CAP4FACTSB

Prof. Domingo Ruiz Caballero

4.4.1 – Introducción

Es un controlador universal, capaz de controlar simultáneamente el flujo de potencia de una líneade transmisión y la tensión C.A de una barra.El UPFC es un dispositivo que realiza funciones de compensación, dentro de la nueva concepciónde sistemas FACTS, ofreciendo alternativas para el control de sistemas de potencia hasta ahoraimposibles de ser realizadas con el uso de equipos tradicionales.Esto hace que el UPFC sea el más versátil de los dispositivos FACTS.

Capítulo 4Controladores FACTS: Basados en Fuentes de Tensión Sintéticas

4.4 – Controlador de Flujo de Potencia Unificado


4.4.2 – Principio de Funcionamiento

Para entender las capacidades del UPFC,considere el esquema de compensacióngeneralizado mostrado por la Fig. 4.29(a).Asumiendo que la tensión inyectada enserie (VUPFC) con la línea puede sercontrolada sin restricciones, es decir elángulo de fase de la tensión, puede serescogido independientemente del de lacorriente de línea entre 0 y 2 , y sumagnitud es variable entre cero y un valormáximo definido (VUPFCmax).Esto implica que la tensión VUPFCgeneralmente intercambie tanto potenciaactiva como reactiva con la línea detransmisión.

VS

X

VR

+-

+

- Intercambio dePotencia activa

UPFCV IVXef

VSef

+ -

(a)

(b)

VRVSVUPFC

VXef

ef

VX

VSef

I

Fig. 4.29




Como fue explicado en secciones anteriores tanto el STATCOM como el SSSC puedeninternamente generar o absorber potencia reactiva, pero la potencia activa a serintercambiada con la línea debe ser suministrada o absorbida desde sus lados CC.Sin embargo, al final la fuente que entrega la energía por definición es el generador delextremo emisor, de esta forma es razonable estipular que toda la potencia activa que seintercambia con la línea de transmisión en el UPFC, para tener un flujo de potencia deseado,proviene del generador.Esta estipulación es indicada simbólicamente en la Fig. 4.29(a) mostrando un “acoplamiento”bidireccional de flujo de potencia activa entre el extremo emisor y el UPFC.



Fig. 4.30

Una posible implementación práctica de este acoplamiento es un arreglo “Back to Back” entre los controladoresSTATCOM y el SSSC, como muestra la Fig. 4.30, en el cual el STATCOM suministra la potencia activa (desde labarra de generación) y el SSSC la intercambia con la línea.Este arreglo de controladores de flujo de potencia es autosuficiente para generar la tensión serie (VUPFC) norestringidas y conceptualizadas en la Fig. 4.29.


SSSCSTATCOM

C

UPFCV

+-

Lc

LcLc

Linea de transmisión

Lc

LcLc

ControlVkrefVdcrefPlrefQlref

Vdc

Vk k Vm m P + jQl lVl l

Vk kVl l

Ik kIl l + -

Ish sh

msemsh

ViseVish

ase

ash3

3

3

Vdc




4.4.3 - Funciones del UPFCDesde el punto de vista de transmisión depotencia, el UPFC puede proveer múltiplesfunciones de control.Adicionando un fasor de tensión VUPFC con unamagnitud apropiada V, y un ángulo de fase, ,respecto del fasor VS.Como muestra la Fig. 4.31, con la elecciónapropiada del fasor VUPFC, las tres funciones delcontrol de flujo y sus combinaciones pueden serefectuadas:

a) Regulación de la tensión terminal, similar alo obtenible con un transformador en derivaciónque tiene infinitas derivaciones (taps), esto esmostrado por la Fig. 4.31a donde VUPFC= Ves adicionado en fase (ó antifase) con VS.b) Compensación serie reactiva, mostrada enla Fig. 4.31b, donde VUPFC = ±Vc es adicionadoen cuadratura con la corriente de línea I.c) Desplazamiento de fase (regulación ángulode transmisión), mostrado en la Fig. 4.31c,donde VUPFC = ±V , es adicionado con unarelación angular respecto VS que logra eldeseado desplazamiento de fase ( , en adelantoo atraso) sin cualquier cambio en magnitud.Fig. 4.31

VS

VS -V c

-Vc

+Vc

VS +Vc

I

VS

-V +V

VS

VS V

VS V

(a) (b)

(c) (d)

VS

+V

+ VUPFCVS

V UPFC

VVc

I




d) Control de flujo de potencia multifunción, obtenida por una ejecución simultanea deregulación de tensión de terminal, compensación reactiva serie y regulación del ángulo dedesplazamiento, tal como se muestra en la Fig. 4.31d donde: VUPFC = V + V + Vc.

La capacidad funcional es ilustrada por la Fig. 4.32, donde se muestra el rango de control para lapotencia transmitida P v/s , además muestra como el UPFC (de 0,5 p.u Mva de rango) esoperado para emular a un inductor o condensador serie (VUPFC = Vc), a un desfasador (VUPFC =V ) y a un controlador multifunción (VUPFC ) maximizando el rango de control para P.Esta figura también da una comparación de la efectividad relativa para el flujo de potencia entreel UPFC y sus contrapartes controladores de flujo de potencia convencionales, el desfasador y elcompensador reactivo serie (TCSC).Debido a la inherente capacidad de control bidimensional (manifestado por la independencia paracontrolar tanto magnitud como ángulo de fase de la tensión adicionada), implica que el UPFC escapaz de controlar directamente tanto el flujo de potencia activa o la reactiva en la línea.Resumiendo, el UPFC simplemente controla la magnitud y fase de la tensión inyectada, dellado SSSC, forzando la magnitud y el ángulo de la corriente de línea en relación a latensión seleccionada (ej. Extremo receptor), a valores con lo cual establece el flujo depotencia activa y reactiva en la línea de transmisión.




Fig. 4.32

VS

X

VRVSef

+-

+

-UPFC

UPFCV

I

= V +VS UPFC

P Q

(3)

(1)

(4)(2)

P

(1) No compensado(2) TCSC (0-50%)(3) Desfasador (+/- 30o)(4) UPFC (0,5 pu) mostrando los limites superior e inferior.




4.4.4 - Análisis cualitativo del UPFC

De modo que la capacidad de controlar tanto potencia activa como reactiva del UPFC seaentendida se realiza el siguiente análisis; se obtiene la gráfica de la potencia reactiva Q, delextremo receptor, en función de la potencia activa P para un sistema simple de dos máquinascon P y Q normalizados por V2/X que es la potencia máxima transmitida.Para un sistema no compensado, P y Q normalizados son:

La ecuación anterior muestra que Q= f(P) para el sistema no compensado describe un circulocon radio unitario, alrededor del centro definido por las coordenadas Po=0, Qo=-1, mostrado por lalínea llena azul en la Fig. 4.33.Cada punto dado por la coordenadas P y Q sobre esta circunferencia corresponde a un ángulode transmisión en particular, (ej. Las coordenadas P=0, Q=0 corresponden a =0, lascoordenadas P=1, Q=-1 corresponden a =90 etc.) el cual identifica el punto de compensación departida del UPFC.

senP

cos1Q

(2.41)

(2.42)

Y,

o,cos1 Q (2.43)

Con esto puede ser obtenido, Q = f(P), siendo:

11 22 PQ (2.44)




Asumiendo que el ángulo de transmisiónque prevalece en la Fig. 4.33 es de 30o.Entonces, la rotación completa (360o) delfasor de compensación VUPFC, con magnitudmáxima VUPFC (=0.5pu), describirá un circuloen el plano {Q,P}, en la figura mostradosombreado, con radio de 0.5 alrededor desu centro definido por las coordenadasP30=0.5 y Q30= -0.134, al cual caracteriza unsistema no compensado en = 30o

El área dentro de este circulo define todoslos valores P y Q obtenibles controlandomagnitud y fase de VUPFC. En otraspalabras este circulo define el lugargeométrico de todos los valores de P y Qde transmisión alcanzables con el rangodado del UPFC para el sistema depotencia considerado.

Fig. 4.33

P

Q

Pmin PmaxV =0UPFC

Región Controlable

Fasor de potencia aparente

SUPFC




Fig. 4.34

Rsh+ jXsh

m V

+

-

dc

Vdc

C

Rse+ jXse

Vk k Vm mP + jQk k

P + jQm mVl l

Rl+ jXl

Ik k

++

--

shm Vdcse

Control del UPFC

VdcrefPlref Qlref Vkref Vk k Vl l Vdc

3

Rc

msemsh

VUPFC´

I sh

I l

I l,P + jQsh sh P + jQse se

4.4.5 - Control del UPFC

Tal como muestra la Fig. 4.30 el UPFC puede ser visualizado como un STATCOM y un SSSC compartiendo elmismo lado CC. Por lo tanto el correspondiente modelo debe reflejar esto como muestra la Fig. 4.34.




Asumiendo tensiones en la frecuencia fundamental el controlador es representado paraestabilidad transitoria por las siguientes ecuaciones:

(2.45)dc

2,lse

dc

2shsh

dcc

lmdc

lmshk

dc

shkdc

VI

CR

VI

CRV

CG)cos(

CVIV)cos(

CVIVV

0

cos

cos

sincos

2

2

kshkdcshkshkdcshshksh

kshkdcshkshkdcshshksh

shkshksh

shkshksh

senGVVmBVVmBVQ

senBVVmGVVmGVP

IVQIVP

(2.46)




Observando que estas ecuaciones son básicamente una combinación de las ecuacionesdadas para el STATCOM y el SSSC.La principal diferencia está en las ecuaciones que representan la interconexión física entreel STATCOM y el SSSC (lado CC).

(2.47)0

sincos

coscoscos

cos

cos

sincos

sincos

´´2

´´2

kkkkk

kkkkk

llshshkk

llshshkk

seupfcdcseseupfcdcsesese

seupfcdcseseupfcdcsesese

seshlk

seshlk

lmshml

lmlml

lklkshk

lklkshk

IVQIVP

senIsenIsenIIII

senGVVmBVVmBVQ

senBVVmGVVmGVP

QQQQPPPP

IVQIVP

IVQQIVPP



Fig. 4.35

Los diagramas de los bloques compensadores para elUPFC son mostrados por la Fig. 4.35 y la Fig. 4.36donde el controlador para la parte shunt es básicamenteel mismo descrito para el STATCOM (Fig. 4.30).

En el caso del controlador serie, es un controlador P-Qbasado en una descomposición de ejes d-q paradesacoplar las potencias activa y reactiva de losinversores. Sin embargo una estrategia de control decorriente como el dado para el SSSC podría también serusado.

VK

+-

Vkref

KMac

1+STMac n max

n min

SKIacK +pac n

Vdc

+-

Vdcref

KMdc

1+STMdcVdcmax

Vdcmin

SKIdcK +ldc




El control básico de la rama serie del UPFC es en relación a la tensión de la barra ‘l ’,donde todaslas variables están dadas en pu, y b es la frecuencia fundamental del sistema dado en rad./seg.Las variables x1 y x2 de los PI son usadas para calcular las componentes en los ejes d y q de lastensiones de salida del STATCOM.

Donde:

Fig. 4.36

+-

Plref

SKIK +p+

-+

- ++

+-Q lref

SKIK +p+

- ++

+-

S1+ K

S1+ K

b

b

2

2

b

b

MODELO DEL CONVERTIDOR

Vld

Vld

Ild

Ildref

X1

X2

Ild

I lqIlq

Ilqref

T

BT

XR

K

selT RRR

selT XXX

lld VV 2

klkkq

klkkd

senVV

VV

2

cos2

1xXVVVB

Tldkdsed

2xXVVVB

Tlqkqseq

seqsedse VVV 22

21

dc

sese V

Vm

sed

seql V

V1tan




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