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STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 1
compensador construido en Suramerica con
un rango de potencia +-200MVAR, 500Kv e
instalado a una altura 2600 m.s.n.m.
¿Qué es un STATCOM? El STATCOM es un equipo de compensación
paralela para controlar el voltaje en la barra
donde se encuentre conectado, para esto el
control de lazo cerrado mediante un regulador
PID controla la corriente por el convertidor,
permitiendo inyección o absorción de
potencia reactiva de forma dinámica en el
sistema de transmisión nacional (STN).
Este trabajo describe las pruebas de puesta
en servicio del STATCOM y la experiencia
operativa con esta nueva tecnología. Se
explicaran los beneficios de instalar
compensación de potencia reactiva y la
mejora de la confiabilidad que provee al
STN. Los resultados de las pruebas de la
puesta en servicio serán presentados,
adicionalmente se analizará la respuesta
dinámica del STATCOM y su operación
ante eventos del STN. Finalmente
conclusiones y recomendaciones serán
formuladas para equipos de compensación
de potencia reactiva.
TÍTULO: STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV
Autores: ALVARO PEREZ GELVES Ing. Electricista, MBA. Especialista equipos subestaciones. MOISES BARRERA GOMEZ Ing. Electrónico. Ingeniero de subestación CTE centro. Empresa: INTERCOLOMBIA S.A DATOS DE LA EMPRESA
Dirección:Calle 12 Sur Nr.18-168 Medellín Código Postal: 050022 Teléfono: +5743157342 - 5716767000 E-Mail: [email protected] [email protected]
PALABRAS-CLAVE: STATCOM, VSC, FACTS, MMC, POD, PID, CLC, SVC
RESUMEN DEL TRABAJO: En el año 2015 la empresa ISA instaló un
Compensador sincrónico estático (STATCOM)
+-200MVAR a 500KV en la Subestación
Bacatá. Su función principal es mantener
controlada la tensión en toda el área oriental
(incluyendo Bogotá), con una capacidad de
respuesta dinámica de 25 ms, lo cual ayuda a
mitigar los efectos en el sistema de transmisión
nacional (STN), debido a desconexiones de
líneas, generadores y grandes consumidores,
aumentando su confiabilidad y estabilidad.
El STATCOM usa tecnología basada en
convertidores de voltaje (VSC), es una solución
innovadora que mejora la calidad de la energía
eléctrica en el STN. Bacatá es el mayor
INTERCOLOMBIA S.A COLOMBIA Identificación del trabajo: T3-1 Medellín 24 de mayo 2017
Indicar código de subtema, T3-1
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 2
1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN El Statcom se puede considerar como un
convertidor (VSC) cuya fuente variable de
voltaje es conectada al secundario del
transformador de potencia por medio de un
reactor de fase (bobina), ver figura 2. La
función principal del reactor de fase es
acoplar dos fuentes de voltaje de diferente
magnitud y desplazar la corriente 90 grados
eléctricos para que la potencia sea reactiva.
Considerando
Vi: Voltaje del Convertidor
Vt: Voltaje del Sistema eléctrico
Si Vi>Vt entonces el Statcom suministra
potencia reactiva en MVar.
Si Vi<Vt entonces el Statcom consume
potencia reactiva en MVar.
Figura 2. Principio de operación. Fuente
ABB Facts.
El convertidor VSC es un inversor que toma
el voltaje en corriente continua Vdc de un
condensador que previamente fue cargado y
lo convierte a un voltaje de corriente alterna
Vac ver figura 3. La potencia reactiva se
calcula así:
� = �1(�1 − �2��) ÷ � [1]
Donde:
V1: Voltaje línea a línea del sistema (fuente)
V2: Voltaje línea a línea del convertidor
X: Reactancia equivalente del transformador
y/o reactor de fase.
δ: ángulo de V1 con respecto a V2
Figura 3. Circuito equivalente del Statcom
Fuente ABB Facts.
2. CONVERTIDOR MULTINIVEL
El convertidor más conocido es el de dos
niveles, este proceso de inversión se realiza
con IGBTs, el espectro de armónicos
generados es alto, usando técnica de
modulación de ancho de pulsos se mitiga
algunos armónicos sin embargo en algunas
aplicaciones para cumplir la norma IEEE
Standard 519 requiere el uso de filtros ver
figura 4.
Figura 4. Convertidor 2 niveles. Fuente
Siemens AG.
El convertidor del Statcom Bacatá es del
tipo multinivel, tecnología con mejor
desempeño armónico, pues cumple con la
norma IEEE Standard 519 y no requiere de
filtros adicionales. El convertidor posee 44
sub módulos en serie, de los cuales 2 son
redundantes.
Figura 5. VSC con dos sub módulos en
serie. Fuente Grain Philip Adam, 2014.
Figura 6. Forma de onda voltaje salida VSC
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 3
Comparando el STATCOM con el clásico
Static Var Compensator (SVC) se observa
que el STATCOM con tecnología VSC
multinivel tiene mejor desempeño armónico
figura 7, su forma de onda de voltaje es pura
sinusoidal y no requiere filtros adicionales.
Figura 7. Desempeño armónico VSC vs
SVC. Fuente SIEMENS AG.
3. DIAGRAMA UNIFILAR En la figura 8 se observa el diagrama
unifilar. El transformador de potencia está
formado por 3 unidades unifilares 500/28Kv
, dos convertidores de +/-100MVar en delta
conectados por medio de un reactor de fase.
Figura 8. Diagrama unifilar del STATCOM
Los componentes principales son:
-Bahía con cambio rápido de fase en 500Kv
-Transformador de potencia 4 unidades
-Barraje de 28Kv, seccionadores, PTs, CTs.
-Reactor de fase para cada convertidor
-Dos convertidores cada uno +/-100MVar
-Sistema de enfriamiento por agua
-Sistema de protección
-Sistema de control de lazo cerrado
-Sistema de servicios auxiliares AC con
respaldo por UMD y UPS.
-Sistema de servicios auxiliares DC
-Sistema de aire acondicionado
4. SISTEMA DE CONTROL El sistema de control de lazo cerrado (CLC),
está basado en un regulador PID figura 9.
El voltaje de referencia Vref es comparado
con el voltaje actual y el error es la entrada
al regulador PID. El voltaje actual se puede
calcular con la siguiente ecuación [2]:
Donde:
Slope: pendiente
Qsvc: Potencia reactiva de salida en MVar
Qnom: Potencia nominal del Statcom
Vref: Voltaje de referencia
Figura 9.Sistema de control lazo cerrado
PID. Fuente Siemens AG.
La salida del regulador PID llamada Ireg es
enviada al Plus control figura 10. Este se
conforma de dos Digital Signal Processors
(DSP), el Current Control System (CCS) y
el Module Management System (MMS).
Figura 10. Plus control formado CCS &
MMS. Fuente Siemens AG.
La función principal del CCS es la
calculación del voltaje de referencia de los
sub modulos del convertidor dependiendo de
la salida del regulador PID. Las siguientes
funciones están integradas en el CCS:
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 4
-Calculación alfa-beta
-Procesamiento de las medidas de corriente
-Cálculo y medición de la corriente de AC
-Control vectorial salida de corriente
-Control de balance energía en condensador
-Control de la componente de DC
-Generación del circuito de corriente
-Calculación de orden voltaje condensadores
La función principal del MMS es calcular
cuales sub módulos deben de ser
conmutados sus IGBTs dependiente de la
salida de voltaje del CCS. Funciones
integradas son:
-Generador del patrón de pulsos para IGBTs
-Calculación de la fase del voltaje cada rama
-Selección de sub módulo basado en
polaridad de corriente y voltaje
-Control de balanceo de carga condensador
-Control estado sub módulo On-Off-
Bloqueado mediante pulsos por Fibra óptica.
-Funciones de monitoreo de sub módulos.
5. SUB MÓDULOS DE POTENCIA Cada convertidor está formado por 44 sub
módulos en serie por cada fase, de los cuales
2 son redundantes. Cuando se energiza
primera vez, los condensadores son cargados
con Vdc usando los diodos en anti paralelo
de IGBT. La corriente continua es limitada
por la resistencia de precarga, la cual es
puenteada por un seccionador figura 11.
Figura 11. Diagrama conexión submódulos
En la figura 12 se muestra el diagrama de
bloques del sub módulo. Este consta de 4
IGBTs V11, V12,V21,V22 conectados en H
como puente inversor, un condensador seco
C1 fuente de Vdc, las resistencias de
descarga del condensador R1A, R1B, el
Gate Interface Board (GIB) que recibe la
fibra óptica, el módulo BCB el cual opera el
bypass pirotécnico S1 para prevenir
explosión del condensador por sobrevoltaje.
Figura 12. Diagrama de bloques del sub
módulo. Fuente Siemens AG.
El sub módulo tiene cuatro posibles estados:
- Plus corriente sentido positivo
- Minus corriente sentido negativo
- Bloqueado
- Bypass protección GIB
Carga de inicial de los condensadores
Figura 13. Carga inicial del condensador
Inversión corriente positivo y negativo
Figura 14. Inversión con IGBTs.
Figura 15. Sub módulo en estado de Bypass
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 5
6. MODOS DE OPERACIÓN Y FUNCIONES DEL STATCOM
Control automático de tensión Llamado VCM voltage control mode, este
modo de operación regula el voltaje de la
barra de 500Kv de acuerdo al ajuste del
voltaje de referencia Vref ver ecuación [2].
Control de Susceptancia Fija Llamado FQM este modo de operación se
utiliza para fijar la potencia reactiva del
Statcom al valor de referencia FQref,
utilizado para pruebas y mantenimiento. En
este modo opera un limitador del sistema de
voltaje, el cual incrementa o decremento los
límites del integrador automáticamente para
mantener el Statcom dentro del rango de
voltaje permitido 0.9p.u hasta 1.05p.u.
Control de banda de Potencia Reactiva Esta función reserva el rango de potencia
reactiva fuera de la banda ajustada para
soporte de sistema ante condiciones
dinámicas, así reduce la respuesta de estado
estable del voltaje a la región dentro de la
banda de potencia y los límites de voltaje.
La figura 16 muestra el diagrama de bloques
del controlador de banda potencia reactiva.
Figura 16. Diagrama de bloques control de
banda Q. Fuente Siemens AG.
El controlador de banda Q compara la salida
de potencia Qsvc con los límites de las
bandas Qbmax, Qbmin, si Qsvc es menor a
Qbmin o mayor a Qbmax una constante es
dada al Integrador cuya salida ∆VQband
decrementa o incrementa el voltaje de
referencia Vref mediante la adicción de error
La operación del controlador de banda Q, es
además restrictiva a la banda definida por
VQmin y VQmax, ver figura 17.
Figura 17. Ejemplo de característica V/Q
con controlador banda Potencia reactiva Q.
Amortiguamiento de Oscilación de Potencia (POD) La función POD es usada para amortiguar
oscilaciones de potencia. Las oscilaciones de
potencia ocurren como interacción de
subsistemas de potencia, oscilaciones de
frecuencia entre 0.1Hz a 2.5Hz pueden
causar problemas de estabilidad los cuales
limitan la capacidad de transmisión.
El controlador POD genera una señal de
modulación EPOD (error POD), la cual es
sumada al Vref. Esto causa una modulación
de potencia reactiva que rápidamente
amortigua las oscilaciones. La señal de
entrada al POD es la frecuencia del sistema
eléctrico, tomada de la medida voltaje HV.
La función de transferencia del POD
consiste en un estabilizador de ganancia, dos
wash-out filtros, tres filtros lead-lag, un
filtro de segundo orden y un limitador de
salida. La funcón de transferencia es
parametrizable desde la HMI del operador.
Control de Estabilidad El controlador es importante para proveer
estabilidad bajo condiciones de sistema muy
débil en combinación con iteración de
transitorios. La función de hunting es
activada sólo por Ireg cuando cambia la
dirección de la señal Ireg 3 veces, en este
caso la ganancia es reducida por un factor de
80% hasta que la estabilidad es alcanzada.
La ganancia será reseteada automáticamente
al valor nominal después de 10min figura 18
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 6
Figura 18. Reducción de ganancia debido a
hunting. Fuente Siemens AG.
Ajuste automático de Ganancia El controlador de ganancia determina el
valor actual del nivel de cortocircuito del
sistema y evalúa la ganancia óptima para el
controlador de voltaje. Una pequeña señal
∆Ireg es adicionada al punto de operación
del Statcom causando un delta de desviación
del voltaje ∆Vact, ver figura 19.
Nivel Cortocircuito es función ∆Vact/∆QSVC
Bajo ∆Vact/∆QSVC = Alto nivel cortocircuito
requiere de alta ganancia. Alto ∆Vact/∆QSVC = bajo nivel cortocircuito
requiere de baja ganancia.
Figura 19. Diagrama de bloque ajuste
automático ganancia. Fuente Siemens AG.
Auto reclose y Modo Degradado Si uno de los dos convertidores en paralelo
del Statcom no está disponible, el
convertidor remanente puede operar
apropiadamente en modo degradado hasta el
próximo mantenimiento.
Sí una de las ramas del convertidor falla y
actúa las protecciones del convertidor, el
Interruptor principal de 500KV abre para
despejar la falla e inmediatamente se inicia
una secuencia automática de autoreclose, la
cual abre el seccionador del convertidor
fallado e iniciará la secuencia automática de
re energización con el convertidor sano, el
voltaje DC remanente en los condensadores
es balanceado por el Plus control para
mantener cargado los condensadores en la
secuencia de re encendido del Statcom. La
ganancia del controlador es reducida con un
solo convertidor en servicio y el rango de
potencia del Statcom se reduce a +/-
100MVAR es decir a la mitad.
Curva V/I La curva V/I muestra los puntos de
operación nominales del Statcom inductivo
(OP2) y capacitivo (OP1) respectivamente.
Figura 20. Curva V/I del Statcom
7. PRUEBAS DE PUESTA EN
SERVICIO A continuación se presentan las pruebas de
puesta en servicio más relevantes para el
sistema Statcom.
Energización Transformador en vacío Objetivo de la Prueba
-Verificación de señales de tensión
-Correcta operación de protecciones
-Verificación corriente Inrush
-Verificación del grupo de conexión YnD5
-El transformador estará en funcionamiento
-No hay influencia sobre el sistema
Figura 21. Energización del transformador
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 7
Convertidor 1 en modo Bloqueo Objetivo de la prueba
-Verificación de medidas tensión y corriente
-Verificación señales en protecciones
-Verificación señales en sub módulos
-Carga pasiva de los condensadores
-Inyección máxima de potencia: 0 MVAr
-Función FQM activada.
Figura 22. Carga pasiva de condensadores
Convertidor 1 Carga Capacitores DC Objetivo de la prueba
-Verificación de medidas tensión y corriente
-Verificación señales en sub módulos
-Carga activa de los condensadores Vdc
-Inyección máxima de potencia: +/-5 MVAr
-Función FQM activada.
Figura 23. Carga activa de condensadores
Convertidor 1 Modo de Corriente Objetivo de la prueba
-Verificación de señales de los CTs
-Verificación operación del modo corriente
-Verificación voltaje condensadores
-Máxima potencia capacitiva: +100 MVAr
-Máxima potencia inductiva: -100 MVAr
-Función FQM encendida
Figura 24. Convertidor modo de corriente
Convertidor 1 Modo Rampa Objetivo de la prueba
-Comprobar la linealidad de salida de
potencia reactiva del STATCOM
-Máxima potencia capacitiva: +100 MVAr
-Máxima potencia inductiva: -100 MVAr
(-5MVAr/s)
-Función FQM encendida
Figura 25. Convertidor modo rampa
Convertidor 1 Secuencia de Encendido
Objetivo de la prueba
-Verificar la correcta operación de la
secuencia de encendido.
-Máxima potencia capacitiva: +100 MVAr
-Función FQM encendida
Figura 26. Secuencia de encendido
Convertidor 1 Secuencia de Apagado
Objetivo de la prueba
-Verificar la correcta operación de la
secuencia de apagado.
-Máxima potencia inductiva: -100 MVAr
-Función FQM encendida
Figura 27. Secuencia de apagado
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 8
Convertidor 1 cambio modo FQM a VCM Objetivo de la prueba
-Verificar la conmutación y estabilidad del
sistema ante cambio de modo FQM a VCM
-Máxima potencia capacitiva: +100 MVAr
Figura 28. Cambio modo FQM a VCM
Convertidor 1 respuesta a la función paso Objetivo de la prueba
-Verificar ajustes de ganancia del
controlador para el sistema de control.
-Máxima potencia capacitiva: +100 MVAr
-Máxima potencia inductiva: -100 MVAr
-Función VCM activa
Figura 29. Respuesta a la función paso
El tiempo de respuesta medido es 24ms
Figura 30. Tiempo de respuesta de 24ms
Las pruebas realizadas para el convertidor 1
son repetidas para el Convertidor 2.
Prueba de calentamiento (Heat run test) Objetivo de la prueba
-Verificar la capacidad del sistema de
enfriamiento e identificación de puntos
calientes con valores nominales +-200Mvar
-Máxima potencia capacitiva: +200 MVAr
-Función FQM activa.
Figura 31. Temperatura agua convertidor 1.
Conmutación Dispositivo Externo Objetivo de la prueba
-Verificar la respuesta del control de tensión
con la conmutación de Reactor línea 500Kv.
-Máxima potencia reactiva: +200 MVAr
-Tensión de referencia: 500 kV
-Conmutación del reactor de línea Bacatá –
Primavera 500KV.
-VCM y Ajuste Ganancia activa.
Figura 32. Desconexión reactor de línea
El Statcom amortigua la respuesta en voltaje
del sistema, la tensión se incrementa.
Figura 33. Conexión del reactor de línea.
STATCOM PARA MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE 500KV 9
Ante la conexión del reactor el Statcom
amortigua la respuesta en voltaje del
sistema, la tensión en 500KV se disminuye.
Conmutación de Transformador Externo Objetivo de la prueba
Verificar la respuesta del control de tensión
conmutación transformador externo.
-Determinar la influencia del STATCOM
bajo condiciones de corrientes Inrush.
-Máxima potencia capacitiva: +200 MVAr
-Tensión de referencia: 500 kV
-Conmutación transformador 2 de
CODENSA
-Distorsión de tensión por corriente Inrush
-VCM y Ajuste Ganancia activa.
Figura 34. Desconexión transformador
Otras pruebas fueron realizadas con éxito
como la prueba de la secuencia de auto
recierre, ante la falla de un convertidor.
Adicionalmente pruebas de transferencia de
barra, servicios auxiliares y otros sistemas.
8. CONCLUSIONES - El Statcom ofrece mejor desempeño
armónico en comparación con el clásico
SVC.
-El Statcom ofrece un tiempo de respuesta
de 24ms lo cual provee al sistema eléctrico
un soporte dinámico de potencia reactiva
ante contingencias.
-La función POD está ajustada para
amortiguar oscilaciones de potencia cuando
se producen transitorios en el sistema
eléctrico de 500KV como es la desconexión
de un grande generador y/o líneas de
transmisión.
-El Statcom regula la tensión en la barra de
500KV, controlando la tensión del área
Oriental del país.
-La ganancia del controlador de tensión es
calculada y ajustada de acuerdo al nivel de
cortocircuito del sistema eléctrico 500KV.
La prueba automática de la ganancia
automática es realizada cada 8 horas para
que el controlador de tensión se adapte de
forma automática a las condiciones del
sistema.
-La función de auto reclose o recierre de los
convertidores provee una alta disponibilidad
del Statcom, pues disminuye los tiempos de
salida del convertidor.
-El Statcom posee redundancia en el sistema
de control de lazo cerrado, además dispone
de respaldo de servicios auxiliares con la
UMD Uninterrupt Motor Drive para el
sistema de enfriamiento. Esto provee alta
confiabilidad y disponibilidad alcanzando el
valor de 99.5%.
-Las pruebas de puesta en servicio
garantizan que el sistema de control fue
correctamente ajustado para la respuesta
dinámica del sistema eléctrico de 500KV
ACERCA DE LOS AUTORES Moisés Barrera Gómez: Ingeniero
Electrónico Universidad San Buenaventura
de Bogotá 2009. Se desempeña como
Ingeniero de Subestación del CTE. Centro,
empresa INTERCOLOMBIA S.A. Posee
amplia experiencia en proyectos
Compensación Estática Subestación Chinú
y Proyecto del STATCOM de Bacatá. Alvaro Pérez Gelves: Ingeniero Electricista
de la Universidad Industrial de Santander
1992. Especialista de Automatización
Industrial Universidad de Gent, Belgica
1994. Obtuvo el grado MBA Universidad
EAFIT 2013 Medellín Colombia. Ingeniero
de sistema en la división de FACTs en
SIEMENS AG y desde 2008 se desempeña
como Especialista Equipos Subestaciones en
INTERCOLOMBIA S.A filial de ISA S.A.