Aplicación Del Control Difuso en Un Statcom-2007

7/25/2019 Aplicacin Del Control Difuso en Un Statcom-2007

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Scientia et Technica Ao XIII, No 34, Mayo de 2007. Universidad Tecnolgica de Pereira. ISSN 0122-1701 133

Fecha de Recepcin: 31 Agosto de 2006Fecha de Aceptacin: 10 Abril de 2007

APLICACIN DEL CONTROL DIFUSO EN UN STATCOM

RESUMENEn este artculo se muestra la aplicacin del Control Difuso en la operacin deun STATCOM de seis pulsos conectado a un sistema de potencia. El sistema decontrol es puesto a prueba cuando el STATCOM es sometido a perturbacionesexternas representadas por un fallo trifsico a tierra ocurrido en la carga y

cambios en el valor del voltaje de referencia. Se comprob el mtodo propuestomediante la simulacin en el paquete PSCAD/EMTDC.

PALABRAS CLAVES: STATCOM, control difuso.

ABSTRACTThis paper shows fuzzy control application to operate a six pulse STATCOM

connected to a electric power system. The control proposed is verified when the

STATCOM supports external perturbations such as three-phase fault at the loadand changes in the reference voltage. The proposed method was verified

simulating the systems in the PSCAD/EMTDC package.

KEYWORDS:STATCOM, fuzzy control.

ALFONSO ALZATEProfesor TitularIngeniera ElctricaUniversidad Tecnolgica de [email protected]

DAVID MANCERAIngeniero ElectricistaUniversidad Tecnolgica de PereiraIngeniera [email protected]

Grupo de investigacin enElectrnica de Potencia

1. INTRODUCCIN

La compensacin de potencia reactiva y el soporte en laregulacin de tensin son asuntos muy importantesdentro de la operacin y control de los sistemas elctricosde potencia.

El compensador esttico sncrono o STATCOM (STATicSynchronous COMpensator) como parte de los sistemasFACTS es un dispositivo que se ha venido planteandocomo una alternativa de solucin a estos problemas.

Los STATCOM son dispositivos altamente no lineales, aligual que el resto del sistema al cual estn conectados.Los esquemas de control no lineal tienen una estructurams sofisticada y son ms difciles de disear eimplementar comparados con los sistemas de control deltipo lineal.

La lgica difusa, por su parte proporciona un medio paraenfrentar situaciones del mundo real, complejas ydinmicas, que son planteadas ms fcilmente mediante

palabras del lenguaje comn que por modelosmatemticos y como se muestra con este artculo, poseeuna gran aplicabilidad en este tipo de sistemas no

lineales.En la figura 1 se observa la configuracin bsica de unSTATCOM conectado al sistema AC.

A continuacin se describen brevemente cada una de laspartes integrantes del STATCOM:

Inversor: Los Inversores son un conjunto de elementosconstituidos principalmente por dispositivos electrnicosde potencia como GTOs e IGBTs, con capacidad de corte

Figura 1. Conexin de un STATCOM al barraje del sistemaAC.

y conduccin. Su funcin en el STATCOM es la degenerar la tensin AC a partir de la tensin DC en losterminales del condensador.

Condensador del lado DC: La principal funcin delcondensador del lado DC en el STATCOM es servir defuente de tensin continua; adems el condensador en ellado DC sirve como acumulador temporal de energa

permitiendo el intercambio entre el sistema elctrico y elSTATCOM.

Transformador: En el STATCOM los transformadoresson utilizados para dos funciones principales. Acople conel sistema elctrico adecuando las tensiones de operacin

de los equipos y adecuando la tensin de los inversorescon la red. Adems con ciertas configuracionesespeciales [2] el transformador elimina algunos de losarmnicos generados por los inversores reduciendo elcontenido armnico insertado en la red elctrica.Tambin es posible utilizar el transformador para realizarestructuras de bloqueo de secuencia cero, en el caso deque esta exista, y servir como elemento deamortiguamiento de transitorios.


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Sistema de control: Permite que el STATCOM cumplacorrectamente su funcin como elemento compensadorde reactivos a travs del control del ngulo de desfase ()que se produce entre las tensiones (E) del STATCOM y(V) del sistema en AC.

2. CONTROL DIFUSO

La lgica difusa proporciona un medio para enfrentarsituaciones del mundo real, complejas y dinmicas, queson ms fcilmente caracterizadas por palabras que pormodelos matemticos.

En esencia un controlador difuso contiene un algoritmocapaz de convertir una estrategia de control lingsticaen una de control automtico, con lo que se busca imitarel razonamiento humano.

El algoritmo de control se da como un conjunto deexpresiones del tipo:

Si Entonces

En la figura 2 se muestra la arquitectura bsica de uncontrolador difuso.

3. CONTROL DEL STATCOM

Introduciendo pequeos desfases,, en la seal desincronismo de las tensiones de red con la delSTATCOM se altera la tensin del condensador DC y,

por lo tanto se altera la amplitud de la tensin AC delpropio STATCOM y de este modo se realiza un controlde potencia reactiva. O dicho de otra forma, al controlar

el ngulo de fase del voltaje a la salida del inversor conrespecto al de fase en la red a la que est conectado, sepuede controlar el voltaje del condensador VDC y lacomponente fundamental del voltaje a la salida delSTATCOM y de esta forma controlar la potenciareactiva.

3.1 Mecanismo de control

Para el sistema de control se pueden adoptar diferentesestrategias de control como se observa en diferentestrabajos desarrollados [4,7]. En este artculo, laaplicacin se basa en la teora del delta del error devoltaje y la curva caracterstica del STATCOM donde lavariable de salida representa el requerimiento entre elvoltaje del sistema y el voltaje del STATCOM.

En la figura 3 se muestra el diagrama de bloques para elsistema de control de fase.

En la mayora de los artculos en aos recientes, han sidoutilizadas tcnicas de control lineal para modelar losSTATCOM y consecuentemente para disear sus

Figura 2. Configuracin bsica de un control difuso.

Figura 3. Diagrama de bloques del sistema de control.

controladores. En tales aproximaciones el sistema deecuaciones es lineal y se sintonizan los controladores

basados en un modelo linealizado.

El control difuso por lo tanto puede ser una buenasolucin debido a su buena capacidad de desempeo enmodelos no lineales y a su estructura, que aunquesofisticada puede llegar a ser mucho ms fcil deimplementar que muchos otros tipos de estrategias de

control basadas en modelos no lineales.4. IMPLEMENTACIN DEL CONTROL DIFUSOPARA UN EL STATCOM

El paquete de simulacin PSCAD/EMTDC brinda alusuario la posibilidad de crear nuevas componentes,introduciendo su propia pieza de cdigo en el algoritmodel programa principal [6]. En muchos casos, este cdigorepresenta modelos de componentes las cuales sondiseadas y creadas dependiendo de las necesidades delusuario y que no se encuentran disponibles en la librera

principal.

En este caso, el control difuso se implemento creandouna nueva componente dentro del PSCAD/EMTDC paratal fin. Esta nueva componente representa el modelo delcontrol difuso y su cdigo est escrito en unacombinacin de lenguaje standard de fortran y PSCADscript.

Se definen como variables de entrada del control difusoel error de voltaje () y la derivada del error () y comovariable de salida (u) el ngulo , que representa el


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desfase entre el voltaje del sistema y el voltaje de salidadel STATCOM.

Ref puV V= (1)

Se establecen los valores mximos de operacin y entreestos rangos se establecen los lmites de los universos de

discurso de cada variable.

[ ] ,Universo de discurso de rme rme= + (2)

[ ] ,Universo de discurso de rmde rmde = + (3)

[ ] ,Universo de discurso de u rmu rmu= + (4)

Cada variable de entrada y salida es descompuesta en ungrupo de trminos difusos, donde cada uno de ellosrepresenta un conjunto difuso en el universo de discursode la variable. En este caso cada variable esdescompuesta en tres conjuntos difusos cada una:

NG = Negativo GrandeS = PequeoPG = Positivo Grande

4.1 Fuzificacin

Las seales de entrada al fuzificador se adecuan primeroa travs de las constantes Ke y Kde. Estas constantes

permiten la normalizacin de los universos de discurso deestas variables dentro del intervalo [-1, 1]. Al sernormalizados los valores de entrada en este intervalo, laseal entregada posteriormente por el defuzificadortambin ser una seal con valores normalizados, por lo

tanto es necesario adecuarla a un valor no normalizadoantes de ser entregada como seal de control a la planta.Esto se hace multiplicando la seal de controlnormalizada por una constante Ku. Los valores inicialesde Ke, Kde y Ku se hallan con los valores de los rangosmximos de las seales de entrada y salida delcontrolador.

En la figura 4 se muestra la implementacin y adecuacindel controlador difuso dentro del ambiente del PSCAD.

Cada valor de entrada del error y la derivada del errorpresenta un grado de pertenencia con dos conjuntosdifusos como se muestra en la figura 5. El fuzificadordebe identificar en todo instante a que conjuntos

pertenece cada valor y cual es su valor de pertenencia(x) [1]. La fuzificacin se efecta por separado paracada una de las variables de entrada.

4.2 Inferencia Difusa

En este caso el mecanismo de inferencia difusa escogidoes de tipo Mamdani [1], por ser uno de los msadecuados y comunes en aplicaciones de sistemas de

Figura 4. Control Difuso implementado dentro del ambiente delPSCAD.

Figura 5. Fuzificacin del error.

control con lgica difusa. Se utiliza el operador min paralos operadores con norma t y max para los operadorescon norma s.

4.3 Base de Reglas Difusas

La base de reglas difusas derivada para esta aplicacin seobtuvo mediante la aplicacin de un mtodo heurstico.Despus de observar y analizar el comportamiento delSTATCOM bajo una accin de control clsico tipo PI sededujo la relacin (de tipo if - then) que deba existirentre las entradas al controlador difuso (e y de) y la sealde control (u). Estas relaciones se resumen en la tabla 1.

NG S PG

PG PG PG PGS S S SNG NG NG NG

Tabla 1. Base de Reglas Difusas.

En la figura 6 se muestra un ejemplo de cmo funciona elsistema de inferencia difusa y la base de reglas para dosvalores de entrada cualquiera, error y la derivada delerror, e0y de0respectivamente.


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Figura 6. Sistema de inferencia difusa para dos valores deentrada cualquiera del error y la derivada del error.

4.4 Defuzificacin

En la etapa de defuzificacin se utiliz el mtodo delcentro de gravedad [1] para obtener el valor de la salidade control no difusa por su eficacia y sencillezcomputacional de los mtodos de defuzificacin. Surepresentacin (y*) est dada por:

* i i

i

S yy

S

=

(5)

Donde Si representa el rea de la salida de control

difusa sugerida por cada una de las metareglas y yi laubicacin de su respectivo centroide.

5. SIMULACIN Y RESULTADOS

A continuacin se muestran los resultados obtenidos delas simulaciones efectuadas bajo el softwarePSCAD/EMTDC V. 3.0.7 para probar la operacin de laestrategia de control propuesta.

El sistema general simulado al cual se encuentraconectado el STATCOM lo conforma una fuente dealimentacin trifsica que opera a 115 kV y 60 Hz la cual

alimenta una carga trifsica balanceada de 88 MVA confactor de potencia 0.906 en adelanto. El STATCOM deseis pulsos es conectado al sistema a travs de untransformador trifsico de 100 MVA, relacin 115 kV 25 kV en configuracin Y - , Xt = 0.1pu y perdidasdespreciables en los devanados. El condensador en ellado DC del circuito inversor tiene un valor de 300 F ylos dispositivos de conmutacin utilizados por el circuitoinversor del STATCOM son GTOs con red snubber de 5ky 0.05 F.

Para probar el sistema bajo condiciones de operacindistintas a la de rgimen permanente se simula un fallotrifsico a tierra en la carga con el cual se hace evidentela necesidad de compensacin de reactivos y de soporteen la regulacin de tensin. Adems tambin se generan

perturbaciones como cambios en la referencia delsistema.

La tabla 2 muestra la secuencia de eventos realizadosdurante la simulacin.

Tiempo Evento0.0 s Inicio de la simulacin0.1 s Partida del STATCOM1.5 s Fallo trifsico a tierra

2.25 s Liberacin del fallo

4.0 sVariacin de la referencia de voltajeen un 10% (0.1 pu) positivo

5.0 s

Variacin de la referencia de voltaje

en un 10% (0.1 pu) negativo, a partirdel valor anterior.6.0 s Fin de la simulacin

Tabla 2. Secuencia de eventos durante la simulacin.

En la figura 7 se observan las caractersticas de losprincipales parmetros en consideracin, como son elvoltaje de alimentacin de la carga y la potencia activa yreactiva suministradas por la fuente durante el fallo sin

presencia del STATCOM.

En esta figura se puede observar el efecto que tiene el

fallo sobre la regulacin de tensin y la compensacin dereactivos.

Se puede observar en el instante del fallo (t =1.5 s) elefecto sobre la regulacin de voltaje con una disminucinconsiderable en el voltaje del barraje de alimentacin de0.78 pu a 0.61 pu, lo cual equivale a un decremento del21.79% en el voltaje, adems tambin se observa como lafuente tiene que aumentar su generacin de potenciaactiva de 0.49 pu a 0.75 pu y reactiva de 0.228 pu a 0.596

pu lo cual equivale a un incremento en reactivos del161.4%.

En la figura 8 se muestra la respuesta obtenida cuando elsistema se encuentra en presencia del STATCOMtrabajando con una accin de control tipo PI.

El tiempo de establecimiento inicial es alcanzado por elsistema en t= 0.7 s aproximadamente sin presencia desobreimpulsos. Al alcanzar el estado estacionario se

puede observar un muy pequeo (0.22%) pero constanterizado. Cuando se presenta el fallo, el tiempo derespuesta


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Figura 7. Respuesta del sistema sin presencia del STATCOM.

Figura 8. Respuesta del sistema siguiendo el voltaje dereferencia bajo una estrategia de control PI.

es de aproximadamente t= 0.56 s con un mximosobreimpulso de 19.68% despus que este se libera. Parala perturbacin presentada como un cambio en el voltajede referencia del 10% el tiempo de respuesta es deaproximadamente t= 0.25 s con un mximo sobreimpulsodel 3.2%.

Para un anlisis del clculo de los parmetros de este tipode control [3, 4, 7].

5.1 Simulacin del sistema en presencia delSTATCOM operando con un control difuso.

Los valores que se utilizaron para las constantes Ke, Kdey Ku son 0.7, 0.5 y 50 respectivamente. Se debe aclararque estos valores no corresponden a valores ptimos,estos se obtuvieron despus de una etapa de sintonizacin

Figura 9. Respuesta del sistema siguiendo el sistema dereferencia cuando el STATCOM opera bajo el control difuso.

sencilla (heurstica) del controlador despus de habersido modelado y puesto en funcionamiento sobre elsistema.

En la figura 9 se muestra la respuesta al seguir el sistemade referencia cuando este es sometido a varias

perturbaciones (tabla 2).

El tiempo de establecimiento inicial es alcanzado por elsistema en t= 0.4 s con un mximo sobreimpulso de5.59% en t = 0.1376 s. La respuesta a diferencia delresultado en la seccin anterior presenta un error deestado estacionario de 0.43% pero con un rizado menos

pronunciado (0.12%). El tiempo de respuesta al fallo esde 0.326 s y de 0.43 s al liberarse, con un sobreimpulsode 28.5% en t = 2.2796 (0.0296 s despus de liberarse el

fallo). Cuando se efecta el cambio en el voltaje dereferencia, el tiempo de respuesta es de 0.27 s con unmximo sobreimpulso de 4.91%.

La caracterstica de potencia activa y reactiva delSTATCOM cuando este opera bajo el control difuso semuestra en la figura 10.

Los valores de la potencia reactiva suministrada por elSTATCOM en estado estacionario, durante el fallo ydurante el cambio en la referencia de voltaje son 115MVar, 285 MVar y 187 MVar respectivamente, lo cualindica que el STATCOM incremento su generacin de

potencia reactiva en un 147.83 % al momento del fallo yen un 62.61% cuando se cambia el voltaje de referenciaen un 10 % (0.1 pu). Los valores de potencia activaoscilan entre 0 MW y 1.6 MW en estado estacionario yentre 1.9 MW y 3.2 MW durante el fallo a fin decompensar las perdidas generadas por su funcionamiento.Sin embargo se presentan cambios bruscos en losmomentos en que ocurren las perturbaciones como se

puede observar con el valor pico de 32.5 MW que seobtiene al liberarse el fallo. Se observo tambin que laoscilacin de


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Figura 10. Caracterstica de Potencias (a) Reactiva, (b) Activasuministradas por el STATCOM.

Figura 11. Relacin de Potencia Reactiva entre la fuente y elSTATCOM.

la potencia reactiva en estado estacionario es menor quecuando el STATCOM trabaja bajo el control PI.

En estado estacionario el valor del ngulo de desfasealpha varia entre 0.49 grados y 0.2 grados, durante elfallo este se incrementa a valores positivos entre 0.63grados y 0.362 grados. Sin tener en cuenta los valoresantes que entre a funcionar el STATCOM (t < 0.1 s),despus de la liberacin del fallo en t = 2.27 s se observael mayor valor para este ngulo correspondiente a 9.52grados.

Se observa tambin como el voltaje VDC quecorresponde al voltaje del condensador en el lado DC delSTATCOM, varia entre 43.38 kV y 44.73 kV en estadoestacionario, 48.63 kV y 52.23 kV durante el fallo y entre48.97 kV y 50.90 kV cuando es aumentada en un 10%(0.1 pu) el voltaje de referencia. El mayor valor quealcanza este voltaje es de 70.40 kV que se observa comoun pico 0.014 s despus que es liberado el fallo.

En la figura 11 se muestra la relacin entre la potenciareactiva suministradas por el STATCOM y por la fuente.

En estado estacionario el valor neto de potencia reactivasuministrados por el STATCOM y la fuente es de 36.5MVar, aproximadamente el valor nominal de potenciareactiva demandada por la carga. Cuando se presenta elfallo este produce un incremento en la demanda de

potencia reactiva del 307.97% y cuando se aumenta en un10% el voltaje de referencia el incremento en la demandade potencia reactiva es de tan solo el 18.34%.

6. CONCLUSIONES

Se observ como el STATCOM en presencia de uncontrol difuso brinda soporte en la regulacin de voltaje yen la compensacin de reactivos, contribuyendo de estaforma a mejorar el comportamiento dinmico del sistemade potencia dentro del cual se encuentre.

En los resultados obtenidos, el control difuso provee una

respuesta satisfactoria, rpida y estable para el sistemacuando este se somete diferentes perturbaciones.

Los resultados obtenidos muestran la eficiencia, validez yrobustez del mtodo de control propuesto en esteartculo.

7. BIBLIOGRAFA

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