Conceptualmente los DVR operan para mantener en su valor nominal el voltaje en la carga. Durante el hueco de tensión, el DVR inyecta un voltaje en serie para restaurar los voltajes de suministro, en este modo de operación el DVR intercambia potencia activa y reactiva con el sistema. Para que se logre el flujo de potencia activa del DVR hacia la carga, es necesaria la conexión de una fuente de energía en los terminales de CD de la VSI (Voltage Source Injection). En base a la fuente de energía utilizada, se pueden considerar dos configuraciones generales para el DVR: una en la que se utiliza un sistema de almacenamiento de energía, y la segunda que emplea un elemento de almacenamiento de energía insignificante. Como unidad de almacenamiento de energía se pueden utilizar diferentes tipos de dispositivos y sistemas de almacenamiento tales como baterías, capacitores, o SMES (Superconducting magnetic energy storage). En la topología que no utiliza unidad de almacenamiento, el DVR toma la energía necesaria para la compensación del mismo sistema eléctrico durante el hueco de tensión. Para realizar un análisis operativo de las configuraciones mencionadas, se comparan las cuatro topologías más comunes [3].
2.1.1 Topología sin almacenamiento de energía
Sistema I. La energía para el enlace de CD es tomada del sistema de suministro a través de un convertidor pasivo conectado en paralelo en el lado de suministro, figura 8.
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Figura 8:DVR sin almacenamiento de energía, con un convertidor shunt en el lado de suministro [3].
Sistema II. La energía para el enlace de CD es tomada del sistema de suministro a través de un convertidor pasivo conectado en paralelo en el lado de la carga, figura 9.
Figura 9: DVR sin almacenamiento de energía, con un convertidor shunt en el lado de carga [3].
Las topologías que no utilizan almacenamiento de energía basan su operación en el hecho de que parte del voltaje de suministro permanece en el sistema durante el hueco de tensión, y ese voltaje remanente puede utilizarse para proveer la energía de compensación requerida para mantener el voltaje en la carga en su valor nominal. Sin embargo, este enfoque tiene el inconveniente de que el sistema de compensación demanda más corriente del sistema durante la falla, haciendo que las cargas conectadas en otros puntos del sistema vean una caída de voltaje más pronunciada. Por otro lado, mediante esta configuración se tiene la ventaja de poder compensar el hueco de tensión de larga duración, además de reducir el costo del sistema de almacenamiento de energía. En particular, cuando se conecta el DVR a una red robusta, la energía de compensación necesaria para la carga se puede obtener fácilmente al incrementar el flujo de corriente hacia el convertidor shunt e inyectando
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el voltaje faltante a través del inversor serie. Al requerir de un flujo unidireccional en el enlace de CD, el convertidor pasivo en paralelo es una solución efectiva y de bajo costo. Las topologías con este tipo de sistema se clasifican de acuerdo a la localización del convertidor shunt [3].
2.1.2 Topología con almacenamiento de energía
Sistema III. Sistema con unidad de almacenamiento de energía y voltaje variable en el enlace de CD, figura 10.
Figura 10: DVR con almacenamiento de energía y con voltaje de CD variable [3]. Sistema IV. Sistema con un sistema externo de almacenamiento de energía conectado al enlace de CD controlable, en el cual se mantiene un voltaje constante, figura 11.
Figura 11:DVR con almacenamiento de energía y con voltaje de CD constante [3]. Las topologías presentadas varían en rendimiento, complejidad, costo y sistema de control. En el presente análisis el factor del hueco de tensión n, se define como:
n =
(2.1)
Donde
v
cargaes el voltaje nominal de la carga.En general los sistemas de almacenamiento de energía son costosos, pero para cierto tipo de disturbios se mejora el rendimiento del DVR al utilizar esta topología. En los
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dos sistemas considerados, el flujo de corriente en el sistema de distribución permanece invariante durante el periodo de falla [3].
2.1.1.1 Sistema I: Convertidor shunt conectado en el lado de suministro
Al utilizar un convertidor pasivo conectado en paralelo con el lado de suministro, figura 8, se tiene un voltaje incontrolable en el enlace de CD. El convertidor pasivo carga el capacitor al nivel del voltaje actual del sistema de suministro. El voltaje de CD es aproximadamente igual al valor máximo del voltaje de suministro entre fases; por lo tanto durante un hueco de tensión, el voltaje de CD disminuye proporcionalmente a la magnitud hueco de tensión, de acuerdo a:
n
(2.2)
Donde VCDy Vsistson el voltaje en el enlace de CD y el voltaje de suministro en p.u.,
respectivamente. Los voltajes máximos en p.u. para los convertidores serie y shunt
pueden expresarse como:
V
shunt=1
yV
seire= 1-n
(2.3)Mientras que las corrientes máximas en cada convertidor son:
i
shunt=
y
i
serie=1
(2.4)De esta manera, la potencia máxima que debe manejar cada convertidor está dada por:
S
shunt= V
shunti
shunt=
(2.5)
S
serie= V
seriei
serie= 1-n
(2.6)En las ecuaciones (2.5) y (2.6) se aprecia que la potencia a manejar por los dos convertidores no es igual. La potencia en el convertidor serie es directamente proporcional al voltaje faltante, mientras que en el convertidor shunt (es una carga resistiva a través de la cual se deriva una corriente eléctrica) la corriente aumenta significativamente durante los huecos de tensión severos, al mismo tiempo que su voltaje de entrada se reduce. Por consiguiente, la capacidad de compensación en la presente topología será limitada durante un hueco de tensión profundo, ya que el voltaje en el enlace de CD depende del voltaje disponible en el sistema [3].
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2.1.1.2 Sistema II: Convertidor shunt conectado en el lado de carga
Al utilizar un convertidor pasivo conectado en paralelo en el lado de la carga, figura 9, el voltaje de entrada en el convertidor shunt estará controlado, y el voltaje en el enlace de CD puede permanecer prácticamente constante.
De esta manera:
V
CD≈ V
carga≈ n+V
DVR(2.7)
Los voltajes en cada uno de los convertidores siguen siendo,
V
shunt= 1
yV
serie= 1-n
(2.8)Solo que ahora la corriente máxima en el convertidor serie se incrementa debido a la demanda adicional del convertidor shunt,
i
shunt=
y
i
serie=
(2.9)
De esta forma, la potencia del convertidor serie se incrementa hasta el nivel del compensador shunt,
S
shunt= S
serie=
(2.10)
Ésta topología exhibe la desventaja de que su convertidor serie tiene que soportar corrientes elevadas. Asimismo, la carga puede verse perturbada por las corrientes no lineales generadas por el convertidor shunt [3].
2.1.2.1 Sistema III: Energía almacenada en un capacitor con voltaje variable en el enlace de CD
El utilizar capacitores para almacenar la energía en el enlace de CD, figura 10, es una solución muy utilizada en los DVR. Esta topología opera con un voltaje variable en el enlace de CD. La energía almacenada,
E
alm es proporcional al cuadrado del valornominal del voltaje de CD,
E
alm=
C
CDv
2CD, nominal (2.11)
Donde
V
2CD,
nominal es igual al voltaje nominal de CD para el DVR.Durante la compensación de un hueco de tensión, el voltaje decae exponencialmente. Así, mientras el voltaje de CD decae, la capacidad para compensar los huecos de tensión severos se deteriora. Por consiguiente, el compensador solo puede ser utilizado dentro de ciertos niveles de voltaje, establecidos por:
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∆E =
C
CD(v
2 CD, inicial- v
2 CD, final)
(2.12)Donde
V
CD, iniciales el voltaje inicial de CD y VCD, final es el voltaje de CD mínimopermitido en el DVR.
El nivel de potencia del convertidor está dado por:
S
serie= 1-n S
carga (2.13)Esta topología es una solución relativamente simple, en donde la unidad de almacenamiento de energía puede recargarse directamente del sistema a través del convertidor serie o mediante un convertidor auxiliar de baja potencia, cuando la red opera con normalidad. Sin embargo, durante los huecos de tensiónseveros la unidad de almacenamiento de energía no puede ser utilizada de forma eficiente, debido a que el convertidor entra inmediatamente en estado de sobre-modulación en un esfuerzo por inyectar el mayor voltaje posible [3].
2.1.2.2 Sistema IV: Sistema con voltaje constante en el enlace de CD
Algunos métodos directos de almacenamiento de energía tales como SMES, baterías o supercapacitores pueden ser utilizados en los DVR, al conectarlos al sistema de compensación mediante un convertidor externo de gran potencia. De este modo, la energía es transferida desde el sistema de almacenamiento hasta una unidad de almacenamiento menor, utilizando el convertidor. Por lo tanto, el voltaje de CD se mantiene constante y la capacidad de los convertidores se calcula mediante:
S
convertidor-externo= S
serie= 1-n
(2.14)Donde
s
convertidor-externoes la capacidad de conversión de energía en el convertidor depotencia.
El rendimiento de la presente topología es mayor que el de la solución con voltaje de CD variable, pero el costo del equipo es mucho mayor, ya que se requiere una unidad de almacenamiento de energía de mayor potencia además de un convertidor de potencia externo.[3]