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FACTS-FACDS Integración de la electrónica de potencia en redes de distribución Joan Bergas
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
e
Impacto de la electrónica
Intr
odu
cció
n
La electrónica en el Sistema
Eléctrico
Intr
odu
cció
n
Sistema Eléctrico Actual
Intr
odu
cció
n
Sistema Eléctrico dominado por la
Electrónica de Potencia
Intr
odu
cció
n
Sistema eléctrico futuro, presente?
Intr
odu
cció
n
Penetració de la energía Eólica
Intr
odu
cció
n
FA
CT
S -
FA
CD
S
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.
FA
CT
S -
FA
CD
S
Super Grid
FA
CT
S -
FA
CD
S
Closing the Ring
FA
CT
S -
FA
CD
S
HVDC List of Projects in Europe
Red= Existing
Green = Under construction
Blue = Options under consideration
FA
CT
S -
FA
CD
S
FA
CT
S -
FA
CD
S
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
¿Que es un FACTS?Flexible AC Transmition System
¿Q
ue
es u
n F
AC
TS
?
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.
¿Q
ue
es u
n F
AC
TS
?
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.
¿Q
ue
es u
n F
AC
TS
?
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
¿Q
ue
es u
n F
AC
TS
?
¿Q
ue
es u
n F
AC
TS
?
Flujo de Potencia
• Flujo de potencia en líneas paralelas
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
Carga Carga
Impedancia: X
Impedancia: 2X
Potencia: 2/3
Potencia: 1/3
Flujo de potencia en una línea
X
VVVQ
X
VVP
cos
sin
2111
21Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
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.
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.
Control del Flujo de Potencia
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Carga Carga
Variable Impedance
c
c
XX
VVVQ
XX
VVP
cos
sin
2111
21
Compensación capacitiva serie
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Delta
P,Q
Qc
P
k = 0.0k = 0.375
k = 0.375
k = 0.25
k = 0.25
k = 0.125
k = 0.125
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Voltage Collapse
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.750
20
40
60
80
100
120
140
P (p.u)
Vr
kV
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)
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
TCSC
Tipos de compensadores serie
de impedancia variable
TSSC GSSC
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Sistema de TSSC
TSSC TSSC TSSC
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaFuente de tensión
en Serie
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Static Synchronous Series
Compensator (SSSC)
Se
ries C
om
pen
sa
tor
SSSCS
eries C
om
pen
sa
tor
0 Pi/2 Pi0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Delta
P
k = 0.0
k = 0.25
k = 0.375
k = 0.125
0 Pi/2 Pi0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Delta
P
Vq = -0.707
Vq = -0.353
Vq = 0
Vq = 0.375
Vq = 0.707
SSSCS
eries C
om
pen
sa
tor
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Dimensionamiento
• VL es pequeña en comparación a la
tensión de línea.
– es pequeño.
– Las tensiones de los dos nudos serán
semejantes.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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:
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaFuente de
Corriente
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
X2 X2
Vs VmVr
Ism Imr
Control del Flujo de Potencia
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
X
VQ
X
VP
cos1
sin
2
11
2
1
2
cos14
2sin2
2
11
2
1
X
VQ
X
VP
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
Control del Flujo de PotenciaSin Compensación:
Compensación
paralelo en
Punto medio:
0 Pi/2 Pi0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Delta
P,Q
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.
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
TSR
TCRTSC FC-TCR
MSC MSR
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor Tipos de Compensadores Shunt
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor Tipos de Compensadores Shunt
Excitación
Convertidor
Estático
DC/AC
Sh
un
t C
om
pe
nsa
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
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
t (ms)
Ir, Is
, It (
A)
Ir I
s I
t
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
Ir, Is, It
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
IrD, Is
D, It
D
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-30
-20
-10
0
10
20
30
t (s)
(A)
IrQ
, IsQ
, ItQ
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
IrD + Ir
Q, Is
D + Is
Q, It
D + It
Q
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de
Corriente
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
t (ms)
Ir, Is
, It (
A)
Ir I
s I
t
Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de
Corriente
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
Ir, Is, It
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-30
-20
-10
0
10
20
30
t (s)
(A)
-IrQ
, -IsQ
, -ItQ
Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de
Corriente
Sh
un
t C
om
pe
nsa
tor
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
Ir, Is, It
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-300
-200
-100
0
100
200
300
t (s)
(A)
IrD, Is
D, It
D
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaÁngulo de Fase
Variable
Ph
ase
An
gle
Re
g.
X
VQ
X
VP
cos1
sin
2
11
2
1
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Delta
PP
Màx
Voltage Regulator
Ph
ase
An
gle
Re
g.
Phase Angle Regulator
Ph
ase
An
gle
Re
g.
Quadrature Booster
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40
0.5
1
1.5
Delta
P
V=-1
V = 0
V=-0.33
V=-0.66
V=0.33
V=0.66
V=1
Ph
ase
An
gle
Re
g.
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.
Ph
ase
An
gle
Re
g.
In-phase, quadrature y Phase-shift
control.
Ph
ase
An
gle
Re
g.
Static VR-PARP
hase
An
gle
Re
g.
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.
Se
ries C
om
pen
sa
tor
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaHVDC
HV
DC
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.
HV
DC
UPFC (Unified Power Flow Controller)
UPQC (Unified Power Quality Controller)
UP
FC
UP
QC
Convertidor Paralelo
UP
FC
UP
QC
PQ Traditional Solutions
Capacitors banks
Reactive Power
Passive Filters
Harmonics
Bulky Transformers
Unbalances
UP
FC
UP
QC
Solución: Inyectar la intensidad
complementaria a la senoidalI_Load
I_Filter
I_Grid
UP
FC
UP
QC
Phase Lock Loop (PLL)
D
Q
V 1+
d
q
jw·tj’w’·t
V1d
V1q
UP
FC
UP
QC
Determinación de la Intensidad
Activa y reactiva
D
Q
V1+
d
q
j @ j’
I
q
Id
I q
q
q
·sin
·cos
effq
effd
II
II
UP
FC
UP
QC
Filtro de Armónicos
Ia
PID PID
Iq*
Id
Rotation-1
Park
D
Q
Ia
Ib
Ic
Vd*
Vq*PID
ErrIq
ErrIdId*Vbus* 2
+-
Iq
Ib
ErrV
+-
+-
x
DivitionVbus1/Vbus
qx
d
SVPWM
DSP
SRF-PLL
Va
Vb
j
Vd
Vq
X 2
Harmonic
Regulator
Ia Ib
Pa
rk
Convertidor Paralelo (Simulación)
Convertidor Paralelo (Experimental)
Convertidor Serie
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time (s)
V
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
time (s)
V
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
V
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.
Ca
se
stu
dy
Ligero incremento del viento
Ca
se
stu
dy
Generador de Inducción
Ca
se
stu
dy
Deslizamiento (p.u)
Deslizamiento (p.u)
Gran incremento del viento
Ca
se
stu
dy
Caso de estudio con STATCOMC
ase
stu
dy
Gran incremento del viento con
STATCOM
Aportación del STATCOM
Ca
se
stu
dy
Respuesta ante la pérdida de
una línea
Ca
se
stu
dy
Respuesta ante la pérdida de
una línea (con STATCOM)
Ca
se
stu
dy
Respuesta ante la pérdida de
una línea (con STATCOM)
Aportación del STATCOM
Respuesta ante la pérdida de
una línea (con STATCOM)
Ca
se
stu
dy
Respuesta ante la pérdida de
una línea (SSSC + STATCOM)
Ca
se
stu
dy
Respuesta ante la pérdida de
una línea (SSSC + STATCOM)
Ca
se
stu
dy
Estrategias de Control:
Optimización de la explotación.
Ca
se
stu
dy
• Disponibilidad (Reliability)
– Disponibilidad -> Redundancia
– Convertidores Multinivel
• D-FACTS (Distributed FACTS)
• Conclusiones.Índic
e
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
istr
ibute
d F
AC
TS
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.
