4Universidad De La Salle. Serrano1, Mondragon2.Impacto Dispositivos FACTS.

(IMPACTO DE SISTEMAS DE COMPENSACIN FACTS EN SISTEMAS DE TRANSMISINSerrano, Leonel1, Mondragn, Jaime2.Universidad de La Salle

Bogot D.C, Colombiasleonel39@unisalle.edu.co1,mjaime38@unisalle.edu.co2Resumen En este artculo se presenta el impacto de sistemas de compensacin FACTS (STATCOM y SVC) en un sistema de potencia IEEE de 14 nodos, cuya ubicacin se determina a partir de anlisis en estado estable (Anlisis de sensibilidad y curvas V-Q) para mantener una condicin de operacin segura relacionado con la estabilidad de tensin del sistema.El anlisis del sistema de 14 nodos se realiz en un escenario de mxima carga (362.6MW), como herramienta de apoyo se utiliz el software NEPLAN para correr los flujos de potencia y los respectivos anlisis de estado estable del sistema de potencia.

Palabras claveFACTS, Estabilidad de tensin, Estado estable, mxima carga.I. INTRODUCCIN

La expansin y aumento de la demanda en los sistemas de potencia actuales generan un impacto negativo en la estabilidad de tensin del sistema, cuya estabilidad se ve relacionado con el aumento o disminucin de la potencia reactiva (Q), por lo cual se debe garantizar un rango de operacin de tensin en todos los nodos del sistema de potencia asegurando una condicin de operacin segura con relacin a los lmites de mxima entrega de potencia reactiva que presente el sistema.

Para garantizar la estabilidad de tensin y una operacin segura del sistema, se implementan dispositivos de compensacin de reactivos, como lo son los compensadores FACTS cuyo funcionamiento est basado en aplicaciones de electrnica de potencia, Abarcando el problema de estabilidad de tensin uno de los problemas que se presenta es determinar la ubicacin optima de los dispositivos de compensacin de reactivos dentro del sistema, para lo cual se desarrolla diferentes tcnicas de anlisis en estado estable para determinar la ubicacin de los compensadores como lo son ; anlisis de sensibilidad (V-Q),curvas V-Q y anlisis Modal V-Q. Este artculo se enfoca en el anlisis de sensibilidad (V-Q) y curvas V-Q en un sistema estndar IEEE de 14 Nodos para la carga mxima propuesta en el caso base siendo de 362.6MW y un criterio de operacin de tensin de 10% de la tensin nominal.

II. planteamiento del problema

Para la ubicacin de los dispositivos de compensacin FACTS es importante determinar los nodos crticos del sistema para lo cual se desarrolla un anlisis de sensibilidad (V-Q), y de igual forma es necesario determinar los lmites de operacin mxima de los compensadores de reactivos donde se desarrolla un anlisis de curvas V-Q sobre el nodo donde se ubica el sistema de compensacin, a continuacin se presenta el desarrollo de los dos anlisis mencionados anteriormente:

Anlisis de sensibilidad V-Q Se basa en el estudio de las variaciones de la tensin con respecto a la inyeccin de potencia reactiva de los nodos de carga, lo cual ayuda a identificar los puntos ms sensibles del sistema. La ecuacin (1) muestra la forma de representar estas variaciones de tensin con respecto al cambio de potencia reactiva.

V= JR-1 * Q (1)V: Cambio en el incremento de la magnitud del voltaje en un nodo.

Q: Cambio en el incremento de la inyeccin de potencia reactiva.

JR: Matriz Jacobiana reducida.

Los elementos de la matriz Jacobiana reducida inversa (JR-1) representa las sensibilidades V-Q. Los componentes de la diagonal representan las sensibilidades propias Vi / Qi lo que indica la sensibilidad del nodo con el respecto a l mismo y los elementos fuera de la diagonal representan las sensibilidades mutuas Vk / Qi que quiere decir la sensibilidad del nodo con respecto al sistema. Las sensibilidades de los nodos controlados por voltaje son iguales a cero. Para una interpretacin adecuada del anlisis de sensibilidad cabe aclarar lo siguiente:Sensibilidad positiva: Indica que el sistema es estable, un valor pequeo de sensibilidad indica que el sistema es ms estable, lo que conlleva a que a medida que la estabilidad disminuye la sensibilidad aumenta. Sensibilidad Negativa: Indica que el sistema es inestable, debido a que ante aumentos en la inyeccin de potencia reactiva los niveles de voltaje caen en el sistema. Se dice que el sistema no es controlable porque los dispositivos de control estn diseados para reaccionar con un incremento en V despus de realizarse un incremento en Q.

Curvas V-Q

El estudio de estas curvas se basa en interpretar el colapso de tensin como un indicador de que existe un inadecuado balance de potencia reactiva en uno o ms nodos de un sistema. La curva se obtiene aumentando el consumo del reactivo en cada una de las barras del sistema o al menos aquellas consideradas ms dbiles hasta llegar al colapso. Las curvas V-Q que se obtienen tienen forma de "U", en la que el punto ms bajo representa el punto de colapso y el margen de potencia reactiva en esa barra.

El mnimo absoluto de ese margen en todas las barras del sistema ser el margen al colapso de la tensin. Se considera un mtodo eficiente para planificar la red. En otras palabas se dice que el margen de potencia reactiva indica la cantidad de potencia de compensacin necesaria para restablecer un punto de operacin u obtener una valor de tensin deseado. Tambin se define como el valor mnimo que se puede incrementar el consumo de la potencia reactiva de la carga o el decrecimiento de la generacin de potencia reactiva para el cual no existe punto de operacin.

El colapso de voltaje comienza en la barra ms dbil del sistema y entonces se extiende hacia otras barras dbiles. La barra ms dbil es la ms importante en el anlisis del colapso de voltaje. La barra ms dbil es aquella que exhibira una de las condiciones siguientes:

Tiene el punto crtico ms alto.

Tiene el margen de potencia reactiva ms bajo.

Tiene la ms grande insuficiencia de potencia reactiva.

Tiene el ms alto porcentaje de cambio en la tensin.

Puede verse en lafig 1, que el sistema es estable con la carga ms ligera, P1. Para esta carga, hay una reserva de potencia reactiva (Qreserve) que puede usarse para mantener la estabilidad aun cuando la carga aumenta. El sistema es marginalmente estable con la carga P2. El sistema no es estable con la carga ms grande P3, una cantidad de potencia reactiva (Qmissing) debe inyectarse en la barra para causar una interseccin con el eje X y evitar un colapso de la tensin. Por consiguiente, la medida de la cantidad de potencia reactiva de reserva (Qreserve) podra proporcionar una indicacin del margen entre la estabilidad e inestabilidad.

Fig 1. Curvas V-Q para diferentes cargas.III. metodologa Para el estudio de comparacin del STATCOM y el SVC, se escoge el SEP estndar de 14 nodos de la IEEE, el cual se toma como caso base sin los condensadores sncronos en los nodos 3,6 y 8 del sistema. Y se corre flujo de potencia con el objetivo de tener un punto de comparacin (caso base) respecto a las perdidas y la estabilidad de tensin del sistema al ubicar los sistemas FACTS en el sistema.Una vez establecido el caso base, se procede a realizar un anlisis de sensibilidad V-Q para poder identificar los nodos ms crticos del sistema donde se requiere la ubicacin de los sistemas de compensacin FACTS.

Dado que la parametrizacin de estos sistemas FACTS depende de la cantidad de reactivos mximos y mnimos del dispositivo y el rango de operacin seguro de tensin dentro del sistema establecido entre el 10% de la tensin nominal.se realiza un anlisis de curvas V-Q en NEPLAN para establecer los lmites de inyeccin de reactivos del dispositivo.Finalmente, como resultado del anlisis de sensibilidad se determina los nodos ms crticos del sistemas, escogiendo los dos ms crticos segn el porcentaje de sensibilidad, y para cada caso de realiza el anlisis de las curvas V-Q para determinar los lmites de compensacin de reactivos para los dispositivos FACTS teniendo en cuenta los lmites de operacin de tensin establecidos.

IV. resultados

Para el caso de estudio escogido se observan las prdidas del sistema, las tensiones en cada nodo y si se presenta nodos con sobrecarga.

Fig 2. Diagrama Sistema de prueba IEEE 14 Bus.En la fig 12. Se ilustra el diagrama del caso base, compuesto por 14 nodos, 2 generadores, 2 transformadores trifsicos 69/13.8kV, 1 trafo tridevanado y 10 cargas.

Caso base: Flujo AC sin compensacin.

TABLA 1 Potencias P y Q de SEP sin compensacin.

SmboloCantidadSVCSTATCOM

P PerMW35,7735,77

Q PerMVar124,818124,818

P GenMW398,37398,37

Q GenMVar238,778238,778

En la tabla 1. Se muestra los resultados al correr el flujo AC en NEPLAN, donde se muestra la relacin de P y Q de perdida en el sistema, as como la P y Q de generacin.

Fig 3. Niveles de tensin p.u caso base.Como se logra observar en la fig 3. Los buses del 6 al 14 presentan sobrecarga en el caso base, es decir estn por debajo del criterio de operacin segura de tensin del sistema, por lo cual se requiere una compensacin de reactivos dentro del sistema.Anlisis de sensibilidad V-QA continuacin se presenta el anlisis de sensibilidad V-Q, con el cual se determinaron los nodos ms crticos del sistema.

Fig 4. Sensibilidades propias.Como se puede observar en la fig 2, los nodos ms crticos son 14 y 12, debido a que su porcentaje de sensibilidad, lo quiere decir que estos nodos estn ms cerca de la inestabilidad y son los escogidos para intervenir con los sistemas FACTS.

Fig 5. Sensibilidad mutua para el nodo 14.La Fig 5. Muestra la relacin de sensibilidad del nodo 14 con los dems nodos del sistema, para ser ms especficos un aporte de reactivos desde el nodo 14 tiene una influencia sobre los nodos del sistema.

Fig 6. Sensibilidad mutua para el nodo 12.La Fig 6. Muestra la relacin de sensibilidad del nodo 12 con los dems nodos del sistema, para ser ms especficos un aporte de reactivos desde el nodo 12 tiene una influencia sobre los nodos del sistema.

A partir de lo anterior, se ubican los dispositivos FACTS en los nodos 14 y 12 para hacer su respectivo anlisis. Para cada uno de estos nodos se obtienen las curvas V-Q, con el fin de determinar la potencia reactiva necesaria para mantener la estabilidad del nodo y as determinar los parmetros tanto del SVC como del STATCOM. Compensacin Nodo 14

Fig 7. Curva V-Q nodo 14.Las curvas V-Q son de utilidad para determinar los lmites de reactivos para los dispositivos FACTS con relacin a los lmites de operacin segura de la tensin y la parametrizacin exigida en NEPLAN para el nodo 14.

Posteriormente se realiza el flujo de carga para la compensacin ene el nodo 14 y se obtienen los siguientes resultados:

TABLA 2Potencias P y Q de SEP compensacin nodo 14.

SmboloCantidadSVCSTATCOM

P PerMW33,00335,77

Q PerMVar104,378124,818

P GenMW395,603398,37

Q GenMVar174,432238,778

QC aporteMVar43,90543,905

En la tabla 2. Se muestra los resultados al correr el flujo AC en NEPLAN, donde se muestra la relacin de P y Q de perdida en el sistema, la P y Q de generacin. Y el aporte necesario de reactivos para el escenario de mxima carga del sistema desde el nodo 14.

Fig 8. Niveles de tensin con compensacin en bus 14 para SVC y STATCOM.En la fig 8. Se puede observar que la compensacin desde el nodo 14 por parte del SVC y el STATCOM, genera el mismo efecto en los perfiles de tensin del sistema, ya que el anlisis se realiza en estado estable.

Compensacin Nodo 12

Fig 9. Curva V-Q nodo 12.Las curvas V-Q son de utilidad para determinar los lmites de reactivos para los dispositivos FACTS con relacin a los lmites de operacin segura de la tensin y la parametrizacin exigida en NEPLAN para el nodo 12.

TABLA 3

Potencias P y Q de SEP compensacin nodo 12.

SmboloCantidadSVCSTATCOM

P PerMW34,0635,77

Q PerMVar108,796124,818

P GenMW396,66398,37

Q GenMVar189,91238,778

QC aporteMVar32,84643,905

En la tabla 3. Se muestra los resultados al correr el flujo AC en NEPLAN, donde se muestra la relacin de P y Q de perdida en el sistema, la P y Q de generacin. Y el aporte necesario de reactivos para el escenario de mxima carga del sistema desde el nodo 12.

Fig 10. Niveles de tensin con compensacin en bus 12 para SVC y STATCOM.En la fig 10. Se puede observar que la compensacin desde el nodo 12 por parte del SVC y el STATCOM, genera el mismo efecto en los perfiles de tensin del sistema, ya que el anlisis se realiza en estado estable.

V. conclusiones

La inyeccin de reactivos a travs del STATCOM y SVC es la misma en cada caso estudiado, debido a que se debe llevar el nodo a la tensin nominal, por lo que la diferencia entre la compensacin con cada uno de estos dispositivos radica en su funcionamiento y su forma de operacin.

A partir del anlisis de sensibilidad V-Q se puede determinar la ubicacin ptima de dispositivos de compensacin, ya que como se observa en la tabla 2, la potencia activa de perdida se redujo en aproximadamente un 8% del caso base, adems de que la estabilidad de tensin se mantiene en los lmites de operacin de 10%.

Al implementar la compensacin en el nodo ms crtico del sistema (nodo 14) se obtiene una operacin segura en tensin, en comparacin de los que representan menor porcentaje de sensibilidad (nodo 12), esto se puede observar en la fig 8 y 10.Al realizar la compensacin en los nodos ms crticos se observa estabilidad en todo el sistema, manteniendo todos los nodos en los niveles seguros de tensin, ya sea con SVC o con el STATCOM.

La inyeccin de reactivos (Qc) de los dispositivo decrece segn sea el porcentaje de sensibilidad V-Q de cada nodo, pero esto se ve reflejado en el aumento de las prdidas de potencia activa del sistema. Los lmites de potencias reactivas (Q) obtenidos segn las curvas V-Q para los dispositivos FACTS, son valores que se pueden logran en sistemas reales, tomando como referencia [2] donde se tiene una capacidad de compensacin de 200MVAR.VI. bibliografa[1]Song, Y., & Johns, A. (1999). Flexible AC transmission systems (FACTS). Power and Energy Series.[2]ISA crea nueva filial dedicada al transporte de energa en Colombia. (2014). Ingesocios edicin 56, 24,25.[3]Brugnoni, M. (2009). Sistemas Flexibles De Transmisin En CA. Dcimo Tercer Encuentro Regional Iberoamericano De Cigr.[4]ing, L. -., Du, X. -., & Zhou, W. -. (2010). Comparison of application of SVC and STATCOM to large capacity transmission path of power system. Dianli Xitong Baohu Yu Kongzhi/Power System Protection and Control, 38(24), 77-81+87. [5]Lijie, D., Yang, L., & Yiqun, M. (2010). Comparison of high capacity SVC and STATCOM in real power grid. Paper presented at the 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, ICICTA 2010, 1 993-997.[6]Idris, R. M., & Loh, H. S. (2015). Modelling and simulation of STATCOM & SVC. Paper presented at the Proceeding - 2013 IEEE Student Conference on Research and Development, SCOReD 2013, 7-12.[7]Tan, Y. L. (1999). Analysis of line compensation by shunt-connected FACTS controllers: A comparison between SVC and STATCOM. IEEE Power Engineering Review, 19(8), 57-58. [8]Tran, T., Zha, X., & Le, N. (2014). Performance comparison between STATCOM and SVC to enhance power system stability

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