electrónica de potencia en redes de distribución
DESCRIPTION
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.TRANSCRIPT
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102
FACTS-FACDSIntegración de la electrónica de
potencia en redes de distribución
Joan Bergas
en ESPAÑOL
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102• 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.
Índ
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102
Impacto de la electrónicaIn
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ción
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102
La electrónica en el Sistema Eléctrico
Intr
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102
Sistema Eléctrico ActualIn
tro
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102
Sistema Eléctrico dominado por la Electrónica de Potencia
Intr
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ucci
ón
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102
Sistema eléctrico futuro, presente?In
tro
duc
ción
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102
Penetración de la energía EólicaIn
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duc
ción
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102
FA
CT
S -
FA
CD
S
Transporte vs DistribuciónTransporte
• 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.
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102
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
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FA
CD
S
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102
Super GridF
AC
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- F
AC
DS
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102
Closing the RingF
AC
TS
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AC
DS
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102
HVDC List of Projects in Europe
Red= Existing Green = Under construction Blue = Options under consideration
FA
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S
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102
FA
CT
S -
FA
CD
S
Antes vs DespuésDistribución 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
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102
¿Que es un FACTS?Flexible AC Transmition System
¿Q
ue
es
un 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.
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102
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.
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ue
es
un F
AC
TS
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102
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.
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TS
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102
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
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es
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AC
TS
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102
¿Q
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es
un F
AC
TS
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102
Flujo de Potencia
• Flujo de potencia en líneas paralelas
Shu
nt C
om
pe
nsa
tor
Carga Carga
Impedancia: X
Impedancia: 2X
Potencia: 2/3
Potencia: 1/3
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102
Flujo de potencia en una línea
222 ∠∂= VV111 ∠∂= VV
2V
1V12 ∂−∂=∠∂
I
LV ( )X
VVVQ
X
VVP
∂−=
∂=
cos
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21Shu
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pe
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102
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.
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102
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.
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Control del Flujo de PotenciaS
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tor
Carga Carga
Variable Impedance
( )c
c
XX
VVVQ
XX
VVP
−∂−=
−∂=
cos
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2111
21
2V
∠∂
ILV
XcV
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102
Compensación capacitiva serie
2V
∠∂
ILV
XcV0 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
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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
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102
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 φ = 0.95 (c)
Cos φ = 0.925 (c)
Cos φ = 0.9 (c)
Cos φ = 0.6 (i)Cos φ = 0.4 (i)
Cos φ = 0.975 (c)
Cos φ = 1.0
Cos φ = 0.8 (i)
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Co
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102
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.
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TCSC
Tipos de compensadores serie de impedancia variable
TSSC GSSC
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Sistema de TSSC
TSSC TSSC TSSC
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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.
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Co
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102
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaFuente de tensión
en Serie
2V
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ILV
XcV
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Static Synchronous Series Compensator (SSSC)
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∠∂
I
LV
XcV
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ILV
XcV
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SSSCS
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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
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SSSC
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-
+
-
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XL XC = 0.5 p.u
SSSC = 0.5 p.u
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102
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.
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Co
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ens
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102
Dimensionamiento
• VL es pequeña en comparación a la tensión de línea. δ es pequeño.– Las tensiones de los dos nudos serán
semejantes.
Ser
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ens
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102
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
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102
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:
kVAIVS 250577·1731·25,0· ===
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102
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.
Ser
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Co
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102
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.
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Co
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102
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaFuente de Corriente
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102
Control del Flujo de PotenciaS
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δ
δ
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δ
δ
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X
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X
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Shu
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pe
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tor Control del Flujo de Potencia
Sin Compensación:
Compensación paralelo en Punto medio:
0 Pi/2 Pi0
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1
1.5
2
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3.5
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102
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.
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102
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TSC FC-TCR
MSC MSR
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tor Tipos de Compensadores Shunt
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102
Shu
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tor Tipos de Compensadores Shunt
Excitación
ConvertidorEstáticoDC/AC
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102
Shu
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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.
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102
Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de Corriente
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D
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(A)
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, IsQ
, ItQ
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0
100
200
300
t (s)
(A)
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Q, Is
D + Is
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D + It
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102
Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de Corriente
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Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de Corriente
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Desequilibrios
CargaCarga
Fuente de Corriente
Shu
nt C
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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
htt
p:/
/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
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.
Ser
ies
Co
mp
ens
ato
r
htt
p:/
/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaÁngulo de Fase
Variable
Pha
se A
ngl
e R
eg.
( )
( )( )X
VQ
X
VP
σδ
σδ
±−=
±=
cos1
sin
21
1
21
-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
M M MM
MMMM
htt
p:/
/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Voltage Regulator
RVSV
TV
sv∆
Rv∆
Tv∆
Pha
se A
ngl
e R
eg.
htt
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/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Phase Angle Regulator
VS
VR
VT
vR+∆vR
vS+∆vS
vT+∆vT
RVSV
TV
sv∆
Rv∆Tv∆
Pha
se A
ngl
e R
eg.
htt
p:/
/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
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
Vφ=-1
Vφ = 0
Vφ=-0.33
Vφ=-0.66
Vφ=0.33
Vφ=0.66
Vφ=1
Pha
se A
ngl
e R
eg.
htt
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w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
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.
Pha
se A
ngl
e R
eg.
htt
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w.l
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ard
o-e
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gy.
org
/esp
ano
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p=
102
In-phase, quadrature y Phase-shift control.
Pha
se A
ngl
e R
eg.
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ard
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ner
gy.
org
/esp
ano
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102
Static VR-PAR
VseffVs
SVS
Pha
se A
ngl
e R
eg.
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ard
o-e
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gy.
org
/esp
ano
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102
Rotatory PAR/Phase Shifter
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ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
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.
Ser
ies
Co
mp
ens
ato
r
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w.l
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ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
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102
Control del Flujo de Potencia
Carga CargaHVDC
HV
DC
Carga CargaB2B
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ard
o-e
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gy.
org
/esp
ano
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p=
102
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
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ard
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ner
gy.
org
/esp
ano
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102
UPFC (Unified Power Flow Controller)UPQC (Unified Power Quality Controller)
+
-
+
-
UP
FC
UP
QC
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gy.
org
/esp
ano
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102
Convertidor Paralelo
+
-
+
-
UP
FC
UP
QC
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ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
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p=
102
PQ Traditional Solutions
Capacitors banks
Reactive Power
Passive Filters
Harmonics
Bulky Transformers
Unbalances
UP
FC
UP
QC
htt
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/ww
w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
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102
Solución: Inyectar la intensidad complementaria a la senoidal
I_Load
I_Filter
I_Grid
UP
FC
UP
QC
htt
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eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
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p=
102
Phase Lock Loop (PLL)
D
Q
V 1+
d
q
ϕ=ω·tϕ’=ω’·t
V1d
V1
q
UP
FC
UP
QC
htt
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w.l
eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
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p=
102
Determinación de la Intensidad Activa y reactiva
D
Q
V1+
d
q
ϕ ≅ ϕ’
I θId
I q
( )( )θθ
·sin
·cos
effq
effd
II
II
=
=
UP
FC
UP
QC
htt
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ard
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ner
gy.
org
/esp
ano
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p=
102
Filtro de Armónicos
Ia
PID PID
Iq*
Id
Rotation -1
Park
αD
αQ
IaIb
Ic
Vd*
Vq*PID
ErrIq
ErrIdId*Vbus*2+-
Iq
Ib
ErrV
+-
+- x
Divition Vbus1/Vbus
αqx
αd
SVPWM
DSP
SRF-PLL
Va
Vb
ϕ
Vd
Vq
X 2
HarmonicRegulator
Ia IbP
ark
htt
p:/
/ww
w.l
eon
ard
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ner
gy.
org
/esp
ano
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p=
102
Convertidor Paralelo (Simulación)
htt
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eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Convertidor Paralelo (Experimental)
htt
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eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
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
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eon
ard
o-e
ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Convertidor paralelo (experimental)
htt
p:/
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ard
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ner
gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
+
-
+
-
Back-to-Back
htt
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ard
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gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Caso de estudio
29% de la generación eólicaGeneradores 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 s
tud
y
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102
Ligero incremento del vientoC
ase
stu
dy
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gy.
org
/esp
ano
l/?
p=
102
Generador de InducciónC
ase
stu
dy
Deslizamiento (p.u)
Deslizamiento (p.u)
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org
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ano
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102
Gran incremento del vientoC
ase
stu
dy
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org
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ano
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102
Caso de estudio con STATCOMC
ase
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org
/esp
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p=
102
Gran incremento del viento con STATCOM
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org
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ano
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p=
102
Aportación del STATCOMC
ase
stu
dy
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org
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea
Ca
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y
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org
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)
Ca
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y
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)
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org
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102
Aportación del STATCOM
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org
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea (con STATCOM)
Ca
se s
tud
y
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org
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ano
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM)
Ca
se s
tud
y
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org
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102
Respuesta ante la pérdida de una línea (SSSC + STATCOM)
Ca
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102
Estrategias de Control: Optimización de la explotación.
Ca
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tud
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102• Disponibilidad (Reliability)
– Disponibilidad -> Redundancia– Convertidores Multinivel
• D-FACTS (Distributed FACTS)• Conclusiones.Ín
dic
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org
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102
Disponibilidad (Reliability)
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102
Disponibilidad -> Redundancia
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org
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ano
l/?
p=
102
GMVDC line
Remote generator (Off shore facility)
On shore installation
Removable power part : 500 kW1000 Vdc
3 x 500 Vac
Convertidores Multinivel
htt
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org
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ano
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p=
102
Convertidor 3 niveles - NPC
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org
/esp
ano
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102
D-FACTS (Distributed FACTS)D
istr
ibu
ted
FA
CT
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p=
102
Future Electronic Power Distribution Systems
Dushan 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.
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ard
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p=
102
• 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.