Un sistema de transmisión de corriente alterna flexible ( FACTS ) es una familia de dispositivos basados en electrónica de potencia diseñados para su uso en un sistema de transmisión de corriente alterna (CA) para mejorar y controlar el flujo de potencia y soportar el voltaje. Los dispositivos FACT son alternativas a las soluciones y mejoras de la red eléctrica tradicional , donde la construcción de líneas de transmisión o subestaciones adicionales no es viable desde el punto de vista económico o logístico.
En general, los dispositivos FACT mejoran la potencia y el voltaje de tres maneras diferentes: compensación de voltaje en derivación (reemplazando la función de los capacitores o inductores ), compensación de impedancia en serie (reemplazando los capacitores en serie ) o compensación de ángulo de fase (reemplazando el control de caída de generador o los transformadores de cambio de fase ). Mientras que otros equipos tradicionales pueden lograr todo esto, los dispositivos FACT utilizan electrónica de potencia que es lo suficientemente rápida como para cambiar de subciclo en lugar de segundos o minutos. La mayoría de los dispositivos FACT también son dinámicos y pueden soportar voltaje en un rango en lugar de solo encendido y apagado, y son multicuadrante, es decir, pueden suministrar y consumir potencia reactiva , e incluso a veces potencia real . Todo esto les da su naturaleza "flexible" y los hace adecuados para aplicaciones con requisitos desconocidos o cambiantes.
La familia FACTs surgió inicialmente del desarrollo de la conversión y transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) , que utilizaba electrónica de potencia para convertir CA en CC para permitir transferencias de energía grandes y controlables. [1] Mientras que HVDC se enfocaba en la conversión a CC, los dispositivos FACTs usaban la tecnología desarrollada para controlar la potencia y el voltaje en el sistema de CA. El tipo más común de dispositivo FACTs es el compensador estático de VAR (SVC) , que utiliza tiristores para conmutar y controlar capacitores y reactores en derivación, respectivamente.
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]
La teoría básica de cómo los dispositivos FACT afectan al sistema de CA se basa en el análisis de cómo se transfiere la energía entre dos puntos en un sistema de CA. Esto es particularmente relevante para el funcionamiento de una red eléctrica de CA, ya que la red tiene numerosos nodos (subestaciones) que carecen de fuentes ( generadores ) o cargas . El flujo de energía debe calcularse y controlarse en cada nodo (bus de subestación) para garantizar que el diseño y la topología de la red en sí no impidan que la electricidad generada llegue a las cargas, [10] ya que cuando las líneas de transmisión alcanzan decenas a cientos de millas de longitud, agregan una impedancia y una caída de voltaje significativas al sistema.
Dados dos buses, cada uno con su propia magnitud de voltaje y ángulo de fase , y conectados por una línea de transmisión con una impedancia, la corriente que fluye entre ellos está dada por [11]
El flujo de potencia aparente, y por tanto la potencia real y reactiva, se expresa mediante
Combinando estas dos ecuaciones se obtiene el flujo de potencia real y reactiva en función de los voltajes y la impedancia. Esto se puede hacer con relativa facilidad y se hace en programas de análisis de potencia y flujo de carga , pero da como resultado ecuaciones que no son intuitivas de entender. Se pueden hacer dos aproximaciones para simplificar las cosas: supongamos una línea de transmisión sin pérdidas (una suposición decente ya que se suele utilizar un conductor de resistencia muy baja ) y descuidemos cualquier capacitancia en la línea (una suposición justa para líneas de 200 kV y menores). Esto reduce la impedancia de la línea a solo una reactancia y da como resultado que la potencia real y reactiva sean
dónde
es la magnitud del voltaje del extremo de envío, en el primer bus
es la magnitud del voltaje del extremo receptor, en el segundo bus
es la reactancia de la Línea de Transmisión entre los buses
es la diferencia de ángulo de fase entre los voltajes del extremo transmisor y del extremo receptor
De las ecuaciones anteriores, se puede ver que hay tres variables que afectan el flujo de potencia real y reactiva en una línea de transmisión: [12] las magnitudes de voltaje en cada barra, la reactancia de línea entre las barras y la diferencia de ángulo de fase de voltaje entre las barras. Todos los dispositivos FACT funcionan según el principio fundamental de que cambiar una o más de estas variables cambiará el flujo de potencia real y reactiva en la línea de transmisión. Algunos dispositivos FACT solo cambiarán una sola variable, mientras que otros controlarán las tres.
Cabe señalar, y se hará más explícito más adelante, que los dispositivos FACT no crean ni agregan energía real al sistema, simplemente afectan los parámetros del circuito entre dos puntos para afectar cómo y cuándo fluye la energía.
Dado que los dispositivos FACT pueden cambiar hasta tres parámetros para afectar el flujo de potencia (voltaje, impedancia y/o ángulo de fase), a menudo se los clasifica según el parámetro que controlan. Como los dispositivos convencionales para controlar el voltaje (condensadores en derivación e inductores en derivación) y la impedancia (condensadores en serie y reactores de flujo de carga) son tan comunes, los dispositivos FACT que controlan los parámetros de voltaje e impedancia se clasifican como dispositivos en derivación y en serie, respectivamente.
El objetivo de la compensación en derivación es conectar un dispositivo en paralelo con el sistema que mejorará el voltaje y permitirá un mayor flujo de potencia. Esto se hace tradicionalmente utilizando condensadores en derivación e inductores (reactores), [13] de manera similar a la corrección del factor de potencia .
El dispositivo de compensación de derivación más común es el compensador estático de VAR (SVC) . [14] Los SVC utilizan electrónica de potencia, generalmente tiristores , para conmutar capacitores y reactores fijos. Estos se conocen como capacitores conmutados por tiristores (TSC) y reactores conmutados por tiristores (TSR) , respectivamente. Los tiristores son lo suficientemente rápidos como para poder conmutarse en subciclos y pueden conmutar un reactor en diferentes puntos de cada ciclo para controlar los VAR que produce el reactor. Cuando se organiza para hacer esto, el TSR se conoce como reactor controlado por tiristores (TCR) . Los TCR producen grandes cantidades de armónicos y requieren bancos de filtros para evitar efectos adversos en el sistema.
Otro tipo de compensación de derivación es el compensador síncrono estático o STATCOM . La electrónica de potencia se combina en serie con un reactor para formar un convertidor de fuente de voltaje (VSC), que cuando se conecta a un sistema de CA forma un STATCOM. [15] Un VSC utiliza el mismo principio de flujo de potencia en una línea de transmisión; midiendo el voltaje del sistema al que está conectado y variando el voltaje de la electrónica de potencia para provocar un flujo de potencia reactiva dentro o fuera del VSC. Los primeros STATCOM usaban tiristores como electrónica de potencia y modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la potencia reactiva, pero con los avances en las tecnologías de semiconductores, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) los han reemplazado.
Los dispositivos de compensación en serie cambian la impedancia de la línea de transmisión para aumentar o disminuir el flujo de potencia. El flujo de potencia se incrementa agregando un capacitor en serie para compensar la inductancia de la línea o se disminuye agregando un reactor de flujo de carga en serie para aumentar la inductancia de la línea.
Un tipo de compensación en serie es el condensador en serie controlado por tiristores (TCSC), que combina el TCR de un SVC en paralelo con un condensador en serie fijo tradicional. Como no es posible utilizar electrónica de potencia para conmutar condensadores en subciclos debido a problemas de carga almacenada, se utiliza un TCR para crear una inductancia variable para compensar el condensador. Se puede utilizar un TCSC para variar dinámicamente el flujo de potencia en una línea de transmisión. [16]
Un VSC también se puede utilizar como un dispositivo de compensación en serie si se conecta a través del devanado secundario de un transformador conectado en serie. Esta disposición se conoce como Compensador en serie síncrono estático (SSSC) [ 12] y ofrece los beneficios de un reactor más pequeño que en un TCSC y la menor producción de armónicos de un VSC (o inversor de fuente de voltaje - VSI cuando se utiliza en un SSSC) en comparación con un TCR.
La energía solo fluirá entre dos puntos en un sistema de CA si existe una diferencia de ángulo de fase entre los buses. Tradicionalmente, esto se controla mediante generadores, sin embargo, en redes grandes esto se vuelve ineficaz para gestionar el flujo de energía entre buses distantes. Los transformadores de cambio de fase (PST) se utilizan generalmente para estas aplicaciones y pueden ser simplemente un regulador de ángulo de fase (PAR) o controlar tanto el ángulo de fase como el voltaje .
El dispositivo de compensación de ángulo de fase más sencillo sería reemplazar el cambiador de tomas en el PAR con tiristores para conmutar partes del devanado hacia dentro y hacia fuera, formando un Transformador de Desplazamiento de Fase Controlado por Tiristores (TCPST). [17] Sin embargo, esto generalmente no se hace ya que un TCPST sería considerablemente más caro que un PAR. En cambio, esta idea se amplía para reemplazar un Amplificador de Cuadratura con un dispositivo conocido como Regulador de Ángulo de Fase Controlado por Tiristores (TCPAR), también conocido como Desplazador de Fase Estático (SPS). [18] A partir del esquema, se puede ver que un TCPAR es simplemente un Amplificador de Cuadratura con las partes mecánicas del excitador y los transformadores elevadores reemplazados con Electrónica de Potencia, típicamente Tiristores.
Otra forma de formar un TCPAR es separar el transformador del excitador y del amplificador y controlar sus secundarios con conjuntos separados de electrónica de potencia. Al unir los dos conjuntos de electrónica de potencia a través de un bus de CC, normalmente mediante el uso de tiristores GTO o IGBT, se puede formar un TCPAR. Si bien hacer esto puede parecer innecesario al principio, al observar los transformadores en derivación y en serie y su electrónica por separado, es evidente que la parte en derivación es un STATCOM y la parte en serie es un SSSC. Con el bus de CC proporcionando energía desde la parte en derivación a la parte en serie, el dispositivo funciona como un regulador de ángulo de fase; sin embargo, con el bus de CC aislando los dos lados, el STATCOM puede controlar el voltaje en derivación o el SSSC puede controlar la impedancia de línea. Esto le da al dispositivo su nombre, el Controlador de flujo de potencia unificado (UPFC) , [19] ya que puede controlar los tres parámetros que afectan el control de potencia.
![{\displaystyle Q_{s}=-Q_{r}=Q={\frac {V_{r}}{X_{L}}}[V_{s}\cos(\delta )-V_{r}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/190d72b8e75cd56dd862611ba50d49e19087d702)
