Flexible AC Transmission Systems

FACTS: Flexible AC Transmission System
Aplicaciones Industriales de la Electrónica de Potencia.
Antonio Moreno Muñoz

212/02/15 Antonio Moreno Muñoz. Área de Electrónica. Universidad de Córdoba.
Electrónica de Potencia en Generación
Energías renovables
Generación
fotovoltaica
Pilas de
combustible
Conversión
CC-a-CA
Generador
eólico
Conversión
de
frecuenciaGenerador
hidráulico
Líneas de CA
(habitualmete aisladas
de la red de
distribución)
CC CA
Frecuencia
fija
* kW ~ * MW
Plantas de energía térmica
 Variadores de velocidad para mejorar el
rendimiento energetico de bombas,
ventiladores, compresores, etc.

Electrónica de Potencia en Distribución
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
CA-CC
Conversión
Superconductingm
agnet energy
storage SMES
Super
condensadores
Líneas de
distribución de
CA
CC
CA
* kW ~ *0 MW
Battery Energy
Storage System
BESS
“Custom power”: Servicio eléctrico fiable de valor añadido
Eliminando:
• Interrupciones, huecos de tensión
• Distorsiones
• Sobretensiones, etc.
Convertidor
electrónico de
potencia
Equipos de
conmutación
Industria
automatizada/
Parque
tecnológico
Energía de
baja calidad
Energía de calidad
específica para un equipo
determinado
*0 kW ~ *0 MW

Energy Distributed Resources

HVDC:
Conversión
CA-a-CC
Conversión
CC-a-CA
Gran distancia
Líneas de transmisión CC:
> 50km submarino
> 1000km elevado
Sitio remoto
Conversión
CA-a-CC
Conversión
CC-a-CA
Conexión CC
Frecuencias diferentes o con
control incompatible
*00 MW ~ *000 MW
Electrónica de Potencia en Transmision:
HVDC y FACTS

Varios tipos de
convertidores o equipos
electrónicos
Lineas de transmisión con:
 Controlabilidad elevada
 Alta capacidad de transferencia de potencia
*0 MW ~ *00 MW
FACTS paralelo
FACTS serie
Electrónica de Potencia en Transmision:
HVDC y FACTS

Coste de las lineas de transmisión
Pérdidas de transmisión
Dificultad de construir nuevas lineas
Capacidad de transmisión limitada
Dificultad para compartir reservas de energía
Crecimiento de la potencia a transmitir
Incremento de las dificultades
Control del flujo de potencia inadecuado
Excesiva potencia reactiva
Oscilaciones dinámicas elevadas
Capacidad de transmisión desaprovechada
Reducida fiabilidad
Beneficios de la Interconexión/Transmisión
 Reducir el costo de la electricidad
 Mejorar la fiabilidad del suministro de potencia
Transmision: alternativa a una nueva fuente de generación
Problemas Medioambientales
¿Porqué es necesaria la interconexión?

Impedancia serie
Impedancia paralelo
Corriente
Tensión
Ángulo de fase
Controlabilidad
mejorada
Incremento de
la capacidad de
la línea
Elevada
fiabilidad
Rigidez del
sistema
Mejora
económica
Control electrónico
de potencia de alta
velocidad
Oportunidades para FACTS

Caminos paralelos controlados
(con HVDC o FACTS)
 Uso completo de la capacidad de la linea
dentro de los límites térmicos
 Ayuda al mantenimiento de la estabilidad
Caminos paralelos inflexibles y sin control
 Corriente compartida sin control.
 Dependencia de la impedancia de linea.
 Capacidad de la linea desaprovechada.
 Inversiones futuras: autorechazo.
EJEMPLO: Flujo de potencia por vias paralelas

FACTS Controllers
 Static VAR Compensator - SVC
 Thyristor Controlled Series Compensator - TCSC
 Thyristor Controlled Phase Angle Regulator - TCPAR
 Static Synchronous Compensator - StatCom
 Solid State Series Compensator - SSSC
 Unified Power Flow Controller - UPFC

1%/10km
200km
0.2 pu
at full load1 pu 1 pu
11 δ∠E
jX
22 δ∠E
LE
I
1 pu
0.2 pu
at full load
1 pu
~ 0.2 rad
11 δ∠E
LE
I
δ
22 δ∠E 21,for
pu][rad][
EEE
E
L
L
<<
≈δ
Ejemplo de compensacion serie
0.2 pu = 60 kV
500kV bus
(300 kV phase-
ground)
2 kA line
Full 3-ph power throughput = 1800 MVA
15 kV
for 25%
compensation
Required capacity = 15 kV × 2 kA
= 30 MVA per phase
= 90 MVA for three phases
= 5 % of total throughput
Fundamentos de transmisión de CA
Bus simplificado

11
21221 cossin
qp jII
X
EE
j
X
E
jX
−=
−
−=
−
=
δδEE
I
Re
Im
X
EE
Iq
δcos21
1
−
=
δ
δcos21 EE −
11 E=E
δδ sincos 222 jEE −=E
δsin2E
I
X
E
I p
δsin2
1 =
Potencia compleja desde E1
:
111111111
*
11 )( jQPIjEIEjIIE qpqp +=+=+== IES
X
EE
IEP p
δsin21
111 ==
X
EEE
IEQ q
)cos( 211
111
δ−
==
Re
Im δδ sincos 111 jEE +=E
X
EE
Iq
δcos12
2
−
−=
δsin1E
I
δ 22 E=E
δcos12 EE −
X
E
I p
δsin1
2 =
22
12121 cossin
qp jII
X
EE
j
X
E
jX
−=
−
+=
−
=
δδEE
I
222222222
*
22 )( jQPIjEIEjIIE qpqp +=+=+== IES
Potencia compleja hacia E2
:
X
EE
IEP p
δsin12
222 ==
X
EEE
IEQ q
)cos( 122
222
δ−
−==
Potencia reactiva consumida en la linea de transmisión:
( ) X
E
EEEE
X
QQQ L
2
21
2
2
2
121 cos2
1
=−+=−=∆ δ
Potencia activa transmitida E1
to E2
:
X
EE
PPP
δsin12
21 ===
Potencia en bus simplificado

VS
VR
VMI
Imag
Real
jXI
−δ/2
δ/2
;
2
δsen
X
V
IVP
VVV
m
rs
=⋅=
==
( );cos1
2
2
2
2
;
2
2;2
2
2
2
2
2
δ
δ
δδ
−=





⋅==






=⇒=





X
V
sen
X
V
XIQ
sen
X
V
I
V
IX
sen
;º90
2
2
;º0
2
cos
2
22
cos
22
cos
0
2
2
∠=
−
=
∠=⋅=
+
=






−=⋅=






+=⋅=
−
δ
δ
δδ
δδ
δ
δ
sen
X
V
jX
VV
I
VeV
VV
V
jsenVeVV
jsenVeVV
rs
j
m
rs
m
j
rr
j
ss
Se asume que:
Bus simplificado

;sen
X
V
P
VVV
2
Rs
δ=
==
VS
VR
VMI
Imag
Real
jXI
−δ/2
δ/2
( );cos1
2
2
2
2
;
;
2
2;2
2
2
2
2
2
δ
δ
δδ
−=





⋅==
=−=






=⇒=





X
V
sen
X
V
XIQ
QQQ
sen
X
V
I
V
IX
sen
rs
Q
P
π
δ
π/20
2Pmax
Pmax
Bus simplificado

VVVV MRs ===
X/2 X/2
Vs VR
IMRISM
IM
VM
Imag
IM
VR
VS
j(X/2)IMR
j(X/2)ISM
ISM
δ/4
IMR
Real
VM
VVsmsm
VVmrmr
;
2
cos1
4
4
8
;
4
2
4
2
2
;
4
2
;
4
2
24
;
;
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
)(
2
2






−=





=












=






===






=⇒=











=






=






=
δδ
δ
δ
δ
δδ
δ
δ
δ
X
V
sen
X
V
Q
Vsen
X
Vsen
Q
VsenIVIVIQ
senII
I
I
sen
K
sen
X
V
KP
sen
X
V
X
senV
P
P
P
SMMMMP
SMM
SM
M
dogeneraliza
Tensión – Control en paralelo

π
δ
π/20
2Pmax
Pmax
P(sin)
P(com)
Q
4Pmax
La capacidad extra de potencia
de la línea se consigue a expensas de la
potencia reactiva generada.
¡Hasta
el doble!
¡Hasta
el doble!
Tensión – Control en paralelo

Static Var compensator (SVC)
Using:
 Thyristor-switched capacitors (TSC)
 Thyristor-controlled reactors (TCR)
Compensadores estáticos de potencia

Compensación de energía reactiva
Fixed capacitor, Thyristor
controlled reactor FC -TCR
Fixed capacitor, Thyristor
controlled reactor FC -TCR
Compensación fija

Solución comercial

Compensación de energía reactiva
Fixed capacitor, Thyristor controlled reactor FC -TCR
;1
L
V
ii s
LL
ω
==
( );2221 ααπ
πω
sen
L
V
i s
L +−= ;
1L
s
ffe
I
V
L
ω
=
⇒−= ;22 απσ ( );1 σσ
πω
sen
L
V
i s
L −=
( ) ( ) ;
L
sen
L
πω
σσ
σβ
−
= ( );2
2
σβ
ω
Ls
eff
s
L V
L
V
Q ==
0≤α≤90º ⇒
90º≥α ≥180º ⇒
Si definimos:
( );TCR-FC σβββ LC −=;2
2
Cs
C
s
C V
X
V
Q β= ;TCR-FC LC QQQ −=

System bus
Converter
Sw itching
DC -AC
C
+
V dc
s
ShuntCompensation
System bus
V
Transformer leakage
inductance
Transformer
o
X
V
I
Coupling
C
+
V dc
s
Converter
Sw itching
DC -AC
Transformer leakage
inductance
Transformer
Coupling
SeriesCompensation
o
X
V
I
V
V∆
Compensadores estáticos avanzados
Static Synchronous Compensator - StatCom

( )
( )
( )
( )
( );cos1
k1
k
X
V2
Q
;kX
k1X
2
senV4
XIQ
;
k1X
2
Vsen2
I
V
2
X
I
2
X
I
2
sen
;sen
k1X
V
sen
X
V
P
2
L
2
C
L22
L
22
C
2
SC
L
S
C
S
L
S
L
22
δ−
−
=
−





 δ
==
−





 δ
=⇒
−
=




 δ
δ
−
=δ=
( )
L
c
k
LCL X
X
kkXXXX =−=−=
≤≤
;1
10
XL/2
IS
XL/2
XC/2 XC/2
Vs VM VRVSM VMR
δ/2
Tensión – Control en serie

2Pmax
4Pmax
Pmax
Q(s=0.15)
Q(s=0.3)
P(s=0.15)
P(s=0.3)
P(s=0)
P(s=0.45)
Q(s=0.45)
π/20 π
δ
Tensión – Control en serie

Thyristor-controlled series capacitors (TCSC)
Using:
• Thyristor-switched capacitors (TSC)
• Thyristor-controlled reactors (TCR)
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
;
;
22
;2
12
1
1
;2
12
1
CL
LC
T
LLLL
L
L
L
XX
XX
X
XX
sen
XX
sen
LV
I
Y
sen
L
V
I
−
=
∞≤≤∀
−−
=






−−==






−−=
α
α
α
α
ααπ
π
α
α
π
α
πω
α
α
α
π
α
πω
α
Compensadores controlables serie

System bus
Converter
Sw itching
DC -AC
C
+
V dc
s
ShuntCompensation
System bus
V
Transformer leakage
inductance
Transformer
o
X
V
I
Coupling
C
+
V dc
s
Converter
Sw itching
DC -AC
Transformer leakage
inductance
Transformer
Coupling
SeriesCompensation
o
X
V
I
V
V∆
Compensadores estáticos avanzados
Solid State Series Compensator - SSSC

DVR
• Operating principle
Booster Transformer
Converter
Energy
Storage
Utility Load

SVR, Series Voltage Restorer
1 … Booster – Converter
2 … Charger – Converter
3 … DC Link
4 … Charger - Transformer
Grid Load
Voltage dip in the grid
Voltage contribution
of the SVR
Voltage at the load
1
2
34

~
=
~
=
~
=~
=
~
=
~
=
A
B
C
N
A'
B'
C'
N
Load
ACGrid
Charger Transformer
Charger Converter
Booster Converter
DC Link
Crowbar
Energy Storage Device
Bypass Switch Isolating Switch 2Isolating Switch 1
Neutral forming Switch
SVR, Series Voltage Restorer

( )
( )
;
22
4
;
2
2
;
2
2
;
2
2
:
22
ααδ
αδ
α
αδ
παδ
sensen
X
V
VA
X
Vsen
IVsenV
IVVIVVA
X
V
sen
X
V
P
pq
SGpq
si





 −
=





 −
==
⋅−=⋅=
=−=
=−
VR
X/2 X/2
IS
Vs VM
Vpq
VG
Retraso
de fase
Imag
VR
VS
VM
VG Vpq
α
δ-α/2
δ-α/2 Real
jXI
δ
I
VVVV SRG ===
Phase-angle compensation
(Tensión – Inyección serie)

0
Pmax
-α α
P
π+απ
δπ/2
Tensión – Inyección serie

Thyristor-phase shifter
Cambiadores de fase

Tensión –serie y paralelo

Unified Power Flow Controller (UPFC)

UPFC Topology

FACTS, D-FACTS
Nombre en Inglés Topología Tarea especifica
Transmisión Distribución Transmisión Distribución
STATCOM
(Static Synchronous
Compensator )
DSTATCOM
(Distribution STATCOM )
ESS: Energy Storage System
Control de tensión
Regulación energía
reactiva
Parpadeos
Compensación
energía reactiva
Filtrado de
armónicos
SSSC
(Static Synchronous Series
Compensator)
SVR, Series Voltage
Restorer
DVR
(Dynamic Voltage
Restorer)
Control del flujo de
energía
Estabilidad de los
transitorios
Amortiguamiento de
las oscilaciones
Compensación de
huecos y
sobretensiones
UPFC
(Unified Power Flow
Controller )
UPQC
(Unified Power Quality
Controller)
Combina las ventajas
de STATCOM y SSSC
Compensación de
bajadas y subidas
de tensión
Combina las
ventajas de
DSTATCOM y DVR
Dispositivos FACTS en transmisión y distribución

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