FACTS-FACDS Integración de la electrónica de potencia en redes de distribución Joan Bergas en ESPAÑOL

Introducción. ¿FACTS o FACDS? ¿Qué es un FACTS? Diferentes tipos de compensación: Paralelo, Serie, Paralelo-Serie, Serie-Serie. Estructura del UPFC. Caso de Estudio. El futuro de los FACTS. Índice

Introducción.

¿FACTS o FACDS?

¿Qué es un FACTS?

Diferentes tipos de compensación: Paralelo, Serie, Paralelo-Serie, Serie-Serie.

Estructura del UPFC.

Caso de Estudio.

El futuro de los FACTS.

Impacto de la electrónica Introducción

La electrónica en el Sistema Eléctrico Introducción

Sistema Eléctrico Actual Introducción

Sistema Eléctrico dominado por la Electrónica de Potencia Introducción

Sistema eléctrico futuro, presente? Introducción

Penetración de la energía Eólica Introducción

Transporte vs Distribución Transporte Red mallada. Interconexión entre las diferentes centrales de generación y las subestaciones. Alta tensión. Flujo de potencias bidireccional. Distribución Radial (o mallada explotada como radial). Conexión entre las subestaciones y las cargas. Media y baja tensión. Flujo de potencia unidireccional. FACTS - FACDS

Transporte

Red mallada.

Interconexión entre las diferentes centrales de generación y las subestaciones.

Alta tensión.

Flujo de potencias bidireccional.

Distribución

Radial (o mallada explotada como radial).

Conexión entre las subestaciones y las cargas.

Media y baja tensión.

Flujo de potencia unidireccional.

Super Grid WATN (Wide Area Transmition Network, red de transporte de gran área), que transporta electricidad a grandes distancias. Mega Grid, tal como la resultante de la unión entre UCTE y IPS/UPS. Superior Grid, en el sentido de Smart Grid, o red más inteligente. FACTS - FACDS

WATN (Wide Area Transmition Network, red de transporte de gran área), que transporta electricidad a grandes distancias.

Mega Grid, tal como la resultante de la unión entre UCTE y IPS/UPS.

Superior Grid, en el sentido de Smart Grid, o red más inteligente.

Super Grid FACTS - FACDS

Closing the Ring FACTS - FACDS

HVDC List of Projects in Europe Red = Existing Green = Under construction Blue = Options under consideration FACTS - FACDS

Antes vs Después Distribución Antes Radial (o mallada explotada como radial). Conexión entre las subestaciones y las cargas. Media y baja tensión. Flujo de potencia unidireccional. FACTS / Custom Power Distribución Después Mallada explotada o no como radial. Conexión entre varias subestaciones, las cargas y DG’s. Media y baja tensión. Flujo de potencia bidireccional. FACTS / FACDS FACTS - FACDS

Distribución Antes

Radial (o mallada explotada como radial).

Conexión entre las subestaciones y las cargas.

Media y baja tensión.

Flujo de potencia unidireccional.

FACTS / Custom Power

Distribución Después

Mallada explotada o no como radial.

Conexión entre varias subestaciones, las cargas y DG’s.

Media y baja tensión.

Flujo de potencia bidireccional.

FACTS / FACDS

¿Que es un FACTS? Flexible AC Transmition System ¿Que es un FACTS? Sistema basado en electrónica de potencia que facilitan el control de uno o más parámetros de un sistema de transporte en AC, con el objetivo de mejorar la controlabilidad y modificar la capacidad de transferencia de potencia.

Aplicaciones Este concepto cubre toda una serie de tecnologías que permiten: Aumentar la Seguridad del sistema. Aumentar la Capacidad de transmisión de potencia. Proporcionar Flexibilidad al sistema. Optimizar los Costes de operación. Mejorar la Calidad de Suministro Permitir la integración de los DER/DSR. ¿Que es un FACTS?

Este concepto cubre toda una serie de tecnologías que permiten:

Aumentar la Seguridad del sistema.

Aumentar la Capacidad de transmisión de potencia.

Proporcionar Flexibilidad al sistema.

Optimizar los Costes de operación.

Mejorar la Calidad de Suministro

Permitir la integración de los DER/DSR.

Clasificación de los FACTS Por Función: Control del flujo de potencia. Compensación de la energía reactiva. Incremento de la estabilidad transitoria. Control de la calidad de la potencia. Por topología: Conexión serie. Conexión paralelo. Combinación serie-serie. Combinación serie-paralelo. ¿Que es un FACTS?

Por Función:

Control del flujo de potencia.

Compensación de la energía reactiva.

Incremento de la estabilidad transitoria.

Control de la calidad de la potencia.

Por topología:

Conexión serie.

Conexión paralelo.

Combinación serie-serie.

Combinación serie-paralelo.

Clasificación de los FACTS (ii) Existe un tercer criterio de clasificación, que consiste en el tipo de interruptor de electrónica de potencia utilizado: SCR Simple sustitución del interruptor electromecánico por un interruptor estático. Interruptor que utiliza el control del ángulo de fase del disparo. Transistor ¿Que es un FACTS?

Existe un tercer criterio de clasificación, que consiste en el tipo de interruptor de electrónica de potencia utilizado:

SCR

Simple sustitución del interruptor electromecánico por un interruptor estático.

Interruptor que utiliza el control del ángulo de fase del disparo.

Transistor

¿Que es un FACTS?

Flujo de Potencia Flujo de potencia en líneas paralelas Shunt Compensator Carga Carga Impedancia: X Impedancia: 2X Potencia: 2/3 Potencia: 1/3

Flujo de potencia en líneas paralelas

Flujo de potencia en una línea Shunt Compensator

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una fuente de corriente en serie. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua.

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una fuente de corriente en serie.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua.

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Series Compensator Carga Carga Variable Impedance

Compensación capacitiva serie Series Compensator

Voltage Collapse Series Compensator

Compensación capacitiva serie Mejora de la estabilidad transitoria. Amortiguamiento de las oscilaciones de potencia. Amortiguamiento de las oscilaciones subsíncronas, o en su defecto, que se comportamiento a dichas oscilaciones sea innocuo. Series Compensator

Mejora de la estabilidad transitoria.

Amortiguamiento de las oscilaciones de potencia.

Amortiguamiento de las oscilaciones subsíncronas, o en su defecto, que se comportamiento a dichas oscilaciones sea innocuo.

Tipos de compensadores serie de impedancia variable TCSC TSSC GSSC Series Compensator

Sistema de TSSC TSSC TSSC TSSC Series Compensator

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua. Series Compensator

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Carga Carga Fuente de tensión en Serie Series Compensator

Static Synchronous Series Compensator (SSSC) Series Compensator

SSSC Series Compensator

SSSC Series Compensator

Compensador SSSC Imposibilidad de resonancia serie con la línea. Capacidad de compensar potencia activa (necesidad de aportación de energía en el bus de continua) . Inmunidad a resonancias subsíncronas. Series Compensator

Imposibilidad de resonancia serie con la línea.

Capacidad de compensar potencia activa (necesidad de aportación de energía en el bus de continua) .

Inmunidad a resonancias subsíncronas.

Dimensionamiento V L es pequeña en comparación a la tensión de línea.  es pequeño. Las tensiones de los dos nudos serán semejantes. Series Compensator

V L es pequeña en comparación a la tensión de línea.

 es pequeño.

Las tensiones de los dos nudos serán semejantes.

Dimensionamiento (ii) Línea de 2 circuitos de fases simples de 110 kV y una longitud de 10 km. Potencia de 110 MVA por circuito. 6 conductores de Al-Ac LA280 (Hawk). Límite térmico: 577,28 A. Conductores verticales sobre 3 crucetas, con un diámetro aprox. de 2.5 m. X L = 0.30 Ω /km R ac, 20º =0.119 Ω /km Series Compensator

Línea de 2 circuitos de fases simples de 110 kV y una longitud de 10 km. Potencia de 110 MVA por circuito.

6 conductores de Al-Ac LA280 (Hawk).

Límite térmico: 577,28 A.

Conductores verticales sobre 3 crucetas, con un diámetro aprox. de 2.5 m.

X L = 0.30 Ω /km

R ac, 20º =0.119 Ω /km

Dimensionamiento (iii) A plena carga, la línea tiene una caída de tensión fase-neutro de: V L =X L ·I = 3 · 577 = 1731 V Es decir, aproximadamente representa un 1 % de cdt. Compensación de un 25% mediante un equipo conectado en serie: Series Compensator

A plena carga, la línea tiene una caída de tensión fase-neutro de:

V L =X L ·I = 3 · 577 = 1731 V

Es decir, aproximadamente representa un 1 % de cdt.

Compensación de un 25% mediante un equipo conectado en serie:

Dimensionamiento (iv) Una línea de 110 MVA, se puede controlar el flujo de potencia con un equipo de 250 kVA únicamente. El equipo se tiene que dimensionar para una tensión de 63 kV respecto a tierra. Series Compensator

Una línea de 110 MVA, se puede controlar el flujo de potencia con un equipo de 250 kVA únicamente.

El equipo se tiene que dimensionar para una tensión de 63 kV respecto a tierra.

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua. Series Compensator

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator X 2 X 2 V s V m V r I sm I mr

Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator

Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator Sin Compensación: Compensación paralelo en Punto medio:

Compensador Shunt La extensión de la compensación paralelo a lo largo de toda la línea, nos llevaría al extremo a una línea sin caída de tensión. El compensador en paralelo al final de línea, previene eficientemente de inestabilidades de tensión. Igualmente presenta un buen comportamiento frente a estabilidad transitoria y oscilaciones de potencia. Shunt Compensator

La extensión de la compensación paralelo a lo largo de toda la línea, nos llevaría al extremo a una línea sin caída de tensión.

El compensador en paralelo al final de línea, previene eficientemente de inestabilidades de tensión.

Igualmente presenta un buen comportamiento frente a estabilidad transitoria y oscilaciones de potencia.

TSR TCR TSC FC-TCR MSC MSR Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt

Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt Excitación Convertidor Estático DC/AC

Grandes puntos de consumo: para mitigar los efectos de las perturbaciones al igual que jugar un papel importante en la regulación diaria de la tensión. Subestaciones críticas: donde interviene en las cambios súbitos de potencia manteniendo constante la tensión, así como interviniendo en las amortiguaciones de potencia… Grandes cargas industriales/tracción: básicamente para aislar al resto del sistema de las perturbaciones (variaciones bruscas de potencia, desequilibrios…) en ellas producidas. Shunt Compensator Puntos de instalación típicos de los Compensadores Shunt

Grandes puntos de consumo: para mitigar los efectos de las perturbaciones al igual que jugar un papel importante en la regulación diaria de la tensión.

Subestaciones críticas: donde interviene en las cambios súbitos de potencia manteniendo constante la tensión, así como interviniendo en las amortiguaciones de potencia…

Grandes cargas industriales/tracción: básicamente para aislar al resto del sistema de las perturbaciones (variaciones bruscas de potencia, desequilibrios…) en ellas producidas.

Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator

Shunt Compensator

Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator

Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator

Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua. Series Compensator

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Carga Carga Ángulo de Fase Variable Phase Angle Reg.

Voltage Regulator Phase Angle Reg.

Phase Angle Regulator Phase Angle Reg.

Quadrature Booster Phase Angle Reg.

Características del PAR En combinación con un voltage regulator, permite el control del flujo de potencia activa y reactiva. Especialmente cuando existen bucles de circulación. También es interesante en la mejora de la estabilidad transitoria y el amortiguamiento de las oscilaciones de potencia. Típicamente se implementan como TCVRs y TCPARs. Phase Angle Reg.

En combinación con un voltage regulator, permite el control del flujo de potencia activa y reactiva.

Especialmente cuando existen bucles de circulación.

También es interesante en la mejora de la estabilidad transitoria y el amortiguamiento de las oscilaciones de potencia.

Típicamente se implementan como TCVRs y TCPARs.

In-phase, quadrature y Phase-shift control. Phase Angle Reg.

Static VR-PAR Phase Angle Reg.

Rotatory PAR/Phase Shifter

Control del Flujo de Potencia Inserción de una impedancia variable en serie. Inserción de una fuente de tensión en serie. Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. Inserción de un transformador de giro de fase. Interconexión en continua. Series Compensator

Inserción de una impedancia variable en serie.

Inserción de una fuente de tensión en serie.

Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo.

Inserción de un transformador de giro de fase.

Interconexión en continua.

Control del Flujo de Potencia Carga Carga HVDC HVDC Carga Carga B2B

Ventajas del HVDC Permite un control separado de la potencia activa, y de la potencia reactiva. En el caso del VSC, se puede alimentar a un sistema totalmente pasivo, con la tensión y frecuencia predeterminados. No contribuye al incremento de la intensidad de cortocircuito. HVDC

Permite un control separado de la potencia activa, y de la potencia reactiva.

En el caso del VSC, se puede alimentar a un sistema totalmente pasivo, con la tensión y frecuencia predeterminados.

No contribuye al incremento de la intensidad de cortocircuito.

UPFC (Unified Power Flow Controller) UPQC (Unified Power Quality Controller) UPFC UPQC

Convertidor Paralelo UPFC UPQC

PQ Traditional Solutions Capacitors banks Reactive Power Passive Filters Harmonics Bulky Transformers Unbalances UPFC UPQC

Solución: Inyectar la intensidad complementaria a la senoidal I_Load I_Filter I_Grid UPFC UPQC

Phase Lock Loop (PLL) UPFC UPQC

Determinación de la Intensidad Activa y reactiva UPFC UPQC

Filtro de Armónicos

Convertidor Paralelo (Simulación)

Convertidor Paralelo (Experimental)

Convertidor Serie

Convertidor paralelo (experimental)

Back-to-Back

Caso de estudio 29% de la generación eólica Generadores de inducción de rotor de jaula de ardilla Shan Jiang, U. D. Annakkage, and A. M. Gole. A platform for validation of facts models. Power Delivery, IEEE Transactions on, 21(1):484-491, Jan 2006. Case study

29% de la generación eólica

Generadores de inducción de rotor de jaula de ardilla

Shan Jiang, U. D. Annakkage, and A. M. Gole. A platform for validation of facts models. Power Delivery, IEEE Transactions on, 21(1):484-491, Jan 2006.

Ligero incremento del viento Case study

Generador de Inducción Case study Deslizamiento (p.u) Deslizamiento (p.u)

Gran incremento del viento Case study

Caso de estudio con STATCOM Case study

Gran incremento del viento con STATCOM

Aportación del STATCOM Case study

Respuesta ante la pérdida de una línea Case study

Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study

Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)

Aportación del STATCOM

Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study

Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study

Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study

Estrategias de Control: Optimización de la explotación. Case study

Disponibilidad (Reliability) Disponibilidad -> Redundancia Convertidores Multinivel D-FACTS (Distributed FACTS) Conclusiones. Índice

Disponibilidad (Reliability)

Disponibilidad -> Redundancia

Convertidores Multinivel

D-FACTS (Distributed FACTS)

Conclusiones.

Disponibilidad (Reliability)

Disponibilidad -> Redundancia

Convertidores Multinivel MVDC line Remote generator (Off shore facility) On shore installation G Removable power part : 500 kW 1000 Vdc 3 x 500 Vac

Convertidor 3 niveles - NPC

D-FACTS (Distributed FACTS) Distributed FACTS

Future Electronic Power Distribution Systems Dushan Boroyevich Although it has long been argued that electronic power converters can help improve system controllability, reliability, size, and efficiency, their penetration in power systems is still quite low. The often-cited barriers of higher cost and lower reliability of the power converters are quite high if power electronics is used as direct, one-to-one, replacement for the existing electromechanical equipment. However, if the whole power distribution system were designed as a system of controllable converters, the overall system cost and reliability could actually improve, as is currently the case at low power levels within computer and telecom equipment.

Although it has long been argued that electronic power converters can help improve system controllability, reliability, size, and efficiency, their penetration in power systems is still quite low. The often-cited barriers of higher cost and lower reliability of the power converters are quite high if power electronics is used as direct, one-to-one, replacement for the existing electromechanical equipment. However, if the whole power distribution system were designed as a system of controllable converters, the overall system cost and reliability could actually improve, as is currently the case at low power levels within computer and telecom equipment.

Future advanced electric power systems will have practically all loads interfaced to energy sources through power electronics equipment. Furthermore, all alternative, sustainable, and distributed energy sources, as well as energy storage systems, can only be connected to electric grid through power electronics converters. This will require new concepts for electronic control of all power flows in order to improve energy availability, power density, and overall energy and power efficiency in all electrical systems, from portable devices to cars, airplanes, ships, homes, data centers, buildings, and the power grid.

Future advanced electric power systems will have practically all loads interfaced to energy sources through power electronics equipment. Furthermore, all alternative, sustainable, and distributed energy sources, as well as energy storage systems, can only be connected to electric grid through power electronics converters. This will require new concepts for electronic control of all power flows in order to improve energy availability, power density, and overall energy and power efficiency in all electrical systems, from portable devices to cars, airplanes, ships, homes, data centers, buildings, and the power grid.