El STATCOM (o SSC) es un dispositivo shunt de compensación de potencia reactiva, que es capaz de generar o absorber potencia reactiva, y en el cual la salida puede ser variada para controlar los parámetros específicos de un sistema eléctrico de potencia. Es generalmente un convertidor de estado sólido capaz de generar o absorber independientemente potencia activa o reactiva en sus terminales de salida, cuando es alimentado desde una fuente o elemento de almacenamiento de energía desde sus terminales de entrada.
El STATCOM pertenece a la familia de los controladores de potencia que basan su operación en el principio de fuente de tensión (VSC), en el cual dada una tensión continua de entrada, produce un conjunto de tres tensiones de fase, cada una de ellas en fase y acoplada con la correspondiente tensión del sistema a través de una reactancia relativamente pequeña (que puede ser provista por un pequeño reactor o por la reactancia de pérdidas de un transformador de acoplamiento).
Su desempeño es análogo al de un compensador sincrónico. Puede ser utilizado para mejorar el desempeño de los sistemas de potencia en las siguientes áreas:
El control dinámico de la tensión en los sistemas de transmisión y distribución.
El amortiguamiento de las oscilaciones de potencia en los sistemas de generación-transmisión.
La estabilidad transitoria.
El control del Flicker de tensión.
El control de no solo la potencia reactiva sino (si fuera necesario) de la potencia activa en la línea de conexión, requiriendo en este caso una fuente de tensión continua.
El STATCOM posee características de operación similares a un compensador sincrónico, pero sin la inercia mecánica ya que no posee componentes rotantes. El equipamiento de estado sólido provee un rápido control de las tensiones trifásicas, en magnitud y ángulo de fase, en relación con la tensión del sistema en el punto de conexión.
Las características típicas tensión-corriente de un STATCOM se muestran en la Figura 98 en comparación con un SVC. Por la acción de generar y absorber potencia reactiva en su rango de operación de salida, el STATCOM es capaz de mantener virtualmente constante la tensión en su punto de conexión con el sistema de potencia. Como puede observarse en la Figura 98 el STATCOM puede proveer corriente de salida capacitiva o inductiva independientemente de la tensión del sistema. Esto contrasta con el SVC el cual puede proveer una corriente de salida que disminuye linealmente con la tensión del sistema como se determina por la máxima admitancia capacitiva equivalente.
Figura 98. Característica típica tensión-corriente de un STATCOM y un SVC.
La característica previamente mencionada hace que el STATCOM sea más robusto y efectivo que el SVC en la provisión de soporte de tensión en los sistemas de transmisión y en el control de parámetros específicos del sistema de potencia para reforzar su estabilidad.
La Figura 98 también muestra que el STATCOM, dependiendo de su especificación y las características de los componentes de la electrónica de potencia utilizada, puede tener un aumento transitorio de su porte en ambas regiones de operación. Esta capacidad refuerza el desempeño dinámico del STATCOM en comparación con el SVC. El SVC convencional no puede proveer un aumento de la corriente capacitiva de salida dada que la misma está estrictamente determinada por la admitancia capacitiva y la magnitud de la tensión del sistema. El SVC convencional sólo es capaz de un aumento transitorio de potencia reactiva en el rango de salida inductivo.
La característica típica de potencia reactiva de salida versus tensión del sistema en el punto de acoplamiento común de un STACOM y de un SVC se muestra en la Figura 99. Como se ilustra en la figura, el STACOM es capaz de proveer una potencia de salida linealmente decreciente con la tensión del sistema mientras que en el SVC la potencia reactiva de salida decrece con el cuadrado de la tensión. Por lo tanto el STATCOM ofrece un soporte de tensión más robusto en las condiciones de operación que resultan en bajas tensiones del sistema.
Figura 99. Característica típica tensión-potencia reactiva de un STATCOM y un SVC.
El comportamiento básico de un STATCOM es equivalente al de una fuente de tensión con una reactancia en sus bornes, y cuya magnitud puede ser controlada muy rápidamente. Esto es
inherentemente distinto al comportamiento de un SVC, que es equivalente a una susceptancia en derivación cuya magnitud depende de la tensión del sistema en el punto de conexión.
Mientras que la corriente de salida de un STATCOM es sustancialmente independiente de la tensión y de la impedancia equivalente del sistema de potencia en el punto de acoplamiento común, la corriente de salida del SVC es altamente dependiente de la tensión y la impedancia del sistema en el punto de conexión. Esto significa que el regulador de tensión que controla la salida debe ser diseñado para proveer una regulación estable en un amplio rango de impedancias equivalentes del sistema de potencia. Esto sólo puede lograrse reduciendo la velocidad de respuesta del SVC. La independencia de la salida del STATCOM respecto de la impedancia equivalente del sistema significa que el regulador de tensión que controla la salida del STATCOM puede ser diseñado para una rápida respuesta y por lo tanto proveer una regulación estable dentro del rango de contingencias del sistema. La habilidad de entregar la corriente máxima dentro del rango completo de variación de tensión del sistema es la característica que hace que el STATCOM se comporte como un generador sincrónico en términos de desempeño. El compensador sincrónico puede entregar en forma transitoria corriente reactiva en proporción con el cambio de tensión. A pesar que el sistema de excitación de la máquina puede variar rápidamente en respuesta a un cambio en la tensión del sistema, la potencia reactiva de salida es relativamente lenta en comparación con un SVC o un STATCOM. Sin embargo, debido a la tensión de excitación que puede ser aplicada y la energía almacenada en el bobinado del rotor, el compensador sincrónico es capaz de entregar una potencia reactiva de salida transitoriamente mayor que la de un SVC o un STATCOM.
Las aplicaciones típicas de un STATCOM son las siguientes:
Efectiva regulación y control de la tensión.
Reducción de sobretensiones temporarias.
Mejora de la capacidad de transmisión en estado estacionario.
Mejora de los márgenes de estabilidad transitoria.
Amortiguamiento de las oscilaciones de los sistemas de potencia.
Amortiguamiento de las oscilaciones subsincrónicas.
Compensación de cargas en las fases individuales.
Compensación reactiva de convertidores AC-DC y enlaces de continua (HVDC).
Mejora de la calidad del servicio.
Reducción de las variaciones rápidas de la tensión (control de Flicker).
Aplicaciones en sistemas de distribución.
El beneficio principal de un STATCOM es la velocidad de respuesta y la robustez de su salida, lo que se traduce en la reducción del impacto de una perturbación en el sistema de potencia. En los sistemas de potencia donde la potencia reactiva varía lentamente no es necesario reemplazar las soluciones convencionales como el SVC. Sin embargo, en aplicaciones donde la velocidad de respuesta, la robustez y la capacidad transitoria de sobrecarga son necesarias, el STATCOM presenta una solución única, que puede ser utilizada por sí sola o en combinación con otros equipos convencionales como los bancos de filtros, los SVC y los compensadores sincrónicos.
5. 2.Principio de operación del STATCOM
El principio básico de generación de potencia reactiva con un convertidor tipo fuente de tensión es similar al funcionamiento de los compensadores sincrónicos, y se esquematiza en la Figura 100.
Figura 100. Generación de potencia reactiva con un compensador sincrónico.
Para un flujo de potencia reactiva pura, las tres fuerzas electromotrices ea, eb y ec de la máquina
sincrónica se encuentran en fase con las tensiones del sistema. ua, ub y uc. La corriente reactiva Il
manejada por el compensador sincrónico esta determinada por la magnitud de la tensión del sistema U, la tensión interna de la máquina, Ec, y la reactancia total del circuito X.
X E U
Il c (5.1)
La correspondiente potencia reactiva en la barra del sistema puede expresarse como:
2 1 U X U E Q c (5.2)
Por lo tanto, controlando la excitación de la máquina, es decir la amplitud E de su tensión interna, relativa a la amplitud U de la tensión del sistema puede controlarse la potencia reactiva. Aumentando el valor de E por encima del de U, (es decir operando sobre-excitada) resulta en una corriente en adelanto, esto es la máquina es vista como un capacitor desde el sistema. Disminuyendo E por debajo de U (es decir operando sub-excitada) resulta en una corriente en atraso, y por lo tanto la máquina es vista como un reactor desde el sistema de potencia. Bajo cualquiera de estas condiciones existe siempre un pequeño flujo de potencia activa desde el sistema hacia la máquina para compensar sus pérdidas mecánicas y eléctricas.
Un convertidor tipo fuente de tensión (VSC) forma el bloque fundamental de un compensador tipo STATCOM utilizado en los sistemas de potencia Un diagrama simple de un compensador shunt tipo
STATCOM para proveer potencia reactiva a un sistema de potencia se muestra en la Figura 101, donde U es la tensión del sistema de potencia y Ec es la tensión controlable del STATCOM a la
frecuencia fundamental del sistema de potencia.
Figura 101. Convertidor shunt como VSC. La potencia activa y reactiva intercambiada con la red están dadas por:
sin . X E U PSTATCOM c (5.3)
c.cos
STATCOM U E X U Q (5.4)Si la amplitud Ec del fasor de tensión de salida (
c
E ) se aumenta por encima de la amplitud U del fasor
de tensión del sistema (U ), entonces el fasor de corriente adelanta al fasor de tensión y la corriente
fluye desde el convertidor hacia el sistema de alterna, y el convertidor entrega potencia reactiva (capacitiva) al sistema. Si la amplitud de la tensión de salida (Ec) se disminuye por debajo de la amplitud del fasor de tensión del sistema (U ), entonces la corriente reactiva fluye desde el sistema de
alterna hacia el convertidor, y el convertidor absorbe potencia reactiva (inductiva) desde el sistema. Este principio de operación se ilustra en el diagrama fasorial de la Figura 102.
Figura 102. Operación capacitiva e inductiva del STATCOM
5. 3.Circuitos de potencia básicos del STATCOM
La característica de generador ideal requerida para el STATCOM en instalaciones de hornos de arco eléctrico, puede lograrse con distintos tipos de inversores. En los convertidores de alta potencia, utilizados como circuito de potencia en los STATCOM para compensación de flicker, la acción fundamental que determina la estructura del circuito de potencia es el método utilizado para sintetizar la forma de onda de la tensión de salida con magnitud y fase controlada en forma casi instantánea.
La señal sintetizada debe ser lo más cercana posible a una sinusoide a la frecuencia fundamental (para eliminar o minimizar la necesidad de filtrado). En la mayoría de las aplicaciones, el tipo de convertidor utilizado es el convertidor dc-ac tipo fuente de tensión (Voltaje Source Converter VSC). Esto significa que el convertidor sintetiza un conjunto de tres tensiones trifásicas desde una fuente de tensión continua. Este tipo de convertidor puede generar internamente potencia reactiva para la carga y es capaz de intercambiar potencia activa entre los terminales de alterna de la carga y la fuente de tensión continua.
Desde el punto de vista del sistema de control, el VSC es como un amplificador trifásico controlable de banda ancha que, cuando se encuentra alimentado por la fuente de tensión continua puede proporcionar potencia activa y reactiva a la carga.
Como se ha mencionado previamente, en las aplicaciones con hornos de arco la fuente de tensión continua puede ser reemplazada por un capacitor con el propósito de promediar la potencia activa fluctuante suministrando los picos de energía demandados por el horno de arco y recuperando esta energía desde el sistema de potencia cuando la demanda energética del horno de arco es baja.
En su forma más simple, el convertidor esta compuesto por seis llaves compuestas por semiconductores, cada una de ellas con un tiristor tipo GTO en antiparalelo con un diodo. Como se muestra en la Figura 103. Esta configuración elemental se llama convertidor de 6 pulsos y dos niveles. Esta terminología indica que:
Figura 103. Inversor tipo fuente de tensión de dos niveles y seis pulsos.
Cada una de las tres salidas puede conectarse sólo al terminal positivo o negativo de la fuente de continua a través del elemento superior o inferior del correspondiente polo.
El convertidor emplea seis llaves semiconductoras para formar los tres polos.
Si los tres polos son operados, a la frecuencia fundamental deseada y con 120º de desfasaje, para conectar el capacitor del lado de continua secuencialmente a los tres terminales de salida a través de las llaves apropiadas, se obtiene un conjunto de tres tensiones cuadradas (ea, eb y ec) con respecto al
punto medio hipotético de la tensión en el capacitor, como se muestra en la Figura 104(a). Este conjunto se combina en un conjunto de tensiones de línea cuasi-cuadradas (eab, ebc y eca) como se
muestra en la Figura 104(a).
Las corrientes a través de cada tiristor GTO y diodo que conforman una llave del convertidor (por ejemplo Da1 y Ta1) se muestran con los segmentos sombreados y no sombreados de las tres corrientes
de salida (ia, ib e ic), junto con la corriente en el capacitor del lado de continua, para la generación de
Para claridad, se asume que las corrientes de salida de los convertidores están libres de armónicas. De las figuras mencionadas es posible observar que cada diodo y tiristor GTO que conforman una llave conducen alternativamente 90º de la corriente de salida durante cada ciclo, esto es, la circulación de corriente en cada diodo y tiristor GTO es la misma. También se observa que el tiristor GTO debe ser conmutado (apagado) en el pico de la corriente cuando la salida es capacitiva (generación de potencia reactiva), pero se conmuta en forma natural cuando la corriente de salida es inductiva (absorción de potencia reactiva).
Figura 104. (a) Formas de onda de los polos y de la tensión de salida del convertidor. (b) Corriente en los GTO y diodos durante la generación de potencia reactiva. (c) Corriente en los GTO y diodos durante la
absorción de potencia reactiva
Es importante notar que los tiristores GTO y los diodos conducen durante 90º la corriente sólo si la corriente de salida del convertidor es reactiva pura, es decir el factor de potencia de la carga es cero. A medida que la corriente de salida se hace real, es decir cuando el factor de potencia de la carga se aproxima a la unidad, y con el convertidor entregando potencia activa desde la fuente de continua a la carga, el intervalo de conducción del tiristor GTO aumenta proporcionalmente de 90º a 180º, mientras que el del diodo en antiparalelo disminuye de 90º a cero.
La operación del convertidor como fuente de tensión utilizado como una fuente de potencia reactiva variable puede ser explicada considerando la relación que existe entre la potencia de salida y la potencia de entrada. La clave de esta explicación reside en la propiedad física de que en todos los convertidores de potencia la potencia instantánea de alterna en los terminales de salida debe ser igual a la potencia instantánea en los terminales de continua si se desprecian las pérdidas en los dispositivos semiconductores.
Como el convertidor suministra sólo potencia reactiva a la salida (se controla la tensión de salida para que esté en fase con la tensión del sistema de alterna), la potencia activa de entrada provista por la fuente de continua (capacitor cargado) debe ser cero (como también lo es la potencia activa instantánea en el lado de alterna). Dado que la potencia reactiva a la frecuencia cero (en el capacitor de continua) es cero por definición, entonces el capacitor no juega ningún rol en la generación de potencia reactiva. En otras palabras, el convertidor simplemente interconecta los tres terminales de alterna de forma tal que las corrientes reactivas de salida puedan circular libremente entre ellos. Visto desde los terminales del sistema de alterna, se puede decir que el convertidor establece una circulación de corriente entre fases con intercambio de potencia nula con la red.
La necesidad de un capacitor de almacenamiento es debida a la igualdad estipulada entre las potencias instantáneas de entrada y de salida. La forma de onda de salida del convertidor es una onda casi-cuadrada, por esta razón la potencia instantánea de salida fluctúa aunque las corrientes de salida del convertidor fueran sinusoides puras. Por lo tanto, para no violar la igualdad entre las potencias instantáneas de salida y entrada, el convertidor debe manejar una corriente fluctuante (ripple) desde el capacitor de continua que provea una terminación constante de la tensión en la entrada.
La presencia de las componentes de ripple en la entrada es consecuencia de las componentes de ripple a la salida, que son debidas al proceso de conformación de la forma de onda de salida. En un STATCOM práctico, el convertidor de 6 pulsos básico no cumplirá con los requerimientos de armónicas tanto para la tensión de salida como para la corriente del capacitor. Sin embargo, combinando un determinado número de convertidores de 6 pulsos en una estructura multipulso (y/o utilizando técnicas apropiadas de modulación PWM o convertidores multinivel), la distorsión de la tensión de salida y la corriente de ripple en el capacitor pueden ser reducidas notablemente.
Por lo tanto, un STATCOM que emplea un convertidor tipo fuente de tensión, generará tensiones de salida sinusoidales, manejará las corrientes reactivas del sistema de alterna y tomará una corriente promedio cero desde el capacitor de continua. En la práctica, debido a desbalances del sistema y otro tipo de imperfecciones, así como consideraciones económicas, estas condiciones ideales no pueden lograrse, pero pueden ser aproximadas satisfactoriamente con convertidores con estructuras que permitan un elevado número de pulsos (24 o más).
En un convertidor práctico, las llaves semiconductoras tienen pérdidas, y por lo tanto la energía almacenada en el capacitor será utilizada por las pérdidas internas. Sin embargo, dichas pérdidas pueden ser provistas por el sistema de alterna haciendo que las tensiones de salida del convertidor se encuentren atrasadas en un pequeño ángulo respecto de las tensiones del sistema de alterna. De esta forma el convertidor absorbe una pequeña cantidad de potencia activa desde el sistema de alterna para satisfacer sus pérdidas internas y mantener la tensión en el capacitor en el nivel deseado.
El mecanismo de ajuste del ángulo de fase puede también ser utilizado para controlar la generación u absorción de la potencia reactiva aumentando o disminuyendo la tensión en el capacitor, y por lo tanto la amplitud de la tensión de salida del convertidor (la diferencia de amplitudes entre la tensión de salida del convertidor y la tensión del sistema de alterna determina la magnitud y la dirección del flujo de corriente reactiva, y por lo tanto la generación o absorción de potencia reactiva).
El capacitor de continua cumple una función vital, aún en el caso de un convertidor perfecto, para establecer el balance energético necesario entre la entrada y la salida del convertidor durante los cambios dinámicos de la potencia reactiva a la salida.
Es posible también utilizar el convertidor con una fuente de tensión continua (por ejemplo una batería o un superconductor magnético). En este caso el convertidor puede controlar simultáneamente el