Compensador síncrono estático

En ingeniería eléctrica , un compensador síncrono estático ( STATCOM ) es un dispositivo de compensación reactiva conectado en paralelo que se utiliza en redes de transmisión . Emplea electrónica de potencia para formar un convertidor de fuente de voltaje que puede funcionar como fuente o sumidero de potencia reactiva de CA en una red eléctrica. Pertenece a la familia de dispositivos FACTS ( sistemas de transmisión de CA flexibles ).

Los STATCOM son una alternativa a otros dispositivos pasivos de potencia reactiva, como condensadores e inductores (reactores). Ofrecen una potencia reactiva variable, pueden modificar su salida en milisegundos y son capaces de suministrar y consumir potencia reactiva capacitiva e inductiva . Si bien pueden utilizarse para el soporte de tensión y la corrección del factor de potencia, su velocidad y capacidad son más adecuadas para situaciones dinámicas, como el soporte de la red en condiciones de falla o eventos de contingencia .

El uso de dispositivos FACT basados ​​en fuentes de voltaje era deseable desde hacía tiempo, ya que ayuda a mitigar las limitaciones de los dispositivos basados ​​en fuentes de corriente, cuya salida reactiva disminuye con el voltaje del sistema. Sin embargo, las limitaciones tecnológicas han impedido históricamente la adopción generalizada de los STATCOM. Cuando los tiristores de apagado de puerta (GTO) se hicieron más accesibles en la década de 1990 ^{[ 1 ]} y tuvieron la capacidad de encenderse y apagarse a niveles de potencia más altos, los primeros STATCOM comenzaron a estar disponibles comercialmente. Estos dispositivos generalmente utilizaban topologías de 3 niveles y modulación por ancho de pulso (PWM) para simular formas de onda de voltaje.

Los STATCOM modernos utilizan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), que permiten una conmutación más rápida a altos niveles de potencia. Las topologías de 3 niveles han comenzado a dar paso a las topologías de convertidores multimodulares (MMC), que permiten más niveles en la forma de onda de voltaje, reduciendo los armónicos y mejorando el rendimiento.

Cuando la CA ganó la Guerra de las Corrientes a finales del siglo XIX, y las redes eléctricas comenzaron a expandirse y conectar ciudades y estados, la necesidad de compensación reactiva se hizo evidente. ^{[ 2 ]} Si bien la CA ofrecía beneficios con la transformación y la reducción de corriente, la naturaleza alterna de voltaje y corriente generó desafíos adicionales con la capacitancia e inductancia naturales de las líneas de transmisión . Las líneas con carga elevada consumían potencia reactiva debido a la inductancia de la línea, y a medida que el voltaje de transmisión aumentó a lo largo del siglo XX, el voltaje más alto suministró potencia reactiva capacitiva. Como operar una línea de transmisión solo a su carga de impedancia de sobretensión (SIL) no era factible, ^{[ 2 ]} se necesitaban otros medios para gestionar la potencia reactiva.

Las máquinas síncronas se usaban comúnmente en ese entonces como generadores y podían proporcionar cierto soporte de potencia reactiva; sin embargo, su uso era limitado debido al aumento de pérdidas que causaban. También se volvieron menos efectivas a medida que las líneas de transmisión de mayor voltaje alejaban las cargas de las fuentes. Los bancos de condensadores y reactores en derivación fijos cubrieron esta necesidad al desplegarse donde se requería. En particular, los condensadores en derivación conmutados por interruptores automáticos proporcionaron un medio eficaz para gestionar los requisitos variables de potencia reactiva debido a las cargas cambiantes. ^{[ 3 ]} Sin embargo, esto no estaba exento de limitaciones.

Los condensadores y reactores en derivación son dispositivos fijos, que solo pueden encenderse y apagarse. Esto requería un estudio minucioso del tamaño exacto necesario ^{[ 4 ]} o aceptar efectos no ideales en la tensión de una línea de transmisión. La necesidad de una solución más dinámica y flexible se hizo evidente con la válvula de arco de mercurio a principios del siglo XX. Similar a un tubo de vacío , la válvula de arco de mercurio era un rectificador de alta potencia , capaz de convertir altas tensiones de CA en CC. Con la mejora de la tecnología, también se hizo posible la inversión , y las válvulas de mercurio se utilizaron en sistemas de potencia y enlaces HVDC . Al conectarse a un reactor, se podía utilizar un patrón de conmutación diferente para variar la inductancia efectiva conectada ^{[ 5 ]} , lo que permitía un control más dinámico. Las válvulas de arco continuaron dominando la electrónica de potencia hasta el auge de los semiconductores de estado sólido a mediados del siglo XX ^{[ 6 ] .}

A medida que los semiconductores reemplazaron a los tubos de vacío, el tiristor creó los primeros dispositivos FACT modernos en el compensador estático de VAR (SVC). ^{[ 7 ]} Al funcionar eficazmente como un interruptor automático que podía activarse en milisegundos, permitía la conmutación rápida de bancos de capacitores. Conectado a un reactor y conmutado en subciclos, permitía variar la inductancia efectiva. El tiristor también mejoró considerablemente el sistema de control, permitiendo que un SVC detectara y reaccionara a fallas para brindar un mejor soporte al sistema. ^{[ 8 ]} El tiristor dominó el mundo de FACT y HVDC hasta finales del siglo XX, cuando el IGBT comenzó a igualar sus potencias nominales. ^{[ 9 ]}

Con el IGBT, los primeros convertidores de fuente de voltaje y STATCOM comenzaron a entrar en el mundo de los FACT. Un prototipo de STATCOM de 1 MVAr fue descrito en un informe de Empire State Electric Energy Research Corporation en 1987. ^{[ 10 ]} El primer STATCOM de producción de 100 MVAr fabricado por Westinghouse Electric se instaló en la subestación Sullivan de la Autoridad del Valle de Tennessee en 1995, pero fue retirado rápidamente debido a la obsolescencia de sus componentes. ^{[ 11 ]}

La base de un STATCOM es un convertidor de fuente de tensión (VSC) conectado en serie con algún tipo de reactancia, ya sea un inductor fijo o un transformador de potencia . Esto permite que un STATCOM controle el flujo de potencia de forma similar a una línea de transmisión , aunque sin flujo de potencia activa (real). ^{[ 12 ]} Dado un inductor conectado entre dos tensiones de CA, el flujo de potencia reactiva entre los dos puntos viene dado por:

${\displaystyle Q={\frac {V_{S}\cdot (\Delta V)}{X}}\cos(\delta )}$

dónde

${\displaystyle Q}$: Potencia reactiva

${\displaystyle V_{S}}$: Voltaje del extremo de envío

${\displaystyle \Delta V}$: Diferencia de magnitud en${\displaystyle V_{S}}$y voltaje del extremo receptor${\displaystyle V_{R}}$

${\displaystyle X}$Reactancia del inductor o transformador

${\displaystyle \delta }$: Diferencia de ángulo de fase entre${\displaystyle V_{S}}$y${\displaystyle V_{R}}$

Con${\displaystyle \delta }$cercano a cero (ya que el STATCOM no proporciona potencia real y solo consume una pequeña cantidad como pérdidas ^{[ 13 ]} ) y${\displaystyle X}$Un tamaño fijo, el flujo de potencia reactiva se controla mediante la diferencia en magnitud de los dos voltajes CA. ^{[ 14 ]} Según la ecuación, si el STATCOM crea una magnitud de voltaje mayor que el voltaje del sistema, suministra potencia reactiva capacitiva al sistema. Si la magnitud del voltaje del STATCOM es menor, consume potencia reactiva inductiva del sistema. Como la mayoría de los VSC modernos están hechos de electrónica de potencia que puede hacer pequeños cambios de voltaje muy rápidamente, ^{[ 15 ]} es posible una salida de potencia reactiva dinámica. Esto se compara con un capacitor o inductor tradicional, fijo, que está apagado (0 MVar) o en su máximo (por ejemplo, 50 MVar). Un STATCOM de tamaño similar variaría de 50 MVar capacitivo a 50 MVar inductivo, en pasos tan pequeños como 1 MVar.

Dado que un STATCOM varía la magnitud de su voltaje para controlar la potencia reactiva, la topología de su diseño y conexión determina su eficacia y rapidez operativa. Existen numerosas topologías diferentes para convertidores VSC y de electrónica de potencia; las más comunes se describen a continuación. Los IGBT se enumeran como dispositivos de electrónica de potencia, aunque los dispositivos más antiguos también utilizaban tiristores GTO.

Convertidor de dos niveles

Una de las primeras topologías de convertidores fuente de voltaje (VSC) fue el convertidor de dos niveles, adaptado del rectificador de puente trifásico . También conocido como rectificador de 6 pulsos, permite conectar la tensión alterna a través de diferentes rutas IGBT mediante conmutación. Al utilizarse como rectificador para convertir CA a CC, permite convertir tanto la parte positiva como la negativa de la forma de onda a CC. En un VSC para un STATCOM, se puede conectar un condensador en paralelo con el lado de CC para generar una onda cuadrada de dos niveles.

Esto por sí solo no ofrece ventajas reales para un STATCOM, ya que la magnitud del voltaje es fija. Sin embargo, si los IGBT pueden conmutarse lo suficientemente rápido, se puede utilizar la modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la magnitud del voltaje. Al variar las duraciones de los pulsos, se puede controlar la magnitud efectiva de la forma de onda del voltaje. ^{[ 16 ]} Dado que la PWM todavía solo produce ondas cuadradas, la generación de armónicos es bastante significativa. Se puede lograr cierta reducción de armónicos mediante técnicas analíticas en diferentes patrones de conmutación; sin embargo, esto está limitado por la complejidad del controlador. ^{[ 17 ]} Cada nivel del convertidor de dos niveles también generalmente comprende múltiples IGBT en serie, para crear el voltaje final necesario, por lo que la coordinación y la sincronización entre los dispositivos individuales son un desafío.

Convertidor de tres niveles

Agregar niveles adicionales a una topología de convertidor tiene la ventaja de reflejar más fielmente una onda sinusoidal de voltaje real , lo que reduce la generación de armónicos y mejora el rendimiento. Si las tres fases de un VSC utilizan su propia topología de convertidor de dos niveles, el voltaje de fase a fase será de tres niveles (ya que si bien las tres fases tienen el mismo patrón de conmutación, están desplazadas en el tiempo entre sí). Esto permite un pico positivo y negativo además de un nivel cero, lo que agrega simetría positiva y negativa y elimina los armónicos de orden par. ^{[ 18 ]} Otra opción es mejorar la topología de dos niveles a un convertidor de tres niveles.

Al añadir dos IGBT adicionales al convertidor, se pueden generar tres niveles distintos activando dos IGBT simultáneamente. Si cada fase cuenta con su propio convertidor de tres niveles, se pueden generar un total de cinco niveles. Esto crea una onda sinusoidal muy básica; sin embargo, la modulación por ancho de pulsos (PWM) ofrece una menor generación de armónicos (ya que los pulsos se mantienen en los cinco niveles).

Los convertidores de tres niveles también se pueden combinar con transformadores y desplazamiento de fase para crear niveles adicionales. ^{[ 19 ]} Un transformador con dos secundarios, uno estrella-estrella y el otro estrella-triángulo, se puede conectar a dos convertidores trifásicos de tres niveles separados para duplicar el número de niveles. Se pueden usar bobinados de desplazamiento de fase adicionales para convertir los tradicionales 6 pulsos de un convertidor de tres niveles en 12, 24 o incluso 48 pulsos. ^{[ 20 ]} Con tantos pulsos y niveles, la forma de onda se aproxima mejor a una onda sinusoidal verdadera, y todos los armónicos generados son de un orden mucho más alto que se puede filtrar con un filtro de paso bajo .

Convertidor multinivel modular

Si bien agregar desplazamiento de fase a los convertidores de tres niveles mejora el rendimiento armónico, esto conlleva el costo de agregar 2, 3 o incluso 4 STATCOM adicionales. También agrega poca o ninguna redundancia, ya que el patrón de conmutación es demasiado complejo para acomodar la pérdida de un STATCOM. ^{[ 21 ]} Dado que la idea del convertidor de tres niveles es agregar niveles adicionales para aproximar mejor una onda sinusoidal de voltaje, otra topología llamada convertidor multinivel modular (MMC) ofrece algunos beneficios.

La topología MMC es similar a la de tres niveles, ya que al activar distintos IGBT se conectan diferentes condensadores al circuito. Como cada IGBT tiene su propio condensador, el voltaje se puede generar en pasos discretos. Al añadir niveles adicionales, aumenta el número de pasos, lo que permite una mejor aproximación a una onda sinusoidal. Con suficientes niveles, la modulación por ancho de pulsos (PWM) no es necesaria, puesto que la forma de onda resultante se aproxima lo suficiente a una onda sinusoidal de voltaje real y genera muy pocos armónicos.

La disposición de los IGBT alrededor del condensador para cada paso depende de las necesidades de CC. Si se necesita un bus de CC (para una conexión HVDC o un STATCOM con inercia sintética ), entonces solo se necesitan dos IGBT por nivel de condensador. Si no se necesita un bus de CC y existen ventajas al conectar las tres fases en una configuración delta para eliminar los armónicos de secuencia cero , se pueden usar cuatro IGBT alrededor del condensador para derivarlo o conmutarlo en cualquiera de las polaridades. ^{[ 22 ]}

Como el funcionamiento del VSC de un STATCOM se basa en cambiar el flujo de corriente reactiva para afectar el voltaje, sus características de voltaje-corriente (VI) controlan cómo funciona. ^{[ 23 ]} La característica VI se puede dividir en dos partes distintas: la región en el máximo capacitivo o inductivo y la región entre los máximos.

Cuando opera en cualquiera de sus valores máximos, se dice que el STATCOM está en modo de control VAR, donde suministra o consume su salida reactiva máxima. A diferencia de un SVC tradicional, cuya salida capacitiva depende linealmente del voltaje, un STATCOM puede suministrar su capacidad capacitiva máxima para cualquier voltaje. ^{[ 24 ]} Si bien técnicamente es capaz de responder a magnitudes de voltaje cercanas a cero, un STATCOM generalmente se configura para soportar caídas de voltaje de hasta aproximadamente 0,2 pu . ^{[ 25 ]} Un STATCOM también puede tener una capacidad transitoria, donde puede proporcionar por encima de su corriente máxima durante un tiempo muy corto, lo que le permite ayudar mejor al sistema en fallas mayores. Esta capacidad depende del diseño específico, pero puede llegar a ser de hasta 3,0 pu. ^{[ 26 ]}

Mientras se encuentra en la región entre sus valores máximos, se dice que el STATCOM está en modo de regulación de voltaje, donde suministra o consume corriente reactiva por debajo de su capacidad máxima, con el objetivo de regular el voltaje del sistema. Un parámetro clave del modo de regulación de voltaje es la pendiente del regulador, que funciona de manera similar al control de velocidad de caída de un generador y establece una diferencia de voltaje admisible que el STATCOM tolerará, pero en función de su salida de corriente. La pendiente se suele especificar como un porcentaje y representa la diferencia de voltaje máxima permitida, o caída de voltaje. Por ejemplo, una pendiente del 2 % permitiría una caída de voltaje del 2 % desde el punto de ajuste del STATCOM cuando la salida reactiva es máxima. Para controlar esto, el modo de regulación de voltaje del STATCOM utiliza un regulador PID de lazo cerrado para realimentar la corriente reactiva del STATCOM y controlar el voltaje del sistema. A continuación se muestra un regulador PID simplificado, donde el voltaje del sistema se compara con un voltaje de referencia deseado, combinando la corriente reactiva del VSC y la pendiente del regulador. Mediante esta realimentación, se puede preservar la capacidad dinámica del STATCOM.

Por ejemplo, consideremos un STATCOM con una pendiente de regulación del 2% y una tensión de referencia de 1,00 pu. Con una caída de tensión del sistema a 0,99 pu, la respuesta del STATCOM dependerá de su salida reactiva actual. Si la salida del STATCOM es cercana a cero, la retroalimentación de la corriente del VSC tendrá poco o ningún impacto en la comparación de la tensión del sistema y la tensión de referencia, ya que con una salida reactiva cero la línea de pendiente de regulación está en la tensión de referencia. Sin embargo, si el STATCOM está al 70% de su capacidad, la pendiente de regulación permite una caída de tensión del 1,4%. Como 0,99 pu es solo un 1% diferente de la tensión de referencia, la retroalimentación de la corriente del VSC a través de la pendiente de regulación reducirá el error total y, por lo tanto, la respuesta del STATCOM. Esta es la base del modo de operación de regulación de tensión: ^{[ 27 ]} si una diferencia de tensión del 2% es aceptable para el sistema, la salida reactiva del STATCOM debe basarse en la capacidad que tiene disponible.

Un STATCOM también puede tener modos adicionales además de la regulación de voltaje o el control de VAR, según las necesidades específicas del sistema. Ejemplos de ello son el filtrado activo de armónicos del sistema ^{[ 28 ]} o el control de ganancia para compensar los cambios en la robustez del sistema debido a interrupciones en la generación o las cargas. ^{[ 29 ]}

Como fuente rápida, dinámica y multicuadrante de potencia reactiva, un STATCOM puede utilizarse para una amplia variedad de aplicaciones; sin embargo, son más adecuados para el soporte de la red durante fallas, eventos transitorios o contingencias. ^{[ 30 ]} Un uso común es colocar un STATCOM a lo largo de una línea de transmisión para mejorar el flujo de potencia del sistema. ^{[ 31 ]} En condiciones normales de funcionamiento, el STATCOM tendrá poca influencia; sin embargo, en caso de una falla en una línea cercana, la potencia que se estaba suministrando se desvía hacia otras líneas de transmisión. Normalmente, esto provoca un aumento de la caída de tensión debido al mayor flujo de potencia, pero con un STATCOM disponible, puede suministrar potencia reactiva para aumentar la tensión hasta que se elimine la falla (si es temporal) o hasta que se pueda conectar un condensador fijo (si la falla es permanente). En algunos casos, se puede instalar un STATCOM en una subestación para ayudar a soportar varias líneas en lugar de solo una, y para reducir la complejidad de la protección en la línea con el STATCOM instalado. ^{[ 32 ]}

Dependiendo de la función de control disponible, los STATCOM también pueden utilizarse para aplicaciones más avanzadas, como filtrado activo, amortiguación de oscilaciones de potencia (POD) o incluso interacciones de potencia activa limitadas. Con el crecimiento de los recursos energéticos distribuidos (DER) y el almacenamiento de energía , se ha investigado el uso de STATCOM para ayudar o aumentar estos usos. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Un área de investigación reciente es la inercia virtual: el uso de una fuente de energía en el lado de CC de un STATCOM para darle una respuesta de inercia similar a la de un condensador o generador síncrono. ^{[ 35 ]}

Fundamentalmente, un STATCOM es un tipo de compensador estático de potencia reactiva (SVC), con la principal diferencia de que un STATCOM es un convertidor alimentado por tensión, mientras que un SVC tradicional es un convertidor alimentado por corriente . Históricamente, los STATCOM han sido más caros que los SVC, en parte debido al mayor coste de los IGBT, pero en los últimos años la potencia nominal de los IGBT ha aumentado, reduciendo la diferencia.

El tiempo de respuesta de un STATCOM es más corto que el de un SVC, ^{[ 10 ]} principalmente debido a los rápidos tiempos de conmutación que proporcionan los IGBT del convertidor de fuente de tensión ( los tiristores no se pueden apagar y deben conmutarse). Como resultado, el tiempo de reacción de un STATCOM es de uno a dos ciclos frente a dos a tres ciclos para un SVC. ^{[ 36 ]}

El STATCOM también proporciona un mejor soporte de potencia reactiva a bajos voltajes de CA que un SVC, ya que la potencia reactiva de un STATCOM disminuye linealmente con el voltaje de CA (la corriente puede mantenerse en el valor nominal incluso a bajos voltajes de CA), a diferencia de la potencia que es función del cuadrado del voltaje para el SVC. ^{[ 37 ]} El SVC no se utiliza en condiciones de subtensión severa (menos de 0,6 pu ), ya que dejar los condensadores encendidos puede empeorar la sobretensión transitoria una vez que se elimina la falla, mientras que el STATCOM puede operar hasta 0,2–0,3 pu (este límite se debe a la posible pérdida de sincronicidad y refrigeración). ^{[ 38 ]}

El tamaño de un STATCOM es menor, ya que no necesita los grandes condensadores que utiliza un SVC para TSC o filtros. ^{[ 39 ]}

• Sistemas de transmisión de corriente alterna flexibles (FACT)
• Compensador estático de VAR (SVC)
• Condensador síncrono
• Corriente continua de alto voltaje (HVDC)
• Compensador serie síncrono estático (SSSC)
• Controlador unificado de flujo de potencia (UPFC)