Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Introducción El objetivo central de la regulación de tensión es mantener la tensión en equipos a lo largo del día (año) de manera de no afectar su vida útil. Lo anterior depende del tipo y caractísticas de los equipos: Comportamiento de la carga del sistema Venezolano 1 MW 1 1 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Elementos a considerar Tensión nominal y rangos de operación (banda): Tipos de equipos: Central generadora Líneas de transmisión Redes de distribución Tipos de variaciones: Lentas Bruscas (variaciones del tipo parpadeo) Caídas de tensión Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Formas de regular variaciones lentas de tensión Sólo se detallarán métodos utilizados para regular variaciones lentas. Nose estudia el desfase del fasor tensión (control de estabilidad). Métodos más empleados • Inyección o absorción de potencia reactiva • Inserción de tensión serie adicional • Modificación de la reactancia Forma de actuar: Regulación continua Regulación cuasi-continua Regulación intermitente Regulación fija Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Regulación por inyección de potencia reactiva La forma básica para mejorar la regulación de tensión será reducir el flujo de reactivos,produciéndolos directamente donde se necesitan, no transportándolos desde las centrales. Sistemas radiales: • Gradiente • Parámetros ABCD Sistemas enmallados: • Flujo de potencia • Factores de Influencia Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Importancia: A nivel de la operación de sistemas eléctricos el objertivo fundamental es suplir energía de forma confiable, segura y con una alta calidad de servicio. En términos de calidad, como premisa ideal, esto implica: 1. 2. 3. 4. 5. Tensión constante a valor nominal Forma de onda perfectamente sinusoidal (sin contenidos armonicos) Factor de potencia unitario Frecuencia eléctrica constante Sistema trifásico balanceado Luego indices de calidad de servicio reales seran asociados a la “distancia” que presentan estas variables con respecto a la condicion ideal de operación. El control de las tensiones en la red (intimamente relacionado con el control de potencia reactiva) es junto con la frecuencia eléctrica las de mayor influencia en caracterización de la calidad del servicio eléctrico recibido. 5 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Una sociedad dinamica requiere demandas de energia variables en el tiempo. En consecuencia los flujos de potencia y los niveles de tensiones sufren cambios. Estas variaciones de tension exigen requirimientos de control con el proposito de mantener el perfil de tension dentro de un rango aceptable. Ls tensiones en barras caidas de tension en las ramas series: Tx y lineas Naturaleza del problema: Supongase el siguiente SEP 6 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Fuentes y demandas de Potencia Reactiva En la red eléctrica Lineas de transmisión Cables Transformadores Máquinas Sincrónicas Líneas de transmisión: Potencia Reactiva Absorbida : 3I 2 wL (Vars) Potencia Reactiva Generada : Donde: 3V 2 wC (Vars) I Corriente de linea (Amp) V Voltaje de fase (Volt) L Inductancia serie (H) C Capacitancia Shunt (F) w Frecuencia angular del sistema (rad/seg.) En el caso en que se cumpla : 3I 2 wL 3V 2 wC y esto ocurre cuando: ZCarga Ve Vr V L Z n impedancia natural de la linea (SIL) I C 7 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Líneas de transmisión (continuación): En el caso de que : 3I 2 wL 3V 2 wC Se observa una " caida" de tensión a lo largo de la línea. La línea se comporta como elemento que absorve potencia reactiva del sistema : ZCarga Z n En el caso de que : 3I 2 wL 3V 2 wC Se observa un incremento de la tensión a lo largo de las línea. La línea se comporta como elemento que entrega potencia reactiva al sistema : ZCarga Z n 8 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Transformadores: Solo absorbe potencia reactiva dada su naturaleza inductiva: Xcc (0/1) Pero: Xcc(0 /1) *V1 _ nom Xcc(0/1) *Vll _ nom Xccohm Xccohm * I1 _ nom Xccohm Z base V1 _ nom I1 _ nom 3 I1 _ nom I1 _ nom Sn Sn 3V1 _ nom 3Vll _ nom I 12 _ nom Sn 3Vll _ nom 2 Asi entonces la potencia reactiva absorvida por el Tx a capidad nominal es: Q3 3 Xccohm I12 _ nom Vll _ nom Sn 3 Xcc(0/1) * * 3V 3 ll _ nom 2 3Vll _ nom Sn Q 3 Xcc(0/1) *Sn (vars) 9 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Cables : Debido al hecho de que en los cables aislados las distancias entre fases es pequeña la reactancia de dispersión es baja. Además el material dieléctrico presente amplifica el efecto capacitivo que presenta entre fases y tierra. De tal manera que cables aislados de alta tensión son una fuente de potencia Reactiva. Maquinas Sincrónicas: 10 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Generadores sincronicos (continuacion) Re lación V vs S . del diagrama : Sij V j * I * V j I cos j V j I sen V j I p j V j I q Donde : Pij V j I p Qij V j I q y Dado que : Eg sen I p X y E g cos V j I q X se tiene : Pij V j Eg sen X y Eg cos V j Qij V j X Eg V j Vj X De las ecuaciones anteriores se observa: El generador sincronico produce potencia reactiva si: Eg cos V j El generador sincronico absorve potencia reactiva si : Eg cos V j 11 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Generadores sincronicos (continuacion) 12 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Zona de P constante Límites de operación Límites de Ef y de Estabilidad : 13 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva 1. 2. 3. 4. 5. Métodos de control de tensión Los métodos para control de tensión mas empleados son los siguientes: Transformador con cambiador de tomas Transformadores reguladores (Boosters) Capacitores y Reactores Shunt Capacitores Serie Facts Shunt:: Svc y Statcom 1) Tx con cambiadores de Tomas Modelo circuital: Supóngase el siguiente Tx con toma no nominal 14 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva V1 I1 * Z cc E1 de las relaciones magnéticas asociadas: I1 * n1 I 2 * n 2 y E1 E2 n1 n2 de las relaciones entre las cantidades bases nominales: base 1 I * n1 I base 2 *n2 y V1base V2base n1 n2 se tiene: V1 ( p.u ) I1 ( p.u ) * Z cc ( p.u ) E1 ( p.u ) y además: I1 * n1 I 2 * n 2 I *n base I1 ( p.u ) * n1 base2 2 base I2 * n 2 I1 I1 n1 * I 2 ( p.u ) n1 n I1 ( p.u ) 1 I 2 ( p.u ) I1 ( p.u ) * a I 2 ( p.u ) n1 De igual forma en términos de tensiones: E1 V1base n donde a 1 n1 n1 * E2 n1 * E2 n2 n2 n1 base E1 ( p.u ) * E ( p.u ) a * E2 ( p.u ) n1 *V2base n1 2 V1 n2 15 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Ecuaciones que sugieren el siguiente circuito equivalente: Recuérdese una red bipuerta en parámetros de Admitancia : I1 (V1 aV2 ) * Ycc (p.u) I1 YccV1 aYccV2 I 2 aI1 I 2 aYccV1 a 2YccV2 así : I1 Ycc I aY cc 2 aYcc V1 a 2Ycc V2 16 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Sintetizado un circuito con la mismas relaciones eléctricas se tiene el modelo circuital del Tx. contoma no nominal. Se debe cumplir que: Yb Y12 a * Ycc Modelo final: Y11 Ya Yb Ycc Ya (1 a) * Ycc Y22 Yb Yc a 2Ycc Yc a( a 1) * Ycc 17 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva 18 19 20 Si solo hay cambio en Q y P permanece constante Si solo hay cambio en P y Q permanece constante 30 Vbase= 33 kV y 200 MVA QR=-0,04537*0,75/(0,05671+0,15123+0,05671) QR=- 0,12858 QC= QL – QR= 0,5625-(-0,12858)= 0,69108 QC= 138,2 MVAr Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Transformadores Reguladores Ventajas: Puede colocarse en cualquier punto del sistema. En combinación con un Tx de potencia de baja regulación se puede sacarlo fuera de servicio sin necesidad de desconectar la red. La capacidad del equipo es reducida apróximamente un 10% de la capacidad de la línea. Desventajas Un Tx. sin regulación mas un transformador regulador es mas caro que un transformador con cambiador de tomas bajo carga. El equivalente Tx . Mas regulador es menos eficiente que un Tx. Con cambiador de tomas bajo carga. Uso típico Se emplea en alimentadores de distribución donde es es una opción económicamente factible 32 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Transformador con cambiador de tomas bajo carga con compensación de línea Permite acción regulada de tensión de forma automática sobre algún voltaje terminal línea. del Tx e incluso sobre el extremo de la Esquema de control básico 33 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Inyección de potencia Reactiva (compensación Shunt) Sea la siguiente línea: Cuya caída de tensión (aproximada) es V PL R QL X l (p.u) VR Si se coloca un banco de condensadores en paralelo, inyectando Qc: 34 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva La nueva “caida” de tension es: V PL R QL Qc X l VR (p.u) La compensación Shunt de potencia reactiva reduce la componente reactiva de la Corriente de Carga: Como consecuencia: Mejora el factor de potencia Disminuye las pérdidas de la línea Se reduce la caída de tensión mejorando el perfil de tensiones Disminuye en una pequeña proporción el ángulo de carga. Disminuye los requerimientos de reactivos desde “la fuente”. 35 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Cambio de reactancia serie (compensación serie) P RQ X X L l c V L (p.u) En tal caso: VR Ventajas: Reduce la reactancia de transferencia incrementa la máxima potencia que puede ser transmitida (líneas largas). Reduce las pérdidas en potencia reactiva neta. Contribuye a mejorar el nivel de tensión aun cuando no es su uso común Autoregulante en términos de requerimientos de potencia reactiva. Debilidades: Incrementa niveles de cortocircuito Genera el potencial problema de resonancia subsincronica. Sensible a altas corrientes de falla que generan sobrevoltajes peligrosos en sus terminales . Sistema de aislamiento mas robusto: a tensión de línea 36 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Facts Shunt: Facts: Dispositivos trifásicos controlados por elementos de electrónica de potencia mediante los cuales puede variarse suavemente a voluntad distintos parámetros eléctricos como: Tensión Corriente Potencias Activas y Reactivas Impedancias Facts Shunt: Dispositivos Facts conectados en un nodo con la finalidad de controlar suavemente la tensión en el mismo vía inyección de potencia reactiva. Estos se dividen en: 1) SVC : Facts Shunt Basado en control de tiristores 2) Statcom: Facts Shunt basado en electrónica de modulado SPWM 37 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva SVC: Diagrama esquemático 1 2 1 1 sen2 L TCR: Banco trifásico de reactores controlado por tiristores donde la suceptancia presentada por fase depende Donde : α = angulo de disparo BL ( ) del ángulo de disparo de los mismos: L = Inductancia de la bobina TSC: Banco trifasico de condensadores conmutados por tiristores es un esquema ON- OFF 38 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Relación Tensión – Corriente de TCR y TSC Relación Tensión – Corriente del conjunto TCR + TSC 39 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Relación tension – corriente del Svc Relación tensión-Corriente de la red Donde: V Vthe I * Z the 40 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Zona de operación del SVC Modelo de SVC en régimen permanente: 41 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Statcom: Diagrama esquemático Dispositivo DC/AC por modulación de ancho de pulso sinusoidal cuyo comportamiento es similar al de un compensador sincrónico: 42 Tema 2: Control de Tensión y Potencia Reactiva Relación Tensión - Corriente Statcom Modelo de Statcom en regimen permanente: 43
