COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTTICO DE VARS 2.1 Introducci³n 6 ... ‘...

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  • INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

    SIMULACIN DE UN COMPENSADOR ESTTICO

    DE VARS EXPERIMENTAL

    TESIS

    QUE PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO ELECTRICISTA

    P R E S E N T A:

    GALICIA MNDEZ INGRID ITZEL

    A S E S O R:

    M. en C. MANUEL GARCIA LOPEZ

    MXICO, D.F. DICIEMBRE 2013

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    i

    DEDICATORIA viii RESUMEN ix

    NDICE

    CAPTULO 1

    INTRODUCCIN

    1.1 Generalidades 1 1.2 Objetivo 5 1.3 Justificacin 5

    CAPTULO 2

    COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTTICO

    DE VARS

    2.1 Introduccin 6 2.2 Fuente de tensin 6 2.3 Interruptor de potencia 7 2.4 Transformador trifsico de enlace y acoplamiento 7 2.5 Lnea de trasmisin area 9 2.6 Carga 10 2.7 Reactor Controlado por Tiristor 13 2.8 Capacitor Conmutado por Tiristor 15 2.9 Transformacin de coordenadas 16 2.10 Medicin de tensin 18 2.11 Lazo enganchado por fase (PLL) 22 2.12 Potencia 24

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    ii

    CAPTULO 3

    DISEO Y SIMULACIN DEL COMPENSADOR ESTTICO DE VARS

    3.1 Descripcin general del sistema 26 3.2 Caracterizacin del sistema 28 3.3 Validacin de la lnea de transmisin 31 3.4 Simulacin de la lnea de transmisin con CEV 35

    CAPTULO 4

    RESULTADOS DE LA EXPERIMENTACIN Y SIMULACIN

    4.1 Resultado de la simulacin y experimentacin sin carga 38 4.2 Resultado de la simulacin y experimentacin con carga RL 40 4.3 Resultado de la simulacin y experimentacin con carga RLC 42 4.4 Resultado de simulacin con CEV 43

    CAPTULO 5

    CONCLUSIONES 49

    REFERENCIAS 51

    ANEXO 1 CLCULOS DE LA RESISTENCIA E INDUCTANCIA DE

    MAGNETIZACIN

    52

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    iii

    NDICE DE FIGURAS

    Figura 2.1 Diagrama de conexin estrella-delta en transformadores

    8

    Figura 2.2 Diagrama de la Lnea de Transmisin 9 Figura 2.3 Sistema del CEV y SEP equivalente para tensin

    con carga 11

    Figura 2.4 (a) Modelo simplificado del SEP (b) Caracterstica del CEV

    12

    Figura 2.5 Diagrama del Reactor Controlado por Tiristor 13 Figura 2.6 (a) Control del ngulo de disparo

    (b) Forma de onda de operacin del TCR 14

    Figura 2.7 Diagrama del Capacitor Conmutado por Tiristor 15 Figura 2.8 Transformacin de coordenadas (abc-) 16 Figura 2.9 Implementacin de la transformacin de

    coordenadas para la medicin de tensin instantnea

    18

    Figura 2.10 Mtodos de implementacin de la pendiente de corriente (a) Lazo de retroalimentacin (b) Retroalimentacin de la susceptancia

    20

    Figura 2.11 Modelo bsico 1 para un CEV del IEEE 20 Figura 2.12 Modelo bsico 2 para un CEV del IEEE 21 Figura 2.13 Diagrama a bloques de un PLL 23 Figura 3.1 Diagrama general del sistema 27 Figura 3.2 Diagrama de conexin de la implementacin del

    equipo DE LORENZO 28

    Figura 3.3 Diagrama elctrico del sistema experimental 29 Figura 3.4 Diagrama de la lnea sin carga 30 Figura 3.5 Diagrama esquemtico de la lnea con carga RLC 31 Figura 3.6 Simulacin de la lnea con carga RLC 33 Figura 3.7 Modelo de la lnea con carga LC 33 Figura 3.8 Validacin de la lnea de transmisin 35 Figura 3.9 Diagrama de conexin del TCR y TSC. 37 Figura 4.1 Curva de tensin al final de la lnea de transmisin 38 Figura 4.2 Datos de tensin, corriente y frecuencia 39 Figura 4.3 Datos de potencia y energa 39 Figura 4.4 Curva de tensin a la entrada compensada 40 Figura 4.5 Curva de corriente a la entrada 41 Figura 4.6 Datos de potencia y energa 41 Figura 4.7 Curva de tensin con R1,L1,C1 42 Figura 4.8 Curva de corriente con R1,L1,C1 43 Figura 4.9 Forma de onda de corriente y tensin 44

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    iv

    Figura 4.10 Forma de onda de potencia 45 Figura 4.11 Forma de onda de tensin de referencia y medio 46 Figura 4.12 Grados de conduccin TCR 47 Figura 4.13 Nmero entrante de TSC 48

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    v

    NDICE DE TABLAS

    Figura 2.1 Seccin transversal de las lneas de transmisin areas.

    10

    Figura 3.1 Escala 1:1000 29 Figura 3.2 Parmetros de la lnea 29 Figura 3.3 Parmetros caractersticos de los transformadores 30 Figura 3.4 Valores de las cargas DE LORENZO 32 Figura 3.5 Carga Resistiva 36 Figura 3.6 Carga Inductiva 36 Figura 3.7 Carga Capacitiva 36 Figura 4.1 Resultados de tensin en la lnea de transmisin sin

    carga 38

    Figura 4.2 Resultados de tensin en la lnea compensada con cargas

    40

    Figura 4.3 Resultados de tensin con PowerPad 42 Figura 4.4 Resultados de corriente en la lnea de transmisin 43

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    vi

    GLOSARIO DE TRMINOS

    FACTS Sistemas de transmisin de corriente alterna flexibles CEV Compensador esttico de VARS TCR Tiristor Controlado por Reactores TSC Capacitor Conmutado por Tiristores SCR Rectificador controlado de silicio TCSC Capacitor en serie controlado por tiristores STATCOM Compensador esttico sncrono SSSC Compensador serie esttico sncrono TCPAR Regulador de ngulo de fase controlado por tiristores IPFC Controlador de flujos de potencia interlnea UPFC Controlador unificado de flujos de potencia SEP Sistema Elctrico de Potencia kV Kilovolts T.A. Transformador de enlace

    Potencia reactiva del CEV ngulo de disparo del tiristor ngulo de conduccin del tiristor

    Corriente instantnea en el reactor del TCR Amplitud de la corriente fundamental en el reactor Susceptancia del TCR Factor de magnificacin Frecuencia natural 0 Frecuencia fundamental Reactancia capacitiva Reactancia inductiva Amplitud de tensin en el capacitor Susceptancia del capacitor Corriente instantnea en el capacitor del TSC 0 Amplitud de tensin inicial en el capacitor del TSC C.A. Corriente Alterna C.D. Corriente Directa Eje horizontal de la transformacin de coordenadas Eje vertical de la transformacin de coordenadas

    Componente de tensin en el eje Componente de tensin en el eje

    0 Componente de secuencia cero de tensin Componente de corriente en el eje Componente de corriente en el eje

    0 Componente de secuencia cero de corriente Tensin de referencia del regulador de tensin

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    vii

    Susceptancia de salida del regulador de tensin

    Corriente del CEV en el lado primario Pendiente de la caracterstica V / I Pendiente de la caracterstica V / I Respuesta de tensin

    Tensin terminal del CEV Constante del integrador Ganancia esttica Ganancia del controlador proporcional Ganancia del controlador integral

    PLL Lazo enganchado de fase

    Constante de tiempo del sistema de medicin Lmite inferior de susceptancia del CEV Lmite superior de susceptancia del CEV Respuesta de susceptancia del CEV Tensin de entrada al regulador Salida del regulador Q

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    viii

    DEDICATORIA

    A mis padres que me apoyaron a lo largo de todos mis estudios, y que sin ellos no podra

    hacer nada.

    A mis hermanos y amigos que con sus consejos y ayuda, me apoyaron para seguir

    adelante cada da.

    Al Instituto Politcnico Nacional ya que me formo a lo largo de toda mi vida para ser un

    profesional, al igual agradezco a todos los ingenieros que fueron mis maestros.

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    ix

    RESUMEN

    Los Convertidores Estticos de Vars (CEV) pertenecen a la familia de los

    controladores FACTS. Los CEV son tecnologas basadas en semiconductores de

    potencia, como los tiristores, transistores y transductores de efecto de campo que

    son utilizados como interruptores para conectar y desconectar a elementos

    pasivos, capacitores y/o reactores, con el fin de modificar la impedancia del

    sistema en cuestin. Los CEV ms utilizados en los SEP son los TCR y los TSC.

    Los TCR realizan la conexin de reactores en forma controlada variando el ngulo

    de disparo de los tiristores as controlando la corriente en el reactor. Los TSC

    realizan la conexin y desconexin de capacitores mediante la conmutacin de

    los tiristores [4].

    Los Sistemas Elctricos de Potencia, son uno de los sistemas ms comunes y

    susceptibles ante cambios de carga; ocasionando variaciones de corriente y

    voltaje indeseados que pueden inestabilizar el sistema.

    Este trabajo har la experimentacin y simulacin de una lnea de transmisin

    area del equipo de pruebas DE LORENZO DL GTU 102.2 con longitud de 360km

    y 380V. En ste sistema elctrico de experimentacin se harn variaciones de

    cargas por medio de pasos inductivos y capacitivos del equipo DE LORENZO

    stas representarn a los CEV y con ello lograr la compensacin de potencia

    reactiva y tensin.

    Para la simulacin se utilizar el programador Matlab/Simulink en el cual se

    representar el comportamiento del modelo de lnea de transmisin area del

    equipo DE LORENZO DL GTU102.2. Est