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MODELAMIENTO Y APLICACIÓN DE COMPENSACIÓN SERIE CONTROLADA
CON TCSC
MARGARITA MARÍA CALDERÓN CELY
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2006
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MODELAMIENTO Y APLICACIÓN DE COMPENSACIÓN SERIE CONTROLADA
CON TCSC
MARGARITA MARÍA CALDERÓN CELY
Trabajo de Grado presentado como requisito
para optar por el título de Ingeniero Eléctrico
Asesor: Victor Manuel Diez
Coasesor: Alvaro Torres
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2006
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PAGINA DE ACEPTACION
Nota de Aceptación
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________________________________
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Presidente del Jurado
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Jurado
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Jurado
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A mi familia, Gracias por todo el apoyo que me brindaron durante esta etapa
de logros personales y profesionales.
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AGRADECIMIENTOS
A VICTOR MANUEL DIEZ. Ing. Electricista, quien colaboro con la
realización de este proyecto.
A Todos quienes directa o indirectamente colaboraron con la realización
de este proyecto.
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TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN………………………………………………………………………………..10
1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………...11
1.1 Justificación…………………………………………………………………..11
1.2 Objetivos………………………………………………………………………11
2. Sistemas FACTS…………………………………………………………………12
2.1 Generalidades………………………………………………………………..12
2.2 Aplicaciones Típicas…………………………………………………………13
3. Compensación Serie Capacitiva……………………………………………….16
3.1 Características………………………………………………………………..16
3.2 Línea de Transmisión con Compensación Serie Capacitiva……………17
3.2.1 Capacidad de Flujo de Potencia……………………………………18
3.2.2 Balance de Potencia Reactiva……………………………………...19
3.2.3 Control de Voltaje sin Carga………………………………………..21
4. Compensación Serie controlada por Tiristores “TCSC”……………………..22
4.1 Características………………………………………………………………..22
4.2 Reactor Controlado por Tiristores “TCR”………………………………….23
4.2.1 Control del TCR……………………………………………………...28
4.2.2 TCR en PSCAD………………………………………………………32
4.3 Capacitor Serie Fijo “FSC”………………………………………………….35
4.3.1 Banco de Condensadores………………………………………….37
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4.3.2 Varistor de Óxido Metálico………………………………………….38
4.3.3 Descargador…………………………………………………………..38
4.3.4 Interruptor de Bypass………………………………………………..38
4.4 Operación del TCSC………………………………………………………..39
4.4.1 Modos de Operación…………………………………………………41
5. Interconexión Colombia – Ecuador…………………………………………….44
5.1 Características…..…………………………………………………………...44
5.2 Implementación en PSCAD………………………………………………...46
6. Diseño de TCSC para la Interconexión……………………………………….51
7. Interconexión compensada con TCSC……………………………………….54
CONCLUSIONES……………………………………………………………………….60
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………62
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Parámetros del sistema de potencia que pueden ser controlados por los
diferentes dispositivos FACTS…………………………………………………………13
Figura 2. Línea de transmisión con compensación serie capacitiva …………….17
Figura 3. Balance de Potencia Reactiva……………………………………………. 20
Figura 4. Control de Voltaje sin Carga………………………………………………. 21
Figura 5. Circuito equivalente de un TCSC………………………………………….23
Figura 6. Esquema básico de un TCR……………………………………………….23
Figura 7. Curvas características de corriente del TCR……………………………..24
Figura 8. Total de Armónicos…………………………………………………………. 28
Figura 9. Módulo VCO en PSCAD……………………………………………………. 29
Figura 10. Señal de salida del VCO………………………………………………….30
Figura 11. Generador de pulsos de disparo T1 y T2……………………………….30
Figura 12. Señales de control del TCR……………………………………………….32
Figura 13. TCS en PSCAD……………………………………………………………. 32
Figura 14. Curvas TCR con α = 90°………………………………………………….. 33
Figura 15. Curvas TCR con α = 100°…………………………………………………34
Figura 16. Curvas TCR con α = 130°………………………………………………....34
Figura 17. Curvas TCR con α = 150°…………………………………………………35
Figura 18. Diagrama unifilar de un FCS………………………………………………36
Figura 19. Banco de Condensadores…………………………………………………37
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Figura 20. Unidad de Banco de condensadores con MOV…………………………38
Figura 21. Operación del TCSC con angulo de disparo de 130°…………………40
Figura 22. Modo de Tiristor Bloqueado α = 180°……………………………………42
Figura 23. Modo de Bypass α = 90°…………………………………………………. 43
Figura 24. Unifilar área suroccidental 230 kV………………………………………..46
Figura 25. Interconexión Colombia – Ecuador en PSCAD…………………………47
Figura 26. Curvas de Tensión S/E Jamondino………………………………………47
Figura 27. Curvas de Corriente S/E Jamondino…………………………………….48
Figura 28. Curvas de Tensión S/E Pomasqui……………………………………….48
Figura 29. Curvas de Corriente S/E Pomasqui……………………………………. 49
Figura 30. Potencia Activa Interconexión Colombia – Ecuador…………………...49
Figura 31. Potencia Reactiva Interconexión Colombia – Ecuador………………...50
Figura 32. Modelo de TCSC diseñado para interconexión…………………………53
Figura 33. Interconexión compensada con TCSC…………………………………..54
Figura 34. Transferencia de Potencia sin TCSC……………………………………55
Figura 35. Señales del TCSC en servicio con ángulo de disparo de 130°……….56
Figura 36. Señales del TCSC en servicio con ángulo de disparo de 170°………57
Figura 37. Potencia Transferida Con TCSC con ángulo de disparo de 170°…….58
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RESUMEN
El objetivo de este trabajo es mostrar el modelo de un TCSC (Tryristor Controlled
Series Compesator) desarrollado para la línea de transmisión de la interconexión
Colombia – Ecuador y validar su comportamiento eléctrico dentro del sistema de
potencia.
Este trabajo analiza en forma general los dispositivos FACTS y sus habilidades
para controlar los parámetros del sistema de potencia. Se entra en detalle a definir
el funcionamiento de la compensación serie fija para líneas de transmisión, sus
efectos, beneficios y limitaciones. En el trabajo se analiza con profundidad el
dispositivo FACT tipo TCSC, del cual se muestran sus características,
componentes, ecuaciones de estado estable y operación como parte integral de
un sistema.
Lo anterior con la finalidad de realizar el diseño de un dispositivo de este tipo, para
la interconexión Colombia – Ecuador, el cual se implementa en su totalidad en
PSCAD para validar su correcto comportamiento en el sistema.
Para el desarrollo de los modelos se utiliza el software PSCAD, que es la interfaz
gráfica del EMTDC. Es una herramienta que permite analizar sistemas cuando
involucran elementos de electrónica de potencia como los sistemas FACTS.
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1. INTRODUCCIÓN
1.1 JUSTIFICACIÓN
En la actualidad se evidencia un crecimiento constante de la demanda de energía
en el país así como un incremento en las interconexiones con sistemas de
potencia de otros países, por esto se hace necesario un aumento en la capacidad
de transmisión. Esto se hace siempre buscando un incremento en la calidad de la
energía suministrada y al mismo tiempo beneficios económicos para las partes
involucradas.
Para afrontar este reto existen dos alternativas, la primera es la expansión, que se
encuentra limitada por factores económicos y medioambientales que dificultan la
construcción de nuevas redes de transmisión; la segunda alternativa son los
sistemas FACTS (Flexib le AC Transmission Systems) aplicables en las redes
actuales donde se presentan problemas de sobrecarga en algunas líneas y
subutilización en otras. Cabe anotar, que la implementación de sistemas FACTS
no llega a ser un reemplazo de la expansión.
1.2 OBJETIVO
Este trabajo tiene como objetivo realizar el modelo de un TCSC (Tryristor
Controlled Series Compesator), para implementar en una línea de transmisión y
validar su comportamiento eléctrico dentro del sistema de potencia.
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2. SISTEMAS FLEXIBLES DE TRANSMISIÓN AC “FACTS”
2.1 GENERALIDADES
Los Sistemas Flexibles de Transmisión AC (FACTS) utilizan las herramientas de
electrónica de potencia, destinados a obtener transmisión de potencia en óptimas
condiciones, ya que ofrecen un control técnico y económico del flujo de potencia
dentro de un sistema.
Mediante la implementación de estos sistemas en la infraestructura actual se
puede afrontar el reto de incrementar la capacidad de transmisión sin incrementar
los riesgos de estabilidad del sistema, mediante el control electrónico del flujo de
potencia tanto como para estado estable como para condiciones de estado
transitorio, donde se obtienen como beneficio el aumento en la capacidad de
transmisión en redes existentes, aumentando la confiabilidad y disponibilidad de la
misma.
La familia de dispositivos FACTS esta compuesta por: SVC Compensadores
Estáticos (SVCs), Compensadores Serie Controlados por Triristores (TCSCs),
Transformadores de Desplazamiento de Fase (PSTs), Compensadores Estáticos
Síncronos (STAT-COM), Compensadores en Serie Estáticos Síncronos (SSSC) y
Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC); cada uno de estos
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dispositivos tiene la capacidad de realizar control sobre diferentes parametros del
sistema de potencia, como se puede ver en la figura 1.
Figura 1. Parámetros del sistema de potencia que pueden ser controlados por los diferentes
dispositiv os FACTS.
2.2 APLICACIONES TÍPICAS
Como ya se dijo anteriormente los sistemas FACTS tienen la capacidad de ejercer
control sobre diferentes parámetros del sistema de potencia, lo que hace que cada
uno de ellos pueda ser aplicado para afrontar diferentes condiciones del sistema.
Las aplicaciones típicas de estos sistemas son: en conexión de generación,
interconexión de sistemas, conexión de cargas y aumento en utilización de redes
existentes.
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Conexión de Generación: La misión fundamental en esta aplicación, se presenta
cuando los centros de generación se encuentran muy alejados de la carga. Donde
se generan problemas de caída de tensión en el extremo receptor, ocasionadas
por las largas distancias que deben ser recorridas.
El SVC y el SC son los sistemas FACTS de utilidad para este tipo de problema,
dado que como se puede ver en la figura 1, el SVC ejerce influencia directa sobre
la tensión de los dos extremos de la línea, lo que permite mantener los niveles de
tensión en rangos adecuados y la compensación serie actúa sobre la reactancia
de la línea reduciendo la distancia eléctrica de la línea.
Interconexión: Se pueden utilizar para interconexión dentro de una misma red
cuando hay largas distancias y entre sistemas separados; en la primera la
finalidad es reforzar los circuitos mediante el uso de compensación estática SVC y
en la segunda se tiene por objetivo buscar una transmisión confiable y estable
para los dos sistemas involucrados utilizando la compensación serie tipo TCSC.
Conexión de Cargas: Hay tres escenarios en los que se pueden utilizar cuando
hay cargas aisladas dependientes de generación local, con cargas industriales en
donde se presentan problemas de calidad de la energía relacionadas a flickers y
armónicos y en cargas de tracción donde hay problemas también de calidad pero
relacionadas con desequilibrio.
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Aumento de Utilización en Redes Existentes: La finalidad es utilizar la
infraestructura ya instalada más efectivamente, aumentando la capacidad y la
disponibilidad mediante una rapidez en la respuesta de estado estable y transitorio
y una disminución en perdidas.
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3. COMPENSACIÓN SERIE CAPACITIVA
3.1 CARACTERÍSTICAS
Los objetivos que se buscan al realizar la compensación serie es realizar un
control del flujo de potencia en la línea de transmisión y mejorar la estabilidad del
sistema. Mediante una disminución en la reactancia efectiva de la línea,
generando un aumento en la potencia activa que puede ser transmitida, mediante
una reducción en el ángulo de transmisión.
El uso mas frecuente de los condensadores en compensación serie es en líneas
de transmisión de grandes longitudes, pero también pueden ser implementados en
líneas doble circuito (líneas paralelas) para ajustar el flujo de potencia a través de
cada una de ellas. La instalación de la compensación serie se realiza concentrada
en un sitio específico de la línea según las necesidades de compensación, es
importante resaltar que no se realiza una compensación distribuida a lo largo de la
línea sino que se realiza una compensación concentrada.
Cuando se determina la compensación que va a tener para una línea de
transmisión es importante tener en cuenta que el grado de compensación que se
este utilizando no genere una frecuencia de resonancia que sea igual a la
frecuencia del sistema, ya que esto generaría que el sistema sea poco
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amortiguado y por lo tanto se puede volver muy sensible a pequeñas variaciones,
llevándolo fácilmente a la inestabilidad.
Al implementar compensación serie se observan efectos de incremento en
márgenes de estabilidad de voltaje, estabilidad transitoria, amortiguamiento de
oscilaciones de potencia y amortiguamiento de oscilaciones subsincrónas.
3.2 LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON COMPENSACIÓN SERIE CAPACITIVA
La compensación serie capacitiva tiene una reactancia negativa
CX C ω
1−= Ec. 1
Que compensa la reactancia de la línea de transmisión, que es:
LX L ω= Ec. 2
La potencia reactiva consumida en la línea y la generada por el condensador son
las mostradas en las ecuaciones 3 y 4 correspondientemente.
2* IXQ LL = Ec. 3
2* IXQ CC = Ec. 4
Figura 21. Línea de transmisión con compensación serie capacitiv a
1ABB Power Techologies, Suecia. Semirario acerca de FACTS. Pág 8.
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La compensación serie capacitiva tiene el efecto de reducir la reactancia efectiva
de la línea de transmisión, como se muestra a continuación:
)1(' kXXXX LcLL −=−= Ec. 5
L
c
XX
k = Ec. 6
Donde: XL’ es la reactancia efectiva de la línea con compensación serie capacitiva
y k se denomina el factor del grado de compensación. Utilizando la ecuación 5 se
encuentra que la impedancia de línea va a ser:
)1()1('
' 00 kZX
kXXX
Zcp
L
cp
L −=−
== Ec. 7
3.2.1 Capacidad de Flujo de Potencia
Para poder analizar el efecto de la compensación en la capacidad de flujo de
potencia de la línea, se muestra que sin compensación la potencia activa
transportada sería:
)(*
0
21 δsenZ
UUP = Ec. 8
Ahora teniendo en cuenta la compensación serie y suponiendo un grado de
compensación del 50%, entonces se obtiene:
000 707.0)5.01(' ZZZ =−= Ec. 9
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PsenZ
UUsen
ZUU
P 41.1)(707.0
*)(
'*
'0
21
0
21 === δδ Ec. 10
De lo anterior se puede observar como con una compensación serie capacitiva se
puede incrementar la potencia máxima transmitida por un sistema, y esta va a
estar dada por:
)1(' max
max kP
P−
= Ec. 11
Adicionalmente el aumento en la capacidad de transmisión de potencia, se realiza
sin una modificación en el ángulo del sistema, luego no se está afectando los
niveles de estabilidad.
3.2.2 Balance de Potencia Reactiva
En una línea de transmisión es importante tener un balance entre la potencia
reactiva capacitiva e inductiva, la primera es generada por la capacitancias
parásitas a lo largo de la línea y la segunda es consumida por la impedancia de la
línea, el balance entre estas dos determina la cargabilidad de la línea.
Cuando la línea de transmisión tiene compensación serie capacitiva el balance de
potencia reactiva (como se muestra en la figura 3) permite una mayor cargabilidad
de la línea de transmisión, dado que la compensación serie genera potencia
reactiva capacitiva proporcional a la corriente de línea.
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Figura 32. Balance de Potencia Reactiv a
En la figura 3 se puede observar el efecto de la compensación serie capacitiva en
el balance de potencia reactiva en una línea de transmisión con un nivel de
tensión de 500kV y longitud de 500 km.
Primero se tiene la línea sin compensación serie donde se ve que el balance de
potencia reactiva, solo permite un flujo de potencia activa de aproximadamente
900MW. Luego la línea tiene una compensación serie de 50%, los reactivos
generados por la compensación permiten que el balance de potencia reactiva se
presente a un nivel de flujo de potencia mayor.
2 ABB Power Techologies, Suecia. Semirario acerca de FACTS. Pág 12.
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3.2.3 Control de Voltaje sin Carga
Un beneficio que tiene la compensación serie, es que permite un mayor control del
voltaje de línea cuando el circuito se encuentra energizado en vacío, es decir no
se tiene conectada carga al sistema. Ya que el aumento de voltaje en el extremo
de recibo de la línea de transmisión en estas condiciones es menor que el que se
presenta cuando no existe compensación como se puede ver en la figura 4.
Figura 4. Control de Voltaje sin Carga
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4. COMPENSACIÓN SERIE CONTROLADA POR TIRISTORES
“TCSC”
4.1 CARACTERÍSTICAS
Un TCSC es capaz de controlar rápidamente la potencia activa a través de una
línea de transmisión, esto lo realiza mediante un rápido ajuste de la reactancia
aparente de la línea. Pertenece a la familia de controladores FACTS que utilizan la
electrónica de potencia para controlar parámetros de un sistema de potencia en el
lado de alta tensión.
La habilidad que tiene el TCSC para variar rápidamente la reactancia de la línea,
que es un parámetro que afecta el flujo de potencia por la línea de transmisión,
permite que se mitigue el enorme desbalance de potencia entre la potencia
mecánica del generador y la carga eléctrica durante una perturbación del sistema,
por esta razón son utilizados para incrementar el margen de estabilidad.
El esquema básico de la compensación serie tipo TCSC consiste en un capacitor
serie fijo (FSC) en paralelo con una reactancia variable controlada con tiristores en
antiparalelo (TCR), como se muestra en la figura 5.
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Figura 5. Circuito equiv alente de un TCSC
4.2 REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES “TCR”
El TCR esta compuesto por dos tiristores en sentidos opuestos y una bobina de
reactancia fija en serie, como se muestra en la figura 6. La corriente es controlada
mediante el control de fase de los tiristores.
Figura 63. Esquema básico de un TCR
3 Power Electronic Control in Electrical Systems. T.J.E Miller. Capítulo 6. 2002.
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El control es ejercido por los tiristores los cuales al encontrarse en antiparalelo
conducen en alternancia de medio ciclo. Si los tiristores se encuentran en
conducción en los picos de voltaje, entonces los tiristores se comportan como si
fueran corto circuitos y la conducción en el reactor es máxima.
El controlador de los tiristores, lo que busca es el reactor se comporte como una
suceptancia controlable, en función del ángulo de disparo de los tiristores. Sin
embargo esto lo logra mediante la generación de armónicos que permite que el
TCR mantenga su frecuencia fundamental. Estos armónicos no escapan hacia la
red en aplicaciones con el TCSC debido a que la impedancia de los
condensadores es muy baja comparada con la impedancia equivalente de la red.
En la figura 7 se muestran las curvas características de corriente del TCR con
respecto al ángulo de disparo de los tiristores (α) y el ángulo de conducción (σ). El
ángulo α es medido desde el cruce por cero del voltaje, el efecto que tiene el
aumento de este ángulo desde los 90° hasta los 180° es que se reduce la
componente armónica de la corriente por medio de una conducción parcial, lo que
se refleja como una aumento en la inductancia del reactor reduciendo la inyección
potencia reactiva a la red.
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De la figura 7(a), se puede ver que no hay retraso en el disparo de los tiristores,
luego el comportamiento de estos es como si estuvieran en corto circuito y es
cuando el TCR se encuentra en máxima conducción.
La relación entre el ángulo de conducción y el de disparo esta dado por:
( )απσ −= 2 Ec. 12
Figura 74. Curv as características de corriente del TCR a) α=90°, b) α=100°, c) α=130°, d)
α=150°
4 Power Electronic Control in Electrical Systems. T.J.E Miller. Capítulo 6. 2002
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Al tener el voltaje )sin(2)( ttv ω= , se encuentra que la corriente instantánea a
través del TCR va a estar dada por:
∫=t
dttL
tiω
α
ω )sin(21
)( Ec. 13
( )
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
+<<+
+≤≤−
=παωσα
σαωαωα
t
ttX
V
tiL
0
)cos()cos(2
)( Ec. 14
Donde: V es el valor RMS de la tensión, LX L ω= [Ω] es la reactancia del reactor y
fπω 2= con f la frecuencia fundamental del sistema.
Realizando un análisis de Fourier se encuentra la componente fundamental de la
corriente
( ) ( )( )ααππ
2sin21 +−=L
f jXV
I Ec. 15
La componente fundamental de la corriente en función del ángulo de conducción
(Ec. 12), esta dada por:
VX
IL
f πσσ
σ)sin(
)(1−
= Ec. 16
La suceptancia a la frecuencia fundamental controlada por el ángulo de
conducción es:
LL X
Bπ
σσσ
)sin()(
−= Ec. 17
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La suceptancia va a tener su valor máximo cuando es el inverso de la reactancia
(1/XL), esto corresponde a un ángulo de conducción de 180° (α = 0°), la curva de
corriente esta dada por la figura 7(a). Por otro lado, el valor mínimo de la
suceptancia se presenta cuando el ángulo de conducción es 0° (α = 180°).
Utilizando la Ec. 17 la Ec. 16 puede ser escrita como:
VBI Lf )(1 σ= Ec. 18
Otros efectos que tiene al reducir el ángulo de disparo es que se reducen las
pérdidas de potencia en el TCR, pero también se generan unas pequeñas
pérdidas como consecuencia de corrientes armónicas que el TCR. Como se dijo
anteriormente el TCR logra mantener su frecuencia fundamental, por medio de la
generación de armónicos. Si el ángulo de disparo se encuentra balanceado en
ambos tiristores, se generan todos los armónicos de orden impar. La componente
de corriente armónica de orden n en función del ángulo de disparo de lo tiristores
es:
...7,5,3)sin(
cos)1(2)1sin(
)1(2)1sin(4
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
−−
+++
= nnn
nn
nn
XV
IL
nα
ααα
π Ec. 19
Las corrientes armónicas que ocasionan pequeñas perdidas pueden ser vistas en
su totalidad y comparadas con la corriente fundamental del TCR en la figura 8
cuando el dispositivo se encuentra en condición de máxima conducción
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Figura 85. Total de Armónicos
4.2.1 Control del TCR6
El sistema de control para un TCR se encuentra determinado por una señal de
disparo a los tiristores. Existen sistemas donde esta señal corresponde
directamente a un valor determinado de suceptacia que requiere el sistema en
determinado momento. También hay algoritmos de control que genera los pulsos
de disparo mediante el procesamiento de medidas en parámetros del sistema
compensado.
El algoritmo de control del TCR se basa en la generación de trenes de pulsos, los
cuales son las señales de disparo de los tiristores. Se utiliza un oscilador
controlado por voltaje (VCO), el cual tiene como referencia la señal de 60Hz que
produce una salida tipo rampa (proporcional a la referencia que se tiene como
5 Power Electronic Control in Electrical Systems. T.J.E Miller. Capítulo 6. 2002 6 Acosta, Álvaro. “ Métodos de Control de las Tecnologías FACTS”. Uniandes. 2005.
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entrada), que va de 0º a 360º, una vez se alcanzan los 360° y reinicia nuevamente
en 0°.
Figura 9. Módulo VCO en PSCAD
La salida VCO será la referencia que se tendrá para producir los pulsos de disparo
que van a ser enviados a los tiristores. Para esto se emplea un generador de
pulsos que tiene como entradas, señal proveniente del VCO y el ángulo de disparo
deseado, esto genera un pulso de un ancho determinado. Como se cuenta con
dos tiristores que están en antiparalelo, es necesario tener dos módulos de
generación de pulsos, uno desfasado 180º del otro, esto permite la alternancia de
conducción de medio ciclo.
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Main : Graphs
0.000 0.050 0.100 0.150 0.200
0
50
100
150
200
250
300
350
400
y
VCO
Figura 10. Señal de salida del VCO
Figura 11. Generador de pulsos de disparo T1 y T2
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Los pulsos T1 y T2 son las señales de disparo que van a los tiristores, para que
estén en conducción. Cuando se realiza el control para la generación de los pulsos
de disparo para el arreglo de tiristores, es muy importante que estos se
encuentren balanceados. Es decir, que el ángulo de conducción sea el mismo
para los dos tiristores, de lo contrario se van a generar componentes armónicos
adicionales, en ocasiones pueden ser DC.
Para garantizar esto se utiliza la misma señal de referencia proveniente del VCO
como referencia para los dos generadores de pulsos y también el ángulo (a1 y a2)
para cada uno de los esta dado por la misma señal, solamente para poder realizar
la alternancia de ciclos de conducción de los tiristores en antiparalelo uno se
retrasa 180°.
Las señales resultantes de control para el TCR se muestran en la figura 12, donde
se puede ver que el pulso de disparo (T1), se genera en el momento en que el
ángulo de disparo (a1) cruza con la referencia proveniente del VCO, lo mismo
pasa para el otro tiristor.
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Control TCR
0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.056 0.064 128.125
0.0
400
y
310.000 310.000 0.000
Min 310.000
VCO a1 a2
-2.00
2.00
y
0.098 0.000 -0.098
Min 0.000
T1
-2.00
2.00
y
0.000 0.000 0.000
Min 0.000
T2
Figura 12. Señales de control del TCR
4.2.2 TCR en PSCAD
El TCS es implementado en PSCAD, el circuito es mostrado en la figura 13.
Figura 13. TCS en PSCAD
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Como se ve las señales T1 y T2 que entran a la compuerta de los tiristores, son
las provenientes del sistema de control. Que traen toda la información que
involucra el ángulo de disparo. Para determinar la conducción de los tiristores y
poder variar la corriente a través del TCR.
En las figuras 14, 15, 16, 17 se muestran las curvas de voltaje y corriente
características del TCR para diferentes ángulos de disparo. En la primera de ellas
se puede observar que con el ángulo de disparo igual a 90° no se presenta un
retardo en la señal de corriente, luego el efecto es el esperado que los tiristores se
comportan como corto circuito.
TCR
0.050 0.100 0.150 0.200
-200 -150 -100 -50
0 50
100 150 200
y
VL Vs
-200 -150 -100 -50
0 50
100 150 200
y
IL
Figura 14. Curv as TCR con α = 90°
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TCR
0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300
-200 -150 -100 -50
0 50
100 150 200
y
VL Vs
-150
-100
-50
0
50
100
150
y
IL
Figura 15. Curv as TCR con α = 100°
TCR
0.050 0.100 0.150 0.200
-200
-150 -100 -50
0 50
100
150 200
y
VL Vs
-80 -60 -40 -20
0 20 40
60 80
y
IL
Figura 16. Curv as TCR con α = 130°
IEL1-I-06-03
35
TCR
0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300
-200 -150
-100 -50
0 50
100
150 200
y
VL Vs
-30
-20
-10
0
10
20
30
y
IL
Figura 17. Curv as TCR con α = 150°
Estas curvas pueden ser comparadas con las que se muestran en la figura 7,
luego se comprueba que el control implementado para el TCR actúa de la manera
correcta pues a mayor retardo en la señal de disparo menor es la conducción de
corriente a través del TCR.
4.3 COMPENSADOR SERIE FIJO “FSC”
El TCSC tiene dos componentes básicos, que son el Capacitor en Serie Fijo (FSC)
y el TCR. En la sección anterior se explico el componente que permite al TCSC
ser un dispositivo de control activo en el sistema. Sin embargo, hay otros
elementos que componen un TCSC en su totalidad y estos están asociados al
FSC.
IEL1-I-06-03
36
El diagrama unifilar del FSC se muestra en la figura 17, este consiste en un banco
de condensadores (B), en paralelo con un varistor de óxido metálico (MOV), un
inductor de amortiguamiento en serie (A), un descargador (C) y un interruptor de
bypass (I).
Figura 18. Diagrama unifilar de un FCS
Un FSC para este tipo de aplicaciones debe ser diseñado teniendo en cuenta
parámetros del sistema, como son la corriente nominal de la línea y sus
componentes. Los parámetros que se deben tener en cuenta son: el rango de
potencia que va a ser compensado en [Mvar], la corriente nominal de línea [A], la
tensión línea – línea del sistema [kV], la reactancia de la línea [Ω] y la frecuencia
del sistema.
IEL1-I-06-03
37
4.3.1 Banco de Condensadores
Los bancos de condensadores, son diseñados según una impedancia específica
requerida que es equivalente a la capacitancia del banco. Los condensadores
están dispuestos en grupos dispuestos en paralelo, forman un arreglo de
condensadores en serie que va en dos segmentos (como lo indica la figura 19).
Figura 19. Banco de Condensadores
Es importante que exista un balance de corriente en la totalidad del banco de
condensadores, para evitar que existan sobrecargas de estos, para esta razón
debe haber un transformador de corriente (CT) para poder controlar ese balance.
Los condensadores deben ser diseñados de modo tal que provean los
requerimientos de inyección de potencia reactiva en el sistema al ser expuestos a
la corriente nominal de la línea, esto es en la condición de operación normal del
sistema.
4.3.2 Varistor de Óxido Metálico (MOV)
Cuando se presenta una falla, hay un aumento en la tensión del banco, lo puede
producir un daño individual en alguno de condensadores, lo que ocasionaría un
IEL1-I-06-03
38
desbalance de corriente en el banco. Por esta razón, cada grupo de
condensadores debe poder limitar la tensión a determinados valores, para lograr
esto se tiene como mecanismo de protección el varistor de óxido metálico (MOV)
que es instalado en paralelo.
Figura 20. Unidad de Banco de condensadores con MOV
4.3.3 Circuito de Amortiguamiento (A)
El circuito de amortiguamiento consiste en un reactor y una resistencia de
amortiguamiento. Como se puede ver en la figura 18 este circuito va en serie con
el arreglo banco de condensadores – MOV. La función de este circuito es limitar y
amortiguar las oscilaciones de corriente que pueden ser producidas por el banco,
a valores que no perjudiquen otros equipos del sistema.
4.3.4 Descargador (C)
El descargador y el MOV trabajan en conjunto para proteger contra
sobretensiones, el descargador es disparado mediante una señal que proviene del
IEL1-I-06-03
39
sistema de protección que supervisa las corrientes y la energía del MOV. Es una
protección de rápida acción para proteger el arreglo de condensadores, ya que el
interruptor de bypass tiene un tiempo de cierre de aproximadamente unos 60ms,
lo cual es un periodo muy largo de tiempo para que los condensadores soporten
una sobretensión.
4.3.5 Interruptor de Bypass (I)
Como su nombre lo indica este interruptor es para puentear el FSC y dejar la línea
de transmisión sin compensación. El interruptor debe estar cerrado cuando el
sistema este operando en condiciones de contingencia o falla que pueden
ocasionar daños en la compensación.
4.4 OPERACIÓN DEL TCSC
El funcionamiento básico del TCSC es mediante una operación ON-OFF de los
tiristores en el cruce por cero de la corriente de la malla (con el fin de disminuir
armónicos), el voltaje del capacitor es la referencia del ángulo de disparo α para
los tiristores que son disparados cuando VC e IC son opuestos en polaridad,
permitiendo un rango de 900 < α ≤ 1800.
En la figura 21 se puede observar lo anteriormente dicho, en donde el cruce por 0
del voltaje en el condensador se encuentra indicado por la marca “x” y luego se
muestra el disparo del tiristor por la marca “o”, el tiempo que transcurre entre estos
dos eventos es de 6 ms, lo que corresponde a un ángulo de disparo de 130o.
IEL1-I-06-03
40
TCSC
0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.226 0.231 184.722
-15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0
10.0 15.0 20.0
Amperios
14.282 -1.273 -15.555
Min -0.001 Max 14.587
Iind
-400 -300 -200 -100
0 100 200 300 400
Voltios
-18.309 366.124 384.433
Min 20.086 Max 373.424
Vind Vcap
Figura 21. Operación del TCSC con ángulo de disparo de 130°
Con todo esto resulta un flujo de corriente Iloop que es opuesto al capacitor, lo que
genera un incremento del voltaje a través del capacitor y de la compensación
serie. A medida α disminuye desde 1800, Iloop aumenta.
IEL1-I-06-03
41
La reactancia del TCSC en función del ángulo de disparo de los tiristores, esta
dada por7:
CL
LCTCSC XX
XXX
−=
)()(
αα Ec. 20
La reactancia de línea compensada con TCSC en función del ángulo de disparo
de los tiristores es:
)(2)(
ααππα
senXX LL −−
= Ec. 21
4.4.1 Modos de Operación
El TCSC tiene tres (3) modos de operación, estos se diferencian uno del otro por
la onda característica de la corriente a través del dispositivo, que esta
directamente afectado por el ángulo de disparo.
Modo de Tiristor Bloqueado: La corriente a través del TCR es cero luego la
compensación se comporta como una reactancia serie puramente capacitiva. Este
es el caso que se presenta con un ángulo de disparo de 180°, ya que el ángulo de
conducción es 0°, no hay componente inductiva de la corriente en el TCSC.
7 N.G. HINGORANI. “ Understanding FACTS: concepts and technology of flexible AC transmisition systems”. IEEE Press. 1999.
IEL1-I-06-03
42
TCSC
0.250 0.300
-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
Amperios
Iind
-100 -80 -60 -40 -20
0 20 40 60 80
100
Voltios
Vind Vcap
-2.0
-1.0 0.0 1.0
2.0 3.0 4.0
Amperios
Itcsc
Figura 22. Modo de Tiristor Bloqueado α = 180°
Modo de Bypass: Las válvulas son disparadas sin retardo y el TCSC tiene una
pequeña componente de impedancia inductiva, este modo se usa cuando hay
mínima carga para evitar sobrevoltajes del sistema. Este modo corresponde a un
ángulo de disparo del 90° y hay un a máxima conducción por el TCR.
IEL1-I-06-03
43
TCSC
0.250 0.300
-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Amperios
Iind
-150
-100
-50 0
50
100 150
Voltios
Vind Vcap
-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Amperios
Itcsc
Figura 23. Modo de Bypass α = 90°
Modo Control de Fase: El ángulo de disparo α determina la dirección del flujo de
corriente a través del TCR y el FC, de modo que el TCSC puede trabajar como
una impedancia inductiva o capacitiva. Este último modo es el de interés para el
presente trabajo, dado que permite validar el TCSC como un controlador del flujo
de potencia en la línea.
IEL1-I-06-03
44
5. INTERCONEXIÓN COLOMBIA – ECUADOR
Desde inicios de 2003 se puso en servicio la interconexión entre el sistema de
potencia colombiano y el ecuatoriano, realizada a un nivel de tensión de 230 kV
mediante la línea doble circuito Jamondino – Pomasqui 1 y 2. Determinar los
límites de transferencia de potencia entre los dos sistemas de modo que no se
pierda la sincronización de las variables eléctricas de los sistemas
interconectadas, es de los principales problemas que se tienen en la
interconexión.
Los resultados de un estudio realizado por XM (Colombia) y CENACE (Ecuador)
[3], muestran que el valor máximo de intercambio esta dado por 250 MW, el cual
es un límite de emergencia y el estudio determina que no puede ser una condición
normal de operación , hasta que no se disponga de un refuerzo asociado a la
interconexión.
5.1 CARACTERÍSTICAS8
La interconexión Colombia – Ecuador se realiza a través de la línea de transmisión
doble circuito Jamondino – Pomasqui 1 y 2 a un nivel de tensión de 230 kV. La
longitud de cada uno de los circuitos es de 212.18 km. La interconexión tiene
compensaciones tipo shunt, en la subestación Jamondino:
8 Los datos fueron suministrados por ISA
IEL1-I-06-03
45
Compensación Capacitiva 72 [Mvar]
Compensación Inductiva 2 x 25 [Mvar]
Otros datos característicos de la interconexión como son: la configuración de la
torre, los tipos de conductores de fase y de cable de guarda fueron suministrados
por ISA propietaria de los activos de la interconexión. Estos fueron los datos
usados para la configuración del circuito en PSCAD.
Como se dijo anteriormente el estudio realizado por XM y CENACE, indica que el
nivel máximo de transferencia de potencia a través del circuito sin involucrar la
estabilidad de los dos sistemas es 250 MW, ISA por medio de un flujo de potencia
proporcionó los datos de los equivalentes thevenín de los dos sistemas
interconectados.
• Subestación Jamondino: °∠= 96.225 kVV
• Subestación Pomasqui: °−∠= 5.45.226 kVV
IEL1-I-06-03
46
Figura 24. Unifilar área suroccidental 230 kV
5.2 IMPLEMENTACIÓN EN PSCAD
El resultado de la implementación del sistema en PSCAD es el siguiente, donde se
tomaron en cuenta las características ya mencionadas de la interconexión.
IEL1-I-06-03
47
Figura 25. Interconexión Colombia – Ecuador en PSCAD
Las curvas características resultantes de la interconexión son las que se muestran
a continuación:
• Subestación Jamondino
Jamondino
0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Voltios
Va1 Vb1 Vc1
Figura 26. Curv as de Tensión S/E Jamondino
IEL1-I-06-03
48
Jamondino
0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Amperios
Ia1 Ib1 Ic1
Figura 27. Curv as de Corriente S/E Jamondino
• Subestación Pomasqui
Pomasqui
0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Voltios
Va2 Vb2 Vc2
Figura 28. Curv as de Tensión S/E Pomasqui
IEL1-I-06-03
49
Pomasqui
0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Amperios
Ia2 Ib2 Ic2
Figura 29. Curv as de Corriente S/E Pomasqui
• Potencia Activa y Reactiva de la Interconexión
P
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
0
50
100
150
200
250
300
MW
P
Figura 30. Potencia Activ a Interconexión Colombia – Ecuador
IEL1-I-06-03
50
Q
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
-50
-40
-30
-20
-10
0
Mvar
Q
Figura 31. Potencia Reactiv a Interconexión Colombia – Ecuador
IEL1-I-06-03
51
6. DISEÑO DE TCSC PARA LA INTERCONEXIÓN
Mediante simulación de la interconexión en PSCAD se encuentra que la
reactancia de la línea (XL) es 95.75 Ω.
Los parámetros a tener en cuenta para el diseño del modelo del TCSC son la
potencia máxima, el grado de compensacion K, el condensador requerido para
satisfacer los dos anteriores.
Como se dijo en la sección anterior se ha determinado como límite de
transferencia de potencia los 250 MW, se desearía con la implementación del
TCSC alcanzar una transferencia de 320 MW sin comprometer la estabilidad del
sistema.
Dado que el diseño se debe realizar por circuito, entonces cada circuito debe tener
una capacidad de transferencia de 160 MW, dado que son circuitos exactamente
iguales.
Ω=
°−Ω
=
−=
87.21
)5.13(75.95
5.226*6.225160
)(*
160
C
C
cL
pomajamo
X
senX
kVkVMW
senXX
UUMW δ
IEL1-I-06-03
52
Con la Ec. 6 se encuentra el grado de compensación que se necesita para tener la
transferencia de potencia deseada.
228.075.9587.21
==K
el grado de compensación es de 22.8%. El valor del condensador que cumple con
el requerimiento de compensación es:
FfX
CC
µπ
1212
1== Ec. 22
Se determinan los MVAr que aporta la compensación al circuito.
CLINEAfaseC XIQ *2=− Ec. 23
Donde:
MVArQQ
MVArAQ
AkV
MWI
faseCcircuitoC
faseC
LINEA
6.10*3
56.387.21*)63.401(
63.401230*3
160
2
==
=Ω=
==
−−
−
Para completar el diseño falta determinar el valor del reactor del TCR, este se
realiza al 50% del valor de XC, luego se tiene:
IEL1-I-06-03
53
Ω== 9.105.0 CR XX
De donde se encuentra que se necesita un reactor L = 29mH.
Figura 32. Modelo de TCSC diseñado para interconexión
IEL1-I-06-03
54
7. INTERCONEXIÓN COMPENSADA CON TCSC
El TCSC diseñado en el capitulo anterior, debe ser implementado en cada una de
las fases de la interconexión. La compensación se ubica la subestación
Jamondino, ya que esta es propiedad de ISA y los activos de la compensación
serían controlados por esta misma empresa.
Figura 33. Interconexión compensada con TCSC
IEL1-I-06-03
55
El escenario de analizado es el nombrado en la descripción de la interconexión, en
donde existe un límite de transmisión de 250 MW, la figura 34 muestra la
transferencia de potencia sin compensación tipo TCSC.
Transferencia Sin TCSC
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
y
P Q
Figura 34. Transferencia de Potencia sin TCSC
De la figura se puede observar que: P = 250 MW y Q = -50MVA.
Con la compensación TCSC en servicio con un ángulo de disparo de 130o se
tienen los resultados de la figura 11.
IEL1-I-06-03
56
Figura 34. Transferencia de Potencia con TCSC
De esta simulación se puede observar como al implementar la compensación serie
tipo TCSC, se obtienen los resultados esperados, pues el diseño se realizó para
una transferencia de potencia máxima de 320MW. Adicionalmente el aumento en
la transmisión no se ve reflejado en un aumento en el ángulo de transmisión (lo
que si sucedería sin compensación), esto debido a reducción en la longitud
eléctrica de la línea con la compensación.
Para la simulación de la figura 36, se realizó un aumento en el ángulo de disparo a
170o, donde se encuentra que hay una reducción de la corriente de malla del
TCSC, denominada ITCSC. Esto como se espera se ve reflejado en un ajuste rápido
en la transferencia de potencia del sistema, como se ve en la figura 37.
IEL1-I-06-03
57
TCSC
0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.226 0.231 184.722
-15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0
10.0 15.0 20.0
Amperios
7.170 -0.640 -7.810
Min -0.000 Max 7.319
Iind
-400 -300 -200 -100
0 100 200 300 400
Voltios
-8.109 184.218 192.327
Min 11.330 Max 187.944
Vind Vcap
-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
y
7.387 -0.673 -8.060
Min -0.011 Max 7.536
Itcsc
Figura 35. Señales del TCSC en serv icio con ángulo de disparo de 130o
IEL1-I-06-03
58
TCSC
0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.228 0.234 160.952
-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
Amperios
5.974 -2.271 -8.245
Min -2.355 Max 6.142
Iind
-200 -150 -100 -50
0 50
100 150 200
Voltios
-12.606 151.288 163.894
Min 7.746 Max 165.489
Vind Vcap
-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
y
6.541 -2.619 -9.160
Min -2.710 Max 6.715
Itcsc
Figura 36. Señales del TCSC en serv icio con ángulo de disparo de 170o.
IEL1-I-06-03
59
Transferencia con TCSC
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
0
25
50
75
100
125
150
175
200
MW
P
Figura 37. Potencia Transferida Con TCSC con ángulo de disparo de 170°
IEL1-I-06-03
60
CONCLUSIONES
Los Sistemas Flexibles de Transmisión AC (FACTS) utilizan las herramientas de
electrónica de potencia, destinados a obtener transmisión de potencia en óptimas
condiciones, ya que ofrecen un control técnico y económico del flujo de potencia
dentro de un sistema.
Los dispositivos FACTS dan flexibilidad al sistema de potencia, para que los
sistemas de transmisión se puedan adaptar a al incremento en demanda y en
generación, mediante un cambio en los límites de estabilidad del sistema.
El TCSC tiene como objetivo el control de flujo de potencia a través de la línea de
transmisión y mejorar la estabilidad del sistema, esto lo hace mediante un rápido
ajuste de la reactancia efectiva de la línea.
La habilidad que tiene el TCSC para variar rápidamente la reactancia de la línea
permite que se disminuya desbalance de potencia entre la potencia mecánica del
generador y la carga eléctrica durante una perturbación del sistema, por esta
razón son utilizados para incrementar el margen de estabilidad.
Para la Interconexión Colombia – Ecuador se tiene actualmente un límite de 250
MW de transferencia máxima para no involucrar la estabilidad de los sistemas, al
IEL1-I-06-03
61
implementar un dispositivo TCSC este límite aumenta, permitiendo una mayor
cargabilidad de la línea.
La implementación del TCSC en la Interconexión puede ser el refuerzo que
requiere el circuito Jamondino – Pomasqui no solo para incrementar el límite de
transferencia, sino para mantener la transferencia en los niveles actuales pero
mejorando la diferencia angular entre los dos sistemas incrementando los
márgenes de estabilidad.
IEL1-I-06-03
62
BIBLIOGRAFIA
Acosta, Álvaro. “Métodos de Control de las Tecnologías FACTS”. Uniandes. 2005.
Camila, ALVEGRAN, ABB Power Techologies, Suecia. Semirario acerca de
FACTS. Medellín. Noviembre 23 de 2005.
Fellow, G.G. Karady. Helbing, Scott G. “Investigations of an Advanced Form of
Series Compensation”. IEEE Transactions on Power Delivery. 1994.Vol 9. No 2.
Pages 939 – 947.
N.G. HINGORANI. “Understanding FACTS: concepts and technology of flexible AC
transmisition systems”. IEEE Press. 1999.
Perez, Jhon. Rozo, Claudia. “Análisis del Comportamiento eléctrico mediante la
Simulación en ATP para un Compensador Serie”. Universidad de La Salle. 2003.
XM. CENACE. “Generaciones de Seguridad y Límites de Transferencia de
Potencia para la Operación Colombia – Ecuador. Primer Semestre de 2006”.
Documentos XM CENACE 2006-001.