Modelación del TCSC en ATP-EMTP

MODELACIÓN DEL CAPACITOR SERIE CONTROLADO POR TIRISTORES (TCSC) EN ATP-EMTP

José H. Vivas, Julie Zambrano

jhvivas@usb.ve

Departamento de Conversión y Transporte de Energía, Universidad Simón Bolívar, Apartado postal 89000, Caracas 1080, Venezuela.

Resumen—— En este artículo se

describe el funcionamiento básico del

Capacitor serie controlado por

tiristores (TCSC por sus iniciales en

inglés) y su implementación digital en

el programa de gran aceptación

mundial ATP-EMTP, así como también

su respuesta ante condiciones de falla

en sistemas de potencia. Para ello es

necesario describir los fundamentos y

modos básicos de operación del TCSC

además del esquema de control

implementado en la simulación. Los

resultados obtenidos muestran la

efectividad del TCSC en la reducción

dinámica de las corrientes de falla en

sistemas de transmisión

Palabras Claves: FACTS, ATP-EMTP,

TCR, TCSC.

I. INTRODUCCIÓN

La nueva tecnología basada en

semiconductores llamada FACTS

(Flexible AC Transmission Systems)

ofrece mayor control y mejor

aprovechamiento de los sistemas de

transmisión ya que es capaz de elevar

el flujo de potencia transferible por las

líneas sin necesidad de instalar

nuevas redes, de forma rápida y

eficiente, mejorando incluso la

estabilidad del sistema (1).

El TCSC es un dispositivo FACTS y

surge como consecuencia a la

necesidad de disminuir la impedancia

serie de la línea para transmitir mayor

1

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

potencia. Circuitalmente corresponde

a un capacitor de compensación

convencional serie al que se le han

incorporado elementos de electrónica

de potencia, lo que hace posible variar

su reactancia de forma continua.

II. FUNCIONAMIENTO DEL TCSC Y MODOS OPERATIVOS

El TCSC consiste básicamente en un

capacitor de valor fijo en paralelo con

un inductor controlado por tiristores

(TCR) como se muestra en la figura 1.

Tiene cuatro modos operativos que se

ajustan según las necesidades de la

red: a) inductivo, en este caso la

impedancia equivalente del TCSC es

inductiva permitiendo una reducción de

la corriente que circula por la línea, b)

capacitivo, es el más usado ya que la

impedancia equivalente del TCSC es

capacitiva logrando un aumento de la

corriente por la línea; finalmente los

modos c) By-pass y d) bloqueo que

son los puntos limites donde la

impedancia es respectivamente

inductiva o capacitiva pura.

La diferencia entre los modos

operativos depende fundamentalmente

de cual es el parámetro dominante del

TCSC.

Sistema de Control

C

L

Pulso 1Pulso 2

Ilínea

Figura 1. Modelo por fase del TCSC a conectarse en serie con la línea de transmisión

La impedancia equivalente del TCSC

puede expresarse como:

Xt(α) = XL Xc (1)

Xc (2(π - α) + sen 2α) - XL π

donde α corresponde al ángulo o pulso

de disparo que se le da al TCR, XL y

XC a las impedancias inductiva y

capacitiva que conforman el

dispositivo.

2

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

Para proteger al capacitor de los

sobrevoltajes causados por fallas es

necesario colocarle en paralelo un

descargador de sobretensiones.

Adicionalmente para disminuir los

efectos de la conmutación de los

tiristores se colocan circuitos Snubbers

que además amortiguan las

oscilaciones numéricas.

III. IMPLEMENTACIÓN DIGITAL EN

ATP-EMTP

Para ajustar la impedancia del TCSC

es necesario medir la componente

fundamental de la corriente de línea,

tanto para generar el pulso de disparo

α como para sincronizar está último

con el sistema de control. Se utilizó

para este fin un PLL (Phase Locked

Loop) cuyo modelo está descrito en

(2).

Por otro lado, se utilizará un esquema

de control para mantener la corriente

constante debido a la simplicidad de

su implementación. Este esquema

consta de un controlador PI que

amortigua las oscilaciones e integra el

error de entrada del proceso,

generando una salida proporcional a la

admitancia del dispositivo, que a su

vez depende del valor del ángulo de

disparo α necesario para activar los

tiristores.

Para generar el pulso de disparo se

contabilizan los cruces por cero de la

señal de referencia, sincronizando el

ángulo de disparo α con la corriente

por la línea (3). El modelo completo del

TCSC se muestra en la figura 2.

S is te m a d e c o n tro l

C

L

Ilín e a

P L L G e n e ra c ió nd e p u ls o s

M O V

S n u b b b e r

P I

L in e a liz a c io n

+ /-Ire f

Figura 2. Modelo completo del TCSC por fase, incluyendo sistemas de control y protección

3

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

IV. SIMULACIÓN DEL MODELO

El sistema descrito en (4) se muestra

en la figura 3 y fue modelado en ATP-

EMTP para comprobar la respuesta

del TCSC ante fallas monofásicas.

1 2 3

4

230kV, 100km30km

30km 30km

S2 S3

S4

TCSC

Figura 3. Sistema de transmisión simulado (4)

TCSC como limitador de corriente

El TCSC puede ser utilizado para

minimizar los efectos del corto circuito,

ya que es un dispositivo capaz de

tener una impedancia pequeña

durante la operación normal y alta

impedancia durante condiciones de

falla.

Ajustando el detector de

sobrecorriente del control a una

amplitud de 2000 A se simuló una falla

trifásica sólida a tierra en la barra 2 en

t = 30ms con el TCSC fuera de

servicio y operando como limitador (es

decir de forma tal que se agrega toda

la impedancia inductiva del mismo a la

de la línea). Los resultados de la fase

A se muestra en la figura 4.

0 0.05 0.1 0.15 0.2-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

tiempo (seg)

Cor

rient

e fa

se A

(A

)

sin TCSCcon TCSC

Figura 4. Corriente de falla de la fase A

Para todas las fases de la línea de

transmisión se pudo apreciar una

disminución efectiva de la corriente de

falla (44, 48 y 46% respectivamente)

Es necesario aclarar que aunque se

logra una importante reducción de las

corrientes de falla en régimen

estacionario, los máximos picos no son

necesariamente disminuidos en todas

las fases, pues estos dependen

4

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

exclusivamente del instante de

aplicación de falla.

Operación del TCSC ante fallas

Para verificar el comportamiento del

TCSC ante condiciones de desbalance

se agrego una línea de transmisión de

idénticas características a la existente

entre las barras 1 y 2. Seguidamente

se simularon dos pruebas: a) una falla

monofásica al final de la línea con el

TCSC en la fase A en 1,4seg con

despeje y reconexión monofásica y b)

el mismo caso pero con despeje y

reconexión trifásica, A continuación se

presentan los resultados:

a) Falla monofásica al final de línea

con TCSC en servicio despeje y

reconexión monofásica: Al detectar la

falla en la fase A el TCSC actúa como

limitador, mientras que en las otras 2

fases el sistema de control ajusta la

impedancia con el fin de mantener la

corriente en 182 A (condición prefalla).

La corriente de la fase fallada con

TCSC ante despeje y reconexión

monofásica se muestra en la figura 5.

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

tiempo (seg)C

orrie

nte

de la

fase

A (

A)

Figura 5. Corriente en la línea del TCSC en la fase fallada despeje y reconexión monofásica

Al desconectar la línea con el TCSC la

línea en paralelo suple toda la carga y

su corriente aumenta, tal como puede

apreciarse en la figura 6.

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

tiempo (seg)

Cor

rient

e (A

)

Figura 6. Corriente en la línea en paralelo.

b) Despeje y reconexión trifásica: Al

hacer la maniobra de despeje y

reconexión trifásica, el tiempo que

5

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

tarda la corriente en estabilizarse es

mayor que cuando es monofásica, al

igual que su magnitud ya que la

impedancia del TCSC tarda mas en

ajustarse debido a que la maniobra de

despeje y posterior reconexión trifásica

involucra mayores cantidades de

energía asociadas. En la figura 7

puede verse la respuesta del TCSC

ante esta condición

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

tiempo (seg)

Cor

rient

e (A

)

Figura 7. Corriente en la línea del TCSC en la fase fallada despeje y reconexión trifásica

De igual manera la línea en paralelo

debe suplir toda la potencia que

requiere la carga tal como se muestra

en la figura 8.

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

tiempo (seg)

Cor

rient

e (A

)

Figura 8. Corriente en la línea en paralelo.

V. CONCLUSIONES

De las simulaciones realizadas puede

verse que el TCSC no mantiene la

corriente constante en condiciones de

falla en sistemas de transmisión

porque para ello es necesaria una

impedancia que no necesariamente

puede alcanzar (depende de sus

parámetros de diseño y condición

prefalla), sin embargo puede disminuir

considerablemente el valor de régimen

estacionario de la corriente de falla.

Finalmente puede decirse que la

instalación del TCSC en líneas de

transmisión además de ofrecer la

posibilidad de controlar el flujo de

6

Modelación del TCSC en ATP-EMTP

potencia es capaz de minimizar los

efectos producidos por las fallas.

VI. BIBLIOGRAFÍA

(1) Narain G. Hingorani, et al.

“Understanding FACTS: Concepts and

Technology of Flexible AC

Transmission Systems”, IEEE Press

and John Wiley & Sons, 2000.

(2) Karimi-Ghatermani, et al. “A

nonlinear adaptative filter for online

signal analysis in power systems:

Applications”, IEEE Transactions on

Power Delivery, vol.17, N 2, April 2002.

Pp 617-623.

(3) Mohan, Ned; et al. “Power

Electronics: applications and desing”.

2da Edición, New York, Wiley 1995.

(4) A. R. M. Tenorio, et al. “Investigation of TCSC as a fault

current limiter”, IPST´97. International

Conference on Power Systems

Transients. Seattle, June 22-26, 1997

7