DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA …

DIMENSIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS (SVC) PARA

UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC

Presentado por

CAMILO SUÁREZ RIVILLAS

Proyecto de Grado para optar por el título de:

INGENIERO ELÉCTRICO

Director

MARIO ALBERTO RIOS M.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INYENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

BOGOTA, D.C.

2013

DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013

A mi hijo, mi hombre Juan Camilo, mis padres, a mi hermano y mi Lupe.

Por ser siempre una inspiración.

3 INTRODUCCIÓN

RESUMEN

Considerando los avances tecnológicos y el crecimiento poblacional junto con los sistemas de

potencia y las industrias a nivel mundial, la electrónica de potencia así como el crecimiento de

la demanda de energía eléctrica y las posibles dificultades que pueda enfrentar la prestación

del servicio, como son los introducidos por la operación de hornos de arco eléctrico conectado

a los sistemas eléctricos este trabajo tiene como objetivo desarrollar un estudio sobre los

inconvenientes que puede causar la operación de dichos equipos en cuanto a calidad de la

potencia se refiere, y su posible solución haciendo uso de tecnologías desarrolladas en las

últimas décadas, como son los sistemas flexibles de transmisión en corriente alterna, FACTS, y

más específicamente el compensador estático de reactivos SVC.

DIMENSIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS (SVC) PARA UNA CARGA

HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC, es el trabajo de proyecto de grado desarrollado

por Camilo Suarez Rivillas y asesorado por el Dr. Mario Alberto Ríos Mesías, profesor asociado

del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes, en

Bogotá.

Es un trabajo que se realiza con el fin de entender el funcionamiento de los hornos de arco

eléctrico, utilizados hoy en más de la mitad del acero que se fabrica, y los dispositivos FACTS,

como una unión entre la electrónica de potencia y los avances en semiconductores de los

últimos tiempos, constituye además una investigación con fines aplicativos a la industria

nacional y el sistema eléctrico colombiano en términos técnicos y económicos.

Los objetivos del estudio son modelar el horno de arco en un software de Sistemas Eléctricos de

Potencia, como es PSCAD, consiguiendo las características eléctricas de esta carga variante en

el tiempo para modelar los problemas que pueda introducir a la red, esta carga se conectara a

un sistema de potencia basado en el artículo Advanced applications of FACTS in industrial

distribution systems in Middle Europe (Svec, Tlusty, Muller, & Santarius, 2012) donde se observa

la aplicación de un acondicionador de Calidad de potencia unificado (Unified Power Quality

conditioner, UPQC) y su comparación con el desempeño de un SVC para aliviar los problemas


de calidad de potencia que introduce el arco en el sistema eléctrico. Finalmente se pretende

dimensionar y realizar el diseño básico de un compensador estático de reactivos con el mismo

fin y validar su funcionamiento mediante simulaciones utilizando PSCAD.

Se obtuvo un modelo completo de un sistema eléctrico de potencia con la carga horno de arco

conectada, y datos que dieron paso a un análisis a conciencia del efecto y las soluciones

alrededor de este en la industria metalúrgica, así como el impacto económico que pudiera

significar la utilización de dispositivos FACTS, más específicamente el SVC en un sistema de

potencia o para la industria que opere el horno de arco.

5 INTRODUCCIÓN

Contenidos

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 10

1.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO .................................................................................................................... 11

1.2. DISPOSITIVOS FACTS ................................................................................................................................. 12

1.2.1 COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS/STATIC VAR COMPENSATOR (SVC) ........................................ 13

2. OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 14

2.1. GENERAL ................................................................................................................................................... 14

2.2. ESPECIFICOS .............................................................................................................................................. 14

2.3. ALCANCE Y PRODUCTOS FINALES ............................................................................................................. 14

3. HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA ........................................... 15

3.1. PARPADEOS DE VOLTAGE ......................................................................................................................... 16

3.2. ARMÓNICOS ............................................................................................................................................. 16

4. COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA .............................................................................. 17

4.1. REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES (TCR) ....................................................................................... 18

4.2. CONDENSADOR CONMUTADO POR TIRISTORES (TSC) ............................................................................. 18

4.3. FILTROS ARMONICOS EN DERIVACIÓN ..................................................................................................... 19

5. CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD .......................................................................................... 19

5.1. FACTOR DE POTENCIA ............................................................................................................................... 19

5.2. THD ........................................................................................................................................................... 21

6. METODOLOGIA ........................................................................................................................................... 22

7. EXPERIENCIAS ANTERIORES ........................................................................................................................ 24

7.1. CASCADE STEEL, MCMINNIVILLE, OREGON, USA. 2002 ............................................................................. 24

7.1.2 RESULTADOS OBTENIDOS ......................................................................................................................... 25

7.2. MARCIAL UCIN´S, ACIÉRIE DE L´ATLANTIQUE (ADA), BAYONNE, FRANCIA ................................................ 25

7.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS ......................................................................................................................... 26

8. SISTEMA DE POTENCIA ............................................................................................................................... 26

9. ESTUDIOS EN PSCAD ................................................................................................................................... 28

9.1. MODELO DEL HORNO DE ARCO ................................................................................................................ 30

9.2. SISTEMA CON EL HORNO DE ARCO EN FUNCIONAMIENTO ...................................................................... 31


10. SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA ............................................................ 34

10.1. OPCION 1 – TCR+FILTROS(2) ..................................................................................................................... 34

10.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP1 ........................................... 34

10.2. OPCIÓN 2 – TCR+FILTROS(3) ..................................................................................................................... 36


10.3. OPCION 3 – TSC+FILTROS .......................................................................................................................... 42


10.4. COMPARACION DE LAS TRES OPCIONES ................................................................................................... 48

9.4.1 ANÁLISIS ECONOMICO DE LAS OPCIONES ................................................................................................. 49

11. CONCLUSIONES........................................................................................................................................... 50

12. AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................................... 51

13. REFERENCIAS .............................................................................................................................................. 51

7 INTRODUCCIÓN

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Magnitud de armónicos de corriente de horno de arco. Se aprecian 2°, 3°, 4° y 5°

armónicos...................................................................................................................................... 16

Figura 2: Configuración a) TCR/Filtros. y b) TCR/TSC/Filtros ....................................................... 19

Figura 3: Triangulo de potencia .................................................................................................... 20

Figura 4 Modelo de horno de Arco Eléctrico de Dan Kell para PSCAD. ........................................ 22

Figura 5: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Oregon, USA .................................................... 24

Figura 6: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Francia ............................................................. 25

Figura 7: Diagrama Unifilar del sistema de Potencia de referencia para el estudio. ................... 27

Figura 8: Sistema de potencia con carga de horno de arco modelado en PSCAD ....................... 28

Figura 9: Curva V-I del modelo de horno de arco. ........................................................................ 30

Figura 10: Corriente, voltaje y resistencia del horno de arco. ...................................................... 31

Figura 11 : a) Ondas de voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del EAF; b) Voltaje

en mpA y mpB en la operación del EAF. Onda completamente distorsionada............................ 32

Figura 12: Factor de potencia y su variación con la entrada en operación del EAF, y sus

respectivas mediciones. ................................................................................................................ 33

Figura 13: Potencias Activa y reactiva en el horno de arco y en el bus mpB ............................... 33

Figura 14: Potencia activa y reactiva en los buses mpA y mpB, asi como la medición de la

potencia activa y reactiva en el arco y el bus mpA(PCC). ............................................................. 33

Figura 15: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opcion1. ................. 35

Figura 16: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la

operación del mismo y posterior corrección con el SVC. ............................................................. 35

Figura 17: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del

horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC. ........................................ 36

Figura 18: Diagrama unifilar configuración de la opción2 ............................................................ 38

Figura 19: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA .............................................. 39

Figura 20: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco en operación. a) Sin SVC en

funcionamiento y b) Filtrada y con SVC en funcionamiento. ....................................................... 40


Figura 21: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la

operación del mismo y posterior corrección con el SVC. ............................................................. 41

Figura 22: Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del

15% en la potencia activa del horno. ............................................................................................ 41

Figura 23: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del

horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC. ........................................ 42

Figura 24: Ondas de voltaje en los buses mpA y mpB antes y durante la operación del horno con

y sin SVC ........................................................................................................................................ 43

Figura 25: Ondas de voltaje en los nodos mpA y mpB, EAF y SVC apagados. .............................. 44

Figura 26: Ondas de voltaje con arco en operación y SVC apagado............................................. 44

Figura 27: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco y SVC en operación. .................. 45

Figura 28: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opción3. ................. 45

Figura 29. Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del

18% en la potencia activa del horno. ............................................................................................ 46

Figura 30: Factor de potencia de los buses mpA, mpB y generador con corrección en el instante

1.0s. ............................................................................................................................................... 47

Figura 31: Voltajes p.u. en lo buses mpA, mpB y generador con leve mejoría al entrar el SVC en

acción. ........................................................................................................................................... 47

9 INTRODUCCIÓN

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: SVC instalados y en funcionamiento por parte de Siemens ........................................... 18

Tabla 2: Valores Máximos permitidos de distorsión armónica para corriente. ........................... 21

Tabla 3: Configuración final del SVC instalado ............................................................................. 24

Tabla 4: Operación con SVC en Oregon, USA ............................................................................... 25

Tabla 5: Operación con SVC en Francia ........................................................................................ 26

Tabla 6: Nombres de variables utilizadas en modelo, mediciones y simulaciones del sistema... 29

Tabla 7: Diferentes momentos característicos en la simulación. ................................................. 29

Tabla 8: Descripción del SVC ......................................................................................................... 34

Tabla 9: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la Opción1. ............ 34

Tabla 10: Descripción del SVC ....................................................................................................... 37

Tabla 11: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción2 ............ 37

Tabla 12: Magnitudes y THDi par el bus mpA en los amónicos del 2º al 13º. .............................. 39

Tabla 13: Descripción del SVC ....................................................................................................... 42

Tabla 14: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción3 ............ 46

Tabla 15: Magnitud de corrientes armónicas para cada una de las opciones. ............................ 48

Tabla 16: Comparación de costos de instalación.......................................................................... 49


1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de las poblaciones y su crecimiento alrededor del mundo se ve reflejado en el

crecimiento de la demanda de energía eléctrica para llevar a cabo distintas tareas que están

inmersas en la vida diaria de los grupos poblacionales, así como esto conlleva a un crecimiento

en la industria, los bienes y servicios y el crecimiento de las ciudades, como resultado del

proceso de la vida misma. Es por esto que los sistemas de generación, transmisión y

distribución crecen de la misma manera como los seres humanos necesitamos utilizar la energía

eléctrica. Esto trae como resultado aumento en la capacidad, seguridad y confiabilidad que los

sistemas antes mencionados requieren, por lo que se hace uso de diversas tecnologías para

proporcionar el servicio de electricidad con las características antes mencionadas. (Rivera,

2008)

Este crecimiento en la demanda de energía eléctrica, se traduce entonces en la expansión de

los sistemas de potencia alrededor del mundo, buscando siempre satisfacer esa demanda con

la seguridad y confiabilidad requerida a costos que hagan rentable el gran negocio de la

electricidad pudiendo beneficiar a todos sus actores, incluyendo el usuario final, bien sea

residencial, comercial o industrial, sin embargo ante estos planes de expansión se observan

obstáculos que podrían frustrarlos, como son los aspectos medio ambientales, la utilización de

terrenos, pago de servidumbres, regulaciones y tristemente el terrorismo y la violencia. Dando

como resultado la necesidad de optimización de los sistemas existentes, donde muchas veces

se encuentran corredores sobrecargados y en contraposición líneas que están siendo operadas

debajo de su capacidad real.

De la mano de la expansión de las poblaciones y el crecimiento en la demanda crecen las

industrias estrechamente relacionadas con la expansión de los sistemas de energía. Dado el

crecimiento de la industria minero energética en el país y la idea de hacer cada vez el sistema

más seguro y mucho más eficiente, se observa la necesidad de la utilización de dispositivos

Flexible AC Transmisión Systems (FACTS) con el ánimo de tener una mayor confiabilidad y

calidad de la potencia.

11 INTRODUCCIÓN

Dentro de este tipo de industrias se encuentra la metalúrgica, una de gran importancia a nivel

mundial, en esta industria es muy común la utilización de Hornos de arco (EAF por sus siglas en

ingles), un dispositivo que debido a su operación da como resultado fluctuaciones en el voltaje

conllevando a un fenómeno conocido como parpadeo o flicker. La utilización de SVC (Static Var

Compensator) en este tipo de industria se hace cada vez más necesario, así como la ubicación

estratégica de los mismos en algunas áreas del país para permitir cumplir los requerimientos de

energía reactiva en algunas zonas del país.

1.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO

El horno de Arco eléctrico, Electric Arc Furnace (EAF) en inglés, es un equipo que utiliza el arco

voltaico descubierto por el químico británico Humphry Davy para generar una descarga

eléctrica continua, generando luz e intenso calor, dicha descarga se genera entre dos

electrodos dentro de una atmosfera de gas a baja presión o al aire libre. (Yañez , 2012) Desde

hace tres a cuatro décadas el uso de hornos de arco eléctrico para la producción de acero ha

crecido a gran escala, hoy en día se acerca a estar en uso en el 50% del acero producido. Esta

tendencia se da gracias a dos razones principales, la primera de ellas es el bajo costo de capital

en la compra del Horno de arco, y su consumo de energía menor frente a otros procedimientos

utilizados para la fundición del acero. (Jones, 1997)

Existen hornos de arco en un rango que va desde pequeños hornos con capacidad para una

tonelada aproximadamente, utilizados en la producción de hierro fundido, hasta hornos de 400

toneladas, utilizados en la fabricación del acero, donde una sola industria puede operar entre

uno y cinco hornos aproximadamente. Dichos hornos pueden ser de corriente alterna, AC, o de

corriente continua, DC, y funden el acero introduciendo los electrodos en medio de una masa

de chatarra aplicando corriente a la misma. Para fundir una tonelada de acero los hornos

requieren entre 360 y 400 kWh, lo que indica que son equipos que consumen energía en gran

cantidad. (Jones, 1997)

Los hornos de arco son entonces una de las diferentes cargas conectadas a los sistemas de

potencia, por eso se hace necesario estudiar y entender su papel en cuanto a la calidad de

potencia. (Kell, Electric Arc furnace modeling and validation, 2003) Los EAF constituyen fuentes


de perturbaciones en los sistemas eléctricos, dada su naturaleza no lineal y variante en el

tiempo, características tales como el arco voltaico, su corriente, y la potencia activa y reactiva

perciben grandes variaciones en el tiempo, especialmente al principio de su operación en la

fundición de la masa de chatarra inicial. Dichas variaciones traen como resultado problemas en

las redes de alta tensión tales como el fenómeno de parpadeo o flicker, así como desbalances y

corrientes armónicas, afectando el rendimiento del sistema. (Postiglione, Ladoux, & Riedinger,

2005)

1.2. DISPOSITIVOS FACTS

La capacidad de los sistemas de potencia se limitan por distintos factores, mientras el objetivo

es hacer el mejor uso posible de los sistemas de transmisión y maximizar esa capacidad de uso,

dentro de las limitaciones a las que se pueden enfrentar los sistemas se tienen la condiciones

térmicas o ambientales relacionadas con la temperatura ambiente, condiciones de viento, de

los conductores y distancia al suelo; limitaciones dieléctricas desde el punto de vista del

aislamiento eléctrico, es posible aumentar la operación normal de los sistemas donde se debe

tener especial cuidado de limitar los sobrevoltajes dinámicos y transitorios dentro de rangos

deseados, es allí donde las tecnologías FACTS pueden ser usadas para asegurar los límites de

seguridad de sobre voltaje y flujo de carga. Finalmente la estabilidad es la tercera de las

limitaciones que se pueden encontrar frente a la capacidad de los sistemas de potencia, y

existen variedad de inconvenientes relacionados con este, como son la estabilidad transitoria,

dinámica, de estado estable, colapso de frecuencia y de voltaje, así como la resonancia

subsincrónica (SSR). (Hingorani & Gyugyi, Understanding FACTS: Concepts and technology of

Flexible AC Systems, 2000, pp. 7,8)

Flexible AC Transmission System (FACTS) están definidos por un grupo de trabajo de IEEE como

“Las redes de corriente alterna que incorporan controladores basados en electrónica de

potencia y otros controladores estáticos con el fin de mejorar la controlabilidad y aumentar la

capacidad de transferencia de potencia.” (Hingorani, FACTS Technology - State of the Art,

Current Challenges and the future Prospects, 2007) Las tecnologías FACTS abren la oportunidad

de controlar la potencia, así como mejorar la capacidad utilizable de los sistemas de potencia

13 INTRODUCCIÓN

actuales, junto con los tramos nuevos y mejorados de un sistema eléctrico. (Hingorani &

Gyugyi, 2000)

En general los controladores FACTS pueden generar impactos sobre los sistemas de potencia en

el cual actúan, proporcionando un control rápido y continuo sobre el flujo de potencia,

controlando los voltajes en los nodos críticos, cambiando la impedancia de las líneas o

controlando el ángulo de fase al final de las mismas. Además proporcionan la posibilidad de

incrementar la cargabilidad de las líneas a niveles cercanos a los límites térmicos, aumentando

de esta manera la transferencia de potencia a través del sistema con el fin de optimizar el uso y

capacidad de la infraestructura instalada. Pueden incluso permitir la disminución de

oscilaciones que tengan la capacidad de dañar equipos y/o limitar la capacidad de transmisión

de potencia eléctrica, (Rivera, 2008) así como disminuir el fenómeno de parpadeo en los buses

donde se tengan cargas no lineales o desbalanceadas conectadas al sistema, como el horno de

arco para este caso de estudio.

1.2.1 COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS/STATIC VAR COMPENSATOR (SVC)

Los compensadores estáticos de reactivos (SVC) son utilizados para el control de voltaje

promedio de la generación o absorción de reactivos, tanto en sistemas de transmisión, como en

aplicaciones industriales. En este último caso se conectan para compensar el factor de potencia

de las cargas no lineales a gran velocidad, como ocurre en la industria metalúrgica con los

hornos de arco (Control de parpadeo-flicker). (Ekstrom, 1990)

Desde el punto de vista operacional, el SVC se comporta como una reactancia variable

conectada en paralelo, con la capacidad de generar o absorber potencia reactiva con el fin de

regular la magnitud de voltaje en el punto de conexión. Siendo entonces utilizados para proveer

de manera rápida potencia reactiva, dar soporte en la regulación de voltaje, dar soporte en la

regulación de voltaje, controlar sobrevoltajes, mejorar la estabilidad del sistema y dar

amortiguamiento ante las oscilaciones de potencia. Todo lo anterior coordinado por un sistema

de control con velocidad de respuesta casi instantánea. (Rivera, 2008)


2. OBJETIVOS

2.1. GENERAL

Estudiar la influencia de la operación de hornos de arco eléctrico en los sistemas de

potencia, evaluar su rendimiento, identificando fenómenos propios de estos equipos, así

como el efecto de SVC para remediar dichos comportamientos, estableciendo su correcto

dimensionamiento y localización.

2.2. ESPECIFICOS

Desarrollar el estado del arte tanto de SVC como de hornos de arco y su correcto

modelamiento en software que permita simular su funcionamiento.

Determinar el principio de funcionamiento de los hornos de arco y su efecto sobre el

sistema de potencia al cual está conectado y su área de influencia.

Desarrollo de un modelo confiable del sistema con uso de SVC, realizando pruebas a su

impacto sobre el mismo posterior a su diseño básico y dimensionamiento.

Documentar la importancia de la utilización de FACTS en el sistema nacional y en la

industria con el fin de promover su uso resaltando los beneficios que trae, así como la

necesidad que se tiene de su implementación.

2.3. ALCANCE Y PRODUCTOS FINALES

Con el desarrollo de este trabajo se pretende documentar la metodología detallada para llevar

a cabo el correcto dimensionamiento de un dispositivo SVC conectado al sistema de potencia

con una carga horno de arco para la industria metalúrgica. Además el archivo de PSCAD/EMTDC

en el cual se ha llevado a cabo el estudio del sistema de potencia y los efectos del horno de arco

constituye un entregable dada la capacidad de medir gran cantidad de variables importante en

el problema identificado, así como el correcto funcionamiento del horno de arco en cuanto a

sus características se refiere dando paso a estudios futuros sobre dicha problemática.

15 HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA

3. HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA

Desde su invención en el siglo XIX hasta nuestros días, el horno de arco ha sufrido una

evolución junto con los sistemas de potencia y el crecimiento poblacional dadas las exigencias

de la industria.

Hasta la década de 1960, los hornos de arco se empleaban para la fabricación de aceros de alta

calidad, es hasta 1962 que se desarrollaron los hornos UHP (Ultra High Power). Con estos

hornos fue posible llegar a potencias de 165 MVA y capacidades de producción de 360

toneladas, todo ellos con rendimiento aceptables que dieron paso al desarrollo y extensión de

hornos para la fabricación de diversos tipos de acero. Hoy en día la mayoría de aceros se

fabrican utilizando este tipo de hornos. (Yañez , 2012)

El incremento en el número de industrias metalúrgicas ha generado una conciencia sobre el

impacto en el sistema de potencia. La popularidad de estos equipos ha contribuido además al

estudio de sus efectos sobre la red, que enfrenta el desafío de proveer energía de calidad a

todos los usuarios, incluyendo las industrias que operan estas cargas tan grandes.

Una de las principales preocupaciones al operar horno de arco, que como se ha dicho

previamente son cargas variables, es el parpadeo en el sistema eléctrico de potencia, problema

que se complica con el uso de varios hornos de arco. En el proceso de planeación y diseño se

utilizan diferentes métodos para estimar la capacidad requerida del sistema para operar estos

hornos sin que exista el fenómeno del parpadeo. Como regla general se tiene que la relación

entre los MVA del horno y los MVA disponibles de corto circuito pueden dar cierta luz sobre la

probabilidad de problemas potenciales, entre mayor sea esta relación, mejor. (Witte, Bishop, &

Mendis, 1994)

También se tienen evidencias de interacciones de bancos de capacitores y filtros armónicos

junto con el fenómeno de parpadeo. La aplicación de banco de capacitores o filtros armónicos,

principalmente para corregir el factor de potencia o reducción de armónicos resulta en un

punto de resonancia paralela en algún punto del espectro de frecuencia. Lo que puede incitar a

que se amplifiquen los voltajes armónicos producidos por el horno de arco resultando en

parpadeos en el sistema eléctrico de potencia. (Witte, Bishop, & Mendis, 1994)


3.1. PARPADEOS DE VOLTAGE

El proceso de fundición dentro de un horno de arco es inconstante por naturaleza,

especialmente cuando uno o varios electrodos hacen contacto físico con la chatarra, resultando

efectivamente en un corto eléctrico con el circuito del horno de arco. Como consecuencia, el

consumo de potencia reactiva principalmente se hace fluctuante de una manera estocástica. La

caída de voltaje que causada por la fluctuación de la potencia reactiva que fluye por el circuito

resulta en parpadeos de voltaje, que se pueden observar de manera más simple en las luces de

lámparas incandescentes que se conectan a la misma red del sistema. Esa cantidad de

parpadeos que se dan como consecuencia de la operación del EAF, depende del tamaño del

mismo y de la capacidad de corto circuito del sistema en el punto de acople común.

(Grunbaum, Gustafson, Hasler, & Persson, 2010)

3.2. ARMÓNICOS

La carcasa del horno de arco está conectada a tierra, es decir que representa una conexión en Y

o estrella, mientras el secundario del transformador del horno de arco esta en conexión Delta,

de manera que la componente de secuencia cero (0) es nula, así en una operación balanceada

de manera hipotética presentaría armónicos en el 5°, 7°, 11°, etc. Sin embargo la operación del

horno de arco no es balanceada, especialmente en la fase de fundición de la masa,

observándose la aparición de otros armónicos como son el 2°, 3°, 4° presentes en la onda de

corriente. (Postiglione, Ladoux, & Riedinger, 2005)

Figura 1: Magnitud de armónicos de corriente de horno de arco. Se aprecian 2°, 3°, 4° y 5° armónicos.

17 COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA

Los armónicos producen efectos no deseados en los sistemas de potencia dentro de los cuales

se encuentran los que se listan a continuación:

Falla prematura en capacitores por exceso de corriente y elevación de su temperatura

normal de operación.

Ruido e interferencia en sistemas de telecomunicaciones, especialmente en líneas de

teléfono

Crecimiento en las pérdidas que puedan experimentar transformadores, motores y

switchgear.

Los cortacircuitos (breakers) podrían fallar al momento de interrumpir la corriente dada

una operación no convencional.

Sobrevoltajes y sobrecorrientes podrían experimentarse en el sistema de potencia,

causando inestabilidad y acortando la vida útil de los equipos.

4. COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA

Dentro de los controladores FACTS que se han mencionado brevemente con anterioridad en

este documento, el dispositivo del que se encargara este trabajo es el compensador estático de

reactivos, SVC. Diseñados para producir y absorber potencia reactiva en cualquier momento.

Para tal propósito es necesario que el SVC posea un reactor o arreglo de inductancias y un

capacitor o banco de condensadores, los cuales van a ser controlados por un arreglo de

tiristores. (Castro, 2001)

Alrededor del mundo existen diversos ejemplos de instalación de SVC con múltiples fines, entre

ellos mejorar la transmisión de energía eléctrica en los sistemas de potencia donde su

ampliación puede ser complicada por costos o inviabilidades técnicas, arranque de grandes

motores, fundidoras de metal, máquinas de chatarrización, aserraderos, estaciones de bombeo,

minas de carbón y procesos industriales similares, así como también en la eliminación del

parpadeo producido por el horno de arco y estabilización de líneas de transmisión.


Tabla 1: SVC instalados y en funcionamiento por parte de Siemens

4.1. REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES (TCR)

Los elementos básicos del TCR son una reactancia en serie con un switch bidireccional de

tiristores como se muestra en la Figura 2, la corriente es controlada por el ángulo de disparo α,

y dependiendo de este su componente fundamental puede ser mayor o menor variando α

entre 90ᵒ y 180ᵒ. El inconveniente principal que podría presentar el uso de TCR en la solución

de la estabilidad y calidad de la potencia es la introducción de corriente armónicas debido a la

conmutación de los tiristores.

4.2. CONDENSADOR CONMUTADO POR TIRISTORES (TSC)

Consiste en un condensador estático conmutado por tiristores, dicho condensador es

encendido únicamente cuando la condición de cero voltaje es alcanza (ZVS). Lo que significa

que el voltaje en los tiristores debe ser cero al momento del encendido. Es decir el condensador

es fijo y su funcionamiento se limita a encendido o apagado, es decir a conexión o desconexión

de la línea. En el caso trifásico está conectado en Delta, con una inductancia en serie para

amortiguar sobrecorrientes, prevenir resonancias con la red y limitar transientes.

19 CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD

4.3. FILTROS ARMONICOS EN DERIVACIÓN

Los filtros armónicos en derivación (shunt) desvía las corrientes armónicas relevantes a tierra

por medio de un camino de baja impedancia, lo que significa cargar una fracción de la corriente

que debería llevar un filtro en serie, lo que reduce sus costos con respecto a estos últimos. Más

allá de lo dicho anteriormente el filtro en derivación provee potencia reactiva capacitiva al

sistema de potencia, en la frecuencia fundamental, en esta caso 60Hz, lo que se hace necesario

para dar mantener la calidad de la potencia y la estabilidad de voltaje en sistemas en los que se

requiera. Dos tipos de filtros en derivación son los filtros sintonizados y los filtros paso alto o

amortiguados.

a) b)

Figura 2: Configuración a) TCR/Filtros. y b) TCR/TSC/Filtros

5. CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD

5.1. FACTOR DE POTENCIA

La Figura 3 muestra el triangulo de potencia, de donde se pueden obtener algunas relaciones

para calcular el factor de potencia de un sistema en un punto determinado, siendo esta una

medida que relaciona la cantidad de potencia real con la potencia aparente, el factor de

potencia optimo es cosϴ=fp=1, es decir donde existe únicamente potencia activa o real en el

sistema y el valor de la potencia reactiva (Q), es nulo. Para la carga horno de arco, objeto de


estudio de este trabajo, la potencia reactiva (Q) inyectada al sistema es de carácter inductivo y

variante, es una fuente de potencia reactiva importante, por lo que puede deteriorar el factor

de potencia a niveles alrededor de fp=0.7.

Figura 3: Triangulo de potencia

Teniendo el valor de la potencia activa y reactiva es posible obtener el factor de potencia por

medio de la ecuación Ec(1). Esta relación es importante en este trabajo dada la imposibilidad de

medir el factor de potencia en PSCAD, lo que se hace posible mediante módulos de operaciones

trigonométricas que pueden dar el resultado de esta ecuación para posteriormente ser

utilizado en las mediciones que se harán al sistema de potencia.

(

)

Como es de esperarse entonces, con el fin de lograr el factor de potencia unitario (fp=1) es

necesario corregir el valor de la potencia reactiva (Q) con el fin de hacerlo el valor más cercano

a cero posible, en este caso se utilizaran cargas capacitivas para hacer que la carga inductiva del

horno de arco vista en el punto de acople común (PCC) sea casi cero.

21 CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD

5.2. THD

La distorsión armónica total (Total harmonic distortion, THD) es la relación entre la suma de las

magnitudes de la corriente o el voltaje en otros componentes armónicos, es decir a otras

frecuencias diferentes a la frecuencia fundamental, y la magnitud de la corriente o el voltaje de

la frecuencia fundamental respectivamente. Es decir que para un sistema de potencia el THD

optimo seria cero, es decir que no existen corrientes o voltajes en otras frecuencias diferentes a

la fundamental, bien sea 50Hz o 60Hz. Para el caso de estudio, en cargas tipo horno de arco se

observan apariciones de corrientes en armónicos en los cuales no aparece comúnmente como

son el 2º y 4º armónico, es decir que para un sistema de potencia a 60Hz, también se

encuentran componentes armónicas en las frecuencias 120Hz y 240Hz, así como también

aparecen componentes en armónicos mas comunes como son el 5º, 7º, 11º y 13º.

Los limites amximos permitidos para THD están regulados y estandarizados por la IEEE 519-

1992 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power

Systems. Para el caso de estudio, con una red de distribución a 110kV se muestran los valores

máximos permitidos en la siguiente tabla.

Tabla 2: Valores Máximos permitidos de distorsión armónica para corriente.


6. METODOLOGIA

Este trabajo pretende estudiar el efecto de una carga variable como son los hornos de arco en

la estabilidad de la red, y posteriormente el comportamiento del compensador estático de

reactivos (SVC) conectado en el punto de acople común (PCC) y la forma como dicho dispositivo

puede ayudar a mejorar los inconvenientes en cuanto a calidad de la potencia se refiere en esta

aplicación de tipo industrial. Para ello la metodología a seguir consiste en el modelamiento del

horno de arco en un software de simulación de sistemas eléctricos, tal como PSCAD, del centro

de investigación de Manitoba. Para este hecho es posible simular una resistencia variable

controlada por corriente. (Sharmeela, Uma, Mohan, & Karthikeyan, 2004) La segunda

alternativa contemplada se trata de utilizar el modelo de Horno de arco eléctrico diseñado por

el Ingeniero Dan Kell, para el centro de investigación de Manitoba, y que se describe en las

notas de aplicación de PSCAD. (Kell, PSCAD Knowledge Library, 2013)

Figura 4 Modelo de horno de Arco Eléctrico de Dan Kell para PSCAD.

El nuevo modelo de horno de arco eléctrico para PSCAD que se muestra en la Figura 4 ha sido

estudiado como parte de un sistema eléctrico, se han probado sus características de corriente-

voltaje, y pueden variarse sus parámetros para hacerlo parte de un nuevo estudio. (Kell, 2003)

23 METODOLOGIA

Posteriormente se realizará el modelo del sistema eléctrico industrial propuesto en documento

de CIGRE titulado “Advanced Applications of FACTS in Industrial Distribution Systems in Middle

Europe” para validar el funcionamiento del horno de arco y sus efectos sobre el rendimiento

del sistema eléctrico.

Finalmente se analizará el sistema bajo las misma condiciones pero añadiendo un compensador

estático de reactivos al punto de acople común con el fin de mejorar el comportamiento del

sistema con el uso de este dispositivo y las mejoras y oportunidades que puede brindar el SVC a

la red, optimizando su uso y mejorando la calidad de la potencia que se supone afectada por las

perturbaciones que añade el horno de arco y sus características naturales.

Con los datos recolectados y las simulaciones anteriormente mencionadas se pretende analizar

la localización y dimensionamiento del SVC, con el objetivo de hacer de este un proceso

documentado y que el dispositivo sea óptimo para una aplicación específica, haciendo énfasis

en el uso industrial, en especial para el horno de arco, caso de estudio de este trabajo.

Documentar dichos datos y análisis provee la información necesaria para realizar el diseño

básico de un sistema de potencia que tiene una carga variable industrial instalada.

Para lo anterior será de vital importancia la búsqueda de información de fuentes confiables

tales como IEEExplore, Cigre y Manitoba Research Institute, para realizar un correcto

modelamiento del sistema y correcta utilización del software y aprovechamiento de las

características que ofrece la simulación el sistema en PSCAD. Además se hará un estudio sobre

otros casos y experiencias anteriores en calidad de potencia para cargas el mismo tipo, tema

ampliamente estudiado y desarrollado en anteriores ocasiones por empresas de la industria de

la Energía tales como ABB, Siemens y Alstom, entre otras.


7. EXPERIENCIAS ANTERIORES

En la industria se encuentran experiencias o ejemplos de diseño de SVC para cargas horno e

arco con el fin de corregir perfiles de voltaje y factor de potencia junto con la idea de cumplir

normatividad exigida en cuanto a armónicos se refiere.

A continuación se presentan dos ejemplos desarrollados por la empresa ABB

7.1. CASCADE STEEL, McMINNIVILLE, OREGON, USA. 2002

Figura 5: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Oregon, USA

La acería desea incrementar la potencia de operación de su horno de arco sin entrar en el

riesgo de infringir los requerimientos de la empresa prestadora del servicio, Bonneville Power

Administration (BPA) a 230kV. El horno es actualmente de 65MW y se desea crecer a 84MW.

Por otro lado la industria desea reducir el impacto general que causa la operación del horno de

arco en el sistema de potencia relacionado con armónicos y fenómeno de parpadeo, mientras

se obtiene un factor de potencia mejorado en el PCC.

Tabla 3: Configuración final del SVC instalado

TCR 90 MVAr

Filtro 2° 30 MVAr

Filtro 5° 28 MVAr

Filtro 3° Existente 16 MVAr

Filtro 4° Existente 16 MVAr

SVC 34.5kV, 0-90MVAr Capacitivos

25 EXPERIENCIAS ANTERIORES

7.1.2 RESULTADOS OBTENIDOS

En el artículo publicado por la firma se destacan mejoras en el factor de potencia en el PCC, que

es de 0.998 actualmente, mejorías en el fenómeno de parpadeo, en el THD y el objetivo

principal de la industria de acero, 15% de incremento en la potencia activa para la fundición.

(ABB FACTS, 2012)

Tabla 4: Operación con SVC en Oregon, USA

7.2. MARCIAL UCIN´S, ACIÉRIE DE l´ATLANTIQUE (ADA), BAYONNE, FRANCIA

Figura 6: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Francia

El propósito del compensador de reactivos es reducir el fenómeno de parpadeo causado por la

operación de un horno de arco de 123MVA junto con un horno de cuchara de 25MVA, asi como

también se desea mejorar el factor de potencia en el punto de acople común. Dado el gran

tamaño del horno los efectos sobre el sistema de potencia son considerados severos, haciendo

que este proyecto fuera asumido por Marcial Ucin junto con el dueño de la red local.


7.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS

Posterior a la instalación del SVC a 31.5kV, de 0-120MVAr capacitivos se obtuvo uuna mejoría

en los aspectos por lo cuales se requería la instalación del compensador como son el factor de

potencia, mayor a 0.93 y la reducción del parpadeo.

Tabla 5: Operación con SVC en Francia

8. SISTEMA DE POTENCIA

El sistema de potencia que se utilizará como referente para esta tesis es el descrito en (Svec,

Tlusty, Muller, & Santarius, 2012) ubicado en Eslovaquia Central, que consta de una red de

distribución a 110kV que se suple en la subestación de Medzibrod de 220kV a 200MVA con un

transformador de 220/110kV. Un arco eléctrico de 65MVA está instalado en esta área,

considerado una carga dominante que afecta la calidad de la potencia de los usuarios

alrededor. El sistema de potencia de referencia se presenta en la Figura 7.

La carga de horno de arco puede ser considerada indeseable si se refiere a la calidad de

potencia del sistema eléctrico, dado que durante su operación se pueden observar grandes

distorsiones en la señal de voltaje, el valor instantáneo de la tensión varia de forma no

predecible y errática en el tiempo dada la resistencia variable del horno al fundir la chatarra o

masa de metal. El horno de arco se encuentra conectado al sistema de potencia en la barra de

22kV por medio de un transformador de 62MVA, 22kV/0.55kV, que debe cumplir con

requerimientos tales como altas corrientes y bajo voltaje en el secundario, amplio rangode

27 SISTEMA DE POTENCIA

regulación (taps), alta impedancia de corto circuito y capacidad de sobrecarga de alrededor del

20% durante el proceso inicial de fundición.

Para la compensación de reactivos se pretende diseñar un SVC y filtros armónicos donde sea

necesario con el fin de cumplir el estándar IEEE 519-1992 Recommended Practices and

Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. Posterior al diseño se

evaluaran los beneficios, económicos y técnicos que puede traer la conexión de dicho

compensador al sistema de potencia y a la industria en cuanto a términos de rendimiento y

producción.

Figura 7: Diagrama Unifilar del sistema de Potencia de referencia para el estudio.


9. ESTUDIOS EN PSCAD

Se utilizó el software PSCAD para modelar el horno de arco, el sistema de potencia, y medir

variables importantes en el sistema como factor de potencia, voltajes y corrientes en cada bus,

potencia activa y reactiva inyectada a cada bus, y medición de armónicos de corriente y voltaje

en el punto de acople común. La siguiente tabla muestra los nombres de las variables utilizadas

en las diferentes mediciones y simulaciones.

Figura 8: Sistema de potencia con carga de horno de arco modelado en PSCAD

29 ESTUDIOS EN PSCAD

Tabla 6: Nombres de variables utilizadas en modelo, mediciones y simulaciones del sistema.

NOTA: En las soluciones propuestas se observan tres momentos fundamentales para comparar

el funcionamiento y los fenómenos que experimenta el sistema de potencia con el

funcionamiento del SVC y el EAF asi:

Tabla 7: Diferentes momentos característicos en la simulación.

LISTA DE TERMINOS

EAF Horno de Arco

PCC Punto de acople comun

SD Sistema de distribución

mpA Es el nombre del PCC en el modelo

mpB Bus de SD inmediatamente anterior al PCC

Ea Voltaje referido a tierra

P Potencia activa

Q Potencia reactiva

fp Factor de potencia

Vpu Voltaje por unidad

Ejemplo

Ea_mpA Voltaje del bus mpA referido a tierra

I_mpA Corriente instantanea en mpA

P_mpA Potencia activa en mpA

Q_mpA Potencia reactiva en mpA

Iarc corriente en el EAF

Rarc Resistencia del EAF

Varc Volatje del EAF

fp_mpA Factor de potencia en mpA

t inicial t final Descripción

Momento 1 0 0.5 SVC off y EAF off

Momento 2 0.5 0.6 Ignicion/Encendido EAF

Momento 3 0.6 1 SVC off y EAF on

Momento 4 1 2 SVC on y EAF on


9.1. MODELO DEL HORNO DE ARCO

Utilizando el modelo de horno de arco de Dan Kell referido anteriormente, se hicieron las

pruebas de funcionamiento del modelo, entre las que se encuentra la curva V-I del horno de

arco, y las ondas de corriente, voltaje y resistencia, observando su comportamiento variante en

el tiempo, inestable e desbalanceado, notando sobrevoltajes en el momento de encendido del

horno y variaciones en la resistencia dada por el estado de la chatarra en fundición al interior

del arco, como se muestra en las siguientes figura.

Figura 9: Curva V-I del modelo de horno de arco.


Figura 10: Corriente, voltaje y resistencia del horno de arco.

9.2. SISTEMA CON EL HORNO DE ARCO EN FUNCIONAMIENTO

Posterior al modelamiento del horno de arco se realizó la simulación de voltajes en mpA y mpB,

así como el factor de potencia en los mismo buses y en el primer bus del sistema de

distribución, es decir donde se encuentra conectada la red de transmisión de 220kV.

En las siguientes figuras se observa el voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del

horno de arco, se observan sobrevoltajes en mpA dada la ignición del horno y una caída de

voltaje en el momento en que el horno entra en funcionamiento.

Posteriormente se observan los factores de potencia y su disminución a valores alrededor de

0.75, la potencia activa es de 65MW y la reactiva de 55MVAr inductivos. Lo que indicaría una

compensación de alrededor de 55MVAr si se quisiera obtener el factor de potencia unitario.


a)

b)

Figura 11 : a) Ondas de voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del EAF; b) Voltaje en mpA y mpB en la operación del

EAF. Onda completamente distorsionada.


Figura 12: Factor de potencia y su variación con la entrada en operación del EAF, y sus respectivas mediciones.

Figura 13: Potencias Activa y reactiva en el horno de arco y en el bus mpB


10. SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA

10.1. OPCION 1 – TCR+FILTROS(2)

La primera opción consiste en filtrar las corrientes del 5º y 7º armonico que se presentan dada

la operación del arco, para ello se dispone de dos filtros sintonizados en los armónicos

nombrados anteriormente y un TCR de 53 MVAr, siendo entonces un SVC de 0 a 53 MVAr

capacitivos, conectado a 22kV en el PCC y dos filtros de 27MVAr y de 26MVAr en el 5º y 7º

armónico respectivamente.

Tabla 8: Descripción del SVC

10.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP1

El sistema propuesto cumple con los objetivos de corrección de factor de potencia sin embargo

no cumple con el estándar IEEE 519-1992 en cuanto a la máxima corriente en el tercer

armónico según la Tabla 2. Esta corriente no debe superar el 2% de la corriente fundamental,

en este caso la corriente del tercer armónico oscila entre el 2.2% y el 2.6% de la corriente del

fundamental.

Tabla 9: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la Opción1.

SVC para EAF 22kV, 62MVA

TCR 53Mvar

Filtro 5th 27Mvar

Filtro 7th 26Mvar

Opcion 1

Fund 3.47504

1 Mag %

2 0.01672 0.48

3 0.12985 3.74

4 0.01673 0.48

5 0.01117 0.32

6 0.01251 0.36

7 0.01131 0.33

8 0.00942 0.27

9 0.00854 0.25

10 0.00790 0.23

11 0.01181 0.34

12 0.00644 0.19

13 0.01062 0.31

THDi 2.90%

Fundición

35 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA

Figura 15: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opcion1.

Figura 16: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la operación del mismo y posterior corrección con el SVC.


10.2. OPCIÓN 2 – TCR+FILTROS(3)

Con el fin de corregir el factor de potencia y así mejorar la calidad de la potencia en el sistema

descrito anteriormente, se pretende diseñar un sistema estático de reactivos de 62MVA

compuesto por un TCR y filtros armónicos, conectados al sistema en el punto de acople común

a 22kV tal y como se describe a continuación. Este caso corresponde a una mejora de la opción

1 dado que ante la utilización de un TCR y a pesar de la conexión en Delta del transformador se

observan corrientes que infringen la normatividad descrita en el estándar IEEE 519-1992 en el

tercer armónico, por esto se decide instalar un filtro en dicho armónico con el y se

redistribuyen los valores de potencia reactiva que aportan al sistema en la frecuencia

fundamental.

Figura 17: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC.



Con la configuración anterior se obtiene la compensación de 55MVAr requerida a través de los

filtros sintonizados en los armónicos que según los límites establecidos por el stdIEEE519 están

siendo infringidos por la operación del arco, estos filtros compensan capacitivamente el sistema

en la frecuencia fundamental y filtran las corrientes armónicas en los armónicos 3º, 5º y 7º.


El sistema propuesto cumple con los objetivos trazados alrededor de la calidad de potencia en

el sistema de distribución, los filtros para objetivos de simulación han sido sintonizados en los

armónicos 3º, 5º y 7º, en las frecuencias exactas de 180Hz, 300Hz y 420Hz, aunque en la vida

real es usual sintonizar los filtros alrededor de 0.95% de la frecuencia del armónico que se

desea filtrar.

Tabla 11: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción2

SVC para EAF

TCR 55Mvar

Filtro 3th 15Mvar

Filtro 5th 20Mvar

Filtro 7th 20Mvar

Opcion 2

Fund 3.57444

1 Mag %

2 0.01425 0.40

3 0.03441 0.96

4 0.01677 0.47

5 0.01781 0.50

6 0.01060 0.30

7 0.00737 0.21

8 0.00786 0.22

9 0.00736 0.21

10 0.00616 0.17

11 0.01005 0.28

12 0.00596 0.17

13 0.00196 0.05

THDi 1.82%

Fundición


Figura 18: Diagrama unifilar configuración de la opción2

Se presentan los resultados del espectro de frecuencia para 31 armónicos, donde se observa la

disminución en los armónicos que estaban pasando los límites establecidos, 2% de la magnitud

del armónico fundamental, y siendo esta última alrededor de 3.5kA, cualquier corriente

armónica que sobrepasara 0.07kA debía filtrarse.


Figura 19: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA

Tabla 12: Magnitudes y THDi par el bus mpA en los amónicos del 2º al 13º.

Fundamental 1.878443 3.57444

Armonico Mag % Mag %

2 0.65198 34.71 0.04248 1.08

3 0.40351 21.48 0.03441 0.87

4 0.24120 12.84 0.01677 0.43

5 0.17025 9.06 0.01781 0.45

6 0.11065 5.89 0.01060 0.27

7 0.16648 8.86 0.00737 0.19

8 0.12711 6.77 0.00786 0.20

9 0.09828 5.23 0.00736 0.19

10 0.08158 4.34 0.00616 0.16

11 0.07940 4.23 0.01005 0.26

12 0.07328 3.90 0.00596 0.15

13 0.06483 3.45 0.00196 0.05

THDi 47.88% 1.82%

Ignición Fundición


a)

b)

Figura 20: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco en operación. a) Sin SVC en funcionamiento y b) Filtrada y con SVC en funcionamiento.


Figura 21: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la operación del mismo y posterior corrección con el SVC.

Figura 22: Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del 15% en la potencia activa del horno.


10.3. OPCION 3 – TSC+FILTROS

La opción 3 nace de la idea de hacer una compensación puramente capacitiva dada la

característica inductiva del horno de arco en operación, por ello se hace uso de un TSC de

25MVAr y dos filtros en el 5º y 7º armónico de 15MVAr cada uno, conectados a 22kV. Se

observa que dicha compensación cumple con la corrección del factor de potencia, aunque las

magnitudes de corriente en el tercer armónico son muy cercanas al valor que dicta la

normatividad.



TSC 25MVAr

Filtro 5th 15MVAr

Filtro 7th 15MVAr

Figura 23: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC.


Por otro lado, al no contar con una compensación inductiva con un TCR como en los casos

anteriores, al estar el horno de arco fuera de operación el control del SVC tiene la posibilidad de

desconectar el TSC, mientras los filtros siguen proporcionando energía reactiva al bus mpA, lo

que indica que estos filtros bien podrían tener un control independiente o ser conmutados de

manera mecánica cuando su operación sea necesaria.


El sistema propuesto cumple con los objetivos trazados alrededor de la corrección del factor de

potencia en el sistema de distribución, los filtros para objetivos de simulación han sido

sintonizados en los armónicos 5º y 7º, en las frecuencias exactas de 300Hz y 420Hz, aunque en

la vida real es usual sintonizar los filtros alrededor de 0.95% de la frecuencia del armónico que

se desea filtrar. Se observan aumentos de 15% en la potencia activa del horno al entrar en

funcionamiento el SVC, lo que se traduce en aumento de la producción.

Figura 24: Ondas de voltaje en los buses mpA y mpB antes y durante la operación del horno con y sin SVC


Figura 25: Ondas de voltaje en los nodos mpA y mpB, EAF y SVC apagados.

Figura 26: Ondas de voltaje con arco en operación y SVC apagado


Figura 27: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco y SVC en operación.

Figura 28: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opción3.


Tabla 14: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción3

Figura 29. Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del 18% en la potencia activa del horno.

opcion 3

Fund 3.50329

1 Mag %

2 0.01600 0.46

3 0.06590 1.88

4 0.02504 0.71

5 0.02098 0.60

6 0.01578 0.45

7 0.01470 0.42

8 0.01175 0.34

9 0.01045 0.30

10 0.00964 0.28

11 0.01282 0.37

12 0.00761 0.22

13 0.00871 0.25

THDi 3.33%

Fundición


Figura 30: Factor de potencia de los buses mpA, mpB y generador con corrección en el instante 1.0s.

Figura 31: Voltajes p.u. en lo buses mpA, mpB y generador con leve mejoría al entrar el SVC en acción.


10.4. COMPARACION DE LAS TRES OPCIONES

Las tres opciones constituyen soluciones del problema planteado, siendo la Opción 2 una

corrección de la primera basado en el cumplimiento del estándar IEEE 519-1922, basándose en

la magnitud de corriente del tercer armónico en la primera opción, la tercera opción es una

puramente capacitiva, que no se ajusta a las experiencias anteriores de casos satisfactorios en

los cuales se instalaron SVC para hornos de arco alrededor del mundo por parte de la empresa

ABB.

Como se indicó en el apartado de esa opción, los bancos de capacitores podrían ser operados

mecánicamente al entrar en funcionamiento el SVC lo que hace su control diferentes a la

opción 2, sin embargo es una solución del problema planteado, que podría resultar más

económica. A continuación se reúnen las mediciones de las magnitudes de corriente en el

espectro de frecuencia, y se observa que la opción 3 se encuentra muy cerca al límite permitido

de magnitud de corriente en el tercer armónico.

Tabla 15: Magnitud de corrientes armónicas para cada una de las opciones.

Opcion 1 Opcion 2 opcion 3

Fund 3.47504 3.57444 3.50329

1 Mag % Mag % Mag %

2 0.01672 0.48 0.01425 0.40 0.01600 0.46

3 0.12985 3.74 0.03441 0.96 0.06590 1.88

4 0.01673 0.48 0.01677 0.47 0.02504 0.71

5 0.01117 0.32 0.01781 0.50 0.02098 0.60

6 0.01251 0.36 0.01060 0.30 0.01578 0.45

7 0.01131 0.33 0.00737 0.21 0.01470 0.42

8 0.00942 0.27 0.00786 0.22 0.01175 0.34

9 0.00854 0.25 0.00736 0.21 0.01045 0.30

10 0.00790 0.23 0.00616 0.17 0.00964 0.28

11 0.01181 0.34 0.01005 0.28 0.01282 0.37

12 0.00644 0.19 0.00596 0.17 0.00761 0.22

13 0.01062 0.31 0.00196 0.05 0.00871 0.25

THDi 2.90% 1.82% 3.33%

FundiciónFundiciónFundición


9.4.1 ANÁLISIS ECONOMICO DE LAS OPCIONES

Para el análisis económico se tienen en cuenta los valores por MVAr en dólares

estadounidenses, y tres escenarios que varían dependiendo de la ubicación del proyecto, la

viabilidad técnica, detalles constructivos, tasas e impuestos de importación y formas de pago.

Con respecto a la ubicación puede variar el precio, es decir que un SVC en Alemania o Estados

Unidos debe ser mucho más económico que uno en Colombia, debido a que los fabricantes se

sitúan en dichos países lo que ahorraría en costos de importación, transporte y tasas. (Agrawal,

2009)

Tabla 16: Comparación de costos de instalación.

Optimista Probable Pesimista

$ 75,000 $ 100,000 $ 125,000

Optimista Probable Pesimista

$ 33,750 $ 45,000 $ 56,250

SVC para EAF Optimista Probable Pesimista

TCR 55 MVAr $ 4,125,000 $ 5,500,000 $ 6,875,000

Filtro 3th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750

Filtro 5th 20 MVAr $ 675,000 $ 900,000 $ 1,125,000

Filtro 7th 20 MVAr $ 675,000 $ 900,000 $ 1,125,000

TOTAL $ 5,981,250 $ 7,975,000 $ 9,968,750


TCR 53 MVAr $ 3,975,000 $ 5,300,000 $ 6,625,000

Filtro 5th 27 MVAr $ 911,250 $ 1,215,000 $ 1,518,750

Filtro 7th 26 MVAr $ 877,500 $ 1,170,000 $ 1,462,500

TOTAL $ 5,763,750 $ 7,685,000 $ 9,606,250


TSC 25 MVAr $ 1,875,000 $ 2,500,000 $ 3,125,000

Filtro 5th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750

Filtro 7th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750

TOTAL $ 2,887,500 $ 3,850,000 $ 4,812,500

Nota: Los valores indicados estan en Dólar estadounidense (USD)

Costo por MVAr SVC

Costo por MVAr Filtros


Se observa que la tercera opción es aproximadamente 50% más económica en todos los

escenarios, esto es debido a que la cantidad de MVAr instalados es menor en la misma

proporción, sin embargo podría declararse no comparable al constituir una solución diferente y

con especificaciones técnicas que no son similares a la Opción 2 que resultaría siendo la más

apropiada si se compara con experiencias anteriores.

11. CONCLUSIONES

El horno de Arco eléctrico constituye una carga variable de gran dimensión con la capacidad

de desestabilizar un sistema eléctrico de potencia causando daños en equipos y en la

calidad del servicio de energía presentado, por ello el diseño básico del SVC constituye un

primer paso importante para mitigar esos efectos como se logró comprobar mediante las

simulaciones llevadas a cabo en PSCAD para efectos de este trabajo.

Los dispositivos FACTS constituyen hoy en día una alternativa de gran importancia para la

seguridad y calidad en la prestación el servicio de energía, así como posibilitan su

controlabilidad de manera casi instantánea, dando la oportunidad de crecer en transmisión

de energía aprovechando la capacidad total del sistema sin necesidad de expandir

físicamente su estructura. Aunque constituyen una opción para grandes sistemas de

transmisión, en este caso se ha aplicado el estudio a la industria mostrando los resultados

esperados para mejorar la calidad de la potencia.

El estudio de diseño anterior se ha basado en mantener el factor de potencia en todos los

buses en valores cercanos a 1, y aunque en la mayoría de los casos estos valores no llegan a

tomar los valores que tiene el sistema sin el horno de arco en operación, se observan

mediciones alrededor de 0.95, logrando junto con esto mantener los voltajes dentro de los

límites de seguridad (0.96p.u-1.04p.u) en el sistema de distribución. En adición las mejoras

en el factor de potencia traen beneficios tanto para los usuarios de la energía como para los

operadores del horno de arco, al aumentar la potencia de sus hornos permitiendo ahorrar

en tiempos y costos, el incremento de la potencia es alrededor de 15% y 20% en

condiciones normales de operación del horno y el SVC.

51 AGRADECIMIENTOS

12. AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer a cada una de las personas que han marcado mi trayectoria a través de

estos años, todos los profesores que más que enseñanzas de ingeniería en algún momento han

aportado algo para brindar mejores personas a la sociedad. A quienes con entusiasmo dictaron

cada una de las lecciones en la Universidad e hicieron que esto fuera posible.

13. REFERENCIAS

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