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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 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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Electrónica de Potencia en Redes de Distribución

  1. 1. FACTS-FACDS Integración de la electrónica de potencia en redes de distribución Joan Bergas en ESPAÑOL
  2. 2. <ul><li>Introducción. </li></ul><ul><li>¿FACTS o FACDS? </li></ul><ul><li>¿Qué es un FACTS? </li></ul><ul><li>Diferentes tipos de compensación: Paralelo, Serie, Paralelo-Serie, Serie-Serie. </li></ul><ul><li>Estructura del UPFC. </li></ul><ul><li>Caso de Estudio. </li></ul><ul><li>El futuro de los FACTS. </li></ul>Índice
  3. 3. Impacto de la electrónica Introducción
  4. 4. La electrónica en el Sistema Eléctrico Introducción
  5. 5. Sistema Eléctrico Actual Introducción
  6. 6. Sistema Eléctrico dominado por la Electrónica de Potencia Introducción
  7. 7. Sistema eléctrico futuro, presente? Introducción
  8. 8. Penetración de la energía Eólica Introducción
  9. 9. Transporte vs Distribución <ul><li>Transporte </li></ul><ul><li>Red mallada. </li></ul><ul><li>Interconexión entre las diferentes centrales de generación y las subestaciones. </li></ul><ul><li>Alta tensión. </li></ul><ul><li>Flujo de potencias bidireccional. </li></ul><ul><li>Distribución </li></ul><ul><li>Radial (o mallada explotada como radial). </li></ul><ul><li>Conexión entre las subestaciones y las cargas. </li></ul><ul><li>Media y baja tensión. </li></ul><ul><li>Flujo de potencia unidireccional. </li></ul>FACTS - FACDS
  10. 10. Super Grid <ul><li>WATN (Wide Area Transmition Network, red de transporte de gran área), que transporta electricidad a grandes distancias. </li></ul><ul><li>Mega Grid, tal como la resultante de la unión entre UCTE y IPS/UPS. </li></ul><ul><li>Superior Grid, en el sentido de Smart Grid, o red más inteligente. </li></ul>FACTS - FACDS
  11. 11. Super Grid FACTS - FACDS
  12. 12. Closing the Ring FACTS - FACDS
  13. 13. HVDC List of Projects in Europe Red = Existing Green = Under construction Blue = Options under consideration FACTS - FACDS
  14. 14. Antes vs Después <ul><li>Distribución Antes </li></ul><ul><li>Radial (o mallada explotada como radial). </li></ul><ul><li>Conexión entre las subestaciones y las cargas. </li></ul><ul><li>Media y baja tensión. </li></ul><ul><li>Flujo de potencia unidireccional. </li></ul><ul><li>FACTS / Custom Power </li></ul><ul><li>Distribución Después </li></ul><ul><li>Mallada explotada o no como radial. </li></ul><ul><li>Conexión entre varias subestaciones, las cargas y DG’s. </li></ul><ul><li>Media y baja tensión. </li></ul><ul><li>Flujo de potencia bidireccional. </li></ul><ul><li>FACTS / FACDS </li></ul>FACTS - FACDS
  15. 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. 16. Aplicaciones <ul><li>Este concepto cubre toda una serie de tecnologías que permiten: </li></ul><ul><ul><li>Aumentar la Seguridad del sistema. </li></ul></ul><ul><ul><li>Aumentar la Capacidad de transmisión de potencia. </li></ul></ul><ul><ul><li>Proporcionar Flexibilidad al sistema. </li></ul></ul><ul><ul><li>Optimizar los Costes de operación. </li></ul></ul><ul><ul><li>Mejorar la Calidad de Suministro </li></ul></ul><ul><ul><li>Permitir la integración de los DER/DSR. </li></ul></ul>¿Que es un FACTS?
  17. 17. Clasificación de los FACTS <ul><li>Por Función: </li></ul><ul><li>Control del flujo de potencia. </li></ul><ul><li>Compensación de la energía reactiva. </li></ul><ul><li>Incremento de la estabilidad transitoria. </li></ul><ul><li>Control de la calidad de la potencia. </li></ul><ul><li>Por topología: </li></ul><ul><li>Conexión serie. </li></ul><ul><li>Conexión paralelo. </li></ul><ul><li>Combinación serie-serie. </li></ul><ul><li>Combinación serie-paralelo. </li></ul>¿Que es un FACTS?
  18. 18. Clasificación de los FACTS (ii) <ul><li>Existe un tercer criterio de clasificación, que consiste en el tipo de interruptor de electrónica de potencia utilizado: </li></ul><ul><ul><li>SCR </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Simple sustitución del interruptor electromecánico por un interruptor estático. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Interruptor que utiliza el control del ángulo de fase del disparo. </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Transistor </li></ul></ul>¿Que es un FACTS?
  19. 19. ¿Que es un FACTS?
  20. 20. Flujo de Potencia <ul><li>Flujo de potencia en líneas paralelas </li></ul>Shunt Compensator Carga Carga Impedancia: X Impedancia: 2X Potencia: 2/3 Potencia: 1/3
  21. 21. Flujo de potencia en una línea Shunt Compensator
  22. 22. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de corriente en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>
  23. 23. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>
  24. 24. Control del Flujo de Potencia Series Compensator Carga Carga Variable Impedance
  25. 25. Compensación capacitiva serie Series Compensator
  26. 26. Voltage Collapse Series Compensator
  27. 27. Compensación capacitiva serie <ul><li>Mejora de la estabilidad transitoria. </li></ul><ul><li>Amortiguamiento de las oscilaciones de potencia. </li></ul><ul><li>Amortiguamiento de las oscilaciones subsíncronas, o en su defecto, que se comportamiento a dichas oscilaciones sea innocuo. </li></ul>Series Compensator
  28. 28. Tipos de compensadores serie de impedancia variable TCSC TSSC GSSC Series Compensator
  29. 29. Sistema de TSSC TSSC TSSC TSSC Series Compensator
  30. 30. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>Series Compensator
  31. 31. Control del Flujo de Potencia Carga Carga Fuente de tensión en Serie Series Compensator
  32. 32. Static Synchronous Series Compensator (SSSC) Series Compensator
  33. 33. SSSC Series Compensator
  34. 34. SSSC Series Compensator
  35. 35. Compensador SSSC <ul><li>Imposibilidad de resonancia serie con la línea. </li></ul><ul><li>Capacidad de compensar potencia activa (necesidad de aportación de energía en el bus de continua) . </li></ul><ul><li>Inmunidad a resonancias subsíncronas. </li></ul>Series Compensator
  36. 36. Dimensionamiento <ul><li>V L es pequeña en comparación a la tensión de línea. </li></ul><ul><ul><li> es pequeño. </li></ul></ul><ul><ul><li>Las tensiones de los dos nudos serán semejantes. </li></ul></ul>Series Compensator
  37. 37. Dimensionamiento (ii) <ul><li>Línea de 2 circuitos de fases simples de 110 kV y una longitud de 10 km. Potencia de 110 MVA por circuito. </li></ul><ul><li>6 conductores de Al-Ac LA280 (Hawk). </li></ul><ul><li>Límite térmico: 577,28 A. </li></ul><ul><li>Conductores verticales sobre 3 crucetas, con un diámetro aprox. de 2.5 m. </li></ul><ul><li>X L = 0.30 Ω /km </li></ul><ul><li>R ac, 20º =0.119 Ω /km </li></ul>Series Compensator
  38. 38. Dimensionamiento (iii) <ul><li>A plena carga, la línea tiene una caída de tensión fase-neutro de: </li></ul><ul><li>V L =X L ·I = 3 · 577 = 1731 V </li></ul><ul><li>Es decir, aproximadamente representa un 1 % de cdt. </li></ul><ul><li>Compensación de un 25% mediante un equipo conectado en serie: </li></ul>Series Compensator
  39. 39. Dimensionamiento (iv) <ul><li>Una línea de 110 MVA, se puede controlar el flujo de potencia con un equipo de 250 kVA únicamente. </li></ul><ul><li>El equipo se tiene que dimensionar para una tensión de 63 kV respecto a tierra. </li></ul>Series Compensator
  40. 40. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>Series Compensator
  41. 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. 42. Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator
  43. 43. Control del Flujo de Potencia Shunt Compensator Sin Compensación: Compensación paralelo en Punto medio:
  44. 44. Compensador Shunt <ul><li>La extensión de la compensación paralelo a lo largo de toda la línea, nos llevaría al extremo a una línea sin caída de tensión. </li></ul><ul><li>El compensador en paralelo al final de línea, previene eficientemente de inestabilidades de tensión. </li></ul><ul><li>Igualmente presenta un buen comportamiento frente a estabilidad transitoria y oscilaciones de potencia. </li></ul>Shunt Compensator
  45. 45. TSR TCR TSC FC-TCR MSC MSR Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt
  46. 46. Shunt Compensator Tipos de Compensadores Shunt Excitación Convertidor Estático DC/AC
  47. 47. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>Subestaciones críticas: donde interviene en las cambios súbitos de potencia manteniendo constante la tensión, así como interviniendo en las amortiguaciones de potencia… </li></ul><ul><li>Grandes cargas industriales/tracción: básicamente para aislar al resto del sistema de las perturbaciones (variaciones bruscas de potencia, desequilibrios…) en ellas producidas. </li></ul>Shunt Compensator Puntos de instalación típicos de los Compensadores Shunt
  48. 48. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  49. 49. Shunt Compensator
  50. 50. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  51. 51. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  52. 52. Desequilibrios Carga Carga Fuente de Corriente Shunt Compensator
  53. 53. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>Series Compensator
  54. 54. Control del Flujo de Potencia Carga Carga Ángulo de Fase Variable Phase Angle Reg.
  55. 55. Voltage Regulator Phase Angle Reg.
  56. 56. Phase Angle Regulator Phase Angle Reg.
  57. 57. Quadrature Booster Phase Angle Reg.
  58. 58. Características del PAR <ul><li>En combinación con un voltage regulator, permite el control del flujo de potencia activa y reactiva. </li></ul><ul><li>Especialmente cuando existen bucles de circulación. </li></ul><ul><li>También es interesante en la mejora de la estabilidad transitoria y el amortiguamiento de las oscilaciones de potencia. </li></ul><ul><li>Típicamente se implementan como TCVRs y TCPARs. </li></ul>Phase Angle Reg.
  59. 59. In-phase, quadrature y Phase-shift control. Phase Angle Reg.
  60. 60. Static VR-PAR Phase Angle Reg.
  61. 61. Rotatory PAR/Phase Shifter
  62. 62. Control del Flujo de Potencia <ul><li>Inserción de una impedancia variable en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una fuente de tensión en serie. </li></ul><ul><li>Inserción de una impedancia/fuente de corriente en paralelo. </li></ul><ul><li>Inserción de un transformador de giro de fase. </li></ul><ul><li>Interconexión en continua. </li></ul>Series Compensator
  63. 63. Control del Flujo de Potencia Carga Carga HVDC HVDC Carga Carga B2B
  64. 64. Ventajas del HVDC <ul><li>Permite un control separado de la potencia activa, y de la potencia reactiva. </li></ul><ul><li>En el caso del VSC, se puede alimentar a un sistema totalmente pasivo, con la tensión y frecuencia predeterminados. </li></ul><ul><li>No contribuye al incremento de la intensidad de cortocircuito. </li></ul>HVDC
  65. 65. UPFC (Unified Power Flow Controller) UPQC (Unified Power Quality Controller) UPFC UPQC
  66. 66. Convertidor Paralelo UPFC UPQC
  67. 67. PQ Traditional Solutions Capacitors banks Reactive Power Passive Filters Harmonics Bulky Transformers Unbalances UPFC UPQC
  68. 68. Solución: Inyectar la intensidad complementaria a la senoidal I_Load I_Filter I_Grid UPFC UPQC
  69. 69. Phase Lock Loop (PLL) UPFC UPQC
  70. 70. Determinación de la Intensidad Activa y reactiva UPFC UPQC
  71. 71. Filtro de Armónicos
  72. 72. Convertidor Paralelo (Simulación)
  73. 73. Convertidor Paralelo (Experimental)
  74. 74. Convertidor Serie
  75. 75. Convertidor paralelo (experimental)
  76. 76. Back-to-Back
  77. 77. Caso de estudio <ul><li>29% de la generación eólica </li></ul><ul><li>Generadores de inducción de rotor de jaula de ardilla </li></ul><ul><li>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. </li></ul>Case study
  78. 78. Ligero incremento del viento Case study
  79. 79. Generador de Inducción Case study Deslizamiento (p.u) Deslizamiento (p.u)
  80. 80. Gran incremento del viento Case study
  81. 81. Caso de estudio con STATCOM Case study
  82. 82. Gran incremento del viento con STATCOM
  83. 83. Aportación del STATCOM Case study
  84. 84. Respuesta ante la pérdida de una línea Case study
  85. 85. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study
  86. 86. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)
  87. 87. Aportación del STATCOM
  88. 88. Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM) Case study
  89. 89. Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study
  90. 90. Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM) Case study
  91. 91. Estrategias de Control: Optimización de la explotación. Case study
  92. 92. <ul><li>Disponibilidad (Reliability) </li></ul><ul><ul><li>Disponibilidad -> Redundancia </li></ul></ul><ul><ul><li>Convertidores Multinivel </li></ul></ul><ul><li>D-FACTS (Distributed FACTS) </li></ul><ul><li>Conclusiones. </li></ul>Índice
  93. 93. Disponibilidad (Reliability)
  94. 94. Disponibilidad -> Redundancia
  95. 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. 96. Convertidor 3 niveles - NPC
  97. 97. D-FACTS (Distributed FACTS) Distributed FACTS
  98. 98. Future Electronic Power Distribution Systems Dushan Boroyevich <ul><li>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. </li></ul>
  99. 99. <ul><li>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. </li></ul>

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