Unidad académica: Escuela de Educación Facultad: Ingeniería Eléctrica Profesor: Esp. Hugo Alberto Cardona / Msc. Jorge Wilson González / Esp. Idi Amín Isaac E – mail: hugo.cardona@upb.edu.co /jorgegs@upb.edu.co/ idi.isaac@upb.edu.co ESTUDIO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN COMPENSADOR ESTÁTICO PARA SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: D-STATCOM Autores Msc. Jorge Wilson González I.E. Gabriel Jaime López I.E. Juliana Ríos Betancur I.E. Andrés Emiro Diez Esp. Hugo Alberto Cardona Esp. Idi Amín Isaac Facultad de Ingeniería Eléctrica IX Jornadas de Investigación Octubre 6 de 2004

CONTENIDO Introducción. Impacto de las variaciones de voltaje en los sistemas de distribución. Descripción y análisis del compensador estático para distribución D-STATCOM. Simulación y resultados de un DSTATCOM. Conclusiones.

INTRODUCCIÓN Crecientes exigencias de la industria debido al incremento de equipos electrónicos. Avances en nuevas tecnologías basadas en semiconductores de potencia. Desarrollo de controladores Custom Power diseñados para mejorar el comportamiento de los sistemas eléctricos de distribución.

INTRODUCCIÓN (Cont) De acuerdo a EPRI (Electric Power Research Institute -USA) los dispositivos Custom Power han demostrado tener un buen desempeño en las redes de distribución donde han sido instalados.

INTRODUCCIÓN (Cont) En el ámbito mundial, empresas de energía principalmente en Francia, USA y Japón están ofreciendo niveles de energía de más alta calidad y confiabilidad, utilizando dispositivos Custom Power.

IMPACTO DE LAS VARIACIONES DE VOLTAJE EN LOS S.D Los problemas con la calidad de la potencia eléctrica originan generalmente costosas pérdidas en los procesos de producción de empresas e industrias. Las caídas de voltaje (SAGS) tienen generalmente los mismos efectos sobre algunos equipos sensibles que una interrupción momentánea.

IMPACTO DE LAS VARIACIONES DE VOLTAJE EN LOS S.D La causa mas común de los sags de voltaje son las descargas atmosféricas. También pueden ser debidas a fallas en los circuitos o a la presencia de cargas fluctuantes o no lineales. Una forma de mitigar las variaciones de voltaje es mediante el uso de tecnologías Custom Power y lograr así el nivel de calidad de la potencia deseado del lado de la carga.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM El D-STATCOM es un controlador perteneciente a la tecnología Custom Power, basado en electrónica de potencia (GTO, IGBT), que actúa como una fuente de energía reactiva que proporciona un control de voltaje flexible en el punto de conexión de la carga, mejorando la CPE en los sistemas de distribución.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM Las principales funciones del D-STATCOM son: Mitigar el efecto de los Sags y Swells de voltaje sobre cargas sensibles. Regulación de voltaje. Compensación de corrientes armónicas. Control de Potencia Reactiva. Mitigación de Flicker de voltaje. Energía ininterrumpida si es usada con un dispositivo almacenador de energía.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM El dispositivo consiste en un inversor 3 de estado sólido conectado en derivación respecto a la línea de distribución mediante un transformador de acople y con un capacitor que actúa como fuente de energía para la operación del inversor.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM Operación del D-STATCOM El intercambio de potencia reactiva se realiza variando el la amplitud y fase del voltaje en el inversor con respecto al voltaje terminal de la línea permitiendo el control flexible del voltaje terminal de la línea y corregir el factor de potencia en tiempo real.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM Si Vi =Vs No hay flujo de potencia reactiva hacia el sistema. Si Vi >Vs Hay suministro potencia reactiva hacia el sistema. (Modo capacitivo). Si Vi <Vs Hay absorción de potencia reactiva del sistema. (Modo inductivo).

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM Característica VI del D-STATCOM El D-STATCOM opera dentro de un límite inferior de voltaje (V1) y un límite superior de voltaje (V2). Si el voltaje del sistema excede estos límites, el D-STATCOM actúa como una fuente constante de corriente.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM Adicionalmente el D-STATCOM también puede ser equipado con un dispositivo almacenador de energía (batería, capacitor, SMES, flywheel, etc) para suministrar potencia activa sin interrupción durante salidas temporales del servicio.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM El D-STATCOM trata cada fase independientemente y está preparado para compensar disturbios en cualquier combinación de fases. Un Sag sobre una fase puede resultar en un Swell sobre otra fase y el D-STATCOM debe ser capaz de restaurar Sags y Swells simultáneamente.

DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL D-STATCOM El D-STATCOM emplea un esquema de modulación de ancho pulso (PWM) para generar corrientes de frecuencia mayores a la fundamental. Las señales senoidales son usadas como referencia para construir la señal senoidal de potencia y la diente de sierra para establecer en que instantes se deben encender en y apagar los dispositivos.

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM La siguiente figura muestra un D-STATCOM conectado al circuito equivalente de un sistema industrial, el cual fue modelado mediante PSCAD/EMTDC para observar el comportamiento de la red ante diferentes tipos de perturbaciones.

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM Banco de condensadores Motor de induccion Falla trifasica a tierra Todas las perturbaciones Usuarios sensibles Señales Senoidales

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM 1.13 p.u. Perjudicial para equipos electrónicos (se queman) Conexión de banco de condensadores

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM Perjudicial para equipos electronicos, procesos industriales de alta sensibilidad 0.7 p.u. Falla trifásica a tierra

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM 0.85 p.u. Conexión de motor de inducción

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM D-STATCOM en operación Absorción de potencia reactiva Zona inductiva

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM D-STATCOM en operación Suministro de potencia reactiva Zona capacitiva

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM (continuación) D-STATCOM en operación Suministro de potencia reactiva Zona capacitiva

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL D-STATCOM (continuación) Motor Falla Banco Estabilización de corriente + banco

CONCLUSIONES Los dispositivos Custom Power proporcionan en muchos casos un mejor desempeño que otros métodos convencionales para mitigar los problemas que se presentan en los usuarios de las redes. La escogencia de la solución más apropiada depende de varias características como lo son los requerimientos del sistema, de la carga y de los costos de inversión. El D-STATCOM ha demostrado tener un excelente desempeño. Es una tecnología atractiva para su futura aplicación en los sistemas de distribución colombianos.

CONCLUSIONES Normalmente son elevados los valores de inversión de equipos Custom Power como el presentado en este trabajo. Se seguirá investigando en futuros trabajos del Grupo TyD de la UPB la forma de reducir estos costos aumentando sus posibilidades de aplicación en los S.D colombianos. Se espera que con este trabajo las empresas de distribución de energía eléctrica colombianas se motiven a continuar abordando investigaciones con universidades y centros de investigación en el campo de tecnologías Custom Power, ya que el futuro y actual esquema de operación y mercado de los sistemas eléctricos de distribución requieren altos niveles de flexibilidad y automatismo.