Mejora del rendimiento de las redes eléctricas Rolf Grünbaum, Åke Petersson, Björn Thorvaldsson

El sector del suministro de energía esta evolucionando rápidamente por causa de la desregulación y privatización. Durante años, las inversiones en la red de transmisión de muchos mercados no han sido suficientes y esto ha centrado finalmente la atención en el aumento de utilización de las líneas de transmisión existentes, en la cooperación multidisciplinar y en el problema de la calidad de la energía. La consecuencia es el gran interés actual por soluciones, tanto nuevas como clásicas. Precisamente se trata de las soluciones FACTS (Flexible AC Transmission Systems), entre ellas SVC, SVC Light®, TCSC y otras. Estas soluciones, que se benefician de los importantes avances técnicos de la última década, hoy son las soluciones más actuales para muchas y variadas necesidades. Una aplicación típica consistiría en aumentar la capacidad de cualquier línea de transmisión, pero en este artículo nos limitaremos a describir varios casos especiales y el modo en que se han afrontado los requerimientos específicos de los mismos.

S

i alguna vez ha sido necesario un proyecto de prestigio para demostrar las credenciales de FACTS en lo que se refiere a la mejora de las redes de transmisión y distribución, ninguno mejor que los condensadores en serie de 500 kV para Dafang, destinados a asegurar el suministro Revista ABB 3/2002

de electricidad de Beijing, el enlace ferroviario a través del Túnel del Canal de la Mancha o el Paso del Águila, que une Estados Unidos y México, o Cada uno a su manera, estos proyectos evidencian por qué los FACTS despiertan tanto interés en el sector de la electricidad.

Dafang: condensadores en serie para asegurar el suministro en la región de Beijing

La demanda de energía de la zona cubierta por North China Power Network, región de la capital Beijing en la que viven 140 millones de personas, está creciendo de forma 11

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Condensadores en serie de 500 kV en Dafang

constante pero no es fácil instalar una nueva central. Una alternativa interesante consiste en instalar condensadores de compensación en serie en el corredor de transmisión existente. ABB, a la que se encargaron estos trabajos, ha instalado recientemente dos condensadores en serie (ambos con valores nominales 372 MVAr y 500 kV) en el centro de cada línea de un corredor de 300 km con circuitos gemelos, que une Datong y Fangshan 1 . Los equipos entraron en funcionamiento en junio de 2001, apenas nueve meses después de la firma del contrato. Un condensador en serie actúa reduciendo la reactancia de transferencia de la línea hasta la frecuencia de la red (50 Hz) y alimentando al mismo tiempo potencia reactiva al circuito. Esto trae consigo varias ventajas: n Mayor estabilidad angular. Para hacer posible la transmisión siempre debe haber cierta diferencia entre los ángulos de fase 12

de tensión en cualquiera de los extremos de la línea. Esta aumenta con la potencia y el condensador en serie mantiene la diferencia angular entre límites seguros, es decir, asegura que la diferencia angular no aumenta tanto como para poner en peligro la estabilidad angular. n Más estabilidad de la tensión en el corredor. n Reparto optimizado de la potencia entre los circuitos paralelos. Sin los condensadores en serie, la línea con menor capacidad de transmisión se saturaría en primer lugar y no se podría introducir más potencia en el sistema, a pesar de la reserva de capacidad de la otra línea. Los condensadores en serie redistribuyen la potencia entre las línea y mejoran la utilización del sistema. Los condensadores en serie están plenamente integrados en el sistema de potencia, beneficiándose de la capacidad de control, de protección y de supervisión de este.

Están totalmente aislados a tierra. Los dispositivos principales de protección utilizados son varistores de ZnO e interruptores automáticos. Los primeros, destinados a limitar la tensión en el condensador, están complementados por un descargador de disparo forzado para dominar el exceso de corriente durante una secuencia de fallo. Los interruptores automáticos conectan y desconectan los condensadores en serie cuando es necesario. También son necesarios para extinguir el descargador, que no es de autoextinción. Los condensadores han sido dimensionados no solo para el funcionamiento bajo condiciones estables de la red, sino también para la eventualidad de perturbaciones graves en el sistema, como es la pérdida de una de las dos líneas paralelas de 500 kV. En este caso, el condensador de la línea que sigue en servicio ha de ser capaz de dominar durante cierto tiempo la plena carga de ambas líneas. De hecho, esta ha sido una de las razones para instalar en primer lugar los condensadores en serie: para garantizar la seguridad de la transmisión de electricidad a la región de Beijing incluso en caso de caída de una línea. Enlace recíproco en el Paso del Águila (BtB Light)

La tecnología SVC Light1) ha resuelto con éxito los problemas de calidad de la energía en varios proyectos realizados por ABB. Basada en una plataforma común de convertidores VSC, la tecnología SVC Light también aporta soluciones a las aplicaciones de acondicionamiento de la energía eléctrica en los sistemas de transmisión. El enlace del

1) SVC Light es el nombre de producto de un compensador estático síncrono de ABB, basado en IGBT.

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Paso del Águila es un buen ejemplo de proyecto en el que la plataforma VSC ha sido configurada como HVDC recíproco (BtB, back-to-back), aunque el control de la tensión corre por cuenta, primariamente, de los sistemas dobles SVC Light. A este respecto, lo más importante es el hecho de que la instalación de capacidad de transmisión de potencia activa, utilizando HVDC Light a lo largo de una cierta distancia o en configuración recíproca, soporta simultáneamente la transmisión de potencia activa bidireccional y la potencia reactiva dinámica. Por lo tanto, se dispone sin problemas de un robusto soporte para la tensión conjuntamente con la transmisión de potencia en estado estacionario. La subestación del Paso del Águila (operada por AEP, American Electric Power), situada en una zona remota de Texas cercana a la frontera con México, está conectada al sistema de transmisión de Texas por dos líneas de transmisión de 138 kV. La central de generación más cercana de cierta importancia (150 MW) está situada a 145 km, de modo que proporciona un escaso soporte de tensión a la zona del Paso del Águila. El Paso del Águila también dispone de una línea de transmisión de 138 kV que une la subestación de Piedras Negras (operada por CFE, Comisión Federal Eléctrica) en el lado mexicano. Esta es utilizada principalmente en casos de emergencia para transferir cargas entre sistemas eléctricos, aunque dicha transferencia implica la interrupción de la corriente eléctrica, ya que los sistemas de CFE y de AEP son asíncronos (a pesar de tener ambos una frecuencia de 60 Hz). Se ha buscado una solución mejor para superar esta desventaja y además resolver los problemas resultantes del aumento de la demanda.

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La solución: convertidores de fuente de tensión

Los estudios de flujo de cargas demostraron que la instalación de un convertidor de fuente de tensión (VSC) de 36 MVAr directamente en la subestación del Paso del Águila proporcionaría unos años de respiro. La instalación de un VSC es ideal en el caso de sistemas débiles, ya que el soporte reactivo alternativo, proporcionado por condensadores en paralelo, disminuye rápidamente cuando se reduce la tensión. Ampliando este escenario, dos VSC conectados de forma recíproca (BtB) no sólo suministrarían la potencia reactiva necesaria sino que también permitirían transferir potencia activa entre los dos sistemas eléctricos. Un esquema recíproco permitiría mantener permanentemente activada la línea de 138 kV que une el Paso del Águila y Piedras Negras y además transferir instantáneamente potencia activa desde cualquiera de los sistemas. La capacidad de controlar dinámicamente, y al mismo tiempo, tanto la potencia activa como la potencia reactiva no tiene precedentes antes de la existencia de las interconexiones recíprocas basadas en convertidores VSC, ya que esta característica es inherente a los mismos. 2

Diagrama monofilar del enlace

recíproco del Paso del Águila

Eagle Pass

Piedras Negras

VSC

VSC

Dado que la conmutación es activada por sus circuitos internos, un VSC no depende para su funcionamiento del sistema de corriente alterna conectado. Se consigue una flexibilidad total de control utilizando la modulación por anchura del impulso (PWM) para controlar los puentes basados en IGBT. Además, la modulación PWM permite controlar sin restricciones tanto las tensiones de secuencia positiva como las tensiones de secuencia negativa. Esto garantiza un funcionamiento fiable del enlace recíproco (BtB) incluso si los sistemas de corriente alterna conectados están desequilibrados. Además, el enlace puede activar, alimentar y proporcionar soporte a una carga aislada. En el caso del Paso del Águila esto hará posible el suministro ininterrumpido de energía eléctrica para las cargas locales, aunque se hayan disparado las conexiones a una de las redes colindantes. Ambos lados del enlace pueden ser activados también desde el otro lado de la frontera sin necesidad de realizar conmutaciones que pueden provocar la interrupción del suministro a los consumidores. La instalación de enlace recíproco

En la figura 2 se muestra un diagrama monofilar simplificado del enlace recíproco del Paso del Águila. El esquema recíproco (BtB) consta de dos VSC de 36 MVA acoplados a un bus común de condensadores de corriente continua. Los VSC son del tipo NPC (punto neutro fijo), también conocidos con el nombre de convertidores de tres niveles. Cada uno de los VSC está conectado a un conjunto trifásico de reactancias de fase, cada una de las cuales está conectada a un transformador elevador de tensión convencional situado en el lado correspondiente del enla13

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Enlace recíproco BtB

del Paso del Águila Primer plano: equipos a 138 kV y filtros de armónicos. Plano medio: construcciones modulares para alojamiento de los convertidores, sistemas de control y equipos auxiliares. Al fondo: torres de refrigeración para los convertidores IGBT refrigerados por agua.

ce recíproco. En la figura 3 se muestra la disposición de la instalación BtB. Modos de funcionamiento del enlace BtB

Los dos VSC del enlace recíproco (BtB) pueden ser configurados para una gran variedad de funciones. En el Paso del Águila, las principales configuraciones operativas del enlace recíproco son las siguientes: n Control de la tensión n Control de la potencia activa n Funcionamiento independiente de los dos VSC n Funcionamiento del enlace recíproco en caso de imprevistos Control de la tensión

En este modo, tanto el sistema de AEP como el de CFE tienen capacidad para controlar independientemente la tensión. El enlace recíproco proporciona en ambos lados la potencia reactiva requerida para mantener una tensión prefijada. Se puede 14

transferir potencia activa desde cualquiera de los lados manteniendo constante al mismo tiempo la tensión del sistema en ambos lados. Si es necesario, toda transferencia prevista de potencia activa es reducida automática e instantáneamente por el sistema de control para suministrar la potencia reactiva necesaria para mantener la tensión en un valor constante. Control de potencia activa

En este modo es posible transferir potencia activa entre el sistema de AEP y el sistema de CFE. La transferencia de potencia es posible cuando la tensión está dentro de una banda inactiva. Si la tensión está fuera de ella, el enlace recíproco cambia automáticamente al modo de control de tensión. A continuación, el enlace recíproco reduce, automática e instantáneamente, el flujo de potencia activa para suministrar la potencia reactiva necesaria. La banda inactiva ha sido diseñada de forma que la conmutación de los condensadores locales o los cambios de la generación remota, que producen ligeras

oscilaciones de la tensión, no provoque que el enlace recíproco cambie al modo de control de tensión. Funcionamiento independiente de los dos VSC

Si fuera necesario realizar operaciones de mantenimiento en uno de los lados del enlace recíproco (BtB), el otro lado seguirá siendo capaz de controlar la tensión a ambos lados del enlace. Esto se lleva a cabo abriendo el bus de corriente continua con el fin de dividirlo en dos mitades. Cuando el enlace de corriente continua está abierto, no puede transferirse potencia activa entre los dos lados del enlace recíproco. Cada VSC será entonces capaz de suministrar al otro lado hasta ±36 MVAr de potencia reactiva. Funcionamiento del enlace recíproco en caso de imprevistos

Si se pierde una de las líneas de 138 kV en la subestación del Paso del Águila, la línea de 138 kV restante puede soportar solo Revista ABB 3/2002

50 MW de carga en la subestación. En este caso, la tensión cae por debajo de 0,98 pu y el enlace recíproco cambia al modo de control de tensión. La potencia activa se reduce automática e instantáneamente con el fin de asegurar el mantenimiento del nivel de carga de 50 MW en la subestación (carga de AEP más exportación a CFE). El enlace recíproco suministra la potencia reactiva necesaria para mantener una tensión de 1 pu. Estudios del flujo de cargas han demostrado que un imprevisto en la línea de transmisión del lado de AEP afectará poco a la transferencia de energía eléctrica de CFE a AEP. Funcionamiento dinámico Las gráficas reproducidas en 4 muestran

claramente el carácter dinámico del funcionamiento de las instalaciones BtB Light en el Paso del Águila. Las curvas 1–7 muestran la respuesta del enlace recíproco a los rayos en una zona remota, en la que se había producido una caída de tensión en la red de AEP. Durante el fallo, la corriente (capacitiva) en el enlace recíproco se elevó hasta casi 1 pu con el fin de mantener la tensión en el bus del Paso del Águila. Enlace ferroviario en el Túnel del Canal de la Mancha

En 2007 se terminará la línea férrea electrificada del tren de alta velocidad que une Londres y Francia a través del Túnel del Canal. Entonces se podrá viajar de Londres a París en solo dos horas, a una velocidad máxima de 300 km/h. El sistema de alimentación eléctrica ha sido proyectado para cargas elevadas (potencias nominales del orden de 10 MW) y fluctuantes (aceleración y deceleración rápidas). El sistema seleccionado para alimentación de la tracción es un moderno sistema eléctrico de 2 ž 25 kV y Revista ABB 3/2002

PCIA 20000913 17;10;19 Uac Primary Sys A

1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5

1 A B C

PCIC 20000913 17;10;19 Iac P1 C

500

2 A B C

250 0 -250 -500

PCIA 20000913 17;10;19 Iac Sys A

1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5

3 A B C

PCIA 20000913 17;10;19 Uac Sys A

1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 -1.5

4 A B C

PCIC 20000913 17;10;19 Uac S1 C

40

5 A B C

20 0 -20 -40

PCIA 20000913 17;10;19 Udc Sys A

1.4

6 U+ U-

1.2 1.0 0.8

PCIA 20000913 17;10;19 PQ Ref Sys A

1.0

7 P Q

0.5 0 -0.5 -1.0

4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Caso de fallo remoto

1: Tensiones de 138 kV en AEP 2: Intensidades del secundario del transformador reductor de tensión en AEP, en amperios 3: Corrientes de reactancias de fase en AEP 4: Tensiones de 17,9 kV en AEP 5: Tensiones entre fase y tierra de 17,9 kV en AEP 6: Tensiones de corriente continua 7: Convertidor en AEP, referencia de potencia activa (P) y reactiva (Q)

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400 kV

25 kV 25 kV 45 MVAr 40 MVAr

Catenary TCR

3rd

5th

7th

TCR

3rd

5th

7th

SVC

Feeder

un 2% de tensión de secuencia de fase negativa. Para contrarrestar el desequilibrio de la carga, en la subestación de Sellindge se ha instalado un equilibrador de carga (un SVC controlado asimétricamente) 6 . La subestación está conectada trifásicamente a la red. El equilibrador de carga transfiere potencia activa entre las fases con el fin de crear una carga equilibrada (según se observa desde la super-red). A continuación describimos brevemente el funcionamiento del equilibrado de la carga.

45 MVAr 40 MVAr

Corriente de carga 5

Sistema de alimentación de energía eléctrica para el enlace ferroviario del Túnel

del Canal de la Mancha, entre Inglaterra y Francia. Subestación de Singlewell con dos compensadores de var, monofásicos y estáticos, ambos con valores nominales 25 kV y –5/40 MVAr

50 Hz, con sistema de autotransformador integrado para garantizar que la caída de tensión a lo largo de las líneas de tracción sea baja. La reducción de la tensión desde la tensión de red se hace con transformadores conectados entre dos fases 5 . Sistema SVC en los tres puntos de alimentación de energía de tracción Una importante característica de este sistema de energía es el compensador estático de var (SVC), cuya principal función es compensar la asimetría de carga y mantener la tensión del ferrocarril en la eventualidad de disparo de una estación de alimentación, caso en el que dos secciones estarán alimentadas desde una estación La segunda tarea de los SVC es mantener el factor unitario de potencia durante el funcionamiento normal. Esto asegura que la tarifa de la potencia activa sea baja. Tercero, los SVC mitigan la contamina16

ción de armónicos filtrando los armónicos generados por la carga de tracción. Esto es importante, ya que el nivel de armónicos generados por el sistema de tracción en los puntos de conexión de la super-red tiene límites estrictos. Los SVC para mantenimiento de la tensión se conectan al lado de tracción de los transformadores de potencia. Los transformadores de la super-red de alimentación de la energía de tracción tienen dos arrollamientos de Media Tensión en serie, ambos conectados a tierra en su punto medio. Esto da lugar a dos tensiones, desfasadas 180º, entre los terminales del arrollamiento y tierra. Los SVC se conectan a través de dichos arrollamientos. Como consecuencia de ello existen dos SVC monofásicos idénticos que conectan con tierra la alimentación y la catenaria. La carga de tracción, de hasta 120 MW, se conecta entre dos fases. Sin compensación, esto daría lugar a aproximadamente

Cuando la carga se conecta solo entre dos fases (B y C), la corriente de tracción puede expresarse mediante dos vectores de fase que representan la secuencia positiva y la secuencia negativa 7 . La suma de los dos vectores es la corriente resultante (la corriente en la fase A es cero y las corrientes en las fases B y C son de la misma magnitud, pero de fase opuesta). Obsérvese que las amplitudes de los vectores no son verdaderamente representativas. Para compensar la secuencia negativa y por lo tanto equilibrar la corriente que va a ser generada por los sistemas de fuerza, el equilibrador de carga genera una corriente de secuencia de fase negativa (pura), (ILB), tal como se muestra en 8 . Esta corriente equilibra exactamente la corriente de secuencia de fase negativa procedente de la carga (I-LOAD en 7 ). El equilibrador de carga de la subestación de Sellindge 9 ha sido optimizado para hacerse cargo de una carga conectada entre las fases C y A. La teoría dice que, para equilibrar una carga puramente activa, debe conectarse un condensador entre las fases A y B y una reactancia entre las fases B y C. La carga de tracción también tiene Revista ABB 3/2002

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Equilibrador

dinámico de carga en la subestación de Sellindge

una parte reactiva, que debe ser equilibrada de la misma forma. En esta subestación no sólo se compensa la asimetría sino también el factor de potencia. Esto se consigue insertando un condensador entre las fases C y A. Redundancia

Es fundamental contar con una alta disponibilidad, de modo que todos los componentes críticos son redundantes: al circuito principal se le ha añadido una cuarta fase redundante completa. Todas las fases deben ser lo más independientes posible de las otras. 7

Componentes de secuencia de fase de la corriente

de carga Ic Ia Ib

I+LOAD

+

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Ia

I-LOAD

Equilibrado de la corriente de carga Ic

I LOAD

= Ib

8

Ic

Ic

desconectados a la cuarta entrefase para convertir esta en una derivación inductiva o capacitiva. En el sistema trifásico actúan dos sistemas de control independientes, mientras que los sistemas activados por tiristores y los circuitos lógicos actúan directamente sobre cada una de las entrefases. Los sistemas de control están totalmente separados, igual que los circuitos lógicos activados por tiristores y la totalidad del sistema de protección. En caso de fallo en una de las entrefases, el sistema de control hace que se dispare el sistema de protección, y empiece a funcionar la unidad de reserva.

Estos requisitos han dado lugar a una disposición exclusiva de la instalación y a un diseño especial del control y de la protección. Existen cuatro ‘entrefases’ (conjunto de componentes conectados entre fases) totalmente independientes. Cada una de las entrefases incorpora un conjunto independiente de filtros, resistencias, válvulas de tiristores, circuitos lógicos activados por tiristores, transformadores de medición, dispositivos de protección por relés y un sistema de refrigeración. En cada una de las conexiones a las barras de la subestación se han integrado un interruptor y un seccionador. Los filtros pueden ser conectados y

Ib

I LOAD

Ib Ia

+ Ib

Ic

I LB Ic

Ia

=

ILB +ILOAD Ib

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9

Equilibrador dinámico de carga en la subestación de Sellindge (33 kV, – 80/+ 170 MVAr) 400 kV 33 kV

3rd

25 kV 25 kV

84 MVAr

5th 7th

2x42 MVAr

TCR TCR

Standby phase

Catenary

Feeder

Las válvulas de tiristores utilizan un nuevo tipo de tiristor, un dispositivo bidireccional con dos tiristores antiparalelos en una oblea común de silicio. Esto reduce a la mitad el número de unidades necesarias en las válvulas. El tiristor es un dispositivo de 5 pulgadas con una capacidad de corriente de aproximadamente 2.000 A (eficaces). Conclusiones y perspectivas

La mejora del funcionamiento de las redes eléctricas es cada día más importante por razones económicas y medioambientales. Los dispositivos FACTS son la solución mejor establecida en el mercado para mejorar la utilización de las líneas de transmisión. El caso de China es un ejemplo clásico de cómo la actualización de la capacidad de transmisión de la línea existente podría suministrar a la región de Beijing la electricidad que tanto necesita. Esta solución podría ser llevada a la práctica en muy

poco tiempo, en solo 9 meses, para hacer disponible la electricidad generada a gran distancia allí donde se necesita. Con el caso del Paso del Águila hemos ilustrado las posibilidades de las nuevas tecnologías que combinan las características avanzadas de FACTS con la capacidad de interconexión de redes eléctricas. Esta multiplicidad de uso es posible gracias a los últimos desarrollos de la tecnología de semiconductores y de control. Esta instalación ha aumentado enormemente la utilización de los recursos disponibles para la transmisión. Finalmente, el enlace ferroviario del Túnel del Canal muestra la flexibilidad de los dispositivos FACTS, que también pueden ser utilizados para resolver los problemas creados por cargas de nuevo tipo. El desequilibrio provocado por las nuevas cargas ferroviarias puede ser mitigado con soluciones robustas que evitan la degradación del suministro eléctrico para los usuarios.

En un futuro próximo veremos que los dispositivos FACTS encuentran usos más amplios cuando previamente se ha mejorado el funcionamiento de la red. El grado en que es posible controlar la red reducirá las inversiones en líneas físicas de transmisión. Actualmente, ABB está estudiando la posibilidad de combinar los dispositivos FACTS con la información en tiempo real y las tecnologías de la información, llevando así a estos dispositivos más cerca de sus límites físicos.

Autores Rolf Grünbaum Åke Petersson Björn Thorvaldsson ABB Utilities AB Power Systems SE-721 64 Västerås Suecia Fax: +46 21 32 48 10 [email protected]

Bibliografía [1] R. Grünbaum, M. Noroozian, B. Thorvaldsson: FACTS, poderosos sistemas para una transmisión flexible de la energía. Revista ABB, 5/1999, 4–17.

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