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UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

CAPITULO 12 EL COMPENSADOR ESTATICO El compensador estático es una composición de reactores y condensadores conectados en paralelo a la red controlado por tiristores, como se ilustra en la figura Nº 12.1.

c b a

CONEXIÓN DEL COMPENSADOR ESTATICO A LA RED figura N° 12.1

El compensador estático. Sistemas de Potencia II

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El tiristor es un dispositivo electrónico el cual tiene como cualidad conducir en un sólo sentido cuando se le aplica una tensión DC en la puerta, permitiendo el paso de la corriente sólo durante su tiempo de conducción, de esta manera se varía la susceptancia del banco de reactores, como se explica a continuación. En la figura Nº 12.2 se muestran las formas de onda del voltaje y la corriente a través del banco de reactores en función del ángulo de disparo en la puerta del tiristor. El ángulo de disparo (ø) es medido a partir del momento que la tensión cruza por cero (ver figura Nº 12.2) y el ángulo de conducción ( ß ) es el intervalo del ángulo en que se tiene paso de corriente a través del tiristor, medido entre los dos puntos adyacentes del cruce por cero de la corriente. De acuerdo con esto, la máxima conducción se obtendrá para un ángulo de disparo de ø = 90º y un ángulo de conducción de ß =180º. En la medida que se aumenta el ángulo de disparo se reduce la componente principal de la corriente y se incrementa la inductancia del reactor resultando en una reducción de la potencia reactiva consumida en el reactor. La corriente instantánea en el reactor viene dada por la siguiente expresión:

i =

2 V (

Cos ø -

Cos w t )

XL donde: V: voltaje eficaz XL: reactancia del reactor a frecuencia fundamental ø : ángulo de disparo La componente fundamental de la corriente obtenida a través del análisis de Fourier será I =

ß

-

Sen ß

V

amp.

: número pi

XL

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FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE Y LA CORRIENTE EN EL BANCO DE REACTORES EN FUNCION DEL ANGULO DE DISPARO FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE EN EL BANCO DE TIRISTORES PARA UN ANGULO DE CONDUCCION DE 180° 2

.5

1

.5

2

1

0 .5

0

-0 .5

0

-1

-1

90

180

270

360

.5

-2

-2

.5

angulo (grados)

voltaje

corriente

FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE EN EL BANCO DE TIRISTORES PARA UN ANGULO DE CONDUCCION DE 140° 1

.5

1

Ø

0 .5

0

-0 .5

0

90

ß

180

270

360

-1

-1

.5

angulo (grados)

corriente

FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE EN EL BANCO DE TIRISTORES PARA UN ANGULO DE CONDUCCION DE 100° 1

0 .8

0 .6

0 .4

0 .2

0

-0 .2

-0 .4

0

90

180

270

360

-0 .6

-0 .8

-1

angulo (grados)

corriente

FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE EN EL BANCO DE TIRISTORES PARA UN ANGULO DE CONDUCCION DE 40 ° 0 .2

5

0 .2

0 .1

5

0 .1

0 .0 5

0

-0 .0 5

-0 .1

-0 .1

0

90

180

270

360

5

-0 .2

-0 .2

5

angulo (grados)

corriente

Figura N° 12.2

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esta ecuación se puede rescribir de la siguiente forma Y= BL( ß) V donde BL =

ß - Sen ß XL

El valor de BL será máximo para ß = 180º lo que implicaría una reactancia mínima (BL=1/XL) y por lo tanto habrá un consumo máximo de reactivos en el reactor. Por el contrario, el valor mínimo de BL se obtendrá para ß = 0º lo que implicaría una reactancia máxima y por lo tanto un consumo mínimo de reactivos en el reactor. La función principal del compensador estático es mantener constante el voltaje en sus terminales mediante la variación en la absorción o entrega de reactivos del compensador estático a la red. Asimismo, el hecho de que la variación de reactivos sea controlada por la variación de la susceptancia del reactor de acuerdo a la conducción o no de los tiristores, le confiere una alta velocidad de respuesta ante cambios del voltaje incrementando la estabilidad transitoria. Antes de ampliar la discusión sobre el comportamiento del compensador estático en el Sistema de Potencia se muestra a continuación la característica voltaje-corriente. 12.1 CARACTERISTICA VOLTAJE-CORRIENTE El compensador estático cuenta con un sistema de control que determina el instante de conducción de los tiristores. En algunos diseños la consigna de control es la susceptancia BL, mientras que en otros se utiliza el voltaje. En ambos, la respuesta esta en función de la característica voltaje-corriente que se muestra en la figura Nº 12.3.

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línea de carga

lado capacitiv o

voltaje

Vreferencia

punto de operación

característica del compensador

lado inductivo

Icompensador

corriente

CARACTERÍSTICA VOLTAJE-CORRIENTE DEL COMPENSADOR Figura N° 12.3 En esta figura se muestra sobre el plano voltaje-corriente la característica del compensador establecida para una pendiente muy pequeña, con un valor entre 3º y 6º ajustable por el operador sobre la base de los estudios del Sistema de Potencia que se realicen, normalmente este valor se fija y se varía muy esporádicamente cuando las condiciones de operación han cambiado drásticamente. El punto de operación esta definido por la intersección entre la característica del compensador y la línea de carga del Sistema establecido por las condiciones del Sistema de Potencia que definió el ángulo de conducción. Si se desea variar el punto de operación para establecer una nueva tensión en barra, se debe cambiar el voltaje de referencia, con lo cual gráficamente se puede representar como el desplazamiento de la característica del compensador hacia una recta paralela hacia arriba o hacia abajo sin cambiar la pendiente. En la figura Nº 12.4 se muestra a manera de ejemplo este efecto, al incrementar el voltaje de referencia se define un nuevo punto de operación en el punto A pasando el compensador de inductivo a capacitivo incrementando la tensión. Al decrementar el voltaje de referencia se define un nuevo punto de operación en el punto B pasando el compensador de inductivo a una condición más inductiva reduciendo la tensión.

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voltaje Vreferencia incrementado A

Vref Vref decrementado Icompensador capacitiva

Icompensador

B

Icompensador mas inductiva

corriente

CARACTERÍSTICA VOLTAJE-CORRIENTE DEL COMPENSADOR AL MOVERSE EL VOLTAJE DE REFERENCIA Figura N° 12.4

De la misma forma al variar las condiciones del Sistema se movería la línea de carga para colocar el compensador en una nueva condición inductiva o capacitiva pero manteniendo el voltaje de referencia en barras (ver figura Nº 12.5 ).

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voltaje

Icompensador capacitiva

Icompensador Icompensador mas inductiva

corriente

CARACTERÍSTICA VOLTAJE-CORRIENTE DEL COMPENSADOR AL MOVERSE LA LINEA DE CARGA Figura N° 12.5

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12.2

COMPORTAMIENTO

DE

COMPENSADOR

ANTE

UNA

GRAN

PERTURBACION En la figura N° 12.6 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva y la tensión del compensador estático ante una falla con pérdida de aislamiento en una línea cercana al compensador, ocurrida en un tiempo igual a cero y despejada en 100 milisegundos al disparar la línea fallada. En esta se observa como la respuesta inicial del compensador estático es de incrementar la inyección de potencia reactiva, al pasar de una condición inductiva (30 MVAR) a una condición capacitiva (150 MVAR) casi de forma instantánea en respuesta a la depresión de tensión producto de la falla, es conveniente aclarar que en la gráfica mostrada la curva de tensión se sale de escala, esta graficación fue realizada de esta manera para denotar en forma amplia la zona de estudio, el valor mínimo de la tensión alcanza un valor cercano a 0.4 pu. Durante la falla el compensador estático procede a conectar todos sus bancos de capacitores para una potencia de 280 MVAR, sin embargo como el condensador se comporta como una impedancia constante, los reactivos inyectados al Sistema son mucho menores por la reducción de tensión, en este caso 150 MVAR, magnitud que se reduce por debajo de 120 MVAR en el desarrollo de la falla al degenerar la caída de tensión durante ese período. Al producirse el despeje de la línea fallada y la tensión retornar a un valor cercano a la nominal, inmediatamente la potencia reactiva inyectada por el condensador se incrementa a un valor de 280 MVAR lo que favorece la recuperación de la tensión. El sistema de control del compensador al detectar la recuperación de la tensión procede a reducir rápidamente la inyección de reactivos capacitivos a la red. Posteriormente, la respuesta del compensador es variar la potencia reactiva entregada de forma tal de estabilizar la tensión en su valor de referencia. En este sentido se observa en la gráfica como la potencia reactiva oscila en contrafase con la tensión buscando su estabilización.

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COMPORTAMIENTO DE LA TENSION TERMINAL Y DE LA POTENCIA REACTIVA EN EL COMPENSADOR ESTATICO ANTE UNA GRAN PERTURBACION potencia reactiva (MVAR)

tensión (pu)

tiempo (seg) figura N° 12.6

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De esta simulación se pueden concluir los siguientes aspectos sobre el compensador estático: a. Presenta una alta velocidad de respuesta. b. Inyecta reactivos a la red de manera de mantener la tensión constante. c. Durante la falla el compensador pierde un poco de su eficiencia por la característica del condensador de comportarse como impedancia constante, siendo la inyección de reactivos directamente proporcional al cuadrado de la tensión. d. En el período post-falla el compensador tiende a estabilizar la tensión. 12.3 UTILIDAD DEL COMPENSADOR ESTATICO Típicamente la aplicación de los compensadores estáticos esta dirigida hacia su instalación en sistemas de transmisión donde su alta velocidad de respuesta juega un papel importante en el incremento del límite de transmisión por estabilidad transitoria. En segunda instancia, sería de gran importancia en el control de tensiones por su capacidad de mantener constante la tensión de la barra ayudando a mantener el perfil de tensión de la red. En sistemas de subtransmisión o distribución el compensador estático es poco usado, generalmente el costo de la inversión lo coloca en desventaja con otras alternativas menos de efectivas. Por ejemplo, son típicos en sistemas de distribución problemas de baja tensión, donde el perfil de tensión a lo largo del día en el punto de entrega de un cliente pudiera ser el indicado en la figura N° 12.7. Por la naturaleza de los procesos realizados por este cliente, tal vez tensiones inferiores a 0.95 pu representan un problema para su equipamiento; ante esta situación la instalación de un compensador estático le resolvería el problema, dado que se pudiera fijar una tensión de referencia por encima de 0.95 pu de modo que inyecte reactivos para adecuar la tensión en el punto de entrega al valor deseado. Sin embargo, en este caso el análisis de las ventajas

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técnico-económicas lo pondría en desventaja frente a otras alternativas más sencillas como puede ser la instalación de condensadores paralelos. PERFIL DE TENSION EN EL PUNTO DE ENTREGA DE UN CLIENTE (variaciones lentas) tensión (pu) 1.1

1.05 1 0.95 0.9 0.85 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

horas del día figura N° 12.7

El análisis técnico indicaría que el compensador estático por su alta velocidad de respuesta (0.5 ciclos) permite incrementar la tensión casi inmediatamente cuando esta descienda por debajo de 0.95 pu, sin embargo la utilización de un condensador paralelo con un sistema de control convencional que automatice su conexión y desconexión, también permitiría mantener la tensión por encima de 0.95 pu con un tiempo de respuesta más lento condicionado a la velocidad de respuesta del controlador y del interruptor (6 ciclos), que para los efectos de un cliente de distribución este tiempo puede considerarse instantáneo, no siendo para éste relevante la alta velocidad de respuesta del compensador estático. Por otra parte, desde el punto de vista económico el costo de la inversión de un compensador estático es más elevado comparado con un condensador paralelo, debido a que el sistema de control con tiristores del compensador es de por sí más complejo con mayores costos y requiere de una infraestructura con una ambientación, que garantice el correcto funcionamiento de los tiristores, mucho más exigente que la requerida por los sistemas de control típicos utilizados por los condensadores paralelos. Asimismo, los costos operativos serían mas elevados en el compensador estático con exigencias de personal más especializado para su mantenimiento y atención, igualmente los costos en los repuestos serían más altos. El compensador estático. Sistemas de Potencia II

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En algunas ocasiones pueden presentarse casos especiales a nivel de Subtransmisión donde se justifique el alto costo del compensador estático frente a un condensador paralelo. Esta situación se presenta, por ejemplo, en una acería donde la utilización de hornos de arco origine fluctuaciones continuas y rápidas de la tensión como las indicadas en la figura N° 12.8. PERFIL DE TENSION EN EL PUNTO DE ENTREGA DE UN CLIENTE (variaciones rápidas) tensión (pu) 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24

tiempo (minutos) figura N° 12.8

En este caso la utilización de un condensador paralelo implica en primera instancia, frecuentes conexiones y desconexiones del condensador que exigiría un gran desgaste del interruptor asociado, y en segunda instancia de necesitarse continuas conexiones y desconexiones del condensador en breves períodos de tiempo, esto no sería posible en el condensador dado que una vez que éste se desconecta requiere de un tiempo en el orden de los minutos para descargarse antes de volverlo a conectarlo, de modo de evitar la ocurrencia de sobretensiones peligrosas durante la

maniobra de energización. El

compensador estático por variar la inyección de reactivos sin conectar y desconectar condensadores sino regulando la corriente en el banco mediante la conducción o no de los tiristores, permite una respuesta continua y rápida para el control de la tensión. Esta condición implica pagar un costo elevado para el control de la tensión pero los daños originados por la fluctuación continua de la tensión deben así justificarlo, generalmente en esta situación se prescinde de la rama inductiva dejando solo la rama capacitiva controlada por tiristores. El compensador estático. Sistemas de Potencia II

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En resumen la gran utilidad del compensador estático esta dirigida hacia su uso en redes de transmisión como elemento importante en garantizar la estabilidad transitoria. En la red eléctrica venezolana se cuenta con dos compensadores de 300 MVAR capacitivos y 300 MVAR inductivos cada uno, instalados en la red a 765 kV, específicamente en la S/E San Gerónimo (Valle la Pascua) y la S/E La Horqueta (Maracay). En la figura N° 12.9 se muestra un lay out de un compensador estático donde se observa la distribución de los diferentes elementos que conforman un diseño típico. Asimismo en la figura N° 12.10 se puede apreciar una fotografía de un compensador estático.

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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA DISPOSICIÓN FÍSICA DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN EL COMPENSADOR ESTATICO

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transformador reactores capacitores radiadores radiadores tiristores sistema de enfriamiento 8. sala de control 9. reactores amortiguadores 10. sala de baterías 11. sala de UPS

Figura N° 12.9

FOTOGRAFIA DE UN COMPENSADOR ESTATICO

Figura N° 12.10

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