Capacitor en Serie Controlador Por Tiristores
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Modelación del TCSC en ATP-EMTP
MODELACIÓN DEL CAPACITOR SERIE CONTROLADO POR TIRISTORES (TCSC) EN ATP-EMTP
José H. Vivas, Julie Zambrano
Departamento de Conversión y Transporte de Energía, Universidad Simón Bolívar, Apartado postal 89000, Caracas 1080, Venezuela.
Resumen—— En este artículo se
describe el funcionamiento básico del
Capacitor serie controlado por
tiristores (TCSC por sus iniciales en
inglés) y su implementación digital en
el programa de gran aceptación
mundial ATP-EMTP, así como también
su respuesta ante condiciones de falla
en sistemas de potencia. Para ello es
necesario describir los fundamentos y
modos básicos de operación del TCSC
además del esquema de control
implementado en la simulación. Los
resultados obtenidos muestran la
efectividad del TCSC en la reducción
dinámica de las corrientes de falla en
sistemas de transmisión
Palabras Claves: FACTS, ATP-EMTP,
TCR, TCSC.
I. INTRODUCCIÓN
La nueva tecnología basada en
semiconductores llamada FACTS
(Flexible AC Transmission Systems)
ofrece mayor control y mejor
aprovechamiento de los sistemas de
transmisión ya que es capaz de elevar
el flujo de potencia transferible por las
líneas sin necesidad de instalar
nuevas redes, de forma rápida y
eficiente, mejorando incluso la
estabilidad del sistema (1).
El TCSC es un dispositivo FACTS y
surge como consecuencia a la
necesidad de disminuir la impedancia
serie de la línea para transmitir mayor
1
Modelación del TCSC en ATP-EMTP
potencia. Circuitalmente corresponde
a un capacitor de compensación
convencional serie al que se le han
incorporado elementos de electrónica
de potencia, lo que hace posible variar
su reactancia de forma continua.
II. FUNCIONAMIENTO DEL TCSC Y MODOS OPERATIVOS
El TCSC consiste básicamente en un
capacitor de valor fijo en paralelo con
un inductor controlado por tiristores
(TCR) como se muestra en la figura 1.
Tiene cuatro modos operativos que se
ajustan según las necesidades de la
red: a) inductivo, en este caso la
impedancia equivalente del TCSC es
inductiva permitiendo una reducción de
la corriente que circula por la línea, b)
capacitivo, es el más usado ya que la
impedancia equivalente del TCSC es
capacitiva logrando un aumento de la
corriente por la línea; finalmente los
modos c) By-pass y d) bloqueo que
son los puntos limites donde la
impedancia es respectivamente
inductiva o capacitiva pura.
La diferencia entre los modos
operativos depende fundamentalmente
de cual es el parámetro dominante del
TCSC.
Sistema de Control
C
L
Pulso 1Pulso 2
Ilínea
Figura 1. Modelo por fase del TCSC a conectarse en serie con la línea de transmisión
La impedancia equivalente del TCSC
puede expresarse como:
Xt(α) = XL Xc (1)
Xc (2(π - α) + sen 2α) - XL π
donde α corresponde al ángulo o pulso
de disparo que se le da al TCR, XL y
XC a las impedancias inductiva y
capacitiva que conforman el
dispositivo.
2
Modelación del TCSC en ATP-EMTP
Para proteger al capacitor de los
sobrevoltajes causados por fallas es
necesario colocarle en paralelo un
descargador de sobretensiones.
Adicionalmente para disminuir los
efectos de la conmutación de los
tiristores se colocan circuitos Snubbers
que además amortiguan las
oscilaciones numéricas.
III. IMPLEMENTACIÓN DIGITAL EN
ATP-EMTP
Para ajustar la impedancia del TCSC
es necesario medir la componente
fundamental de la corriente de línea,
tanto para generar el pulso de disparo
α como para sincronizar está último
con el sistema de control. Se utilizó
para este fin un PLL (Phase Locked
Loop) cuyo modelo está descrito en
(2).
Por otro lado, se utilizará un esquema
de control para mantener la corriente
constante debido a la simplicidad de
su implementación. Este esquema
consta de un controlador PI que
amortigua las oscilaciones e integra el
error de entrada del proceso,
generando una salida proporcional a la
admitancia del dispositivo, que a su
vez depende del valor del ángulo de
disparo α necesario para activar los
tiristores.
Para generar el pulso de disparo se
contabilizan los cruces por cero de la
señal de referencia, sincronizando el
ángulo de disparo α con la corriente
por la línea (3). El modelo completo del
TCSC se muestra en la figura 2.
S is te m a d e c o n tro l
C
L
Ilín e a
P L L G e n e ra c ió nd e p u ls o s
M O V
S n u b b b e r
P I
L in e a liz a c io n
+ /-Ire f
Figura 2. Modelo completo del TCSC por fase, incluyendo sistemas de control y protección
3
Modelación del TCSC en ATP-EMTP
IV. SIMULACIÓN DEL MODELO
El sistema descrito en (4) se muestra
en la figura 3 y fue modelado en ATP-
EMTP para comprobar la respuesta
del TCSC ante fallas monofásicas.
1 2 3
4
230kV, 100km30km
30km 30km
S2 S3
S4
TCSC
Figura 3. Sistema de transmisión simulado (4)
TCSC como limitador de corriente
El TCSC puede ser utilizado para
minimizar los efectos del corto circuito,
ya que es un dispositivo capaz de
tener una impedancia pequeña
durante la operación normal y alta
impedancia durante condiciones de
falla.
Ajustando el detector de
sobrecorriente del control a una
amplitud de 2000 A se simuló una falla
trifásica sólida a tierra en la barra 2 en
t = 30ms con el TCSC fuera de
servicio y operando como limitador (es
decir de forma tal que se agrega toda
la impedancia inductiva del mismo a la
de la línea). Los resultados de la fase
A se muestra en la figura 4.
0 0.05 0.1 0.15 0.2-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tiempo (seg)
Cor
rient
e fa
se A
(A
)
sin TCSCcon TCSC
Figura 4. Corriente de falla de la fase A
Para todas las fases de la línea de
transmisión se pudo apreciar una
disminución efectiva de la corriente de
falla (44, 48 y 46% respectivamente)
Es necesario aclarar que aunque se
logra una importante reducción de las
corrientes de falla en régimen
estacionario, los máximos picos no son
necesariamente disminuidos en todas
las fases, pues estos dependen
4
Modelación del TCSC en ATP-EMTP
exclusivamente del instante de
aplicación de falla.
Operación del TCSC ante fallas
Para verificar el comportamiento del
TCSC ante condiciones de desbalance
se agrego una línea de transmisión de
idénticas características a la existente
entre las barras 1 y 2. Seguidamente
se simularon dos pruebas: a) una falla
monofásica al final de la línea con el
TCSC en la fase A en 1,4seg con
despeje y reconexión monofásica y b)
el mismo caso pero con despeje y
reconexión trifásica, A continuación se
presentan los resultados:
a) Falla monofásica al final de línea
con TCSC en servicio despeje y
reconexión monofásica: Al detectar la
falla en la fase A el TCSC actúa como
limitador, mientras que en las otras 2
fases el sistema de control ajusta la
impedancia con el fin de mantener la
corriente en 182 A (condición prefalla).
La corriente de la fase fallada con
TCSC ante despeje y reconexión
monofásica se muestra en la figura 5.
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
tiempo (seg)C
orrie
nte
de la
fase
A (
A)
Figura 5. Corriente en la línea del TCSC en la fase fallada despeje y reconexión monofásica
Al desconectar la línea con el TCSC la
línea en paralelo suple toda la carga y
su corriente aumenta, tal como puede
apreciarse en la figura 6.
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
tiempo (seg)
Cor
rient
e (A
)
Figura 6. Corriente en la línea en paralelo.
b) Despeje y reconexión trifásica: Al
hacer la maniobra de despeje y
reconexión trifásica, el tiempo que
5
Modelación del TCSC en ATP-EMTP
tarda la corriente en estabilizarse es
mayor que cuando es monofásica, al
igual que su magnitud ya que la
impedancia del TCSC tarda mas en
ajustarse debido a que la maniobra de
despeje y posterior reconexión trifásica
involucra mayores cantidades de
energía asociadas. En la figura 7
puede verse la respuesta del TCSC
ante esta condición
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
tiempo (seg)
Cor
rient
e (A
)
Figura 7. Corriente en la línea del TCSC en la fase fallada despeje y reconexión trifásica
De igual manera la línea en paralelo
debe suplir toda la potencia que
requiere la carga tal como se muestra
en la figura 8.
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
tiempo (seg)
Cor
rient
e (A
)
Figura 8. Corriente en la línea en paralelo.
V. CONCLUSIONES
De las simulaciones realizadas puede
verse que el TCSC no mantiene la
corriente constante en condiciones de
falla en sistemas de transmisión
porque para ello es necesaria una
impedancia que no necesariamente
puede alcanzar (depende de sus
parámetros de diseño y condición
prefalla), sin embargo puede disminuir
considerablemente el valor de régimen
estacionario de la corriente de falla.
Finalmente puede decirse que la
instalación del TCSC en líneas de
transmisión además de ofrecer la
posibilidad de controlar el flujo de
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Modelación del TCSC en ATP-EMTP
potencia es capaz de minimizar los
efectos producidos por las fallas.
VI. BIBLIOGRAFÍA
(1) Narain G. Hingorani, et al.
“Understanding FACTS: Concepts and
Technology of Flexible AC
Transmission Systems”, IEEE Press
and John Wiley & Sons, 2000.
(2) Karimi-Ghatermani, et al. “A
nonlinear adaptative filter for online
signal analysis in power systems:
Applications”, IEEE Transactions on
Power Delivery, vol.17, N 2, April 2002.
Pp 617-623.
(3) Mohan, Ned; et al. “Power
Electronics: applications and desing”.
2da Edición, New York, Wiley 1995.
(4) A. R. M. Tenorio, et al. “Investigation of TCSC as a fault
current limiter”, IPST´97. International
Conference on Power Systems
Transients. Seattle, June 22-26, 1997
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