tesis svc

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

EVALUACIN TCNICO-ECONMICA DEL USO DE COMPENSADORES ESTTICOS DE REACTIVOS EN TRANSMISIN

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

ALEX IVN ALEGRA MEZA

PROFESOR GUA: SCAR MOYA ARAVENA

MIEMBROS DE LA COMISIN: RODRIGO PALMA BEHNKE

GUILLERMO JIMNEZ ESTVEZ

SANTIAGO DE CHILE MARZO 2007

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: ALEX IVN ALEGRA MEZA FECHA: 19/03/2007 PROF. GUA: DR. OSCAR MOYA

EVALUACIN TCNICO-ECONMICA DEL USO DE COMPENSADORES ESTTICOS DE REACTIVOS EN TRANSMISIN

El objetivo de este trabajo es determinar el efecto producido por un compensador esttico de reactivos (SVC), en la estabilizacin de perturbaciones en el sistema elctrico y en la descongestin de la red de transmisin, evaluando los efectos econmicos derivados de su utilizacin. Adicionalmente, se propone una alternativa para valorar su aporte al sistema como un elemento que provee un Servicio Complementario de Control de Tensin.

Para comprobar el aporte del SVC a la estabilidad de las tensiones, se simula un conjunto de contingencias en un modelo simplificado del Sistema Interconectado Central (SIC), a partir de lo cual se comprueba el desempeo dinmico del dispositivo, cotejando los valores de las tensiones obtenidas con aquellos que define la Norma Tcnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NTSCS) para una operacin segura del sistema. Posteriormente, se analiza el efecto econmico producido por las contingencias en rgimen permanente en los casos con SVC y sin SVC, comprobando la variacin de las prdidas, los redespachos de generacin y los montos de potencia no servida. A partir de estos valores y de los flujos de potencia resultantes, obtenidos mediante un OPF de minimizacin de prdidas, se verifican los efectos del SVC en la descongestin de las lneas de transmisin, y por ende, en la capacidad de transmisin de potencia activa de dichos elementos

Por su parte, la propuesta de valorizacin del Servicio Complementario entregado por el SVC, se basa en las componentes habituales de inversin y operacin, ms los beneficios provocados por el dispositivo, tales como reduccin de prdidas o potencia activa, calculados para distintas condiciones de demanda e hidrologas. Producto de las dimensiones del problema, esta propuesta no es evaluada numricamente en la etapa de simulaciones.

Los resultados de las simulaciones muestran que el SVC permite una eficaz atenuacin de las oscilaciones de tensin, evitando las violaciones a los lmites de operacin indicados en la NTSCS. Adems, los resultados obtenidos en el OPF indican que su uso produce un enorme ahorro en los costos operacionales del sistema.

Con respecto a la descongestin de la red de transmisin, se logran favorables resultados, obtenindose importantes aumentos de la transmisin de potencia activa por las lneas circundantes al punto de conexin del SVC, alcanzndose como mximo valor un aumento de un 36% en la transmisin de en la lnea Concepcin-San Vicente 154 con un SVC instalado en esta ltima barra. Otro resultado a considerar es el obtenido al simular la salida de un circuito de la lnea Alto Jahuel-Ancoa 500, en donde gracias a un SVC de 200 [MVAr], se logra descartar la limitacin de transmisin de potencia por motivos de estabilidad, logrndose el cumplimiento del criterio N-1.

Por lo tanto, se concluye que el SVC es un dispositivo que permite un adecuado control de las oscilaciones de tensin, y que gracias a su efecto sobre la descongestin de las lneas de transmisin, permite un ahorro importante de costos de operacin.

Finalmente, como trabajos futuros, se sugieren la determinacin ptima de la ubicacin de un SVC para aumentar los mrgenes de la seguridad del sistema y resolver problemas de congestin, y la proposicin de un esquema que refleje en un OPF el desempeo dinmico del SVC.

A mis padres Carlos y Corina

ii

Agradecimientos

En primer lugar, agradezco a don scar Moya por la confianza depositada en mi trabajo y permitirme ser su memorista; a Rodrigo Palma por sus valiosos consejos, su paciencia y la constante disposicin a ayudar; a Guillermo Jimnez, a quien considero un amigo, por su ayuda en estos ltimos semestres de carrera, y a Luis Vargas por su apoyo constante y confianza en mis capacidades.

Agradezco a mis amigos Cristin Palma, Jos Esparza, Christian Thomsen, Jaime Herrera, Wolnays Naudy, Antonio Bardelli y una larga lista de personas que han sabido aguantarme durante estos largos aos de vida universitaria.

Finalmente, quiero agradecer a mi familia, por apoyarme en los momentos difciles y haberme entregado muchos de los valores de los que me enorgullezco. Ustedes saben que para m siempre van a ser lo ms importante.

iii

NDICE DE CONTENIDOS

I. INTRODUCCIN................................................................................................................................................... 1 1.1. Motivacin ........................................................................................................................................ 1 1.2. Objetivos ........................................................................................................................................... 2

1.2.1. Objetivos generales ................................................................................................................................... 2 1.2.2. Objetivos especficos................................................................................................................................. 2

1.3. Metodologa de trabajo...................................................................................................................... 3 1.4. Alcances ............................................................................................................................................ 3 1.5. Estructura del trabajo ........................................................................................................................ 4

II. COMPENSADOR ESTTICO DE REACTIVOS............................................................................................. 5 2.1. Principios de transmisin de potencia ............................................................................................... 5 2.2. Descripcin del SVC......................................................................................................................... 7

2.2.1. Aspectos generales .................................................................................................................................... 7 2.2.2. Tipos de configuracin.............................................................................................................................. 7

2.2.2.1. FC-TCR (Capacitor Fijo Reactor Controlado por Tiristores)............................................................................ 7 2.2.2.2. TSC-TCR (Condensador con Switches Tiristorizados Reactor Controlado por Tiristores) .............................. 8 2.2.2.3. MSCTCR (Condensador con Interruptores Mecnicos Reactor Controlado por Tiristores) ........................... 9

2.2.3. Control de tensin ejercido por el SVC................................................................................................... 10 2.2.3.1. Caractersticas dinmicas................................................................................................................................... 10 2.2.3.2. Caracterstica de rgimen permanente ............................................................................................................... 14

2.2.4. Limitaciones y problemas asociados a la operacin................................................................................ 14 2.2.4.1. Efecto de la resonancia de la red en la respuesta del SVC................................................................................. 14 2.2.4.2. Interaccin SVC-SVC........................................................................................................................................ 14

III. PRINCIPALES APLICACIONES DEL SVC EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA ................................ 16 3.1. Aumento de la capacidad de transferencia de potencia en estado estacionario............................... 16 3.2. Aumento de la estabilidad transitoria........................................................................................ 19

3.2.1. Curvas P- ............................................................................................................................................... 19 3.2.2. Torque sincronizante ............................................................................................................................... 20 3.2.3. Modulacin de la tensin del SVC.......................................................................................................... 22

3.3. Incremento de la amortiguacin de las oscilaciones de potencia .................................................... 24 3.4. Prevencin de colapso de tensiones ................................................................................................ 26 3.5. Mejoras en el desempeo de un enlace HVDC............................................................................... 27

IV. VALORIZACIN DEL SERVICIO PROVISTO POR UN SVC ................................................................. 28 4.1. Aspectos generales del servicio de control de tensin .................................................................... 28

4.1.1. Experiencia internacional ........................................................................................................................ 29 4.1.2. Situacin nacional ................................................................................................................................... 32 4.1.2.1. Penalizaciones por factor de potencia .................................................................................................. 32 4.1.2.2. Servicio provisto por generadores ........................................................................................................ 33

4.3. Metodologa de valorizacin del servicio provisto por el SVC como SSCC.................................. 34 4.3.1. Fundamentacin ...................................................................................................................................... 34 4.3.2. Mtodo propuesto.................................................................................................................................... 35

4.3.2.1. Componente variable ......................................................................................................................................... 35 4.3.2.2. Componente fija................................................................................................................................................. 36

4.4. Valorizacin del SVC como activo de la red de transmisin.......................................................... 38 4.4.1. Compensadores estticos de reactivos en el SIC..................................................................................... 38 4.4.2. Valorizacin del SVC como un activo de la red de transmisin ............................................................. 39

4.5. Comparacin de las metodologas de valorizacin ......................................................................... 39

iv

V. APLICACIONES DEL SVC EN EL SISTEMA INTERCONECTADO CENTRAL .................................... 40 5.1. Consideraciones iniciales ................................................................................................................ 40

5.1.1. Descripcin.............................................................................................................................................. 40 5.1.2. Modelo del SIC ....................................................................................................................................... 40 5.1.3. Escenarios de simulacin ........................................................................................................................ 41 5.1.4. Alcances de las simulaciones ................................................................................................................... 41

5.2. Simulaciones ................................................................................................................................... 42 5.2.1. Metodologa ............................................................................................................................................ 42 5.2.2. Salida de la central Taltal 1 ..................................................................................................................... 44

5.2.2.1. Comportamiento dinmico................................................................................................................................. 44 5.2.2.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente............................................................................................. 47

5.2.3. Salida de un circuito de la lnea Cardones Maitencillo 220 .................................................................... 49 5.2.3.1. Comportamiento dinmico................................................................................................................................. 49 5.2.3.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente............................................................................................. 50

5.2.4. Salida de una unidad de la central Guacolda ........................................................................................... 52 5.2.4.1. Comportamiento dinmico................................................................................................................................. 52 5.2.4.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente............................................................................................. 54

5.2.5. Salida de la central Nueva Renca ............................................................................................................ 56 5.2.5.1. Comportamiento dinmico................................................................................................................................. 56 5.2.5.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente............................................................................................. 57

5.2.6. Salida de un circuito de la lnea Alto Jahuel-Ancoa 500.......................................................................... 59 5.2.6.1. Comportamiento dinmico.................................................................................................................................. 59 5.2.6.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente............................................................................................. 61

5.2.7. Salida de la central Bocamina ................................................................................................................. 63 5.2.7.1. Comportamiento dinmico................................................................................................................................. 63 5.2.7.2. Evaluacin de los efectos en rgimen permanente.............................................................................................. 65

5.2.8. Otras simulaciones ................................................................................................................................... 67 5.3. Anlisis de los resultados ................................................................................................................ 68

5.3.1. Estabilizacin de las oscilaciones de tensin........................................................................................... 68 5.3.2. Efectos econmicos en el sistema ........................................................................................................... 68 5.3.3. Efectos sobre la capacidad de transmisin de las lneas.......................................................................... 69

VI. DISCUSIN Y CONCLUSIONES ................................................................................................................... 70 6.1. Conclusiones generales .................................................................................................................... 70 6.2. Conclusiones sobre las simulaciones en un modelo reducido del SIC............................................ 71 6.3. Conclusiones finales........................................................................................................................ 72 6.4. Trabajo Futuro................................................................................................................................. 72

VII. REFERENCIAS................................................................................................................................................. 73

ANEXOS..................................................................................................................................................................... 76

ANEXO A: PRINCIPALES EQUIPOS FACTS..................................................................................................... 77 A.1. Antecedentes .............................................................................................................................................. 77 A.2. TCR ......................................................................................................................................................... 77 A.3. TSC ......................................................................................................................................................... 78 A.4. TCSC ......................................................................................................................................................... 78 A.5. STATCOM................................................................................................................................................ 78 A.6. UPFC ......................................................................................................................................................... 79

ANEXO B: ASPECTOS OPERACIONALES DEL SVC ...................................................................................... 80 B.1. Influencia de la impedancia de un transformador en la respuesta del SVC............................................... 80 B.2. Diagrama de operacin de un CER de configuracin TSC-TCR .............................................................. 82

ANEXO C: PRINCIPIOS BSICOS DE CONTROL DE UN SVC ..................................................................... 85

ANEXO D: PARMETROS DEL MODELO REDUCIDO DEL SIC................................................................. 88

v

ANEXO E: SIMULACIONES ADICIONALES..................................................................................................... 93 E.1. Salida de la central Nehuenco I................................................................................................................... 93

E.1.1. Comportamiento dinmico .................................................................................................................................... 93 E.1.2. Evaluacin de los efectos econmicos en rgimen permanente ........................................................................... 95

E.2. Salida de la central Ventanas 2 .................................................................................................................. 96 E.2.1. Comportamiento dinmico .................................................................................................................................... 96 E.2.2. Evaluacin de los efectos econmicos en rgimen permanente ........................................................................... 98

E.3. Salida de un circuito de la lnea Ancoa-Charra 500.................................................................................. 99 E.3.1. Comportamiento dinmico .................................................................................................................................... 99 E.3.2. Evaluacin de los efectos econmicos en rgimen permanente ......................................................................... 100

E.4. Salida de una unidad de la central Canutillar............................................................................................ 102 E.4.1. Comportamiento dinmico .................................................................................................................................. 102 6.2.10.2. Evaluacin de los efectos econmicos en rgimen permanente ...................................................................... 103

E.5. Salida de las centrales Nehuenco I y Ventanas 2 ..................................................................................... 105 E.5.1. Comportamiento dinmico ................................................................................................................................. 105 E.5.2. Evaluacin de los efectos econmicos en rgimen permanente .......................................................................... 107

ANEXO F: COMPORTAMIENTO DINMICO DE LAS TENSIONES EN DEMANDA BAJA .................. 109 F.1. Salida de un circuito de la lnea Cardones-Maitencillo 220..................................................................... 109 F.2. Salida de una unidad de Guacolda ........................................................................................................... 111 F.3. Salida de Nehuenco I ............................................................................................................................... 112 F.4. Salida de Ventanas 2 ................................................................................................................................ 113 F.5. Salida de Nueva Renca............................................................................................................................. 114 F.6. Salida de un circuito de Alto Jahuel-Ancoa 500 ...................................................................................... 115 F.7. Salida de un circuito de Ancoa-Charra 500............................................................................................ 116 F.8. Salida de Bocamina.................................................................................................................................. 117 F.9. Salida de una unidad de Canutillar........................................................................................................... 118 F.10. Salida de Nehuenco I y Ventanas 2........................................................................................................ 119

vi

NDICE DE TABLAS

Tabla 4.1 Aspectos tcnicos del servicio de control de tensin. ............................................................................... 30 Tabla 4.2 Aspectos econmicos del servicio de control de tensin. ......................................................................... 31 Tabla 4.3 Cargos por energa reactiva inductiva segn nivel de punto de compra. .................................................. 32 Tabla 4.4 Costos de inversin de un SVC en la subestacin Diego de Almagro...................................................... 38 Tabla 5.1 Despachos iniciales para un escenario de demanda alta sin contingencias. .............................................. 43 Tabla 5.2 - Efectos econmicos derivados de la salida de Taltal 1............................................................................. 47 Tabla 5.3 - Principales redespachos tras la salida de Taltal 1. .................................................................................... 47 Tabla 5.4 - Efectos econmicos derivados de la salida de Taltal 1, considerando un SVC. ....................................... 48 Tabla 5.5 - Principales redespachos tras la salida de Talta1 1 considerando un SVC. ............................................... 48 Tabla 5.6 Efecto del SVC en la capacidad de transmisin ante la salida de Taltal 1. ............................................... 48 Tabla 5.7 - Efectos econmicos derivados de la salida un circuito de la lnea Cardones Maitencillo 220. ................ 50 Tabla 5.8 - Principales redespachos tras la salida de la lnea Cardones Maitencillo. ................................................. 51 Tabla 5.9 - Efectos econmicos de la salida un circuito de la lnea Cardones Maitencillo 220 con un SVC. ............ 51 Tabla 5.10 - Principales redespachos tras la salida de la lnea Cardones Maitencillo con un SVC. ........................... 51 Tabla 5.11 Aumento de la transmisin de potencia activa en la lnea Maitencillo-Cardones 220............................ 52 Tabla 5.12 - Efectos econmicos derivados de la salida de una unidad de Guacolda................................................. 54 Tabla 5.13 - Principales redespachos tras la salida de una unidad de Guacolda......................................................... 55 Tabla 5.14 - Efectos econmicos derivados de la salida de una unidad de Guacolda, con un SVC. .......................... 55 Tabla 5.15 - Principales redespachos tras la salida de una unidad de Guacolda con un SVC en Cardones................ 55 Tabla 5.16 Efecto en la capacidad de transmisin ante la salida de un circuito de Cardones -Maitencillo 220. ...... 56 Tabla 5.17 Efectos econmicos derivados de la salida de Nueva Renca. ................................................................. 58 Tabla 5.18 Redespachos tras la salida de servicio de Nueva Renca. ........................................................................ 58 Tabla 5.19 Efectos econmicos derivados de la salida de Nueva Renca con SVC................................................... 58 Tabla 5.20 Redespachos tras la salida de servicio de Nueva Renca con SVC. ......................................................... 59 Tabla 5.21 Efecto del SVC en la capacidad de transmisin ante la salida de Nueva Renca. .................................... 59 Tabla 5.22 Efectos econmicos derivados de la salida de un circuito de Alto Jahuel Ancoa 500. ........................ 61 Tabla 5.23 Redespachos tras la salida de un circuito de Alto Jahuel Ancoa 500................................................... 61 Tabla 5.24 Efectos econmicos derivados de la salida de un circuito de Alto Jahuel Ancoa 500 con un SVC..... 62 Tabla 5.25 Redespachos tras la salida de un circuito de Alto Jahuel Ancoa 500 con SVC. .................................. 62 Tabla 5.26 Efecto en la capacidad de transmisin ante la salida de un circuito de Alto Jahuel Ancoa 500. .......... 62 Tabla 5.27 Efectos econmicos derivados de la salida de Bocamina. ...................................................................... 65 Tabla 5.28 Redespachos tras la salida de Bocamina. ................................................................................................ 65 Tabla 5.29 Efectos econmicos derivados de la salida de Bocamina con SVC........................................................ 66 Tabla 5.30 Redespachos tras la salida de Bocamina con SVC. ................................................................................ 66 Tabla 5.31 - Efecto del SVC en la capacidad de transmisin ante la salida de Bocamina........................................... 66 Tabla 5.32 Efectos econmicos derivados de la instalacin de un SVC en San Vicente 154 sin contingencias. ..... 67 Tabla 5.33 Redespachos producto de la conexin de un SVC en San Vicente 154 sin contingencias. .................... 67 Tabla 5.34 Resumen de los resultados dinmicos y econmicos.............................................................................. 68 Tabla D.1 Barras del modelo. ................................................................................................................................... 88 Tabla D.2 Detalle de los consumos........................................................................................................................... 89 Tabla D.3 Transformadores. ..................................................................................................................................... 89 Tabla D.4 Lneas de transmisin. ............................................................................................................................. 90 Tabla D.5 Generadores. ............................................................................................................................................ 91 Tabla E.1 - Efectos econmicos derivados de la salida de Nehuenco I. ..................................................................... 95 Tabla E.2 - Principales redespachos tras la salida de Nehuenco I. ............................................................................. 95 Tabla E.3 - Efectos econmicos derivados de la salida de Nehuenco I con un SVC.................................................. 96 Tabla E.4 - Principales redespachos tras la salida de Nehuenco I. ............................................................................. 96 Tabla E.5 - Efectos econmicos derivados de la salida de Ventanas 2....................................................................... 98 Tabla E.6 Redespachos tras la salida de Ventanas 2................................................................................................. 98 Tabla E.7 Efectos econmicos derivados de la salida de Ventanas 2 con SVC........................................................ 99 Tabla E.8 Redespachos tras la salida de Ventanas 2 con SVC. ................................................................................ 99 Tabla E.9 Efectos econmicos derivados de la salida de un circuito de Ancoa Charra 500. ............................. 100 Tabla E.10 Redespachos tras la salida de un circuito de Ancoa Charra 500...................................................... 101 Tabla E.11 Efectos econmicos derivados de la salida de un circuito de Ancoa Charra 500 con SVC............. 101

vii

Tabla E.12 Redespachos tras la salida de un circuito de Ancoa Charra 500 con SVC. ..................................... 101 Tabla E.13 Efectos econmicos derivados de la salida de una unidad de Canutillar.............................................. 103 Tabla E.14 Redespachos tras la salida de una unidad de Canutillar. ...................................................................... 104 Tabla E.15 Efectos econmicos derivados de la salida de una unidad de Canutillar con SVC. ............................. 104 Tabla E.16 Redespachos tras la salida de una unidad de Canutillar con SVC. ....................................................... 104 Tabla E.17 Efectos econmicos derivados de la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2. ....................................... 107 Tabla E.18 Redespachos tras la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2.................................................................. 108 Tabla E.19 Efectos econmicos derivados de la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2 con SVC......................... 108 Tabla E.20 Redespachos tras la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2 con SVC. ................................................. 108

viii

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Sistema de potencia de dos barras. ............................................................................................................ 5 Figura 2.2 - Transferencia de potencia en funcin del desfase entre los extremos emisor y receptor. .......................... 6 Figura 2.3 SVC tipo FC-TCR. .................................................................................................................................... 7 Figura 2.4 SVC tipo TSC-TCR con dos ramas TSC................................................................................................... 8 Figura 2.5 Configuraciones tpicas de un SVC del tipo MSC-TCR. .......................................................................... 9 Figura 2.6 Caracterstica voltaje-corriente del SVC. ................................................................................................ 10 Figura 2.7 Caracterstica voltaje-potencia reactiva del SVC. ................................................................................... 11 Figura 2.8 Diagrama de bloques simplificado de un sistema de potencia y el sistema de control del SVC. ............ 12 Figura 2.9 Caracterstica del sistema de potencia y el SVC...................................................................................... 13 Figura 2.10 Reduccin del rango de potencia reactiva producto de la pendiente en la caracterstica del SVC. ....... 13 Figura 3.1 Sistema de un generador y una barra infinita: (a) sin compensacin y (b) con un SVC.......................... 16 Figura 3.2 Variacin del flujo de potencia real y de potencia reactiva en el SVC.................................................... 17 Figura 3.3 Curva P de un sistema de un generador y una barra infinita............................................................. 18 Figura 3.4 Mrgenes de estabilidad transitoria: (a) caso no compensado y (b) caso compensado. .......................... 19 Figura 3.5 Efectos de una adecuada variacin de la tensin del SVC.. .................................................................... 23 Figura 3.6 Perfil de tensiones en una carga con un factor de potencia variable........................................................ 26 Figura 5.1 Tensiones en las barras Diego de Almagro 220 y Cardones 220 ante la salida de la central Taltal 1. .... 44 Figura 5.2 Evolucin de las tensiones ante la salida de Taltal 1 con un SVC........................................................... 45 Figura 5.3 - Tensiones en Diego de Almagro 220 y Cardones 220 ante la salida de Taltal 1 en demanda baja. ......... 46 Figura 5.4 Evolucin de las tensiones ante la salida de Taltal 1 con un SVC en demanda baja. .............................. 46 Figura 5.5 Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de la lnea Cardones-Maitencillo 220. .............. 49 Figura 5.6 Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de Cardones-Maitencillo 220 con un SVC. ..... 50 Figura 5.7 Evolucin de las tensiones ante la salida de una unidad de Guacolda..................................................... 52 Figura 5.8 Evolucin de las tensiones ante la salida de una unidad de Guacolda con un SVC. ............................... 53 Figura 5.9 Respuesta ante la perturbacin de un SVC de +100 -100 [MVAr]. ........................................................ 54 Figura 5.10 - Evolucin de las tensiones ante la salida de Nueva Renca..................................................................... 56 Figura 5.11 - Evolucin de las tensiones ante la salida de Nueva Renca con SVC. .................................................... 57 Figura 5.12 - Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de la lnea Alto Jahuel Ancoa 500. ................. 60 Figura 5.13 - Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de la lnea Alto Jahuel Ancoa 500 con SVC... 60 Figura 5.14 - Evolucin de las tensiones ante la salida de Bocamina.......................................................................... 63 Figura 5.15 - Evolucin de las tensiones ante la salida de Bocamina con SVC. ......................................................... 64 Figura A.1 TCR (izquierda) y TSC (derecha)........................................................................................................... 77 Figura A.2 Esquemas bsicos de un (a) TCSC y un (b) STATCOM........................................................................ 78 Figura A.3 UPFC. ..................................................................................................................................................... 79 Figura B.1 Caracterstica V-I de un SVC del tipo FC-TCR sin transformador de bajada. ....................................... 82 Figura B.2 Caracterstica V-I de un SVC del tipo FC-TCR con transformador de bajada. ...................................... 82 Figura B.3 SVC con un arreglo de tres TSC y un TCR. ........................................................................................... 83 Figura B.4 Caracterstica V-I de un SVC tipo TSC-TCR de tres TSC. .................................................................... 84 Figura C.1 Controlador basado en la realimentacin de la pendiente de corriente. ................................................... 85 Figura C.2 Control de tipo integral con realimentacin de susceptancia. ................................................................. 86 Figura C.3 Esquema de control basado en una ganancia de tiempo constante. ........................................................ 87 Figura E.1 - Evolucin de las tensiones ante la salida de Nehuenco I. ........................................................................ 93 Figura E.2 Evolucin de las tensiones ante la salida de Nehuenco I con SVC instalado en Quillota 220. ............... 94 Figura E.3 Evolucin de las tensiones ante la salida de Nehuenco I con un SVC de +200 -300 [MVAr]................ 95 Figura E.4 - Evolucin de las tensiones ante la salida Ventanas 2. ............................................................................. 97 Figura E.5 - Evolucin de las tensiones ante la salida Ventanas 2 con SVC. .............................................................. 97 Figura E.6 - Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de la lnea Ancoa Charra 500. ........................ 99 Figura E.7 - Evolucin de las tensiones ante la salida de un circuito de la lnea Ancoa Charra 500 con SVC........ 100 Figura E.8 - Evolucin de las tensiones ante la salida de una unidad de Canutillar. ................................................. 102 Figura E.9 - Evolucin de las tensiones ante la salida de una unidad de Canutillar con SVC................................... 103 Figura E.10 Comportamiento de las tensiones ante la salida de Nehuenco I y posteriormente de Ventanas 2....... 105 Figura E.11 Tensiones tras la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2 con un SVC de 100 [MVAr]. ................... 106 Figura E.12 Tensiones tras la salida de Nehuenco I y de Ventanas 2 con un SVC de +100 -300 [MVAr]. ........... 107 Figura F.1 Salida de un circuito de Cardones-Maitencillo 220 en demanda baja y sin compensacin.................... 109

ix

Figura F.2 - Salida de un circuito de Cardones-Maitencillo 220 en demanda baja, con un SVC. ............................. 110 Figura F.3 - Salida de una unidad de Guacolda en demanda baja, sin compensacin. .............................................. 111 Figura F.4 - Ssalida de una unidad de Guacolda en demanda baja, con SVC............................................................ 111 Figura F.5 - Salida de Nehuenco I en demanda baja, sin compensacin. .................................................................. 112 Figura F.6 - Salida de Nehuenco I en demanda baja, con SVC. ................................................................................ 112 Figura F.7 - Salida de Ventanas 2 en demanda baja, sin compensacin. ................................................................... 113 Figura F.8 Salida de Ventanas 2 en demanda baja, con SVC. ................................................................................... 113 Figura F.9 - Salida de Nueva Renca en demanda baja, sin compensacin. ............................................................... 114 Figura F.10 - Salida de Nueva Renca en demanda baja, con SVC. ........................................................................... 114 Figura F.11 - Salida de un circuito de Alto Jahuel-Ancoa 500 en demanda baja, sin compensacin. ....................... 115 Figura F.12 - Salida de un circuito de Alto Jahuel-Ancoa 500 en demanda baja, con SVC. ..................................... 115 Figura F.13 - Salida de un circuito de Ancoa-Charra 500 en demanda baja, sin compensacin.............................. 116 Figura F.14 - Salida de un circuito de Ancoa-Charra 500 en demanda baja, con SVC. .......................................... 116 Figura F.15 Salida de Bocamina en demanda baja, sin compensacin. .................................................................. 117 Figura F.16 Salida de Bocamina en demanda baja, con SVC................................................................................. 117 Figura F.17 Salida de una unidad de Canutillar en demanda baja, sin compensacin. ........................................... 118 Figura F.18 Salida de una unidad de Canutillar en demanda baja, con SVC.......................................................... 118 Figura F.19 Salida de Nehuenco I y Ventanas 2 en demanda baja, sin compensacin. .......................................... 119 Figura F.20 Salida de Nehuenco I y Ventanas 2 en demanda baja, con SVC......................................................... 119

1

I. INTRODUCCIN

1.1. Motivacin

El crecimiento econmico que ha experimentado el pas en los ltimos aos, se ha visto reflejado en un aumento significativo de la demanda por energa elctrica. Como respuesta ante tal situacin, el sector elctrico ha debido encarar nuevos desafos de modernizacin y expansin, a fin de satisfacer los exigentes requerimientos actuales de energa y responder de forma adecuada a aquellos proyectados en el futuro cercano. Todo este proceso involucra una serie de grandes inversiones, que requieren de varios aos para su construccin y posterior utilizacin. Producto de aquello, ha adquirido cada vez mayor importancia el uso eficiente de las instalaciones de transmisin ya existentes.

La caracterstica longitudinal del SIC (Sistema Interconectado Central), y en particular, la separacin geogrfica existente entre los grandes centros de consumo y las principales zonas de generacin, ha trado consigo la existencia de lneas de transmisin de longitud considerable. Esta caracterstica origina una serie de problemas que perjudican la operacin eficiente del sistema, como son los elevados montos de prdidas de potencia activa, el transporte de reactivos entre distintas zonas y las limitaciones de la transmisin debido a criterios de estabilidad. Las alternativas tradicionales para solucionar estos problemas estn dadas por la instalacin de nuevas lneas de transmisin (lo que involucra una gran inversin monetaria), o bien, la instalacin de bancos estticos de condensadores, que slo proporcionan beneficios limitados ante problemas de seguridad dinmica del sistema [1].

Los Compensadores Estticos de Reactivos (CER, o en su abreviatura en ingls, SVC1) corresponden a dispositivos FACTS2, que proporcionan una solucin adecuada a los problemas de estabilidad de tensiones y de descongestin de la red de transmisin [1-3], constituyendo a su vez, una alternativa econmicamente eficiente frente a las inversiones en nuevas lneas de transmisin.

En Chile, la utilizacin del SVC se ha limitado a unidades de poca capacidad, destinadas a solucionar problemas de oscilaciones de tensiones que podran provocar la salida de unidades de generacin en los extremos del sistema (en donde predominan las lneas de gran longitud). No obstante, esta situacin podra cambiar en un futuro prximo, debido a que las exigencias establecidas por la Norma Tcnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NTSCS)3 no pueden ser cumplidas en su totalidad sin la inversin en dispositivos flexibles, que permitan una adecuada respuesta ante problemas de inestabilidad y, a su vez, faciliten la recuperacin post-falla. Adicionalmente, la definicin de los Servicios Complementarios (SSCC), en particular aquellos de Control de Tensin, y la consecuente remuneracin econmica por su provisin, podra facilitar la entrada de otros agentes del sistema interesados en realizar los estudios y las inversiones necesarias para la instalacin de compensadores estticos de reactivos. De este modo, la utilizacin de estos dispositivos dejara de ser una decisin del propietario del sistema de transmisin, como actualmente ocurre.

1 Static VAr Compensator.

2 Flexible AC Transmisin Systems.

3 Publicada en marzo de 2005.

2

1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivos generales

El objetivo principal de este trabajo consiste en evaluar, desde el punto de vista tcnico y econmico, la utilizacin de un equipo SVC en el SIC. Para tales fines, se comprueba su desempeo en la estabilizacin de tensiones, y a su vez, se determina el efecto que produce en la descongestin del sistema de transmisin. Por su parte, la cuantificacin del efecto del SVC en los costos de operacin del sistema, es obtenida mediante el uso de un Flujo de Potencia ptimo (OPF4).

1.2.2. Objetivos especficos

En este trabajo se definen los siguientes objetivos especficos:

Establecer una metodologa de valorizacin econmica del servicio provisto por un CER.

Detallar las principales caractersticas de funcionamiento de los compensadores estticos de reactivos, identificando sus aplicaciones principales para la operacin de los sistemas de potencia.

Comprobar los efectos del compensador esttico de reactivos en la estabilizacin de las tensiones de un sistema sometido a un conjunto de perturbaciones tpicas.

Evaluar los efectos sobre los costos operacionales del sistema que produce la utilizacin de un SVC en el rgimen permanente.

Determinar el efecto de un SVC en el aumento de la capacidad de transmisin.

4 OPF: Optimal Power Flow.

3

1.3. Metodologa de trabajo

Se propone una metodologa para la valorizacin del servicio provisto por un SVC basada en los costos incurridos en inversin y operacin, y los beneficios obtenidos en comparacin con una situacin en que no existe dicha compensacin.

Para comprobar el aporte del SVC a la estabilidad de las tensiones, se simula un conjunto de contingencias seleccionadas. A partir de esto, se comprueba el efecto del dispositivo para atenuar las oscilaciones de tensin, considerando los valores mnimos que alcanzan dichas oscilaciones, los valores finales de estabilizacin y el lapso de tiempo en que se alcanza este estado, cotejando los valores obtenidos con aquellos que define la normativa para una operacin segura del sistema.

Posteriormente, se analiza el efecto econmico en rgimen permanente de dichas contingencias, comprobando la variacin de las prdidas, despachos de centrales caras y potencia no servida en los casos sin compensacin y con un SVC de capacidad adecuada. A partir de estos valores y de los flujos de potencia resultantes, obtenidos mediante un OPF de minimizacin de prdidas, se verifican los efectos del SVC en la descongestin de las lneas de transmisin, y por ende, en la capacidad de transmisin de potencia activa de dichos elementos.

1.4. Alcances

El presente trabajo no contempla el anlisis de localizacin ptima de un SVC, ni de cualquier otro tipo de compensacin reactiva en un sistema elctrico. La ubicacin de los compensadores es definida en funcin de las contingencias seleccionadas.

Por otra parte, este trabajo de memoria de ttulo no contempla el diseo ni implementacin de controladores de tensin para los modelos de SVC, optndose por utilizar aquellos existentes en las libreras del software utilizado para las simulaciones dinmicas. Las nociones sobre control del dispositivo que son vertidas en este trabajo no profundizan en aspectos tales como implementacin fsica, accionamientos necesarios ni sintonizacin de parmetros, ya que slo tienen como objetivo el mejor entendimiento de las caractersticas operativas del SVC.

4

1.5. Estructura del trabajo

El presente trabajo se divide en 6 captulos, ms uno de referencias y otro destinado a anexos.

El primer captulo corresponde a una introduccin al tema tratado, definiendo su contexto y motivacin; a su vez, se sealan los objetivos, metodologas y los alcances del mismo.

En el segundo captulo se plantea la problemtica de la transmisin de potencia reactiva, para luego presentar una descripcin de las caractersticas constructivas y de funcionamiento del SVC.

El captulo 3 describe las principales aplicaciones de un SVC en un sistema elctrico de potencia.

El captulo 4, por su parte, comienza con un resumen de los mtodos de valorizacin de reactivos alrededor del mundo, incluyendo la situacin nacional. Posteriormente, se formula una metodologa para la valorizacin del servicio complementario de control de tensin entregado por un SVC, y se la compara con la alternativa de considerarlo como un activo de la red de transmisin.

El quinto captulo presenta las simulaciones dinmicas y estticas de un conjunto de contingencias seleccionadas, en un modelo reducido del SIC. Se establece el comportamiento del SVC ante tales perturbaciones y se analizan los efectos econmicos que produce la instalacin del dispositivo.

Finalmente, el sexto captulo presenta la discusin y las conclusiones de este trabajo de ttulo. Adicionalmente, se proponen futuros desarrollos en esta lnea de trabajo.

5

II. COMPENSADOR ESTTICO DE REACTIVOS

2.1. Principios de transmisin de potencia

Los principios bsicos de la transmisin de potencia a travs de una red pueden ser expuestos mediante un sistema simple que consta de una barra de generacin (extremo emisor), una lnea caracterizada por su reactancia X y una barra infinita (extremo receptor), tal como indica la Figura 2.1.

~

EV 0RV

jX

I

~

EV 0RV

jX

I

Figura 2.1 Sistema de potencia de dos barras.

La potencia aparente transmitida al extremo receptor es

*

R RS V I= (2.1)

Considerando que ( )E RV VI jX

= , se llega a que

* * 2( ) (90 ) 90E R R E RR R

V V V V VS V jX X

= =

(2.2)

Luego, las potencias activa y reactiva en el extremo receptor corresponden a

{ } sinRe R ER R V VP S X = =

(2.3)

{ } 2 cosIm R E RR R V V VQ S X = =

(2.4)

Anlogamente, en el extremo emisor las potencias tienen la forma

sinR EE R

V VP PX

= =

(2.5)

6

2 cosR R E

EV V VQ

X

=

(2.6)

Por lo tanto, la potencia puede ser transmitida a travs de la lnea en funcin de los desfases angulares existentes entre los extremos emisor y receptor. Para el caso E RV V= , se obtiene la curva de la Figura 2.2.

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

EP

EQ

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

EP

EQ

Figura 2.2 - Transferencia de potencia en funcin del desfase entre los extremos emisor y receptor.

De la formulacin anterior, es posible concluir que la magnitud de la potencia transmitida depende de:

i) los voltajes en los extremos de la lnea, ii) la impedancia caracterstica de sta, y iii) la diferencia angular existente entre dichos extremos.

Los mtodos de compensacin de reactivos permiten el control (total o parcial) de alguno(s) de estos 3 parmetros. En particular, los compensadores estticos de reactivos permiten modificar los mdulos de las tensiones en los extremos de las lneas, lo que define que una de las principales aplicaciones de este dispositivo sea el de aumentar la capacidad de transmisin del sistema de transmisin, tal como se detalla en el resto del siguiente trabajo.

7

2.2. Descripcin del SVC

2.2.1. Aspectos generales

El compensador esttico de reactivos es el primer dispositivo FACTS utilizado masivamente en los sistemas de transmisin alrededor del mundo desde la dcada de los 70s [4]. Su principal aplicacin ha sido la de proveer control de tensin, ya sea a travs de la mantencin de los perfiles de tensin dentro de las bandas permitidas, o bien, a travs de la provisin de una reserva rpida en caso de contingencias y fenmenos transitorios [1-4]; su utilizacin repercute, de esta forma, en una mejora en la seguridad de todo el sistema.

2.2.2. Tipos de configuracin

Un CER corresponde bsicamente a un arreglo de reactores y capacitores dispuestos en configuracin shunt, que actan proporcionando potencia reactiva inductiva o capacitiva, de manera de mantener una consigna de tensin dada [4][6]. La forma en que son dispuestos estos arreglos de elementos de compensacin define los tres tipos principales de CER detallados a continuacin.

2.2.2.1. FC-TCR (Capacitor Fijo Reactor Controlado por Tiristores)

Corresponde a un arreglo de condensadores (o banco de condensadores) de valor fijo, en paralelo con reactores controlados por tiristores dispuestos a modo de switch, tal como indica la Figura 2.3. El TCR5 provee un rango controlable continuo slo en el rango inductivo de la potencia reactiva. Al conectar en paralelo el banco de condensadores fijos es posible extender este rango dinmico al lado capacitivo.

Banco de Condensadores

FiltroTCR

Barra SVC

Transformador

Banco de Condensadores

FiltroTCR

Barra SVC

Transformador

Figura 2.3 SVC tipo FC-TCR.

5 Ver Anexo A.

8

Cabe notar la presencia de una rama destinada a soportar un filtro pasaaltos, necesario para disminuir la inyeccin de armnicas al sistema, provenientes de la operacin de los TCR.

Un inconveniente de este tipo de SVC es que dado que circulan enormes corrientes dentro del circuito FC-TCR, necesarias para la cancelacin de los MVArs capacitivos, se producen prdidas significativas (de 0,5 a 0,7 % de la capacidad del equipo en MVA), an en estado estacionario y sin inyeccin de reactivos al sistema por parte del SVC.

2.2.2.2. TSC-TCR (Condensador con Switches Tiristorizados Reactor Controlado por Tiristores)

Un SVC del tipo TSC-TCR se compone generalmente de n ramas TSC6 y una que consta de un TCR, cuya capacidad corresponde a 1/n del total de capacidad de las ramas compensadoras capacitivas (Figura 2.4). De esta forma, se tiene un rango discreto de condensadores en servicio, pero gracias al TCR es posible hacer que el rango de variacin sea continuo en todo el espectro [4][7].

Barra SVC AT

TransformadorBarra SVC MT

FiltroTCR TSC

Barra SVC AT


FiltroTCR TSC

Figura 2.4 SVC tipo TSC-TCR con dos ramas TSC.

Dado que la capacidad del TCR es pequea, la generacin armnica se reduce de manera considerable; aun as, se incluye un filtro pasaaltos para compensar en caso de que todas las ramas TSC estn en OFF y slo acte el TCR.

La principal motivacin para el desarrollo de este tipo de SVC fue la de mejorar la flexibilidad de la operacin del compensador ante grandes perturbaciones y la de reducir las prdidas de rgimen permanente. Un FC-TCR se comporta como un circuito LC paralelo que tiende a entrar en resonancia con la impedancia del sistema ante la presencia de grandes perturbaciones. Ante esta situacin, un TSC-TCR puede operar rpidamente desconectando los capacitores (lo que no es posible en el FC-TCR), evitando la posibilidad de la resonancia [4].

6 Ver Anexo A.

9

2.2.2.3. MSCTCR (Condensador con Interruptores Mecnicos Reactor Controlado por Tiristores)

Este tipo de SVC puede ser ubicado en la barra de AT, aunque en algunos casos es necesario ubicar el filtro pasaaltos en paralelo con las ramas TCR en el secundario del transformador, para as reducir la carga de armnicas en ste. Las configuraciones tpicas se presentan en la Figura 2.5.

Condensadores Switcheables

Filtro

TCR

Barra SVC AT



Filtro

TCR

Barra SVC AT


Barra SVC AT

Transformador

FiltroTCR


Barra SVC AT

Transformador

FiltroTCR


Figura 2.5 Configuraciones tpicas de un SVC del tipo MSC-TCR.

Una de las ventajas del esquema MSC-TCR radica en la disminucin del capital por VAr instalado, producto de la eliminacin de los interruptores tiristorizados en las ramas capacitivas; otra ventaja es la relacionada con el reducido rango de prdidas, lo que influye directamente en los costos operativos [4][8].

Una desventaja importante de esta configuracin, la constituye la relativa lentitud en la respuesta en comparacin a la de los interruptores tiristorizados; mientras estos ltimos actan entre en el lapso de medio a un ciclo entero, los switches mecnicos demoran del orden de dos ciclos en el cierre y ocho para la apertura.

Otro problema caracterstico de esta configuracin lo constituye la necesidad de descargar la energa almacenada en los condensadores luego de la desenergizacin; para tales fines, cada unidad MSC posee resistencias de descarga, que permiten la disipacin total de la carga a los pocos minutos. Conviene sealar que las unidades MSC pueden ser accionadas solamente una vez que los capacitores estn descargados.

Finalmente, se debe mencionar que los interruptores mecnicos poseen una vida til de 2000 a 5000 operaciones, mientras que los tiristores pueden realizar las mismas operaciones (tericamente) infinitas veces [4].

10

2.2.3. Control de tensin ejercido por el SVC 2.2.3.1. Caractersticas dinmicas

Para efectos de describir la variacin de la tensin en la barra de un SVC, tanto en estado estacionario como en rgimen transitorio, se recurre a las caractersticas V-I de corriente o de potencia reactiva (Figuras 2.6 y 2.7).

El voltaje REFERENCIAV corresponde a la tensin en los terminales del SVC durante la operacin flotante7, que puede variar entre los lmites maxREFV y minREFV cuyos valores tpicos son de 1,05 y 0,95 [pu] respectivamente [4].

SVCV

SVCI

maxSVCB

minSVCB

1V

REFERENCIAV

2V

Rango de Control Lineal

Caracterstica de Estado Estacionario

Caracterstica Dinmica

Rango de Sobrecarga

Lmite de Sobrecorriente

CrI LrISETI 0Capacitivo Inductivo

SVCV

SVCI

maxSVCB

minSVCB

1V

REFERENCIAV

2V




Rango de Sobrecarga


CrI LrISETI 0Capacitivo Inductivo

Figura 2.6 Caracterstica voltaje-corriente del SVC.

La pendiente o slope en la caracterstica V-I (y V-Q) se define como el cuociente entre el cambio en magnitud del voltaje sobre el rango de control lineal de la corriente. Es decir,

[pu]rSLr

VVK II

=

(2.7)

, en donde r

V e r

I corresponden a los valores de operacin del SVC para un estado cualquiera.

Para el caso r

I I = se tiene que

7 Operacin en la cual el SVC no absorbe ni genera potencia reactiva.

11

( o ) [pu]r rSL

r

V Q IKV

=

(2.8)

, donde r

Q representa el valor de operacin de potencia reactiva.

La pendiente SLK puede ser definida igualmente como la variacin de la tensin en porcentaje de la magnitud de la tensin operando en el lmite mximo de potencia reactiva (capacitiva o inductiva). La pendiente, a su vez, suele ser expresada como:

[pu]SL SLK X= (2.9)

El rango de sobrecarga se alcanza una vez que se sobrepasa el rango linealmente controlable en el lado inductivo de la caracterstica V-I (o V-Q), y se caracteriza porque el TCR se comporta como un reactor de valor fijo.

SVCV

SVCQ

maxSVCB

minSVCB

1V

REFERENCIAV

2V




Rango de Sobrecarga


CrQ LrQSETQ 0Capacitivo Inductivo

SVCV

SVCQ

maxSVCB

minSVCB

1V

REFERENCIAV

2V




Rango de Sobrecarga


CrQ LrQSETQ 0Capacitivo Inductivo

Figura 2.7 Caracterstica voltaje-potencia reactiva del SVC.

Por su parte, el lmite de sobrecorriente aleja el riesgo de que los tiristores estn sometidos a exigencias trmicas excesivas.

El control de tensin ejercido por el SVC puede ser descrito mediante la representacin simplificada de la Figura 2.8, en donde el sistema de potencia es modelado como una fuente de tensin SV y una impedancia equivalente SX vista desde los terminales del SVC. Esta impedancia corresponde a

2

[pu]bS bC

VX SS

= (2.10)

12

, en donde CS corresponde a la potencia aparente (MVA) en un cortocircuito trifsico en la barra del SVC, bV es la tensin base fase-fase y bS es la potencia base.

SVCB

REFERENCIAV

+

SXSVCV

~

SV

SVCBSVCBSVCB

REFERENCIAV

+

SXSVCV

~

SV

Figura 2.8 Diagrama de bloques simplificado de un sistema de potencia y el sistema de control del SVC.

Si el SVC entrega una corriente reactiva SVCI , entonces en ausencia del controlador de tensin la tensin en la barra del SVC corresponde a

0 ( 90)( 90)S SVC SVC SV V I X= +

(2.11)

, lo que implica que

S SVC SVC SV V I X= +

(2.12)

La corriente causa una cada de tensin de SVC SI X en fase con el voltaje del sistema SV . El voltaje en la barra del SVC decrece con corrientes de tipo inductivo, pero crece con corrientes capacitivas. Esto implica que el SVC es ms efectivo controlando tensiones en sistemas dbiles (alta impedancia SX ) y menos en sistemas fuertes (bajo SX ).

La caracterstica dinmica del SVC describe la compensacin de potencia reactiva provista por el SVC en respuesta a la variacin en el voltaje en sus terminales. La interseccin de la caracterstica dinmica del SVC y la carga de la lnea seala el punto de operacin del SVC, como se ilustra en la Figura 2.9.

La accin del control de voltaje en el rango lineal puede ser descrita como

SVC REFERENCIA SL SVCV V X I= +

(2.13)

13

, donde SVCI es positiva si es inductiva y negativa si es capacitiva.

SVCV

SVCI

REFERENCIAV

0

Carga de

la lnea

SL SVCX I

SVCI

SVCV

Caracterstica

Dinmica del SVC

Punto de Operacin del SVC

SVCV

SVCI

REFERENCIAV

0

Carga de

la lnea

SL SVCX I

SVCI

SVCV

Caracterstica

Dinmica del SVC

Punto de Operacin del SVC

Figura 2.9 Caracterstica del sistema de potencia y el SVC.

Un aspecto interesante para destacar, corresponde a las ventajas que acarrea el seteo (tpicamente entre 3% y 5%) de una pendiente o slope. La Figura 2.10 muestra dos caractersticas de un SVC: la primera (OABC) incorpora una slope finita, mientras que la segunda (OABC) es plana. Si se asume que la carga de la lnea vara entre 1L y 2L , el rango de potencia reactiva del SVC necesaria para proveer la regulacin de voltaje va de CmQ (capacitivo) a LmQ (inductivo), como se aprecia en la caracterstica OABC. Sin embargo, si se acepta la introduccin de una pendiente en la caracterstica, los mximos requerimientos de potencia reactiva son CmQ (capacitivo) y LmQ (inductivo). Evidentemente, Cm CmQ Q < y Lm LmQ Q < . Es decir, para un rango de potencia reactiva mucho ms bajo (y por lo tanto, a un costo mucho menor) es posible cumplir con los mismos objetivos de control de tensin [4].

SVCV

SVCQ

A

A

B

B

C

C

O

1L

0L2L

3L

4L

CmQ CmQ LmQ LmQ

4E

3E

0E

1E

REFV

SVCV

SVCQ

A

A

B

B

C

C

O

1L

0L2L

3L

4L

CmQ CmQ LmQ LmQ

4E

3E

0E

1E

REFV

Figura 2.10 Reduccin del rango de potencia reactiva producto de la pendiente en la caracterstica del SVC.

Otras ventajas asociadas al seteo de la pendiente son la de prevenir que el SVC alcance sus lmites de capacidad frecuentemente y la de facilitar la distribucin de potencia reactiva entre mltiples compensadores operando en paralelo [4].

14

2.2.3.2. Caracterstica de rgimen permanente

La caracterstica V-I (o V-Q) de rgimen permanente es muy similar a la dinmica tal como se aprecia en las Figuras 2.6 y 2.7, excepto por una banda muerta de voltaje. En caso de no existir esta banda, el SVC tiende a moverse hacia los lmites de su potencia reactiva para proveer regulacin de voltaje, lo que no es deseable dado los mrgenes restrictivos de potencia reactiva con los que quedara el SVC para la estabilizacin de la tensin a causa de una eventual perturbacin en el sistema [4]. La banda muerta alrededor del voltaje de referencia mantiene la corriente en torno a cero; adems, la potencia reactiva se mantiene constante en un setpoint dado por la capacidad de los filtros destinados a la eliminacin de la contaminacin armnica proveniente de la operacin del TCR.

2.2.4. Limitaciones y problemas asociados a la operacin

2.2.4.1. Efecto de la resonancia de la red en la respuesta del SVC

En sistemas de transmisin reales, la impedancia equivalente del mismo puede exhibir una fuerte componente resonante, resultante de la interaccin entre la reactancia serie y la susceptancia capacitiva de las lneas, especialmente cuando la longitud de ellas es considerable. Esta frecuencia resonante (que puede ser menor a 2 veces la frecuencia nominal) puede ser excitada durante alguna perturbacin en el sistema, causando una componente de tensin de la misma frecuencia en toda la red.

Los efectos de la resonancia de la red se traducen en retrasos en la accin del controlador de tensin y en el circuito de disparo de los tiristores del SVC. Si el retraso se acerca a 180, el control provisto por el SVC puede aumentar la inestabilidad del sistema al provocar una amplificacin de las oscilaciones derivadas de la perturbacin en el caso de que la ganancia del dispositivo sea alta [4].

Para solucionar este inconveniente, se asume una estrategia basada en la variacin de la ganancia del lazo del control segn las condiciones de operacin del sistema, o bien, se ajustan filtros para aislar la componente de voltaje con frecuencia resonante, o en un caso ms general, cualquier componente que produzca inestabilidad del control del SVC.

2.2.4.2. Interaccin SVC-SVC

La interaccin SVC-SVC puede resultar beneficiosa o perjudicial para la operacin del sistema, segn sea el grado de acoplamiento entras las barras a las que estn conectados (es decir, la impedancia existente entre dichas barras). En el caso desacoplado, es decir, cuando la impedancia entre ambos dispositivos es alta, la interaccin entre los dispositivos es favorable; incrementar la ganancia de un SVC no afecta en el comportamiento de otro SVC, por lo que el diseo del control de cada equipo puede ser creado en forma independiente.

15

Si la impedancia entre las barras es baja, se presentan dos casos dependiendo de las capacidades de cortocircuito de las zonas a las que pertenecen los SVCs. En el caso de que esta capacidad sea alta, aumentar la ganancia proporcional de un SVC afecta slo ligeramente el comportamiento de otro SVC. Por el contrario, si esta capacidad es baja, variar la ganancia de un SVC influye fuertemente en el control provisto por otro SVC [2], por lo que lo que el diseo de dicho mecanismo debe ser creado en coordinacin con el de sus contrapartes.

16

III. PRINCIPALES APLICACIONES DEL SVC EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA

3.1. Aumento de la capacidad de transferencia de potencia en estado estacionario

Un SVC puede ser utilizado para mejorar la capacidad de transferencia de potencia de una lnea de transmisin, la que a su vez corresponde al lmite de potencia de estado estacionario [2][4]. Considrese un sistema de una mquina sincrnica y una barra infinita, unidas a travs de una lnea caracterizada por una reactancia X , con tensiones en las barras de 1V y 2 0V respectivamente; la potencia activa transferida desde el generador a la barra infinita se puede expresar como

21 2 sin sinV V VPX X

= =

(3.1)

La potencia vara como una funcin sinusoidal de la diferencia angular de los voltajes entre las barras (Figura 3.1). La mxima potencia en estado estacionario que puede ser transmitida a travs de la lnea sin la compensacin de un SVC corresponde a aquella en que 90 = , es decir

2

max

VPX

= (3.2)

~

1V 2 0V X

(a)

~

1V 2 0V 2X

(b)

2X2mV

SVC

~

1V 2 0V X

(a)

~

1V 2 0V 2X

(b)

2X2mV

SVC

Figura 3.1 Sistema de un generador y una barra infinita: (a) sin compensacin y (b) con un SVC.

Si la lnea es compensada mediante un SVC ideal (es decir, con un rango ilimitado de potencia reactiva) conectado en su punto medio, se tiene que

17

2SVC mV V

= (3.3)

Asumiendo que mV V= , se llega a que

22sin

2CVPX

=

(3.4)

, funcin que es representada grficamente en la Figura 3.2.

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

P

SVCQ

CP

max4P

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

P

SVCQ

CP

max4P

Figura 3.2 Variacin del flujo de potencia real y de potencia reactiva en el SVC.

La potencia mxima transmisible a travs de la lnea est dada por

2

max

2C

VPX

= (3.5)

, que corresponde al doble de la potencia que en el caso no compensado y ocurre en 2 90 = . Es decir, la localizacin en un punto medio de la lnea de un SVC duplica el lmite de potencia activa en estado estacionario y a su vez, incrementa el rango de diferencias angulares entre la mquina y la barra infinita de 90 a 180.

Se demuestra que los requerimientos de potencia reactiva SVCQ en el punto medio provistos por el SVC para la estabilizacin de los voltajes estn dados por la ecuacin

18

24 (1 cos )2SVC

VQX

=

(3.6)

Para cumplir con los rangos expuestos en la Figura 3.2, se debe contar con un SVC capaz de proveer una potencia reactiva tan alta que su uso no es econmicamente factible [4].

La Figura 3.3 presenta una curva que se ajusta a valores de SVCQ mucho ms realistas. A pesar de eso, los efectos del SVC conectado en la mitad de la lnea son evidentes.

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

(a)

(b)(d)

(c)

0 / 2pi

pi

,P Q

MAXP

2 MAXP

(a)

(b)(d)

(c)

Figura 3.3 Curva P de un sistema de un generador y una barra infinita.

La curva (a) representa el caso no compensado; la (b) corresponde al caso con un SVC de capacidad ilimitada conectado a la mitad de la lnea ( max4SVCQ P> ); la curva (c) presenta el comportamiento para un condensador fijo con la misma capacidad del SVC ideal; y finalmente, la curva (d) representa a un SVC con capacidad limitada ( max2SVCQ P ).

El lmite de operacin de una lnea impuesto por la mxima capacidad de transmisin de potencia activa (lmite trmico), puede no ser el aplicado en la operacin real, debido a limitaciones ligadas a la estabilidad. Esta limitacin est impuesta por la incapacidad de la lnea de cumplir con el criterio N-1, razn por la cual, para preservar la estabilidad del sistema, o bien, evitar excursiones de tensin bajo los lmites permitidos en una situacin post-falla, se impone un lmite para el transporte de energa, que es menor al sealado por la capacidad trmica de los conductores de la lnea.

19

3.2. Aumento de la estabilidad transitoria

3.2.1. Curvas P-

Considrese un sistema similar al de la Figura 3.1, que contempla el caso sin compensacin y con un SVC conectado en la mitad de la lnea. Se asume que ambos sistemas transmiten la misma potencia y que ambos estn sometidos a la misma falla en los terminales del generador por el mismo lapso de tiempo. Las curvas P resultantes son las siguientes:

0 1

P

MP

maxP

2 3 max pi

2A

1A

margenA

(a)0 1

P

MP

maxP

2 3 max pi

2A

1A

margenA

(a)

0 1C

P

MP

maxP

2C 3C maxC pi

2CA

1CA

CmargenA

(b)

max2P

0 1C

P

MP

maxP

2C 3C maxC pi

2CA

1CA

CmargenA

(b)

max2P

Figura 3.4 Mrgenes de estabilidad transitoria: (a) caso no compensado y (b) caso compensado.

El punto de operacin inicial en ambos casos en estudio corresponde a 1 1C = , que define la interseccin con la potencia mecnica MP . En el caso de una falla trifsica a tierra en los terminales del generador, a pesar de que la corriente de cortocircuito aumenta enormemente, la potencia activa entregada por el generador se reduce a cero. Dado que la potencia mecnica es invariante, el generador acelera hasta que se produce el despeje de la falla, es decir, cuando el ngulo de rotor alcanza los valores 2 y 2C , y se ha acumulado la energa acelerante 1A y 1CA en los sistemas sin compensacin y compensado respectivamente. Una vez aislada la falla, la potencia elctrica excede a la mecnica, por lo que la mquina tiende a desacelerar. Sin embargo, el ngulo de rotor contina aumentando hasta 3 y 3C , dada la energa cintica presente an en el rotor. Este proceso contina hasta que las reas 2A y 2CA (que representan la energa desacelerante) sean iguales a 1A y 1CA .

En ambos casos se alcanza a una operacin estable si los ngulos 3 y 3C no sobrepasan los lmites dados por max y maxC respectivamente. Mientras mayor sea la diferencia con respecto a los lmites, mayor ser el margen de estabilidad transitoria del sistema (definido en este caso como margenA y

20

margenCA ). Claramente, margenCA es mayor que margenA , por lo que se constata el aumento de dicho margen con un sistema compensado mediante un SVC, dada la capacidad de este dispositivo para aumentar la capacidad mxima de transferencia de potencia por una lnea [4].

3.2.2. Torque sincronizante

Para analizar el aumento de la estabilidad transitoria provisto por el SVC, se considera el mismo sistema utilizado anteriormente, es decir, un generador y una barra infinita unidos por una lnea de transmisin. Si el generador sincrnico es accionado mediante una potencia mecnica de entrada MP y se considera que la lnea de transmisin no tiene prdidas, se llega a que la potencia elctrica EP que fluye del generador es la misma que la en la barra infinita. La ecuacin oscilatoria del sistema puede ser definida como

2

2 M EdM P Pdt

=

(3.7)

, donde M corresponde al momento angular del generador sincrnico, y corresponde al ngulo del rotor del mismo.

Para un anlisis de seal pequea, la ecuacin puede ser linealizada como

2

2 M EdM P Pdt

=

(3.8)

Se asume que la potencia mecnica se mantiene constante durante el anlisis, por lo que la ecuacin oscilatoria linealizada se convierte en

2

2 EdM Pdt

=

(3.9)

, o bien,

2

21 ( ) = SE KPd

dt M M

=

(3.10)

21

, donde SK corresponde a la pendiente de la curva P (o tambin conocida como torque sincronizante), o en notacin de ecuacin diferencial

2

2 0SKd

dt M + =

(3.11)

Las races de esta ecuacin corresponden a

1 2, SK M =

(3.12)

Si el torque sincronizante es positivo, el resultado es un sistema oscilante con races imaginarias de la forma 1 2, Sj = , en donde S SK M = .

Por otro lado, si SK es negativo, las races son reales. En el caso de que las races sean positivas y reales se alcanza la estabilidad del sistema.

Considerando el caso sin compensacin, se obtiene a partir de la ecuacin (3.1) la siguiente expresin para el torque sincronizante.

( ) 1 2 cosncSV VPK

X

= =

(3.13)

Para el caso compensado, es decir, con un SVC instalado en el punto medio de la lnea de transmisin que une al generador con la barra infinita, se puede expresar la potencia transmitida de la siguiente forma:

1 2 sinCT

V VPX

= (3.14)

, donde 2

4T SXX X B=

(3.15)

La susceptancia SB del SVC est dada por

22

C IS

C I

BX X

= (3.16)

, donde 2I nom IX V Q= corresponde a la reactancia inductiva total del SVC y 2C nom CX V Q= a la reactancia capacitiva total. Por su parte, I y C corresponden a las fracciones de conduccin tanto del TCR como del TSC (o bien el condensador fijo, en cuyo caso 1C = ). El SVC ajusta estos I y C de manera de mantener un voltaje mV en su barra.

La expresin para el torque sincronizante en el caso compensado corresponde a [4]

2( ) 21 2 1 2 cos ( sin )

4c E

ST m T T

P V V V V XKX V X X

= = + (3.17)

El control de tensin provisto por el SVC incrementa el torque sincronizante en un monto ( ) ( )c nc

S S SK K K = , es decir

221 2 cos ( ) ( )

4S TT m TV V P XK X X

X X V X = +

(3.18)

Por su parte, la frecuencia de oscilacin del sistema decrece en un factor ( ) 1 cS SK K+ .

Por lo tanto, el aumento del torque sincronizante producto de la conexin del SVC en la parte media de la lnea de transmisin trae consigo un aumento del margen de estabilidad transitoria del sistema.

3.2.3. Modulacin de la tensin del SVC

Hasta el momento se ha comprobado que un SVC puede mejorar la estabilidad transitoria del sistema al mantener el voltaje constante en la mitad de la lnea. Sin embargo, es posible aumentar sustancialmente este efecto a travs de una adecuada variacin de la tensin impuesta por el SVC.

Para visualizar de mejor forma la aseveracin anterior se presenta el siguiente conjunto de curvas P reunido en la Figura 3.5.

A medida que la potencia activa entregada por el generador sobrepasa la carga natural de la lnea, el SVC comienza a operar en el rango capacitivo. Mientras se mantenga en esta zona, la curva P se comporta de forma similar a la curva (b), hasta alcanzar el punto A , que seala el lmite de la potencia

23

reactiva capacitiva. Ms all de este punto, la curva pasa a comportarse como (c), es decir, representa a un condensador de valor fijo igual al mximo de la potencia capacitiva del SVC. Sin embargo, cuando la potencia entregada por la mquina sincrnica es menor a la carga natural, el SVC se comporta inductivamente. Si se fija el valor de la potencia reactiva del SVC dentro de este rango, la operacin es similar a la de la curva (d).

P

O

MP

maxP

2A

1A

max2P

RS

A

B

T (d)

(a)

(b)

(c)

P

O

MP

maxP

2A

1A

max2P

RS

A

B

T (d)

(a)

(b)

(c)

Figura 3.5 Efectos de una adecuada variacin de la tensin del SVC..

El rea 1A representa la energa desacelerante producto de una estrategia basada en mantener constante la tensin en los bornes del SVC. Si se opta por aumentar temporalmente el valor de la tensin, es decir, hacer ms capacitivo el SVC, se dispone de una energa desacelerante adicional dada por el rea ARS . Aumentar la tensin temporalmente contribuye a restringir las sobreoscilaciones y a su vez,

permite un menor tiempo de despeje de falla [4].

Una vez que alcanza su valor mximo, el rotor tiende a suboscilar, lo que debe ser solucionado para asegurar la estabilidad transitoria. La estrategia basada en SVCV constante permite desarrollar una energa acelerante 2A . Sin embargo, si rpidamente se disminuye el valor de la tensin en forma temporal en el instante de mxima sobreoscilacin, se puede contar con un torque acelerante adicional dado por el rea OST .

24

3.3. Incremento de la amortiguacin de las oscilaciones de potencia

Una limitacin importante a la transferencia de potencia dentro de un sistema, la constituye la capacidad del mismo para amortiguar las oscilaciones de potencia causadas por algn tipo de perturbacin. En ciertas ocasiones, un sistema de potencia puede tener un inadecuado, inclusive, negativo factor de amortiguacin, por lo que surge la necesidad imperativa de mejorar estas condiciones, a fin de asegurar una transferencia de potencia estable y libre de oscilaciones [4,5].

El comportamiento de las oscilaciones de un generador es determinado por dos componentes de torque: el torque sincronizante y el torque de amortiguacin. La componente sincronizante asegura que el ngulo del rotor de las mquinas del sistema no aumente de forma prohibitiva durante una perturbacin severa; tal como lo dice su nombre, esta componente tiende a llevar a los generadores hacia ngulos de rotor que aseguren el sincronismo. Por otro lado, la magnitud del torque sincronizante determina la frecuencia de la oscilacin. Por su parte, la componente de amortiguacin influye en el tiempo de extincin de las oscilaciones. Aun si un sistema de potencia es estable, las oscilaciones pueden mantenerse durante un largo periodo de tiempo sin el adecuado torque de amortiguacin.

Considrese el sistema definido en la Figura 3.1. El SVC impone la tensin mV en el punto medio de la lnea. Se tiene entonces que

1 1 sin ( )V V t = +

(3.19)

sin ( )2m m

V V t = + (3.20)

2 2 sin ( )V V t=

(3.21)

, donde por simplicidad se considera 1 2V V V= = .

La ecuacin de oscilacin linealizada de un sistema alimentado con potencia mecnica MP est dada por la expresin (3.8). La potencia elctrica transmitida a travs de la lnea (la misma en ambos extremos; no hay prdidas de potencia activa) puede ser reescrita como

sin2 2m

EVVPX

=

(3.22)

Una expresin para el cambio incremental en la potencia elctrica puede ser obtenida mediante la linealizacin de la ecuacin anterior, resultando

25

E E EE m

m

P P PP V VV V

= + + (3.23)

Dado que el voltaje en los extremos es constante, se cumple que 0V = . Sustituyendo EP en la ecuacin de oscilacin linealizada se llega a

2

2( ) 0E Em

m

P PM Vt V

+ + = (3.24)

Esta ecuacin representa el comportamiento dinmico del sistema para seal pequea, en la cual el

efecto del SVC es representado por el trmino Em

m

P VV

.

Si el SVC es operado bajo la consigna de un voltaje constante, entonces dicho trmino se hace nulo y la ecuacin se reduce a

22

2 0

( ) 10 0E EP PM st M

+ = + = (3.25)

, cuyas races son imaginarias puras, lo que implica un sistema con oscilaciones no amortiguadas de frecuencia

0

1

En

PM

=

(3.26)

Es evidente que si el SVC opera bajo una consigna de tensin variable puede contribuir a eliminar el carcter oscilatorio del sistema. En particular, la tensin en los bornes del SVC puede ser modulada como funcin de ( ) /d dt , por lo que

( )m

dV Kdt

=

(3.27)

, donde K representa una constante. Sustituyendo en la ecuacin (3.24) se obtiene

2

2 0

0

( ) ( ) 0E Em

P PdM Kt V dt

+ + =

(3.28)

26

La ecuacin caracterstica queda determinada entonces por

2 2 2 0

ns s + + =

(3.29)

, donde

2 Em

PKM V

= (3.30)

Por lo tanto, la introduccin de una consigna de tensin variable en el SVC transforma el sistema en uno con un factor de amortiguacin positivo; las races de la ecuacin caracterstica ahora se ubican en la mitad izquierda del plano s , por lo que cualquier oscilacin del ngulo del rotor disminuir con el tiempo [4].

3.4. Prevencin de colapso de tensiones

El colapso de tensiones es causado por la incapacidad del sistema para suplir la demanda por potencia reactiva en ciertas cargas. Una cada en el voltaje de la carga trae consigo un aumento de la demanda por reactivo, la que de no ser provista por el sistema, repercute en una sucesiva cada de la tensin, lo que involucra nuevamente la necesidad de proveer mayor cantidad de potencia reactiva. Bajo esta dinmica, la tensin de la barra decae rpidamente, pudiendo extenderse hacia zonas elctricas aledaas formando un efecto en cadena que puede incluso provocar un black-out en el sistema [9].

RV

P

0,9

capacitivo

0,97

capacitivo

1 (carga

natural)

0,97

inductivo

0,9

inductivo

RV

P

0,9

capacitivo

0,97

capacitivo

1 (carga

natural)

0,97

inductivo

0,9

inductivo

Figura 3.6 Perfil de tensiones en una carga con un factor de potencia variable.

La tensin en una barra de carga suministrada por una lnea de transmisin depende de la magnitud de dicha carga, su factor de potencia y la impedancia de la lnea (Figura 3.6).

27

Una situacin que puede provocar un colapso de tensiones ocurre ante la cada de un circuito de una lnea de transmisin que une a un sistema de potencia con una carga industrial (es decir, con una participacin considerable de motores de induccin en el total del consumo). Al ocurrir dicha contingencia, ocurre una cada de la tensin, lo que repercute en el aumento del consumo de reactivos por parte de los motores. Esta situacin puede ser corregida si la carga requerida por los motores es provista por compensaciones estticas de la misma magnitud. No obstante, los transientes ocurridos durante la contingencia implican una accin rpida por parte de dichas compensaciones, lo que no es posible con un banco de condensadores de pasos discretos operado con interruptores mecnicos. Un SVC puede proporcionar dicha compensacin con la suficiente rapidez, siendo el voltaje final de estabilizacin una funcin de su mxima potencia reactiva capacitiva [4][9].

3.5. Mejoras en el desempeo de un enlace HVDC

Un terminal HVDC consume grandes cantidades de potencia reactiva, la que en parte es suministrada por los filtros necesarios para evitar la inyeccin de armnicas provenientes del proceso de rectificacin; el resto debe ser provisto por el propio sistema AC.

Un enlace HVDC conectado a un sistema sin la capacidad adecuada para suplir los reactivos necesarios para su operacin (sistema dbil) presenta problemas de estabilidad, sobrevoltajes temporales y de recuperacin post-falla. El suministro de compensacin reactiva dinmica permite aliviar alguno de estos problemas, utilizndose tradicionalmente para este fin condensadores sincrnicos. Un SVC ofrece igualmente una capacidad de respuesta rpida, pero con un menor costo de mantencin, instalacin ms sencilla y con una menor contribucin a la corriente de falla [4].

28

IV. VALORIZACIN DEL SERVICIO PROVISTO POR UN SVC

4.1. Aspectos generales del servicio de control de tensin

tesis svc

Documents

Transcript of tesis svc