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S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACINY DESARROLLO TECNOLGICO

cenidet

ESTUDIO DEL FILTRO ACTIVO SERIE PARA

REGULACIN DE TENSIN Y CONTROL DECORRIENTES ARMNICAS

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE :

D O C T O R E N C I E N C I A SEN INGENIERA ELECTRNICA

P R E S E N T A :

SINUH RAMREZ GUERRERO

DIRECTORES DE TESIS

DR. VCTOR MANUEL CRDENAS GALINDODR. JAIME EUGENIO ARAU ROFFIEL

CUERNAVACA, MORELOS AGOSTO 2004

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V

T BL DE CONTENIDO

Resumen IX

Lista de smbolos

XIII

Lista de figuras XVII

IIntroduccin

I.1Antecedentes de la red elctrica en Mxico 3

I.1.1Sistema de Generacin 4

I.1.2Sistema de transmisin 5

I.1.3

Sistema de distribucin 6

I.2

Objetivos 7

I.2.4Objetivo general 7

I.2.5Objetivos particulares 7

I.2.6Actividades 8

II Problemtica

II.1Planteamiento del problema 11

II.2

Estado del arte 12

II.2.1Soluciones para eliminar perturbaciones en la red elctrica 12

II.2.2Soluciones de compensacin empleando potencia reactiva 13

II.2.3Soluciones para compensacin de armnicas 14

III.2.3.1 Filtros activos 15

II.3

Compensacin serie 18

II.3.1Inestabilidad de tensin 19

II.3.2

Estabilidad angular 20II.3.3Estabilidad de tensin 22

II.4Regulacin de tensin mediante potencia reactiva 23

II.4.1Fenmeno de estabilidad de tensin 23

II.4.2Colapso de tensin 26

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VI

II.5Anlisis de un sistema con impedancia reactiva 27

II.5.1Simulacin del anlisis de impedancia reactiva 28

II.6Solucin propuesta 31

II.6.1Modelo matemtico 31

III Principio de compensacin de potencia reactiva con un filtro activo serie

III.1Generacin de referencia 35

III.1.1Teora D-Q. 36

III.2Etapa digital 38

III.2.2Sistema de procesamiento 38

III.2.3Implementacin del PWM digital 39

III.3Etapa de potencia 41

III.3.1

Principio de funcionamiento 41

III.3.2Anlisis y diseo de los componentes del filtro activo 42

IIII.3.2.1Transformador compensador 43

IIII.3.2.2Inversor 44

IIII.3.2.3Filtro de salida LC 45

IIII.3.2.4Bus de CD 48

III.3.3Compensacin de potencia reactiva con el filtro activo 49

IIII.3.3.1

Resultados experimentales del sistema de control 51IIII.3.3.2Resultados experimentales del sistema de potencia 53

III.4Simulacin de compensacin de potencia reactiva y armnicos

de tensin 55

IV Inversores multinivel

IV.1Generalidades 61

IV.2Topologas 62

IV.2.1

Diodos de enclavamiento 62IV.2.2Condensadores flotantes 63

IV.2.3Puentes en cascada 64

IV.2.4Seleccin de la topologa 65

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VII

IV.3Tcnicas de modulacin 67

IV.3.1Frecuencia fundamental 68

IV.3.2Multiportadora desfasada 68

IV.4Compensacin de potencia reactiva con el filtro activo serie

utilizando un inversor multinivel 69

IV.4.1Comprobacin experimental de la topologa multinivel 70

IV.5Compensacin de potencia reactiva con el filtro activo serie

utilizando un inversor multinivel hbrido 72

IV.5.1Generacin de seales 74

V Sistema de control para el filtro activo serie con el inversor multinivel hbrido

V.1Diagrama equivalente 79

V.2Modelado del filtro activo serie 81

V.3Linealizacin del filtro activo 85

V.4Esquema de control 87

V.4.1Controlador de corriente 89

V.4.1.1 Ganancia de control 89

V.4.1.2 Desacoplador 89

V.4.2Prealimentacin de corriente 90

V.4.3

Control de tensin en los buses de CD 91

V.5Resultados de simulacin 94

VI Resultados experimentales del filtro activo serie con el inversor multinivel

hbrido

VI.1Implementacin del sistema de control 103

VI.2Implementacin del filtro activo 104

VI.3Resultados experimentales del sistema 105

VI.3.1

Compensacin armnica de la red elctrica 105VI.3.2Incremento de corriente en la carga 111

VI.3.3Compensacin armnica de un rectificador 113

VI.3.4Escaln de tensin con distorsin armnica de un

rectificador 117

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VIII

VI.3.5Distorsin armnica de un rectificador y con un escaln

de corriente 118

VI.4Compensacin de potencia reactiva y armnicos 121

VII Conclusiones

VII.1Actividades relevantes 129

VII.2Aportaciones 130

VII.3

Tesis y publicaciones generadas 132

VII.4Trabajos futuros 133

nexo Generacin de referencias

A.1 Teora P-Q 135

A.2 Teora D-Q 136

A.3 Transformaciones inversas de -y D-Q 137

A.4 Resultados de simulacin 139

nexo B nlisis matemtico para la compensacin de potencia reactiva

141

nexo C Linealizacin y respuesta en frecuencia del filtro activo

C.1 Modelo matemtico 143

C.2 Respuesta en lazo abierto del filtro activo serie 146

C.3 Red de atraso 147

C.4 Respuesta en lazo cerrado del filtro activo serie 148

Referencias

149

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IX

Resumen

Debido al aumento de la demanda de energa elctrica y la proliferacin de cargas

electrnicas contaminantes, combinado con una inadecuada planeacin en el crecimiento einfraestructura disponible de la distribucin de energa en pases en vas de desarrollo, se

produce una incorrecta utilizacin del sistema elctrico por la presencia de armnicos y

variaciones en la tensin de alimentacin asociadas a la impedancia en las lneas de

transmisin y distribucin de energa elctrica. Esta problemtica repercute en la confiabilidad

del sistema y en costos para los usuarios y la compaa que proporciona la energa elctrica.

Existen diversos equipos acondicionadores para eliminar de manera independiente o

agrupando los problemas antes mencionados. Una solucin clsica para la eliminacin de

armnicas es el empleo de filtros activos por las caractersticas de su dinmica, debido a esto

resulta interesante estudiar en que medida una solucin del tipo filtro activo serie es capaz de

compensar potencia reactiva y armnicos de tensin simultneamente, siendo sta la temtica

central que se aborda en este trabajo de tesis.

Para resolver esta problemtica se parte de la hiptesis de contrarrestar el efecto de la

tensin presente en la impedancia del sistema y eliminar los armnicos de tensin de la red

elctrica a partir de una adecuada utilizacin de la energa disponible en el condensador de

almacenamiento del filtro activo serie, mediante un apropiado algoritmo de control. El

principio de compensacin es inicialmente validado mediante su implementacin en un filtro

activo serie monofsico basado en un inversor puente completo convencional.

Por otro lado, la problemtica de variaciones de tensin se presenta en sistemas de

media y alta tensin, por lo que resulta atractivo el estudio e incorporacin de inversores

multinivel para incrementar los niveles de tensin que puede manejar el sistema. En este

sentido el trabajo incorpora una propuesta interesante denominada inversor multinivel hbrido

con puentes en cascada, el cual opera a diferentes niveles de tensin en los buses de

alimentacin y distintas frecuencias de conmutacin, para aprovechar al mximo las relacin

de tensin y frecuencia de los dispositivos semiconductores.

Para cumplir con los objetivos del trabajo se desarrolla un anlisis del principio de

compensacin de potencia reactiva, la cancelacin de los armnicos de tensin y del

modelado del filtro activo serie con el inversor multinivel hbrido. El contenido de este trabajo

se divide en los captulos que se describen a continuacin:

En el Captulo I se presenta una introduccin del tema que se aborda y analiza, se

presenta una resea de la evolucin de la red elctrica en Mxico con la finalidad de tener un

panorama del desarrollo energtico en el pas y se plantean los objetivos y el alcance de la

investigacin.

En el Captulo II se explica la problemtica que existe en la actualidad como

consecuencia de una mala calidad de la energa elctrica y cmo puede llegar a afectar a los

usuarios. Se presenta tambin una breve resea de temas y soluciones desarrolladas en la

compensacin de potencia reactiva y la compensacin armnica. As mismo se muestra el

principio de funcionamiento de la compensacin serie que se emplea para disminuir la

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7/171

X

reactancia producida por la transferencia de tensin en una lnea elctrica, el cual se

comprueba con un anlisis y con resultados de simulacin.

En el Captulo III el enfoque principal es presentar el principio de compensacin de

potencia reactiva que se propone para el filtro activo multinivel. Se inicia con presentar como

se realiza la generacin de referencias de compensacin mediante la teora D-Q, despus se

describe el sistema digital donde se implementa el algoritmo de control para el filtro activo ypor ltimo se analiza la etapa de potencia y las consideraciones de diseo necesarias para la

implementacin fsica. En esta seccin se presenta la solucin de compensacin de tensin de

potencia reactiva con un inversor de un puente completo convencional y se presentan

resultados de simulacin de la compensacin de armnicos y potencia reactiva.

En el Captulo IV se presentan un breve estudio de inversores multinivel, de las

topologas y tcnicas de modulacin existentes para incrementar los niveles de tensin que se

usan en la etapa de conversin de CD/CA. En esta seccin se presenta la seleccin del

inversor multinivel que se implementa en el filtro activo serie, el cual se comprueba con

resultados experimentales. Por ltimo se desarrolla el principio de funcionamiento del inversor

multinivel hbrido.En el Captulo V se desarrolla el algoritmo de control que se propone para compensar

potencia reactiva y armnicos de tensin en el filtro activo serie con un inversor multinivel

hbrido. El mtodo para controlar al filtro activo serie se realiza de manera indirecta

controlando la tensin de salida a travs de la corriente. Debido a las dinmicas que presentan

las variables del sistema es posible desarrollar un desacoplamiento entre las tensiones de los

buses de CD y la corriente para generar los armnicos de tensin, por lo que en el sistema se

emplea un algoritmo basado en un control PI, que se comprueba con resultados de simulacin

y resultados experimentales para evaluar el desempeo de la topologa y del controlador

propuesto.

En el Captulo VI se muestran las pruebas experimentales que se obtienen con un

prototipo de laboratorio para validar la investigacin realizada. Se presentan pruebas bajo

diferentes condiciones de operacin del filtro activo y se analizan los resultados obtenidos.

Para finalizar, en el Captulo VII se presentan una serie de conclusiones y aportaciones

del trabajo desarrollado, as como trabajos futuros que se pueden realizar continuando con los

temas de investigacin.

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XI

Summary

Due to the increase of the electrical energy demand and the proliferation of polluting

electronic loads, combined with an inadequate planning in the growth and infrastructureavailable of the energy distribution in developing countries, it produces an incorrect use of the

electrical system by the presence of harmonics and variations in the voltage source associated

to the impedance in the transmission and distribution lines of electrical energy. This problem

affect the system reliability and costs for the users and the company that provides electrical

energy.

Exist many equipments to eliminate one or more problems mentioned. A classic solution

for the elimination of harmonics is the use of active filters by the characteristics of its dynamics,

due to this it is interesting to study in which measured a solution of the type active filter series it

is able to compensate reactive power and voltage harmonic simultaneously. This is the central

subject of this thesis work.

In order to solve this problematic, the hypothesis is based in eliminating the effect of the

voltage in the impedance of the system and to eliminate the voltages harmonics of the source

from a suitable use of the energy available in the storage condenser of the series active filter,

by means of an appropriate algorithm of control. The compensation principle initially is

validated by means of its implementation in an active filter single-phase series based on an

investing conventional complete bridge.

On the other hand, the problematic of voltage variations appears in systems of medium

and high voltage, reason why it turns out attractive the study and incorporation from

multilevel inverters to increase the voltages levels that can handle the system. In this sense the

work incorporates an interesting proposal denominated hybrid multilevel inverter with cascade

bridges, which operate at different voltages levels in the buses of feeding and different

frequencies from commutation, to take advantage of the ratio of voltage and frequency of the

semiconductor devices.

In order to fulfill the objectives of the work an analysis of the principle of compensation

of reactive power, the cancellation of voltages harmonics and modeled of the active filter the

series with the investing hybrid multilevel is developed. The content of this work is divided in

the chapters that are described next:

In Chapter I an introduction of the subject that is approached and analyzed its

presented, appears a review of the evolution of the electrical network in Mexico with the

purpose of having a panorama of the power development in the country and the objectives

and the reach of the investigation consider.

In the Chapter II the problematic that exists at the present time as a result of a bad

quality of the electrical energy and how it can get to affect the users is explained. Also appears

a brief review of subjects and solutions developed in the compensation of reactive power and

the harmonic compensation. Also the principle of operation of series compensation that is used

to diminish the reactance produced by the voltage transference in an electrical line, which is

verified with an analysis and results of simulation.

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XII

In Chapter III the main approach is to present the principle of compensation of reactive

power that it is proposed for the multilevel active filter. Begins with presenting as the

generation of references of compensation by means of theory D-Q is made, later describes the

digital system where the algorithm of control for the active filter is implemented and finally it

analyzes the stage of power and the necessary considerations of design for the physical

implementation. In this section the solution of compensation of tension of reactive power witha conventional full bridge inverter appears and results of simulation of the compensation of

harmonics and reactive power is presented.

In Chapter IV it appears a brief study of multilevel inverters, of the topologies and the

modulations techniques to increase the voltages levels that are used in the stage of CD/CA

conversion. In this section the selection of the multilevel inverter that implements in the active

filter series, which is verified with experimental results. Finally the principle of operation of the

hybrid multilevel inverter is developed.

In Chapter V the control algorithm proposed to compensate reactive power and

harmonic voltages in the series active filter with an hybrid multilevel inverter is developed. The

method to controller the series active filter is made of indirect way controlling the voltageoutput through the current. Due to dynamic that presents the variables of the system it is

possible to develop an uncoupling between the CD buses voltages and the current to generate

the voltages harmonics. In the system an algorithm based on a control PI is used, and it is

verifies with results of simulation and experimental results to evaluate the performance of the

topology and the proposed controller.

In the Chapter VI it shown the experimental tests that it is obtained with a prototype of

laboratory to validate the made investigation. Tests under different conditions of operation of

the active filter appear and the obtained results are analyzed.

In order to finalize, in Chapter VII a series of conclusions and future contributions of the

developed work is presented, as well as works that can be made continuing with the

investigation subjects.

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XIII

LIST DE SMBOLOS

VS Tensin de alimentacin

ZT Impedancia de la lnea

i Corriente de alimentacin

VL Tensin de la carga

i0 Corriente de la carga

Vcomp Tensin de compensacin

Icomp Corriente de compensacin

EG Tensin del generador

XG Reactancia asociada al generador

EM Tensin del motorXM Reactancia asociada al motor

ET1 Tensin despus del generador

ET2 Tensin antes del motor

Separacin angular entre los rotores

G ngulo interno del generador

L Diferencia angular entre las tensiones del generador y del motor

G ngulo interno del motor

P Potencia

PMAX Potencia mxima

VR Tensin en el extremo receptor

PR Potencia activa del extremo receptor

QR Potencia reactiva del extremo receptor

VS Fasor de la tensin de alimentacin

I Fasor de la corriente del sistema

VR Fasor de la tensin en el extremo receptor

ICC Corriente de corto circuito

VT Cada de tensin asociado a la lnea de transmisin

ZL Impedancia de la carga

ZLL Impedancia inductiva de la carga

RL Impedancia resistiva de la carga

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XIV

Cb Bus de condensadores

C Condensador del filtro de salida del filtro activo

L Inductir del filtro de salida del filtro activo

VF Tensin del filtro activo

iL Corriente del inductor del filtro activo

iC Corriente del condensador del filtro activo

a Relacin de transformacin del transformador

VCb Tensin del bus de condensadores

Sn Interruptores de potencia

Varm Armnicos de tensin

Lgica de conmutacin

x Variables de estado

u Entradas

x3 Tensin en el condensador Cb

y Salida del sistema

va Tensin de la fase A

vb Tensin de la fase B

vc Tensin de la fase C

vD Componente de tensin en el eje D

vQ Componente de tensin en el eje QvD

CD Componente continua correspondiente al valor de la fundamental de la

parte activa de la seal de tensin

vQCD

Componente continua correspondiente al valor de la fundamental de laparte reactiva de la seal de tensin

vDCA Componentes alternas correspondientes a los valores de los armnicos

de la parte activa de la seal de tensin

vQCA Componentes alternas correspondientes a los valores de los armnicos

de la parte reactiva de la seal de tensin

vDC Seal de compensacin en el eje D

vQC Seal de compensacin en el eje Q

vac Seal de compensacin de tensin de la fase A

vbc Seal de compensacin de tensin de la fase B

vcc Seal de compensacin de tensin de la fase C

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XV

SP Seal portadora

SM Seal moduladora

VP Tensin de la portadora

VM Tensin de la moduladora

T Perodo

f Frecuencia

TON Tiempo de encendido

Tn Intervalos de tiempo

TM Tiempo muerto

XT Reactancia inductiva asociada con la lnea de transmisin

ZF Carga que soporta la potencia del inversor del filtro activo

VF Tensin de salida del inversor del filtro activo

PF Potencia del inversor del filtro activo

IPF Corriente pico del inversor del filtro activo

VCES Tensin colector emisor

IC Corriente continua de colector

VGE Tensin base emisor

PD Potencia mxima de disipacin

Vi Tensin de entrada

Vo Tensin de salidan Frecuencia de resonancia

Factor de amortiguamiento

c Frecuencia de conmutacin del inversor

FT Amplitud del armnico

XL Impedancia del inductor a la frecuencia de conmutacin

E Energa

Ein Energa de entrada

Sin Potencia de entrada

Vmax Valor de tensin mximo

Vmin Valor de tensin mnimo

VTF Tensin antes del filtro activo

IF Corriente del secundario

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XVI

PRC Potencia activa en el extremo receptor despus de compensar

VTS Tensin de compensacin deseada

VSEN Tensin senoidal

Sin Potencia de entrada

VCD Tensin del bus de CD

VM Tensin de salida del inversor multinivel

vCD Tensin de CD en el inversor

vCA Tensin de CA en el inversor

iCD Corriente de CD en el inversor

iCA Corriente de CA en el inversor

G Funcin de transferencia que relacionan las seales de CA y de CD

m ndice de modulacin

Frecuencia en radianes

z Desacopladores

i* Corrientes deseadas

v* Tensiones deseadas

VSE Tensin de alimentacin escalada

VTE Tensin de la red distorsionada

VTEE Tensin de la red distorsionada y escalada

I Corriente de alimentacin

IR Corriente de la carga

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XVII

LIST DE FIGUR S

Captulo I

Figura I.1. Sistema equivalente de la red elctrica. 1

Captulo II

Figura II.1. Circuito equivalente para un filtro activo de corriente. 15

Figura II.2. Circuito equivalente para un filtro activo de tensin. 15

Figura II.3. Filtro activo universal. 16

Figura II.4. Diagrama de una lnea y dos mquinas. 21

Figura II.5. Modelo idealizado de una lnea y dos mquinas. 21

Figura II.6. Diagrama de fasores de una lnea y dos mquinas. 21Figura II.7. Curva caracterstica de la potencia transferida entre un sistema

de dos mquinas. 22

Figura II.8. Sistema radial para ilustrar la estabilidad de tensin 23

Figura II.9. Potencia, tensin y corriente en funcin de la demanda de carga

para el sistema de la Figura II.8. 25

Figura II.10. Curva de Potencia-Tensin del sistema de la Figura II.8. 26

Figura II.11. Curvas VRPRdel sistema de la Figura II.9. con diferentes factores

de potencia en la carga. 27

Figura II.12. Diagrama elctrico para una cada de tensin del 20% de VS. 28

Figura II.13. Diagrama fasorial de la Figura II.12. 28

Figura II.14. Seales del sistema VS, VReISde la Figura II.12. 29

Figura II.15. Corriente del sistemaISy tensin del inductor VL. 29

Figura II.16. Filtro activo de tensin propuesto. 31

Figura II.17. Diagrama equivalente del filtro activo serie. 32

Captulo III

Figura III.1. Transformacin D-Q. 36

Figura III.2. Diagrama de bloques para la generacin de referencias. 37

Figura III.3. Aproximacin para el PWM senoidal. 40

Figura III.4. Secuencia para obtener las seales PWM con tiempos muertos. 40

Figura III.5. Filtro activo de tensin. 42

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XVIII

Figura III.6. Diagrama elctrico en pu para el transformador compensador. 43

Figura III.7. Diagrama elctrico para el dimensionamiento del transformador

compensador. 44

Figura III.8. Filtro LC empleado a la salida del inversor. 45

Figura III.9. Diagrama de bloques para la primera solucin obtenida. 50

Figura III.10. Las seales promediadas de los PWM. 51

Figura III.11. Seal de la fase y su valor mximo. 52

Figura III.12. Seales promediadas del PWM de salida y del PWM de

compensacin. 52

Figura III.13. Circuito elctrico con una cada de tensin del 10% de VS. 53

Figura III.14. Seales del sistema VS, VR,VL, eI de la Figura III.13. 53

Figura III.15. Tensin de la carga, tensin en el inductor y tensin del filtro

activo. 54Figura III.16. Tensin de la carga, del inductor y del filtro activo. 54

Figura III.17. Tensin de la carga y tensin del filtro compensado potencia

reactiva. 55

Figura III.18. Circuito para compensacin de reactiva y armnicos. 56

Figura III.19. Tensiones de alimentacin VS, de carga VTy corrienteI. 56

Figura III.20. Tensiones de alimentacin VS, carga VT, y compensada VTF. 57

Figura III.21. Tensiones de carga VT, armnica VARMy compensada VTF. 57

Figura III.22. Tensiones armnica VARM, senoidal VSEN, y del filtro VF. 58Figura III.23. Tensiones de carga VT, del filtro VF, y compensada VCOMP. 58

Captulo IV

Figura IV.1. Tensin de salida de un inversor multinivel. 62

Figura IV.2. Inversor multinivel con diodos de enclavamiento 63

Figura IV.3. Inversor multinivel con condensadores flotantes. 63

Figura IV.4. Topologa del inversor multinivel con inversores en cascada. 64

Figura IV.5. Estructura trifsica del inversor multinivel con puentes en cascada. 66

Figura IV.6. Variante de la estructura del inversor multinivel con puentes en

cascada. 67

Figura IV.7. Tcnica de control de frecuencia fundamental. 68

Figura IV.8. Variante de la tcnica de control de frecuencia fundamental. 68

Figura IV.9. Tcnica de control multiportadora desfasada. 69

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XIX

Figura IV.10. Sistema propuesto para la compensacin de potencia reactiva

con inversores multinivel. 70

Figura IV.11. Tensin de salida de inversor multinivel. 71

Figura IV.12. Salida del inversor multinivel y su espectro en frecuencia. 71

Figura IV.13. Tensin de salida de inversor multinivel compensando potenciareactiva. 72

Figura IV.14. Topologa del inversor multinivel hbrido con inversores en

cascada. 73

Figura IV.15. Seales de salida para las celdas. 74

Figura IV.16. Seal de salida referencia y seal de salida para la primera celda. 75

Figura IV.17. Seal de salida referencia y seal de salida para la segunda celda. 75

Figura IV.18. Salida del inversor multinivel hbrido. 76

Figura IV.19. Seal de referencia y seal de salida para el inversor hbrido. 76Figura IV.20. Seales de salida para las celdas del inversor hbrido. 77

Captulo V

Figura V.1. Sistema propuesto para la compensacin de potencia reactiva. 80

Figura V.2. Circuito equivalente para el filtro activo de tensin monofsico. 81

Figura V.3. Celda inversora de un puente completo empleado en el filtro hbrido. 82

Figura V.4. Valores propios de la ecuacin (V.22). 87

Figura V.5. Diagrama de bloques del sistema propuesto. 88

Figura V.6. Controlador de corriente. 90

Figura V.7. Prealimentador de corriente. 91

Figura V.8. Controlador de tensin del bus. 92

Figura V.9. Esquema de control para el filtro activo serie con un inversor

multinivel hbrido. 93

Figura V.10. Sistema propuesto para la compensacin de potencia reactiva. 94

Figura V.11. Tensin de la red elctrica (VS). 94

Figura V.12. Corriente demandada por la carga(i0). 95

Figura V.13. (a) Corriente de referencia en el inductor iL*. (b) Corriente obtenida

en el inductor iL, (c) Error entre las corrientes deseada y obtenida iLE. 95

Figura V.14. (a) Tensin deseada por el filtro activo vref. (b) Tensin obtenida

por el filtro activo varm. (c) Error entre la tensin deseada y

obtenida por el filtro activo ve. 96

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XX

Figura V.15. Seal de control para el inversor de menor tensin m1. 97

Figura V.16. Seal de control para el inversor de menor tensin m2. 97

Figura V.17. Tensin de la red elctrica VS. 97

Figura V.18. Seal de la red compensada por el filtro activo VR. 98

Figura V.19. Tensin de la red con armnicos y un escaln VS. 98

Figura V.20. Corriente que demanda la carga con un escaln i0. 98

Figura V.21. (a) Corriente de referencia del inductor iL*. (b) Corriente obtenida

en el inductor iL. (c) Error entre las corrientes deseada y obtenida

del inductor iLE. 99

Figura V.22. (a) Tensin deseada a la salida del filtro activo vref. (b) Tensin

obtenida a la salida del filtro activo varm. (c) Error entre la tensin

armnica deseada y obtenida ve. 100

Figura V.23. Seal de control para el inversor de menor tensin m1. 100

Figura V.24. Seal de control para el inversor de mayor tensin m2. 101

Figura V.25. Tensin de la red elctrica VS. 101

Figura V.26. Seal de la red compensada por el filtro activo VR. 101

Captulo VI

Figura VI.1. Implementacin fsica del sistema de control. 104

Figura VI.2. Implementacin fsica del sistema de potencia. 105

Figura VI.3. Diagrama de compensacin armnica. 106Figura VI.4. Filtro activo insertado en la red elctrica. 106

Figura VI.5. Tensin de la red, tensin de la red escalada y armnicos

presentes en la red. 107

Figura VI.6. Contenido armnico de la seal de la red VSde la Figura VI.5. 107

Figura VI.7. Seales de control que reproduce el DSP. 108

Figura VI.8. Corrientes del sistema (superior), Tensiones de salida de los

inversores (inferior). 109

Figura VI.9. Tensiones de la red elctrica, del filtro activo y compensada. 109

Figura VI.10. Contenido armnico de la seal de red compensada VR. 110

Figura VI.11. Filtro activo ante escalones de corriente. 111

Figura VI.12. Tensin de la red y corrientes del sistema. 112

Figura VI.13. Tensiones del sistema ante un escaln de corriente. 112

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18/171

XXI

Figura VI.14. Diagrama elctrico empleado para las pruebas experimentales

del filtro activo. 113

Figura VI.15. Tensin de la red y seal de referencia del filtro activo. 114

Figura VI.16. Contenido armnico de la seal de la Figura VI.15. 114

Figura VI.17. Seales de control, de referencia y salida del filtro activo. 115

Figura VI.18. Tensin de red, del filtro activo y compensada. 116

Figura VI.19. Contenido armnico de la seal compensada VRde la

Figura VI.18. 116

Figura VI.20. Tensin de la red VTy corriente del sistemaIS. 117

Figura VI.21. Tensin de redVT, del filtro activo VFy compensada VR. 118

Figura VI.22. Diagrama con escaln de tensin y escaln de corriente. 119

Figura VI.23. Comportamiento del sistema con la tensin distorsionada y

un escaln de corriente. 120Figura VI.24. Comportamiento del sistema con la tensin distorsionada y

un escaln de corriente. 120

Figura VI.25. Corriente y tensiones del sistema. 121

Figura VI.26. Diagrama elctrico empleado para las pruebas experimentales

del filtro activo. 122

Figura VI.27. Diagrama de bloques del sistema de compensacin. 123

Figura VI.28. Seales del sistema VS, VT, eI. 123

Figura VI.29. Tensin de la red y seal de referencia del filtro activo. 124

Figura VI.30. Contenido armnico de la tensin de la red Figura VI.29. 124

Figura VI.31. Tensiones de la carga, del inductor y del filtro activo. 125

Figura VI.32. Contenido armnico de la seal compensada de la Figura VI.32. 126

Figura VI.33. Tensin del filtro activo y compensada. 127

nexo

Figura A.1. Transformada de Park. 135

Figura A.2. Transformada D-Q. 137Figura A.3. Tensiones de la red fundamentales. 139

Figura A.4. Transformacin -sin armnicos. 140

Figura A.5. Transformacin D-Qsin armnicos. 140

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XXII

nexo B

Figura B.1. Sistema para compensacin de reactiva con el filtro activo y

su diagrama fasorial. 141

nexo C

Figura C.1. Filtro activo de tensin. 143

Figura C.2. Diagrama equivalente del filtro activo serie. 144

Figura C.3. Respuesta del filtro activo en lazo abierto. 146

Figura C.4. Respuesta del compensador en atraso. 147

Figura C.5. Respuesta del filtro activo y el compensador en atraso. 148

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20/171

CAPTULO

IINTRODUCCIN

La energa elctrica puede ser convertida en diferentes formas, tales como pulsos, ondas

electromagnticas, microondas y calor, entre muchas otras. Para que la energa elctrica sea

empleada y obtener los resultados deseados, es necesario realizar la distribucin de la misma.

Esto se logra mediante la red de distribucin elctrica que es toda el rea de

acondicionamiento de potencia utilizada por los consumidores (Figura I.1). La distribucin de

energa elctrica idealmente debe estar libre de cualquier tipo de perturbaciones que afecten el

funcionamiento de los equipos conectados al sistema elctrico, as como del sistema. El

trmino Calidad de la red de potencia (Power Quality, por su denominacin en ingls), es

una frase ampliamente empleada en la industria para designar una multitud de ideas y

conceptos relacionados con la interaccin de la red elctrica y las cargas; este trmino tambin

se relaciona con la eficiencia y ahorro de energa elctrica. El inters de los problemasrelacionados con ste trmino se basa en empleo de cargas crticas, la proliferacin de equipos

contaminantes de la red elctrica, la definicin de normas y recomendaciones entre otros [1].

Z1

Altatensin Media tensin

Baja tensin

Consumo

Generacin

Transportacin Distribucin

Z2

Z3

Z4

Figura I.1. Sistema equivalente de la red elctrica.

El problema de mantener la tensin de la red dentro de sus lmites de operacin es de

gran importancia, debido a que si la tensin se encuentra por debajo de ellos los sistemas no

operan correctamente, pudiendo producir fallas en equipos automatizados y deteniendo el

funcionamiento de otros equipos. Problemas similares pueden suceder debido a la

1

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21/171

contaminacin armnica presente en la lnea de suministro elctrico. Si estos problemas se

manifiestan en gran escala pueden repercutir en prdidas de dinero considerables. El

problema de las cadas de tensin en un sistema de transmisin se puede atacar de dos

maneras diferentes: mediante la compensacin de potencia, esto es compensando la cada de

tensin mediante una fuente de energa activa o reactiva; o mediante la reduccin de la

impedancia elctrica presente en la lnea. Las dos alternativas resultan efectivas para regular laamplitud de la tensin.

Durante mucho tiempo la falta de planeacin de crecimiento en las redes elctricas ha

generado diversos problemas, siendo el ms importante el problema de estabilidad. En un

principio, el inters a este problema era poco debido a la falta de conocimiento del problema.

Sin embargo a medida que la demanda elctrica aumenta en los centros de consumo, los

problemas de estabilidad son ms frecuentes, debido a que no se aumenta la capacidad de

generacin y transmisin en la misma proporcin, por esta razn los sistemas elctricos de

potencia operan cada vez ms cerca de sus lmites de estabilidad [2, 3].

La estabilidad de un sistema elctrico se define como la propiedad que le permite a un

estado de operacin mantenerse en equilibrio bajo condiciones de operacin normal yrecuperarse a un estado aceptable de equilibrio despus de ser sometido a un disturbio. Como

primera medida correctiva para mantener la estabilidad de un sistema de potencia

generalmente se conectan condensadores en serie con la lnea de transmisin, para

contrarrestar el efecto inductivo que produce la reactancia asociada a lnea de transmisin.

Posteriormente se han propuesto otras alternativas dentro de los cuales se encuentran algunos

de los sistemas de transmisin flexibles de corriente alterna (FACTS, por sus siglas en ingls),

que emplean dispositivos electrnicos basados en semiconductores de potencia [4, 5, 6].

Los controladores FACTS que se emplean para mantener la estabilidad en un sistema

de potencia se pueden clasificar bsicamente en dos grandes grupos tomando como referencia

la funcin de sus principales elementos: A continuacin se presenta una breve revisin.

Dispositivos FACTS controlados por tiristores Dentro de este primer grupo de

controladores se encuentran: el compensador esttico VAR (SVC), el regulador de

tensin controlado por tiristores (TCVR) y el condensador en serie controlado por

tiristores (TCSC), los cuales emplean tiristores convencionales (sin capacidad de

apagado). En estos sistemas la potencia reactiva requerida para la compensacin es

generada o absorbida por bancos de condensadores e inductores, y los tiristores se

utilizan nicamente para controlar la impedancia reactiva combinada que estos bancos

representan al sistema de potencia. En consecuencia, los compensadores

convencionales controlados por tiristores representan una admitancia reactiva variable

en la red de transmisin y por lo tanto cambian la impedancia del sistema. Desde el

punto de vista de la operacin funcional, el SVC y el TCSC actan indirectamente enla red de transmisin. Por ejemplo, el TCSC se inserta con la lnea con el propsito de

aportar una tensin de compensacin para incrementar la tensin a travs de la

impedancia serie, la cual determina la corriente de lnea y la potencia transmitida; as,

la compensacin serie actual es inherentemente una funcin de la corriente de lnea.

En forma similar, el SVC se aplica como una impedancia en derivacin para producir

la corriente de compensacin requerida; as, la compensacin en derivacin es una

funcin de la tensin de lnea. Esta dependencia de las variables de lnea (tensin y

2

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22/171

corriente) es perjudicial para la compensacin cuando grandes disturbios llevan al

TCSC y al SVC a operar fuera de su intervalo normal de control.

Dispositivos FACTS basados en convertidores Este segundo grupo de controladores

utiliza convertidores de tensin. A este grupo corresponden: el compensador esttico

sncrono (STATCOM), el compensador serie esttico sncrono (SSSC), y el controlador

de flujos de potencia unificado (UPFC). Este grupo emplea fuentes convertidoras detensin autoconmutadas para proporcionar rpidamente, de forma controlada y

esttica, fuentes sncronas de tensin y corriente. Cuando este enfoque se compara

con los mtodos de compensacin convencionales que emplean condensadores e

inductores conmutados por tiristores, generalmente proveen caractersticas superiores

de desempeo. Adems tiene la opcin de intercambiar potencia activa directamente

con el sistema de CA, as como de tener un control independiente en la compensacin

de potencia reactiva.

Los controladores FACTS mencionados as como tambin los condensadores en serie

tienen la caracterstica de trabajar con la frecuencia fundamental del sistema. No obstante, en

el sistema elctrico, a los problemas de estabilidad se le suman los problemas que generan losconsumidores por el efecto de la naturaleza no lineal de sus cargas. Sin embargo, la

distribucin de la seal elctrica debe estar libre de cualquier tipo de perturbaciones que

afecten el funcionamiento de los equipos conectados al sistema elctrico, esto es, deben tener

una tensin libre de distorsin armnica. Segn el estndar IEEE - Std. 1100 1999, calidad

de la energa es la capacidad de energizar y aterrizar equipos electrnicos, de manera que sea

adecuada su operacin de estos equipos y compatible con la premisa de instalacin del

sistema elctrico y otros equipos conectados [7]. Por lo tanto, la calidad de la energa elctrica

es de vital importancia tanto para los usuarios como para las compaas de distribucin de

energa elctrica, reflejndose en una buena distribucin y un consumo eficiente.

Generalmente las compaas de distribucin de energa elctrica no pueden mantener la

capacidad de crecimiento de energa acorde con las necesidades de demanda de la misma,por este motivo la impedancia presente en las lneas se incrementa continuamente en lugares

en donde no se tiene un adecuado control de las necesidades de los nuevos usuarios de la

energa elctrica.

Para ilustrar mejor el aspecto de crecimiento en el contexto nacional, se presenta a

continuacin una breve resea de la historia de la evolucin de la red elctrica en Mxico [8],

observndose as un ejemplo del continuo crecimiento de las necesidades de demanda de

energa elctrica.

I.1 Antecedentes de la red elctrica en Mxico

En 1937 Mxico tena 18.3 millones de habitantes, y tres empresas ofrecan el servicio

de energa elctrica con serias dificultades a siete millones de mexicanos, que representaban el

38% de la poblacin. La oferta no satisfaca la demanda, las interrupciones en el servicio eran

constantes y las tarifas muy elevadas, situaciones que afectaban el desarrollo econmico del

pas. Adems, estas empresas se dedicaban principalmente a los mercados urbanos ms

redituables sin contemplar en sus planes de expansin a las poblaciones rurales, donde

habitaba el 62% de la poblacin. Por otra parte, el desarrollo de la industria elctrica en sus

3

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inicios propici la construccin y operacin de varios sistemas aislados con caractersticas

diferentes. Debido a la diversidad de normas tcnicas, llegaron a coexistir cerca de 30 voltajes

de distribucin, 7 de alta tensin para lneas de transmisin y 2 frecuencias elctricas: 50 y 60

Hz. Estas condiciones dificultaban el suministro de electricidad a todo el pas, por lo que se

normalizaron los voltajes de operacin con la finalidad de estandarizar los equipos, reducir sus

costos y los tiempos de fabricacin, almacenaje e inventariado.Ante estas situaciones, el Gobierno de Mxico cre en 1937 la Comisin Federal de

Electricidad (CFE), que en una primera etapa se dio a la tarea de construir plantas

generadoras para satisfacer la demanda existente. Los fundadores de CFE comenzaron a

cambiar el enfoque regionalista de la electrificacin, y en las regiones apartadas de las grandes

ciudades la electricidad se convirti rpidamente en una fuente benefactora para el bombeo

de agua de riego, el arrastre y la molienda, pero sobre todo para el alumbrado pblico.

En 1938, CFE tena apenas una capacidad de 64 MW, y durante los ocho aos

posteriores aument. Ante esta situacin, las empresas privadas dejaron de invertir y la

empresa pblica se vio obligada a generar energa para que stas la revendieran.

En 1960, se tena 2,308 MW de capacidad instalada en el pas, aportada principalmentepor 3 empresas: CFE, la Mexican Light y la American and Foreign. Sin embargo, a pesar de

los esfuerzos de generacin y electrificacin, slo el 44% de la poblacin contaba con

electricidad, y en estas fechas tambin se vea venir un vertiginoso desarrollo de la industria, la

agricultura y otras actividades urbanas y rurales, por lo que fue necesario aumentar la

capacidad de produccin de energa. En este ao se nacionaliz la industria elctrica, y a

partir de sto exclusivamente la nacin poda generar, transformar, transportar, distribuir y

abastecer la energa elctrica que tenga por objeto la prestacin de servicio pblico; con lo

cual no se otorgaron concesiones a los particulares y se adquirieron los bienes e instalaciones

de las compaas privadas que operaban con serias deficiencias por la falta de inversin de

capital. En 1961 la capacidad total instalada en el pas ascenda a 3,250 MW. En 1971

alcanz una capacidad instalada de 7,874 MW. Sin embargo, se debe considerar que en esteperodo no todos los sistemas estaban interconectados; los sistemas elctricos de las pennsulas

de Baja California y de Yucatn se encontraban aislados. Aunque despus (1990) el de la

peninsula de Yucatn se incorpor al Sistema Interconectado Nacional.

En la dcada de 1980, se tena una capacidad de 17,360 MW instalada, y en 1991 esta

ascenda a 26,797 MW. Actualmente, la capacidad instalada en el pas esta por encima

de 40,000 MW, de los cuales 64.83% corresponde a generacin termoelctrica, 23.24% a

hidroelctrica, 6.45% a centrales carboelctricas, 2.09% a geotrmica, 3.38% a nucleoelctrica

y 0.01% a eoloelctrica.

I.1.1 Sistema de generacinLa generacin de energa elctrica en Mxico se realiza principalmente por la Comisin

Federal de Electricidad por medio de las tecnologas convencionales disponibles en la

actualidad: centrales hidroelctricas, termoelctricas, elicas y nuclear.

4

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A lo largo de los aos, la generacin ha aumentado para cumplir con las necesidades de

demanda de la poblacin, la industria, la agricultura, el comercio y los servicios en Mxico. En

la Tabla I.1 se muestra el crecimiento de la capacidad de generacin en los ltimos 6 aos.

Tabla I.1. Capacidad instalada de generacin (MW)

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Total 32,166 33,920 33,944 34,384 34,839 35,869 37,691 40,350 43,727

I.1.2 Sistema de transmisin

Para conducir la electricidad desde las plantas de generacin hasta los consumidores, en

Mxico se cuenta con redes de transmisin y de distribucin, integradas por las lneas de

conduccin de alta, media y baja tensin. La red de transmisin de electricidad actual se

compone por 40,000 km de lneas de considerando los niveles de tensin de 400, 230, 161 y150 kV. En la Tabla I.2 se puede observar la longitud de la lnea en cada nivel de tensin.

Tabla I.2. Longitud de las lneas de transmisin (Km).

Nivel kV) 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Total

30,412 31,116 31,804 33,063 34,079 35,271 36,848 39,210 41,241

La transformacin es el proceso que permite, utilizando subestaciones elctricas,

cambiar las caractersticas de la electricidad (voltaje y corriente) para facilitar su transmisin y

distribucin; sta ha crecido de manera que actualmente se cuenta con 162,775 MVA decapacidad de potencia instalados, de los cuales el 76.85% corresponde a subestaciones de

transmisin y el 23.15% restante a subestaciones de distribucin; Mxico cuenta con 303

subestaciones de potencia y su desarrollo se observa en la Tabla I.3.

Tabla I.3. Capacidad en subestaciones (MVA).

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Transmisin

89,006 90,953 94,519 98,462 104,543 107,846 113,556 119,709 125,073

Distribucin 25,695 26,220 27,117 28,241 29,866 31,673 33,078 36,232 37,702

Total 114,701 117,173 121,636 126,703 134,409 139,519 146,634 155,941 162,775

5

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I.1.3 Sistema de distribucin

La red de distribucin la constituyen las lneas de subtransmisin con niveles de tensin

de 138, 115, 85 y 69 kilovolts (kV), las de distribucin en niveles de 34.5, 23, 13.8, 6.6, 4.16

y 2.4 kV y baja tensin. En el ao del 2003, la longitud de las lneas de subtransmisin fue

de 42,856 km y la de distribucin de 569,301 km; esto se observa en la Tabla I.4.

Tabla I.4. Longitud de las lneas de subtransmisin y de distribucin [8].

Tensin kV 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Subtotal

36,262 35,301 35,763 37,128 38,844 39,628 40,796 42,655 43,617

Subtotal

471,549 484,578 503,537 516,187 528,107 539,755 554,374 563,061 573,204

Total de lineas

507,811 519,879 539,300 553,315 566,951 579,383 595,170 605,716 616,821

Total CFE 538,223 550,995 571,104 586,378 601,030 614,653 632,018 644,927 658,063

Subtransmisin

Distribucin

Como se puede observar la red elctrica ha crecido rpidamente, sin embargo la

densidad de poblacin crece con una velocidad superior, lo cual implica mayor requerimiento

de energa. Crear nuevos centros de generacin implica tambin crear nuevas redes de

transmisin, lo cual, exige inversiones econmicas muy fuertes. Comnmente lo que se hace

es incrementar la lnea existente para proporcionar energa elctrica a los nuevosconsumidores, esto puede traer como consecuencia problemas en el sistema elctrico, debido

a que se incrementa la impedancia inductiva en las lneas por el efecto de aumentar la

longitud de los cables, produciendo problemas que pueden ir desde contaminacin armnica

con variaciones peridicas de tensin, desbalance, pobre regulacin de tensin, bajo factor de

potencia hasta un colapso de tensin que compromete la calidad del servicio elctrico que se

entrega a los usuarios. Por lo tanto, la calidad de la energa elctrica es de vital importancia

para los usuarios y para las compaas de distribucin de energa elctrica.

Para eliminar los problemas de estabilidad en un sistema de potencia elctrico en

media y alta tensin se emplean los controladores FACTS, especficamente para incrementar

la capacidad de transmisin y mejorar el factor de potencia en cargas industriales seempleaban los condensadores serie y paralelo, sin embargo se ha demostrado que stos

podran cuasar una operacin inestable en un sistema de potencia, por el fenmeno

denominado resonancia subsincrona [9]. Despus se emplearon compensadores estticos

basados en tiristores y recientemente se emplean compensadores basados en inversores fuente

de tensin o corriente que ya no presentaban este problema.

6

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En baja tensin los equipos para eliminar los problemas de distorsin armnica son de

diversos tipos; dentro de estos equipos destacan los filtros activos por las caractersticas de

poder compensar casi todas las perturbaciones, excluyendo los cortes largos debido a que no

emplean fuentes de potencia activa, estos equipos al igual que los controladores FACTS

recientes estn basados en inversores. Con la caracterstica de emplear inversores en los dos

sistemas, se visualiza y propone la idea de conjuntar las perturbaciones que puede compensarel filtro activo con el principio de compensacin serie para ampliar las caractersticas de

compensacin de un sistema. El enfoque de esta investigacin es abordar el tema de filtros

activos serie para regular la tensin de la red, adems de filtrar armnicos de tensin.

I.2 Objetivos

La idea inicial de este trabajo de tesis fue compensar armnicos de tensin y un rango

de cadas de tensin presentes en las lneas mediante un adecuado control que proporcionara

potencia activa a travs del inversor del filtro activo, esto es regular la tensin de la red. Esta

idea se deriv del uso de los Restauradores de Tensin dinmicos (DVR por sus siglas en

ingls) [10, 11, 12], estos sistemas tienen la caracterstica de enfocarse nicamente a la

frecuencia fundamental del sistema, por lo que se propuso adems compensar los armnicos

de tensin con un filtro activo. A partir de la interaccin del Comit Tutorial desde el

seminario predoctoral (propuesta de la tesis) surgieron diversas ideas y la tesis se enfoco a

realizar la compensacin empleando potencia reactiva.

Como se mencion en la seccin anterior, existen diversos equipos para compensar la

potencia reactiva, generalmente a los equipos para este propsito se denominan

compensadores de VARs, los cuales han sido estudiados principalmente en los aos 1980 y

1990 [13, 14, 15]. Estos sistemas de compensacin han mostrado ser de gran importancia

para los sistemas elctricos debido a su caracterstica de incrementar la capacidad de

transmisin y mantener la estabilidad de ellos. Por esta razn actualmente se continuanrealizando trabajos de investigacin dentro de su rubro, principalmente en el sistema de

control [16, 17, 18].

I.2.1 Objetivo General

El objetivo principal de este trabajo es desarrollar la investigacin para la

compensacin de potencia reactiva presente en las lneas de transmisin debido a la

impedancia asociada en ellas, as como tambin la compensacin de tensiones armnicas

mediante un filtro activo serie.

I.2.2 Objetivos particulares

Para cumplir con el objetivo general, primero se analizan por separado las dos ideas que

se pretenden cubrir con el filtro activo serie y despus las seales de compensacin se agrupan

en una sola referencia, por otro lado se analizan los inversores multinivel para que se empleen

en el sistema que se propone. Estos objetivos particulares se describen a continuacin:

7

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Problemtica de la compensacin serie. En esta etapa es necesario desarrollar un

anlisis de la compensacin de potencia reactiva debido a la impedancia del cableado en la

red elctrica, para proponer e implementar un algoritmo de control en un filtro activo serie.

Problemtica de la compensacin armnica.Para esta actividad se realiza el estudio y

desarrollo de una metodologa para eliminar los armnicos de tensin presentes en la red

elctrica.

Compensacin de potencia reactiva y armnicos de tensin. Despus de resolver las

problemticas de compensacin de potencia reactiva y compensacin armnica por separado,

se debe plantear un algoritmo de control que realice los dos tipos de compensaciones en un

mismo instante.

Desarrollo de un inversor multinivel.Debido a la aplicacin que se enfoca el trabajo de

compensar potencia reactiva en lneas de transmisin, resulta interesante el estudio de la

estructura multinivel, para incrementar la magnitud de la tensin de compensacin en el

sistema elctrico de potencia.

I.2.3 Actividades

Para lograr el objetivo general y los objetivos particulares se realizan una serie de

actividades que se detallan a continuacin.

Anlisis del filtro activo serie.En este punto se estudian las diversas topologas de filtro

activo serie, se aborda tambin el tema de los restauradores dinmicos de tensin y de

compensacin serie en sistemas elctricos. As mismo se realizan diversas simulaciones

para obtener una buena caracterizacin del comportamiento del filtro activo.

Anlisis de los inversores multinivel.Para entender el modo de operacin y seleccionar

la topologa ms adecuada para la aplicacin de filtros activos serie se desarrolla un

estudio de los inversores multinivel.

Anlisis de la generacin de referencias. Se analizan las diferentes formas de la

generacin de referencias que se emplean en filtros activos para la compensacin,

enfocndose bsicamente en las transformadas ortogonales P-Qy D-Q.

Diseo de la estrategia de control.Con esta actividad se mejora la respuesta dinmica

del filtro activo y con esto se reducen los esfuerzos de conmutacin en los dispositivos

para tener menos prdidas.

Modelado del filtro activo serie. En esta etapa se desarrolla el modelado del filtro activo

representndose en variables de estado, para poder desarrollar el mtodo de control.

Implantacin del control empleando un DSP. Debido a la complejidad en lamanipulacin del sistema y a las operaciones matemticas realizadas para controlar el

filtro activo se emple un sistema basado en el DSP 2101.

Diseo e implantacin de la etapa de potencia del filtro activo. En esta actividad se

construye un prototipo trifsico del filtro activo basado en un inversor convencional, as

mismo se implementa el filtro activo con un inversor multinivel el cual puede operar en

un rango de potencia de 9 KVA.

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Determinacin de los parmetros de los componentes elctricos del filtro activo serie.

Aqu se realiza un anlisis del impacto que pueden tener el di/dt y el dv/dt en el sistema,

as como tambin un estudio de balance de energas para dimensionar el valor del

condensador del bus de CD.

Obtencin de resultados de simulacin. Esta actividad se realiza con el propsito de

verificar los anlisis desarrollados durante la elaboracin del trabajo, los resultados desimulacin obtenidos son de las diversas etapas que comprende la investigacin.

Validacin de los anlisis mediante pruebas experimentales.Para verificar los anlisis y

el desempeo del filtro activo se realizaron una serie de pruebas, incluyendo

compensacin de potencia reactiva y compensacin armnica, mediante el desarrollo

del controlador con un inversor multinivel hbrido.

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CAPTULO

IIPROBLEMTICA

En esta seccin se describe la problemtica que se aborda en este trabajo de

investigacin, el cual esta enfocado a la compensacin serie, tanto de la seal fundamental

como de las armnicas presentes en la red elctrica.

II.1 Planteamiento del problema

La distribucin de la energa elctrica idealmente debe estar libre de cualquier tipo de

perturbacin que afecte el funcionamiento de los equipos conectados al sistema elctrico; sin

embargo durante su transporte puede sufrir alteraciones. Desde un punto de vista prctico es

comn clasificar la red elctrica en sistemas de transmisin, sistemas de subtransmisin, y

sistemas de distribucin. Los sistemas de transmisin interconectan las estaciones de

generacin y los centros de carga principales, formando el punto fundamental de un sistema

de potencia integrado y opera en los niveles ms altos de tensin, tpicamente de 230 kV en

adelante. Los generadores de tensin estn en el rango de 11 a 35 kV; las tensiones son

elevadas a niveles de transmisin, y la potencia es transmitida a subestaciones de transmisin,

donde las tensiones son reducidas a niveles de subtransmisin, tpicamente de 69 kV a 138

kV. Los sistemas de subtransmisin transmiten la potencia en pequeas cantidades de las

subestaciones de transmisin a las subestaciones de distribucin. Los grandes consumidores

industriales en general se alimentan directamente de los sistemas de subtransmisin. En

algunos sistemas, no esta claro el deslindamiento entre circuitos de subtransmisin y de

distribucin, esto es debido a que los sistemas de potencia se expanden y los niveles de

tensin ms altos llegan a ser necesariamente para transmisin; por tanto, las lneas de

transmisin antiguas son frecuentemente relegadas a funciones de subtransmisin. Los

sistemas de distribucin representan el estado final en la transferencia de potencia a los

consumidores individuales y la tensin de distribucin primaria es tpicamente entre 4 kV y

34.5 kV. Los pequeos consumidores industriales son abastecidos por alimentadores primarios

en estos niveles de tensin, los alimentadores de distribucin secundarios abastecen a

consumidores industriales, comerciales y residenciales a 120-660 V.

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Durante todo el proceso de conversin y en las etapas de transporte de la energa, la

forma de onda sufre alteraciones. Estas distorsiones pueden ser producidas por varios factores:

desde los consumidores que generan armnicos de corriente y alteran la forma de onda de

tensin debido al uso de cargas no lineales, hasta los imponderables como son las descargas

elctricas atmosfricas. Como se mencion en el captulo anterior, el problema de la calidad

de la energa elctrica ha cobrado gran relevancia debido a la proliferacin de los equiposelctricos y electrnicos que necesitan una tensin de alimentacin lo ms senoidal posible

para su correcto funcionamiento, (p.e.: los instrumentos de monitoreo y medicin

especializada). Otro factor importante que se ve afectado en gran medida es la disminucin

de tensin asociada con la impedancia reactiva del cableado en las lneas de transmisin. Los

equipos adaptadores o acondicionadores para eliminar los problemas de las perturbaciones

pueden ser de muy diversos tipos, y suponen un camino adecuado para la atenuacin de

algunas o todas las perturbaciones presentes en la red.

II.2 Estado del arte

A continuacin esta seccin se presenta una resea de las soluciones que se emplean

para eliminar los efectos de las perturbaciones en la red elctrica, se resaltan las soluciones

para la compensacin de potencia reactiva y para la compensacin de armnicos debido a

que esos dos temas se desarrollan en este trabajo de tesis.

II.2.1 Soluciones para eliminar perturbaciones en la red elctrica

Los parmetros que definen la forma de onda pueden ser afectados por diversos tipos

de perturbaciones, tales como ruidos, impulsos, variaciones lentas de tensin, variaciones

rpidas, parpadeo, microcortes, cortes largos, armnicos, variaciones de frecuencia y

asimetra. Los equipos adaptadores o acondicionadores para eliminar estos problemas dedistorsin en baja tensin pueden ser de muy diversos tipos, y suponen un camino adecuado

para la atenuacin de algunas perturbaciones presentes en la red. Estos equipos

acondicionadores pueden ser: supresores de picos de corriente o tensin, filtros pasivos,

transformadores de ultraaislamiento, transformadores ferrorresonantes, reguladores lentos con

tiristores, reguladores rpidos, filtros activos y sistemas de alimentacin ininterrumpibles. La

descripcin de cada una de las perturbaciones y los equipos acondicionadores se presentan en

las referencias [19, 20]. Para mejorar el desempeo de los sistemas elctricos y reducir los

problemas de distorsin en media y alta tensin se emplean los controladores denominados

Sistemas de Transmisin Flexibles de Corriente Alterna (FACTS).

Las perturbaciones con mayores efectos en los equipos de los consumidores son las

cadas e incrementos de tensin, as como las corrientes y tensiones armnicas, esto es, debidoa la naturaleza de las cargas y a su aleatoria conexin y desconexin de las mismas. Para

eliminar las cadas e incrementos de tensin se cuenta con equipos denominados reguladores

lentos y rpidos de tensin; los cuales basan su funcionamiento en transformadores con

diversas terminales, teniendo el inconveniente de enfocarse slo a la componente fundamental

y dejando a un lado de los armnicos; a nivel transmisin el restaurador dinmico de tensin

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(DVR), presenta la caracterstica de suprimir cadas e incrementos de tensin mediante la

inyeccin de una tensin de compensacin en tiempo real en el sistema de potencia.

Convencionalmente los filtros pasivos han sido utilizados como solucin clsica para la

atenuacin de corrientes armnicas; la principal desventaja de los filtros pasivos es que estn

sintonizados a una frecuencia especfica y pueden presentar problemas de resonancia con el

sistema de potencia bajo ciertas condiciones transitorias. Como una alternativa surgen losfiltros activos; stos consisten en inversores fuente de tensin o de corriente, los cuales

cancelan las tensiones o corrientes armnicas en tiempo real, cambiando constantemente su

condicin de operacin y compensando amplios rangos de frecuencia mediante un adecuado

circuito de control, los cuales no presentan problemas de resonancia natural.

El trabajo de investigacin desarrollado en esta tesis se puede dividir en dos partes: la

primera consiste en la compensacin de potencia reactiva para regular la tensin de la lnea y

la segunda en compensacin de armnicos de tensin. En la siguiente seccin se presentan

algunas soluciones desarrolladas para la regulacin de tensin empleando potencia reactiva.

II.2.2 Soluciones de compensacin empleando potencia reactivaSe presenta un anlisis de diversos esquemas y metodologas para la compensacin de

potencia reactiva reportados en la literatura tcnica; estos trabajos mencionan aplicaciones

prcticas de diversos tipos de controladores FACTS.

En 1991 las empresas GE, ABB, GEC Alsthom y Siemmens mostraron inters en los

dispositivos FACTS [21]. Un panorama de los controladores FACTS se presenta en [22] por

A. Edirs; esta investigacin fue patrocinada por el EPRI, y se desarrollaron demostraciones de

hardware de controladores FACTS a plena escala; los sistemas proporcionan controles

dinmicos de los parmetros de la transferencia de potencia (impedancia de lnea, tensin del

bus y ngulo de fase). Tambin se presentan las caractersticas de transmisin y de instalacin

para equipos FACTS ubicados en diferentes subestaciones de E.U.: condensador serie

controlado por tiristores (TCSC) de 208 Mvar en la subestacin Slatt, Oregon; compensador

esttico (STATCOM) de 100 Mvar en la subestacin Sullivan, Tennesse; controlador de flujo

de potencia unificado (UPFC) de 160 MVA en la subestacin Inez, Kentucky; compensador

esttico convertible (CSC) de 200MVA en la subestacin Mercy, New York.

C. Schauder muestra, los principios de operacin, las caractersticas de funcionamiento

y el desarrollo del control para un condensador esttico de 100 MVAR para control de tensin

en sistemas de transmisin (STATCOM) [23]. Este sistema se instal en la subestacin de

Sullivan Tennesee Valley Autority en 1995, y se desarroll en un programa del EPRI. En este

trabajo se emplea una combinacin de 8 inversores trifsicos con 48 pulsos de 2 niveles; sin

embargo se pueden emplear 3 niveles para economizar costos y tener una baja distorsin en lacorriente de lnea.

C. Hochgraf presenta un regulador de tensin sncrono que trabaja an cuando se

pierde la simetra en las tres fases [24]. El regulador direcciona la tensin desequilibrada por el

uso de lazos de regulacin separados para las componentes de secuencia positiva y negativa,

adiems se muestran dos controles adicionales, uno para la regulacin de tensin del bus de

CD y otro para balancear las tensiones del condensador en un inversor multinivel.

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Una comparacin de compensacin de tensin entre un DVR y un DSTATCOM se

muestra en [25] por S. Chen. Este artculo muestra las ventajas y desventajas que presentan

los DVRs adems se pueden analizar a detalle los 3 esquemas de generacin de referencias

que se presentan y que se implementan con el DSP TMS320F240.

A. Kara en [11] presenta un DVR instalado en media tensin para una carga de

4MVA; los inversores utilizan IGCT (Tiristores Conmutados por Compuerta Integrados) quemanejan mayor potencia (5.5 kV/ 3120 A) que los IGBTs (3.3kV/ 1200A) y manejan alta

frecuencia de conmutacin (25kHz). En [12] N. H. Woodley presenta un DVR, donde el

sistema se protege contra perturbaciones en la lnea de distribucin, empleando inversores con

IGBTs controlados por seales PWM. En este trabajo se incrementa el rango de potencia del

DVR poniendo en paralelo varios mdulos de DVRs de menor capacidad, sin embargo esto

tambin se puede atacar con el empleo de inversores multinivel.

En [13, 14, 15] se presenta el principio de compensacin de potencia reactiva, en

donde se observa que es posible incrementar la transferencia de potencia en los sistemas

elctricos mediante los compensadores de VAR, estos sistemas estn enfocados a la frecuencia

fundamental, sin embargo, debido a que cada da los sistemas elctricos sufren mscontaminacin armnica debido a las cargas no lineales, por lo tanto es interesante realizar el

estudio de un sistema que combine las dos soluciones.

Como se observa los trabajos previos de compensacin de potencia reactiva asociada

con la impedancia de las lneas de transmisin, se enfocan solamente a la frecuencia

fundamental. Para abordar la otra etapa de compensacin se presenta a continuacin una

breve descripcin de trabajos relacionados con la compensacin de armnicos de tensin y se

da mayor nfasis a los filtros activos que es la solucin que se desarrolla en este trabajo.

II.2.3 Soluciones para compensacin de armnicas

Los sistemas de alimentacin ininterrumpible representan una solucin adecuada para

resolver los problemas con respecto a la calidad de la energa para la carga que alimentan, sin

embargo el uso de las bateras para corregir cortes largos los hace ser equipos relativamente

caros, y por el rectificador que se encuentra en la entrada pueden introducir un alto contenido

armnico en la corriente de lnea. Por otro lado existen otros sistemas denominados filtros

activos que corrigen la mayora de las perturbaciones con excepcin de los cortes largos, pero

tambin reducen el costo del equipo.

En la dcada de 1970 H. Sasaki propone la utilizacin de los filtros activos sin mucho

xito debido a las limitaciones de los dispositivos de potencia que se utilizaron [26]. En la

dcada de 1980 se vuelve a retomar la propuesta aprovechando las nuevas tecnologas de los

semiconductores por F. Z. Peng [27]. En los ltimos 20 aos la proliferacin de cargas nolineales tales como los convertidores de potencia estticos y los hornos de arco entre muchos

otros, dan como resultado una variedad de fenmenos indeseables en la operacin de

sistemas de potencia, que en muchos casos no pueden ser resueltos con filtros pasivos LC. La

diferencia bsica entre los filtros pasivos y los filtros activos es que los filtros activos tienen la

capacidad de compensar dinmicamente variaciones de corriente y tensin.

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II.2.3.1 Filtros activos

Los filtros activos son sistemas que cancelan armnicos de tensin o armnicas de

corriente en redes elctricas. Consisten en inversores de potencia que funcionan como fuente

de tensin o fuente de corriente, y generan los armnicos necesarios solicitados por cargas no

lineales en el mismo instante en que stas lo requieran, cambiando constantemente su

condicin de operacin mediante un circuito de control. Los filtros activos se pueden clasificar

segn su conexin a la red; pueden ser en serie o en paralelo con la carga [19, 20].

Los filtros activos de corriente o filtros activos paralelo, eliminan de la lnea de

alimentacin la circulacin de armnicas de corriente no deseadas y compensan el factor de

potencia de la carga. En la Figura II.1 se ilustra el diagrama equivalente del filtro activo de

corriente (modelado como una fuente de corriente), que emplea un convertidor y un elemento

almacenador de energa. La energa se almacena en forma de corriente continua, ya sea en un

condensador o en un inductor. La compensacin se efecta a costa de la energa almacenada,

por lo que el convertidor controla el flujo de energa en ambos sentidos. El convertidor tiene la

estructura general de un convertidor modulado en anchura de pulso (PWM), y puede ser un

inversor alimentado en tensin o alimentado en corriente. Se pueden adoptar las variantes depuente completo y medio puente.

Vs

Zs

+

is

iL

VL

+

Cargaic

Figura II.1. Circuito equivalente para un filtro activo de corriente.

El filtro activo de tensin o filtro serie reduce variaciones lentas o rpidas de tensin

atenuando ruidos en modo comn y en modo diferencial, cancelando as armnicos de

tensin presentes en la red; las nicas perturbaciones que no reduce son los cortes largos. En

la Figura II.2 se muestra el diagrama equivalente para el filtro activo de tensin. Este filtro

simula a una fuente de tensin en serie con la red y la carga, proporcionando una tensin de

valor igual y de signo opuesto a la perturbacin presente en la red.

Vs

Zs

+

is

iL

VL

+

Carga

Vc

+

Figura II.2. Circuito equivalente para un filtro activo de tensin.

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El filtro universal es la combinacin de filtros activos de corriente y tensin buscando la

agrupacin de sus caractersticas con una etapa de interconexin con almacenamiento de

energa como se observa en la Figura II.3.El filtro universal puede, bajo ciertas condiciones,

compensar potencia reactiva y equilibrar cargas entre fases.

Vs

Zs

+

is

iL

VL

+

CargaVs

Zs

+

is

iL

VL

+

Carga

Figura II.3. Filtro activo universal.

Las principales caractersticas de un filtro activo son: flexibilidad en el control, rpido

tiempo de respuesta, bajo costo de mantenimiento, un equipo puede compensar ampliosrangos de frecuencia, tambin puede proporcionar un rango continuo de compensacin de

potencia reactiva y no presenta problemas de resonancia natural. Sin embargo los filtros

activos presentan desventajas en su implementacin prctica, esto es en la construccin del

inversor con modulacin en ancho de pulso, el cual tiene que ser de gran capacidad, rpida

respuesta dinmica y con pocas prdidas. Otro inconveniente que presentan est en funcin

de los rangos de compensacin que se desean obtener y se ven reflejados en los costos del

sistema. Se han estudiado y desarrollado topologas y diferentes algoritmos de control para

los filtros activos, los cuales aumentan en su complejidad de construccin al tratar de obtener

un mejor desempeo en el control, tal es el caso de los controles no lineales (modos

deslizantes, lgica difusa, control vectorial y pasividad entre otros); en el circuito de potencia

se pueden considerar las opciones monofsica y trifsica, con inversores alimentados entensin o alimentados en corriente, observando en la bibliografa que los sistemas con

inversores alimentados en tensin presentan mayores ventajas que los sistemas con inversores

alimentados en corriente. Estas topologas pueden ser controladas por el filtrado de armnicos,

compensacin en la fase y balanceo de corriente en el sistema de alimentacin, aumentando

la complejidad en el control al tratar de realizar dos o ms funciones del sistema. Los trabajos

ms relevantes en el tema de filtros activos se mencionan a continuacin:

En [28] L. Morn presenta un filtro activo paralelo trifsico implementado con un

inversor PWM fuente de tensin; este sistema elimina las armnicas de corriente de la lnea

generadas por cargas no lineales y compensa el factor de potencia de la carga. La

compensacin del factor de potencia se realiza mediante el control de la magnitud y el ngulo

de fase de los transistores del inversor y no se calculan las componentes de potencia reactiva.

L. Morn muestra un filtro activo hbrido en [29]. Este sistema est constituido por un

filtro activo de tensin conectado en serie al sistema de distribucin de potencia implementado

con un inversor PWM trifsico alimentado en tensin, y por un filtro pasivo LC resonante

conectado en paralelo a las lneas de potencia. El filtro activo compensa desbalances de

tensin lnea a lnea en las terminales de la carga, mediante la componente de secuencia cero.

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Un compensador de factor de potencia y supresor de armnicos trifsico basado en un

inversor alimentado en tensin (filtro activo paralelo) presenta L. Morn en [30]. El esquema

propuesto compensa factor de potencia adelantado o retrasado en un sistema trifasico sin

calcular o sensar las componentes de potencia reactiva.

Debe recordarse que en un principio los controladores FACTS eran empleados en

sistemas de transmisin y los filtros activos se empleaban en sistemas de consumo; pero amedida que pasa el tiempo y la tecnologa de los dispositivos semiconductores se va

desarrollando se observa que tanto los controladores FACTS como los filtros activos pueden

emplearse en el sistema de distribucin. Diversos trabajos analizan la compatibilidad entre

controladores FACTS y filtros activos, algunos trabajos relevantes se presenta a continuacin:

Y. Lee presenta en [18] un compensador VAR esttico, el cual compensa potencia

reactiva y distorsin armnica; este sistema est constituido por cuatro elementos, dos TCRs,

un filtro pasivo y un filtro activo. En este trabajo los TCRs compensan la potencia reactiva, y

el filtro activo mejora el filtrado armnico del filtro pasivo suprimiendo las resonancias entre el

filtro pasivo y la impedancia la red. En la solucin que se presenta emplean cuatro sistemas

acondicionadores de energa para compensar potencia reactiva y contenido armnico; sinembargo, de acuerdo a las caractersticas que tiene el filtro activo serie se observa que se

puede realizar la compensacin de potencia reactiva y de armnicos de tensin en un solo

compensador por lo que se propone desarrollar esta idea en este trabajo de tesis.

Otro artculo importante donde se puede observar que las aplicaciones de los filtros

activos se extienden a media tensin es presentado por H. Akagi [31]. En este trabajo se

muestra un filtro hbrido constituido por un filtro activo serie con una capacidad de 5MVA y

un filtro pasivo paralelo de 25 MVA. Se menciona tambin el desarrollo de filtros activos

paralelo de 16 MVA manufacturados por Toshiba, y se hace mencin a varios filtros activos

paralelo con capacidad entre 40 MVA y 60 MVA instalados en Japn.

En general dentro de bibliografa especializada se observan distintas aplicaciones en los

filtros activos:

Filtros activos compensando solamente armnicos Este es el propsito principal para

el cual se desarrollaron los filtros activos, sin embargo se pueden obtener mayores beneficios

desarrollando otras funciones en estos sistemas.

Filtros activos que compensan armnicos y desbalances: Estos artculos son

importantes debido a que mediante transformaciones ortogonales se obtienen las referencias

de compensacin deseadas.

Filtros activos que compensan armnicos y corrigen el factor de potencia de la carga

En este caso se acondiciona el filtro activo para que pueda compensar el factor de potencia;

esta solucin se ha analizado con buenos resultados, sin embargo se puede considerar analizarms para compensar potencia reactiva del lado de la fuente de alimentacin en lugar del lado

de la carga.

Filtros activos hbridos constituidos por filtros activos serie y filtros pasivos Se emplean

para la compensacin de armnicos de corriente; esta solucin es muy atractiva y debido a las

ventajas que presenta se han desarrollado varios estudios sobre esta solucin, tratando de

mejorar las caractersticas de compensacin.

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Existen tambin trabajos en donde se observan aplicaciones de media tensin para los

filtros activos, algunas de las soluciones que se presentan emplean inversores multinivel para

incrementar la capacidad de tensin que puede manejar el sistema.

Con la revisin bibliogrfica se observa que no se ha desarrollado una solucin que

incluya compensacin de potencia reactiva debido a la impedancia del cableado y

compensacin de armnicos presentes en la lnea elctrica en un mismo sistema. Por otrolado, existen soluciones que constan de diversos elementos para corregir estos dos tipos de

perturbaciones. Considerando los trabajos revisados se plantea la idea de analizar los dos tipos

de problemas por separado y agruparlos en un esquema de filtro activo serie para mejorar su

desempeo, destinado a mejorar las caractersticas de la red elctrica y obtener un mejor

aprovechamiento de sta.

Se propone emplear el filtro activo serie por su principal objetivo de eliminar

armnicos de tensin, y debido a la caracterstica de su estructura de conectarse en serie con

la lnea de transmisin se puede obtener un sistema que represente una impedancia capacitiva

variable que anule el efecto de la impedancia inductiva producida por la lnea de transmisin.

De esta manera, basndose en el principio de operacin del filtro activo serie se piensaagrupar en la referencia que debe seguir, la seal de compensacin de potencia reactiva y la

seal compensacin de los armnicos de tensin. Los fundamentos para la compensacin de

potencia reactiva que se aborda en este trabajo se presentan en la siguiente seccin.

II.3 Compensacin serie

Como se ha mencionado, la funcin de un sistema elctrico de potencia es convertir la

energa en los centros de generacin a la forma elctrica y transportarla a los puntos de

consumo. La energa pocas veces es consumida en la forma elctrica, sin embargo la ventaja

de transformar la energa en forma elctrica es que se puede transportar y controlar con

relativa facilidad y con un alto grado de eficiencia y confiabilidad. Un sistema de potencia

correctamente diseado y operado, debe seguir los siguientes principios [32]:

1.- El sistema debe ser capaz de ajustarse continuamente a los cambios de potencia

activa y reactiva demandada por la carga. A diferencia de otros tipos de energa, la

electricidad no es conveniente almacenarla en grandes cantidades, por consiguiente

la potencia activa y la potencia reactiva siempre se deben mantener y controlar

apropiadamente.

2.- Los sistemas deben abastecer la energa a un costo mnimo y con un mnimo

impacto ecolgico.

3.- La calidad de la potencia suministrada debe cumplir con ciertos estndares mnimosreferentes a los siguientes factores.

a) Variacin de la frecuencia.

b) Fidelidad de la tensin.

c) Nivel de confiabilidad en la operacin.

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Muchos niveles de control involucran un arreglo complejo de dispositivos, los cuales

normalmente se emplean para conocer los requerimientos del sistema. Dentro de los

subsistemas de potencia existen controladores que operan directamente sobre elementos

individuales de los sistemas, en una unidad de generacin, sto consiste en controlar las

fuerzas generadoras y la excitacin. Los controles de las fuerzas generadoras son

principalmente enfocados al control y regulacin de las variables de los sistemas abastecedoresde energa, tales como presiones, flujos y temperaturas en las calderas. La funcin del control

de excitacin es regular la tensin del generador y la salida de la potencia reactiva, las salidas

deseadas de las unidades de generacin individuales son determinadas por el control del

sistema de generacin.

El propsito principal del control del sistema de generacin es balancear todo el sistema

de generacin con las cargas y prdidas del sistema, de tal forma que la frecuencia deseada y

el intercambio de potencia con los sistemas adyacentes se mantienen.

Los controles en la transmisin incluyen dispositivos de control de potencia y tensin,

tales como compensadores VAR estticos, condensadores sncronos, condensadores e

inductores controlados, transformadores de tomas, transformadores con corrimiento de fase ycontroles de transmisin de HVDC. Estos controles contribuyen a una operacin en los

sistemas de potencia satisfactoria, conservando la tensin, la frecuencia y otras variables del

sistema en sus lmites aceptables, tambin tienen un gran impacto en el desempeo dinmico

de los sistemas de potencia y su habilidad de solucionar perturbaciones.

Los objetivos del control dependen de los estados de operacin del sistema de potencia,

bajo condiciones de operacin normales, el objetivo del control es operar lo ms

eficientemente posible con tensiones y frecuencias cercanas a los valores nominales.

Los fenmenos atmosfricos, el mal funcionamiento de los equipos, los errores

humanos y los diseos inadecuados, debilitan el sistema de potencia y pueden ocasionar que

ste falle. Estas fallas usualmente sobrecargan al sistema elctrico ms all de su capacidad y

pueden dar como resultado una perturbacin catastrfica, causando que un sistema

aparentemente seguro se colapse.

II.3.1 Inestabilidad de tensin

La estabilidad de un sistema elctrico se define como la propiedad que le permite a un

estado de operacin mantenerse en equilibrio bajo condiciones de operacin normal y

despus de ser sometido a un disturbio el sistema elctrico puede recuperarse a un estado

aceptable de equilibrio.

La inestabilidad en un sistema elctrico se puede manifestar de diferentes maneras

dependiendo de la distribucin del sistema y del modo de operacin. Uno de los problemasms frecuentes en la estabilidad es poder mantener el sincronismo en los generadores, debido

a que sin sto un sistema de potencia no puede operar de manera satisfactoria. Por otra parte,

la inestabilidad del sistema puede ocurrir sin la prdida del sincronismo en los generadores, si

la tensin en algn nodo de carga se colapsa, este problema es debido a la estabilidad y el

control de la tensin.

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El estudio de la estabilidad analiza el comportamiento del sistema elctrico de potencia

cuando se somete a un disturbio transitorio, ste puede ser grande o pequeo; para pequeos

disturbios tales como las variaciones normales de carga, el sistema cuenta con controles que se

ajustan de acuerdo a las nuevas condiciones, resultando en una sucesin de puntos de

operacin de equilibrio. El sistema debe operar satisfactoriamente bajo estas condiciones y

suministrar sin problemas la potencia requerida por las cargas, tambin el sistema debesoportar disturbios ms grandes de distinta naturaleza tales como cortos circuitos en las lneas

de transmisin, prdida de generadores o la prdida de la carga. La respuesta del sistema a un

disturbio de este tipo implica la operacin de dispositivos de regulacin y proteccin, tales

como relevadores, reguladores de tensin, limitadores de corriente en los generadores,

cambios de tap en transformadores, entre muchos otros, los cuales actuarn dependiendo de

la naturaleza del disturbio.

La estabilidad en un sistema elctrico se puede presentar en estado estable y en estado

transitorio. La estabilidad en estado estable, es la habilidad en un sistema de potencia para

mantener sus condiciones de operacin normales ante cambios de carga relativamente lentos.

La estabilidad en estado transitorio es la habilidad de un sistema para mantener el sincronismo

bajo condiciones de cambios bruscos del balance entre la carga y la generacin; es decircondiciones de fallas y de operaciones de cambio como salidas de lneas de transmisin o

generadores.

Los problemas de estabilidad se clasifican principalmente en dos grandes grupos,

estabilidad angular y estabilidad de tensin. Cualquiera de estos se puede originar debido a un

gran disturbio, en cuyo caso el aspecto dinmico del fenmeno es el relevante, o debido a un

incremento pequeo pero constante de carga del sistema, en donde ahora el aspecto esttico

del fenmeno es el relevante.

II.3.2 Estabilidad angular

La estabilidad angular es la capacidad, habilidad y propiedad de mantener en

sincronismo las mquinas sncronas interconectadas en un sistema elctrico de potencia; el

problema de estabilidad involucra el estudio de las oscilaciones electromecnicas inherentes

en los sistemas de potencia. Un factor fundamental en este problema es la manera en la cual

varan las potencias de salida de las mquinas sncronas con las oscilaciones de los rotores.

Una mquina sncr