Electrónica de Potencia en Redes de Distribución

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El desarrollo de nuevos materiales junto con la aparición de nuevos algoritmos y herramientas computacionales en los últimos años ha permitido que la electrónica de potencia se convierta en la …

El desarrollo de nuevos materiales junto con la aparición de nuevos algoritmos y herramientas computacionales en los últimos años ha permitido que la electrónica de potencia se convierta en la tecnología habilitadora de los cambios tecnológicos más importantes dentro del sector eléctrico. Aspectos como la generación distribuida, la eficiencia energética y la utilización de las energías renovables se han visto apoyados gracias a los desarrollos en la electrónica de potencia en los últimos años. En este webinar se hace una reflexión sobre los nuevos desarrollos de electrónica de potencia aplicada a nuestros sistemas de transporte y distribución, principalmente los FACTS.

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  • El impacto de la electrónica, no solo ha existido en el ámbito de las TIC, sino que ha abarcado todos y cada uno de los ámbitos de nuestra vida: en el coche, con el drive-by-wire, el ABS, el coche eléctrico o híbrido, el GPS …., en ámbitos tan tradicionales como la enseñanza (creo que el gobierno central va a subvencionar la compra de las pizarras electrónicas). Y en ámbitos en los que este impacto no se ha limitado a la introducción de la Tecnología de las TIC, sino que el núcleo mismo de la actividad se ha visto revolucionado por la introducción de otro tipo de electrónica, la llamada electrónica de potencia, tecnología que también se basa en los transistores, pero esta vez su función consiste en actuar sobre el sistema. Pero, y mientras tanto, que sucede en los sistemas eléctricos de potencia?
  • La penetración de la electrónica en el sistema eléctrico no ha sido uniforme. El sistema eléctrico de potencia, hoy en día, dispone de un numero ingente de sistemas electrónicos (IED Intelligent Electronic Devices), que actúan de relé o de medida, en las protecciones, en la operación, en la planificación… pero siempre finalmente se termina accionando un tradicional y lento interruptor electromecánico.
  • Concepto de Smart-Grids
  • Antes de empezar con el tema de los FACTS propiamente dichos, quizas mejor hacer un poco de historia, para entender donde estamos hoy en día y como hemos llegado hasta la stituación actual… Pero esta situación tant ideal, ha sufrido y está sufriendo muchas presiones para su evolución y cambio. Así seguidamente citaremos algunas de las líneas de tensión que están promoviendo este cambio de paradigma:
  • Wide area transmission can be viewed as a horizontal extension of the Smart grid. In a paradigm shift, the distinction between transmission and distribution blurs with the integration as energy flow becomes bidirectional. For example, distribution grids in rural areas might generate more energy than they use turning the local smart grid into a virtual power plant, or a city's fleet of one million vehicles could be used to trim peaks in transmission supply by integrating them to the smart grid using vehicle to grid technology.
  • Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) Associació formada entre la associación alemana del Club de Roma y Hamburg Climate Protection Foundation, per a promoure la reducció de la dependència energètica d’Europa y l’emissió de gassos d’efecte Hinvernacle. Las energias renovables, son mas abundantes en los puntos en los que hay una menor concentración de población, como por ejemplo este estudio promovido por TREC y ejecutado por el DLR (German Aerospace Center). The high solar radiation in the deserts of the Middle East and North Africa outweighs the 10-15% transmission losses between the desert regions and Europe. This means that solar thermal power plants in the desert regions are more economic than the same kinds of plants in southern Europe
  • Transmission and sub-transmission systems today tend to be increasingly meshed and inter-connected. The ability to switch out faulted lines without impacting service has a dramatic impact on system reliability. However, in such interconnected systems, current flow is determined by line impedances, and the system operator has very limited ability to control where the currents flow in the network. In such systems, the first line to reach thermal capacity limits the capacity of the entire network, even as other lines remain considerably under-utilized
  • Se supone como simplificación que la línea es puramente inductiva.
  • Si la fuente de tensión en serie se sintetiza síncrona y desfasada 90º respecto a la intensidad que circula por la línea, es indistinto el comportamiento de dicha fuente de tensión al de un condensador.
  • Un PAR (Phase Angle Regulator) no incrementa la potencia màxima transmisible (ni activa ni reactiva), però si permite que esta potencia que anteriormente solo podía fluir para delta = pi/2, ahora pueda fluir para cualquier valor de delta.
  • Comentar la existencia de sistemas híbridos.
  • Comentar la existencia del HVDC-Classic i el HVDC-Lite
  • Recordar que exiteix control de pitch
  • 1 FIT = 1 fail / 1e9 hours FIT = Failure in Time
  • Virginia Tech

Transcript

  • 1. FACTS-FACDS Integración de la electrónica de potencia en redes de distribución Joan Bergas en ESPAÑOL
  • 2.
    • 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
  • 3. Impacto de la electrónica Introducción
  • 4. La electrónica en el Sistema Eléctrico Introducción
  • 5. Sistema Eléctrico Actual Introducción
  • 6. Sistema Eléctrico dominado por la Electrónica de Potencia Introducción
  • 7. Sistema eléctrico futuro, presente? Introducción
  • 8. Penetración de la energía Eólica Introducción
  • 9. 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
  • 10. 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
  • 11. Super Grid FACTS - FACDS
  • 12. Closing the Ring FACTS - FACDS
  • 13. HVDC List of Projects in Europe Red = Existing Green = Under construction Blue = Options under consideration FACTS - FACDS
  • 14. 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
  • 15. ¿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.
  • 16. 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?
  • 17. 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?
  • 18. 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?
  • 19. ¿Que es un FACTS?
  • 20. Flujo de Potencia
    • Flujo de potencia en líneas paralelas
    Shunt Compensator Carga Carga Impedancia: X Impedancia: 2X Potencia: 2/3 Potencia: 1/3
  • 21. Flujo de potencia en una línea Shunt Compensator
  • 22. 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.
  • 23. 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.
  • 24. Control del Flujo de Potencia Series Compensator Carga Carga Variable Impedance
  • 25. Compensación capacitiva serie Series Compensator
  • 26. Voltage Collapse Series Compensator
  • 27. 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
  • 28. Tipos de compensadores serie de impedancia variable TCSC TSSC GSSC Series Compensator
  • 29. Sistema de TSSC TSSC TSSC TSSC Series Compensator
  • 30. 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
  • 31. Control del Flujo de Potencia Carga Carga Fuente de tensión en Serie Series Compensator
  • 32. Static Synchronous Series Compensator (SSSC) Series Compensator
  • 33. SSSC Series Compensator
  • 34. SSSC Series Compensator
  • 35. 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
  • 36. Dimensionamiento
    • V L es pequeña en comparación a la tensión de línea.
      •  es pequeño.
      • Las tensiones de los dos nudos serán semejantes.
    Series Compensator
  • 37. 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
  • 38. 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
  • 39. 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
  • 40. 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
  • 41. 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
  • 42. Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator
  • 43. Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator Sin Compensación: Compensación paralelo en Punto medio:
  • 44. 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
  • 45. TSR TCR TSC FC-TCR MSC MSR Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt
  • 46. Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt Excitación Convertidor Estático DC/AC
  • 47.
    • 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
  • 48. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  • 49. Shunt Compensator
  • 50. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  • 51. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  • 52. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  • 53. 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
  • 54. Control del Flujo de Potencia Carga Carga Ángulo de Fase Variable Phase Angle Reg.
  • 55. Voltage Regulator Phase Angle Reg.
  • 56. Phase Angle Regulator Phase Angle Reg.
  • 57. Quadrature Booster Phase Angle Reg.
  • 58. 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.
  • 59. In-phase, quadrature y Phase-shift control. Phase Angle Reg.
  • 60. Static VR-PAR Phase Angle Reg.
  • 61. Rotatory PAR/Phase Shifter
  • 62. 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
  • 63. Control del Flujo de Potencia Carga Carga HVDC HVDC Carga Carga B2B
  • 64. 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
  • 65. UPFC (Unified Power Flow Controller) UPQC (Unified Power Quality Controller) UPFC UPQC
  • 66. Convertidor Paralelo UPFC UPQC
  • 67. PQ Traditional Solutions Capacitors banks Reactive Power Passive Filters Harmonics Bulky Transformers Unbalances UPFC UPQC
  • 68. Solución: Inyectar la intensidad complementaria a la senoidal I_Load I_Filter I_Grid UPFC UPQC
  • 69. Phase Lock Loop (PLL) UPFC UPQC
  • 70. Determinación de la Intensidad Activa y reactiva UPFC UPQC
  • 71. Filtro de Armónicos
  • 72. Convertidor Paralelo (Simulación)
  • 73. Convertidor Paralelo (Experimental)
  • 74. Convertidor Serie
  • 75. Convertidor paralelo (experimental)
  • 76. Back-to-Back
  • 77. 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
  • 78. Ligero incremento del viento Case study
  • 79. Generador de Inducción Case study Deslizamiento (p.u) Deslizamiento (p.u)
  • 80. Gran incremento del viento Case study
  • 81. Caso de estudio con STATCOM Case study
  • 82. Gran incremento del viento con STATCOM
  • 83. Aportación del STATCOM Case study
  • 84. Respuesta ante la pérdida de una línea Case study
  • 85. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study
  • 86. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)
  • 87. Aportación del STATCOM
  • 88. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study
  • 89. Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study
  • 90. Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study
  • 91. Estrategias de Control: Optimización de la explotación. Case study
  • 92.
    • Disponibilidad (Reliability)
      • Disponibilidad -> Redundancia
      • Convertidores Multinivel
    • D-FACTS (Distributed FACTS)
    • Conclusiones.
    Índice
  • 93. Disponibilidad (Reliability)
  • 94. Disponibilidad -> Redundancia
  • 95. Convertidores Multinivel MVDC line Remote generator (Off shore facility) On shore installation G Removable power part : 500 kW 1000 Vdc 3 x 500 Vac
  • 96. Convertidor 3 niveles - NPC
  • 97. D-FACTS (Distributed FACTS) Distributed FACTS
  • 98. 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.
  • 99.
    • 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.