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FACTS-FACDS

Integración de la electrónica de potencia en redes de distribución

Joan Bergas

• 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.

Índic

Impacto de la electrónica

La electrónica en el Sistema

Eléctrico

Sistema Eléctrico Actual

Sistema Eléctrico dominado por la

Electrónica de Potencia

Sistema eléctrico futuro, presente?

Penetració de la energía Eólica

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.

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.

Super Grid

Closing the Ring

HVDC List of Projects in Europe

Red= Existing

Green = Under construction

Blue = Options under consideration

Antes vs Después

Distribución Antes

• Radial (o mallada

explotada como radial).

• Conexión entre las

subestaciones y las

cargas.

unidireccional.

• FACTS / Custom Power

Distribución Después

• Mallada explotada o no

como radial.

• Conexión entre varias

subestaciones, las cargas

y DG’s.

bidireccional.

• FACTS / FACDS

¿Que es un FACTS?Flexible AC Transmition System

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.

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.

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

Flujo de Potencia

• Flujo de potencia en líneas paralelas

Carga Carga

Impedancia: X

Impedancia: 2X

Potencia: 2/3

Potencia: 1/3

Flujo de potencia en una línea

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 impedancia/fuente de

corriente en paralelo.

• Inserción de un transformador de giro de

ries C

Carga Carga

Variable Impedance

Compensación capacitiva serie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

k = 0.0k = 0.375

k = 0.375

k = 0.25

k = 0.125

ries C

Voltage Collapse

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.750

P (p.u)

Cos = 0.95 (c)

Cos = 0.925 (c)

Cos = 0.9 (c)

Cos = 0.6 (i)

Cos = 0.4 (i)

Cos = 0.975 (c)

Cos = 1.0

Cos = 0.8 (i)

ries C

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.

ries C

Tipos de compensadores serie

de impedancia variable

TSSC GSSC

ries C

Sistema de TSSC

TSSC TSSC TSSC

ries C

en serie.

serie.

de fase.

ries C

Carga CargaFuente de tensión

en Serie

ries C

Static Synchronous Series

Compensator (SSSC)

ries C

eries C

0 Pi/2 Pi0

k = 0.0

k = 0.25

k = 0.375

k = 0.125

0 Pi/2 Pi0

Vq = -0.707

Vq = -0.353

Vq = 0

Vq = 0.375

Vq = 0.707

eries C

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.

ries C

Dimensionamiento

• VL es pequeña en comparación a la

tensión de línea.

– es pequeño.

– Las tensiones de los dos nudos serán

semejantes.

ries C

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.

• XL = 0.30 Ω/km

• Rac, 20º=0.119 Ω/km

ries C

Dimensionamiento (iii)

• A plena carga, la línea tiene una caída

de tensión fase-neutro de:

VL=XL·I = 3 · 577 = 1731 V

• Es decir, aproximadamente representa

un 1 % de cdt.

• Compensación de un 25% mediante un

equipo conectado en serie:

ries C

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.

ries C

en serie.

serie.

de fase.

ries C

Carga CargaFuente de

Corriente

Vs VmVr

Ism Imr

Control del Flujo de PotenciaSin Compensación:

Compensación

paralelo en

Punto medio:

0 Pi/2 Pi0

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.

TCRTSC FC-TCR

MSC MSR

tor Tipos de Compensadores Shunt

Excitación

Convertidor

Estático

tor 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

CargaCarga

Fuente de

Corriente

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-250

t (ms)

Ir, Is

, It (

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

Ir, Is, It

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

IrD, Is

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-30

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

IrD + Ir

D + Is

D + It

Desequilibrios

CargaCarga

Fuente de

Corriente

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-250

t (ms)

Ir, Is

, It (

Desequilibrios

CargaCarga

Fuente de

Corriente

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

Ir, Is, It

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-30

, -IsQ

, -ItQ

Desequilibrios

CargaCarga

Fuente de

Corriente

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

Ir, Is, It

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300

IrD, Is

en serie.

serie.

de fase.

ries C

Carga CargaÁngulo de Fase

Variable

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

Voltage Regulator

Phase Angle Regulator

Quadrature Booster

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

V=-0.33

V=-0.66

V=0.33

V=0.66

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.

In-phase, quadrature y Phase-shift

control.

Static VR-PARP

Rotatory PAR/Phase Shifter

en serie.

serie.

de fase.

ries C

Carga CargaHVDC

Carga CargaB2B

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.

UPFC (Unified Power Flow Controller)

UPQC (Unified Power Quality Controller)

Convertidor Paralelo

PQ Traditional Solutions

Capacitors banks

Reactive Power

Passive Filters

Harmonics

Bulky Transformers

Unbalances

Solución: Inyectar la intensidad

complementaria a la senoidalI_Load

I_Filter

I_Grid

Phase Lock Loop (PLL)

jw·tj’w’·t

Determinación de la Intensidad

Activa y reactiva

j @ j’

Filtro de Armónicos

PID PID

Rotation-1

Vq*PID

ErrIdId*Vbus* 2

DivitionVbus1/Vbus

SRF-PLL

Harmonic

Regulator

Convertidor Paralelo (Simulación)

Convertidor Paralelo (Experimental)

Convertidor Serie

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1

Time (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1

time (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1

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.

Ligero incremento del viento

Generador de Inducción

Deslizamiento (p.u)

Gran incremento del viento

Caso de estudio con STATCOMC

Gran incremento del viento con

STATCOM

Aportación del STATCOM

Respuesta ante la pérdida de

una línea

una línea (con STATCOM)

Aportación del STATCOM

una línea (SSSC + STATCOM)

Estrategias de Control:

Optimización de la explotación.

• Disponibilidad (Reliability)

– Disponibilidad -> Redundancia

– Convertidores Multinivel

• D-FACTS (Distributed FACTS)

• Conclusiones.Índic

Disponibilidad (Reliability)

Disponibilidad -> Redundancia

GMVDC line

Remote generator

(Off shore facility)

On shore installation

Removable power part : 500 kW

1000 Vdc

3 x 500 Vac

Convertidores Multinivel

Convertidor 3 niveles - NPC

D-FACTS (Distributed FACTS)D

Future Electronic Power Distribution

SystemsDushan 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.

• 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.

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