Quines són les classificacions i tipus de controladors i dispositius FACTS?
Segons el tipus de connexió del controlador FACTS amb el sistema elèctric, es classifica com:
Controlador connectat en sèrie
Controlador connectat en derivació
Controlador combinat en sèrie-sèrie
Controlador combinat en derivació-sèrie
Controladors connectats en sèrie
Els controladors en sèrie introduïxen un voltatge en sèrie amb el voltatge de la línia, normalment utilitzant dispositius d'impedància capacitiva o inductiva. La seva funció principal és subministrar o absorir potència reactiva variable segons sigui necessari.
Quan una línia de transmissió està fortement carregada, la demanda creixent de potència reactiva es compleix activant elements capacitius en el controlador en sèrie. En canvi, en condicions de baixa càrrega, on la reducció de la demanda de potència reactiva fa que el voltatge al final receptor superi el voltatge al final emissor, s'utilitzen elements inductius per absorir l'exès de potència reactiva, estabilitzant el sistema.
En la majoria de les aplicacions, els condensadors s'instal·len prop dels extrems de la línia per compensar la demanda de potència reactiva. Dispositius comuns per a aquest propòsit inclouen els Capacitors en Sèrie Controlats per Tiristors (TCSC) i els Compensadors Sèrie Síncrons Estàtics (SSSC). La configuració bàsica d'un controlador connectat en sèrie es mostra a la figura següent.
Controladors connectats en derivació
Els controladors connectats en derivació injecten corrent al sistema elèctric al seu punt de connexió, utilitzant impedàncies variables com condensadors i inductors, similar en principi als controladors en sèrie però diferents en mètode de connexió.
Compensació capacitiva en derivació
Quan un condensador es connecta en paral·lel amb el sistema elèctric, l'aproximació es denomina compensació capacitiva en derivació. Les línies de transmissió amb càrregues altament inductives solen funcionar amb un factor de potència retardat. Els condensadors en derivació resolen això absorbint corrent que precedeix el voltatge de la font, compensant la càrrega retardada i millorant el factor de potència general.
Compensació inductiva en derivació
Quan un inductor es connecta en paral·lel, el mètode es coneix com a compensació inductiva en derivació. Aquesta és menys comuna en xarxes de transmissió, però esdevé crítica per a línies molt llargues: en condicions de sense càrrega, baixa càrrega o càrrega desconnectada, l'efecte Ferranti fa que el voltatge al final receptor superi el voltatge al final emissor. Els compensadors inductius en derivació (per exemple, reactores) absorbeixen l'exès de potència reactiva per mitigar aquest increment de voltatge.
Exemples de sistemes de controladors connectats en derivació inclouen els Compensadors de Potència Reactiva Estàtica (SVC) i els Compensadors Síncrons Estàtics (STATCOM).
Controladors combinats en sèrie-sèrie
En sistemes de transmissió multilínia, els controladors combinats en sèrie-sèrie utilitzen un conjunt de controladors independents en sèrie que treballen en coordinació. Aquesta configuració permet una compensació reactiva en sèrie individual per cada línia, assegurant suport personalitzat per a cada circuit.
A més, aquests sistemes poden facilitar la transferència de potència real entre línies mitjançant un enllaç de potència dedicat. Alternativament, poden adoptar un disseny de controlador unificat on els terminals DC dels convertidors estan interconnectats, aquesta configuració permet directament la transferència de potència real a les línies de transmissió. Un exemple representatiu d'aquest sistema és el Interline Power Flow Controller (IPFC).
Controladors combinats en derivació-sèrie
Aquest tipus de controlador integra dos components funcionals: un controlador en derivació que injecta voltatge en paral·lel amb el sistema, i un controlador en sèrie que injecta corrent en sèrie amb la línia. És crucial que aquests dos components operin de manera coordinada per optimitzar el rendiment general. Un exemple destacat d'aquest sistema és el Unified Power Flow Controller (UPFC).
Tipus de dispositius FACTS
S'han desenvolupat diversos dispositius FACTS per atendre diverses necessitats d'aplicació. A continuació es presenta una visió general dels controladors FACTS més comuns, categoritzats pel seu tipus funcional:
Compensadors en sèrie:
Compensadors en derivació:
Compensadors en sèrie-sèrie:
Compensadors en derivació-sèrie:
Examinem breument cada compensador:
Capacitor en Sèrie Controlat per Tiristor (TCSC)
El TCSC introdueix reactància capacitiva en sèrie amb el sistema elèctric. La seva estructura central inclou un banc de condensadors (compost per múltiples condensadors en configuració sèrie-paral·lela) connectat en paral·lel amb un reactor controlat per tiristor. Aquest disseny permet un ajust suau i variable de la capacitància en sèrie.
Els tiristors regulen la impedància del sistema controlant l'angle de disparo, que a la vegada ajusta la impedància total del circuit. Un diagrama bloc simplificat del TCSC es mostra a la figura següent.
Reactancia en Sèrie Controlada per Tiristor (TCSR)
El TCSR és un compensador en sèrie que proporciona una reactància inductiva ajustable suavement. El seu disseny és anàleg al del TCSC, amb la principal diferència que el condensador és reemplaçat per un reactor.
El reactor cessa de conduir quan l'angle de disparo del tiristor arriba a 180°, i comença a conduir quan l'angle de disparo és menor de 180°. Un diagrama bàsic del Reactancia en Sèrie Controlada per Tiristor (TCSR) es mostra a la figura següent.
Capacitor en Sèrie Commutat per Tiristor (TSSC)
El TSSC és una tècnica de compensació en sèrie similar en principi al TCSR, però amb una diferència operativa clau: mentre que el TCSR assol la regulació de potència ajustant els angles de disparo dels tiristors (permetent una regulació gradual), els tiristors del TSSC operen en mode simple "on/off" sense ajust de l'angle de disparo. Això significa que el condensador està o bé totalment connectat a la línia o totalment desconectat.
Aquesta operació simplificada redueix la complexitat i el cost tant dels tiristors com del controlador en general. El diagrama bàsic del TSSC és idèntic al del TCSC.
Compensador Sèrie Síncron Estàtic (SSSC)
El SSSC és un dispositiu de compensació en sèrie utilitzat en sistemes de transmissió per regular el flux de potència controlant la impedància equivalent de la línia. El seu voltatge de sortida és totalment controlable i independent de la corrent de la línia, ajustant aquest voltatge de sortida, la impedància efectiva de la línia es pot modular amb precisió.
Funcionalment, el SSSC actua com un generador síncron estàtic connectat en sèrie amb la línia de transmissió. El seu objectiu principal és ajustar la caiguda de voltatge a través de la línia, controlant així el flux de potència. El SSSC injecta un voltatge que té un desfasament de 90° (en quadratura) respecte a la corrent de la línia: si el voltatge injectat precedeix la corrent, proporciona compensació capacitiva; si el voltatge injectat segueix la corrent, proporciona compensació inductiva. Un diagrama bàsic del Compensador Sèrie Síncron Estàtic es mostra a la figura següent.
Compensador de Potència Reactiva Estàtica (SVC)
Un Compensador de Potència Reactiva Estàtica (SVC) consta d'un banc de condensadors fix connectat en paral·lel amb un reactor controlat per tiristor. L'angle de disparo del tiristor regula l'operació del reactor, controlant directament el voltatge a través del reactor i, per tant, la quantitat de potència que aquest absorbeix.
Aquesta configuració permet al SVC ajustar dinàmicament la producció de potència reactiva, estabilitzant el voltatge i millorant el factor de potència en el sistema de transmissió. Un diagrama bàsic del Compensador de Potència Reactiva Estàtica es mostra a la figura següent.
Aplicacions del Compensador de Potència Reactiva Estàtica (SVC)
Els SVC són dispositius versàtils utilitzats per millorar el rendiment del sistema elèctric, amb funcions clau que inclouen:
També són ampliament adoptats en entorns industrials per a la gestió de la potència reactiva i la millora de la qualitat de l'energia. A continuació es presenta una visió general de les configuracions més comunes dels SVC:
Reactancia Controlada per Tiristor (TCR)
Un TCR consisteix en un reactor connectat en sèrie amb una válvula de tiristor, específicament, dos tiristors connectats en anti-paral·lel. Aquests tiristors condueixen alternativament durant cada meitat de cicle de l'electrònica de potència, amb un circuit de control que envia impulsos de disparo als tiristors cada meitat de cicle.
L'angle de disparo del tiristor determina la quantitat de potència reactiva retardada que es subministra al sistema. Els TCR són comuns en línies de transmissió EHV (Extra High Voltage), on proporcionen compensació de potència reactiva en condicions de baixa càrrega o sense càrrega. Un diagrama bàsic de la Reactancia Controlada per Tiristor es mostra a la figura següent.
Condensador Commutat per Tiristor (TSC)
En condicions de càrrega pesant, la demanda de potència reactiva augmenta, i els Condensadors Commutats per Tiristor (TSC) estan dissenyats per atendre aquest increment de demanda. Són comuns en línies de transmissió EHV durant períodes de càrrega elevada.
El TSC comparteix un principi estructural similar amb el TCR, però amb un canvi de component clau: el reactor en el TCR és reemplaçat per un condensador. Com el TCR, el TSC regula la quantitat de potència reactiva que s'injecta a la línia de transmissió ajustant l'angle de disparo del tiristor. Un diagrama bàsic del Condensador Commutat per Tiristor (TSC) es mostra a la figura següent.
Reactancia Commutada per Tiristor (TSR)
El TSR és estructuralment similar a la Reactancia Controlada per Tiristor (TCR) però difereix en la operació: mentre que el TCR ajusta la corrent controlant els angles de disparo dels tiristors (permetent el control de fase), els tiristors del TSR operen en un mode binari "on/off" sense control de fase. Això significa que el reactor està o bé totalment connectat al circuit o totalment desconectat.La falta de regulació de l'angle de disparo simplifica el disseny, reduint el cost dels tiristors i minimitzant les pèrdues de commutació. El diagrama bàsic del TSR és idèntic al del TCR.
Compensador Síncron Estàtic (STATCOM)
El STATCOM és un convertidor de tensió basat en electrònica de potència (VSC) que regula el rendiment del sistema de transmissió subministrant o absorbint potència reactiva, i també pot proporcionar suport de potència activa quan calgui. És particularment eficient en línies de transmissió amb un factor de potència deficient i regulació de voltatge, fent-lo un dispositiu ampliament utilitzat per millorar la estabilitat del voltatge en sistemes elèctrics.
El STATCOM opera utilitzant un condensador carregat com a font d'entrada DC, que es converteix en tensió AC trifàsica mitjançant un inversor controlat per tensió. La sortida de l'inversor s'està sincronitzant amb el sistema elèctric AC, i el dispositiu es connecta en derivació amb la línia de transmissió mitjançant un transformador de couplament. Ajustant la sortida de l'inversor, la potència reactiva (i activa) subministrada pel STATCOM es pot controlar amb precisió. Un diagrama bàsic del STATCOM es mostra a la figura següent.
Controlador de Flux de Potència Interlínia (IPFC)
L'IPFC és una tècnica de compensació dissenyada per a sistemes de transmissió multilínia, que disposa de diversos convertidors connectats a través d'un bus DC comú, cada convertidor es connecta a una línia de transmissió separada.
Una capacitat clau d'aquests convertidors és la transferència de potència real, permetent equilibrar tant la potència real com la reactiva a través de línies interconnectades. Aquest control coordinat millora l'eficiència i la estabilitat general del sistema en xarxes multilínia.Un diagrama bàsic de l'IPFC es mostra a la figura següent.
Controlador de Flux de Potència Unificat (UPFC)
El UPFC integra un STATCOM (Compensador Síncron Estàtic) i un SSSC (Compensador Sèrie Síncron Estàtic) a través d'un enllaç de tensió DC compartit, combinant les seves funcionalitats en un sistema únic. Utilitza un parell de ponts trifàsics controlables per generar corrent, que s'injecta a la línia de transmissió a través d'un transformador de couplament.
El UPFC excel·leix en millorar múltiples aspectes del rendiment del sistema elèctric, incloent-hi la estabilitat del voltatge, la estabilitat de l'angle de potència i l'amortigament del sistema. Pots controlar amb precisió el flux de potència activa (real) i reactiva en línies de transmissió. No obstant això, funciona òptimament només en condicions de sinusoides equilibrades i pot no funcionar eficientment en estats de sistema anormals. A més, el UPFC ajuda a suprimir les oscil·lacions del sistema elèctric i millora la estabilitat transitoria. Un diagrama bàsic del Controlador de Flux de Potència Unificat (UPFC) es mostra a la figura següent.
