capaz de conectar el voltaje de CA a través de diferentes rutas IGBT basadas en conmutación. Cuando se utiliza como rectificador para convertir CA a CC, esto permite que tanto la parte positiva como la negativa de la forma de onda se conviertan a CC. Cuando se usa en un VSC para un STATCOM, se puede conectar un capacitor en el 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 de ancho de pulso (PWM) para controlar la magnitud del voltaje. Variando la duración de los pulsos, se puede controlar la magnitud efectiva de la forma de onda de 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 se limita a la complejidad del controlador. [17] Cada nivel del convertidor de dos niveles también generalmente comprende múltiples IGBT en serie, para crear el voltaje final necesario, por lo que la coordinación y sincronización entre dispositivos individuales es un desafío.

Convertidor de tres niveles

Monofásico de una topología de convertidor de tres niveles. La parte inferior derecha muestra el equivalente del interruptor de la operación IGBT.

Agregar niveles adicionales a la topología de un convertidor tiene la ventaja de reflejar más fielmente 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 entre fases será de tres niveles (ya que si bien las tres fases tienen el mismo patrón de conmutación, se desplazan en el tiempo entre sí). Esto permite un pico positivo y negativo además de un nivel cero, lo que añade simetría positiva y negativa y elimina los armónicos de orden par. [18] Otra opción es mejorar la topología de dos niveles a un convertidor de tres niveles.

Al agregar dos IGBT adicionales al convertidor, se pueden crear tres niveles diferentes al tener dos IGBT encendidos a la vez. Si cada fase tiene su propio convertidor de tres niveles, se pueden crear un total de cinco niveles. Esto crea una onda sinusoidal muy cruda; sin embargo, los PWM aún ofrecen menos generación de armónicos (ya que los pulsos todavía están en los cinco niveles).

Los convertidores de tres niveles también se pueden combinar con transformadores y desfasadores para crear niveles adicionales. [19] Un transformador con dos secundarios, uno estrella-estrella y otro estrella-triángulo, se puede conectar a dos convertidores trifásicos separados de tres niveles para duplicar el número de niveles. Se pueden utilizar devanados desfasados ​​adicionales para convertir los tradicionales 6 pulsos de un tres niveles en 12, 24 o incluso 48 pulsos. [20] Con tantos 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 .

Convertidor modular multinivel

Topología MMC para monofásico, con bus DC. El diagrama muestra interruptores, que serían reemplazados por algún tipo de disposición IGBT en un VSC.

Si bien agregar cambio de fase a convertidores de tres niveles mejora el rendimiento armónico, esto tiene el costo de agregar 2, 3 o incluso 4 STATCOM adicionales. También añade 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 modular multinivel (MMC) ofrece algunos beneficios.

La topología MMC es similar a la de tres niveles en que al encender varios IGBT se conectarán diferentes condensadores al circuito. Como cada "interruptor" IGBT tiene su propio condensador, el voltaje se puede generar en pasos discretos. Agregar niveles adicionales aumenta el número de pasos, acercándose mejor a una onda sinusoidal. Con niveles suficientes, PWM no es necesario ya que la forma de onda creada es lo suficientemente cercana 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 una conexión HVDC o un STATCOM con inercia sintética ), solo se necesitan dos IGBT por nivel de capacitor. Si no se necesita un bus de CC y existen ventajas al conectar las tres fases en una disposición delta para eliminar los armónicos de secuencia cero , se pueden utilizar cuatro IGBT para rodear el condensador para puentearlo o conectarlo en cualquier polaridad. [22]

Operación

Las características VI del STATCOM típico

Como la operación VSC de un STATCOM se basa en cambiar el flujo de corriente para afectar el voltaje, sus características voltaje-corriente (VI) controlan cómo opera. [23] La característica VI se puede dividir en dos partes distintas: una región inclinada entre sus máximos inductivos y capacitivos, y sus puntos máximos de funcionamiento. Mientras se encuentra 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 determinada por la pendiente, que funciona de manera similar al control de velocidad de caída de un generador . Esta pendiente es programable y se puede configurar 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 suele ser de alrededor del 5%, para mantener la tensión del sistema dentro del 5% de su valor nominal.

Cuando opera en cualquiera de sus máximos, se dice que el STATCOM está en modo de control VAR, donde suministra o consume su salida reactiva máxima. A diferencia de un SVC tradicional, cuya salida reactiva capacitiva depende linealmente del voltaje, un STATCOM puede suministrar su clasificación 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 e inferiores, [25] para evitar que el STATCOM cause una alta sobretensión cuando la falla desaparece y el voltaje disminuye. vuelve a la normalidad. Un STATCOM también puede tener una clasificación transitoria, donde puede proporcionar una corriente superior a su máxima durante un tiempo muy corto, lo que le permite ayudar mejor al sistema en caso de fallas mayores. Esta clasificación depende del diseño específico, pero puede llegar hasta 3,0 pu. [26]

Un regulador PID simplificado utilizado para un modo de control de voltaje en un STATCOM

Para controlar el funcionamiento de un STATCOM cuando está en modo de control de voltaje, generalmente se usa un regulador PID de circuito cerrado , que permite 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 usa un circuito 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 normalmente el componente derivativo se elimina (o se establece en un nivel muy bajo) para evitar que el ruido del sistema o las mediciones causen fluctuaciones no deseadas. [28]

Un STATCOM también puede tener modos adicionales además de la regulación de voltaje o el control VAR, dependiendo de las necesidades específicas del sistema. Algunos ejemplos son el filtrado activo de los armónicos del sistema [29] o el control de ganancia para adaptarse a los cambios de intensidad del sistema debido a interrupciones de generación o cargas. [30]

Solicitud

Aplicación STATCOM como dispositivo de compensación de punto medio

Como fuente de potencia reactiva rápida, dinámica y multicuadrante, un STATCOM se puede utilizar para una amplia variedad de aplicaciones; sin embargo, son más adecuados para soportar 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 energía del sistema. [32] En condiciones normales de funcionamiento, el STATCOM hará muy poco; sin embargo, en caso de fallo de una línea cercana, la energía que se estaba suministrando se fuerza a otras líneas de transmisión. Normalmente, esto produce aumentos de caída de voltaje debido al aumento del flujo de energía, pero con un STATCOM disponible puede suministrar energía 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 soportar múltiples líneas en lugar de solo una, y ayudar a reducir la complejidad de la protección en la línea con un STATCOM. [33]

Dependiendo de la función de control disponible, los STATCOM también se pueden utilizar para aplicaciones más avanzadas, como filtrado activo, amortiguación de oscilación de potencia (POD) o incluso interacciones limitadas de potencia activa. Con el crecimiento de los recursos energéticos distribuidos (DER) y el almacenamiento de energía , se han realizado 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 síncrono. [36]

STATCOM frente a SVC

Fundamentalmente, un STATCOM es un tipo de compensador VAR estático (SVC), con la principal diferencia de que un STATCOM es un convertidor de voltaje mientras que un SVC tradicional es un convertidor de corriente . Históricamente, STATCOM ha sido más costoso que un SVC, en parte debido al mayor costo de los IGBT), pero en los últimos años las clasificaciones de potencia 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 tiempos de conmutación rápidos 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 dos o 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 hasta un voltaje de CA bajo), a diferencia de la potencia es una función de un cuadrado de voltaje para SVC. [38] El SVC no se utiliza en condiciones severas de subtensión (menos de 0,6 pu ), ya que dejar los condensadores encendidos puede empeorar la sobretensión transitoria una vez que se elimina la falla, mientras que STATCOM puede operar hasta 0,2–0,3 pu (este límite se debe a posible pérdida de sincronicidad y enfriamiento). [39]

El tamaño de un STATCOM es menor, ya que no necesita condensadores grandes utilizados por un SVC para TSC o filtros. [40]

Ver también

Referencias

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