¿Cuáles son las clasificaciones y tipos de controladores y dispositivos FACTS?
De acuerdo con el tipo de conexión del controlador FACTS con el sistema de energía, se clasifica como;
Controlador conectado en serie
Controlador conectado en paralelo
Controlador combinado en serie-serie
Controlador combinado en paralelo-serie
Controladores conectados en serie
Los controladores en serie introducen un voltaje en serie con el voltaje de la línea, generalmente utilizando dispositivos de impedancia capacitiva o inductiva. Su función principal es suministrar o absorber potencia reactiva variable según sea necesario.
Cuando una línea de transmisión está muy cargada, la demanda de potencia reactiva adicional se satisface activando elementos capacitivos en el controlador en serie. Por el contrario, bajo carga ligera, donde la reducción de la demanda de potencia reactiva hace que el voltaje en el extremo receptor suba por encima del voltaje en el extremo emisor, se utilizan elementos inductivos para absorber el exceso de potencia reactiva, estabilizando el sistema.
En la mayoría de las aplicaciones, los condensadores se instalan cerca de los extremos de la línea para compensar la demanda de potencia reactiva. Dispositivos comunes para este propósito incluyen los Capacitores Serie Controlados por Tiristores (TCSC) y los Compensadores Sincrónicos Serie Estáticos (SSSC). La configuración básica de un controlador conectado en serie se muestra en la figura siguiente.
Controladores conectados en paralelo
Los controladores conectados en paralelo inyectan corriente en el sistema de energía en su punto de conexión, utilizando impedancias variables como condensadores e inductores, similar en principio a los controladores en serie, pero diferenciándose en el método de conexión.
Compensación capacitiva en paralelo
Cuando un condensador se conecta en paralelo con el sistema de energía, el enfoque se llama compensación capacitiva en paralelo. Las líneas de transmisión con cargas altamente inductivas suelen operar con un factor de potencia retrasado. Los condensadores en paralelo abordan esto al extraer corriente que lleva la tensión de la fuente, compensando la carga retrasada y mejorando el factor de potencia global.
Compensación inductiva en paralelo
Cuando un inductor se conecta en paralelo, el método se conoce como compensación inductiva en paralelo. Esto se utiliza menos comúnmente en redes de transmisión, pero se vuelve crítico para líneas muy largas: bajo condiciones de carga nula, carga ligera o carga desconectada, el efecto Ferranti hace que el voltaje en el extremo receptor supere el voltaje en el extremo emisor. Los compensadores inductivos en paralelo (por ejemplo, reactores) absorben el exceso de potencia reactiva para mitigar este aumento de tensión.
Ejemplos de sistemas de controladores conectados en paralelo incluyen Compensadores VAR Estáticos (SVC) y Compensadores Sincrónicos Estáticos (STATCOM).
Controladores combinados en serie-serie
En sistemas de transmisión multi-línea, los controladores combinados en serie-serie emplean un conjunto de controladores en serie independientes que trabajan en coordinación. Esta configuración permite una compensación reactiva en serie individual para cada línea, asegurando un soporte personalizado para cada circuito.
Además, estos sistemas pueden facilitar la transferencia de potencia real entre líneas a través de un enlace de potencia dedicado. Alternativamente, pueden adoptar un diseño de controlador unificado donde los terminales de corriente continua de los convertidores están interconectados, lo que permite directamente la transferencia de potencia real a las líneas de transmisión. Un ejemplo representativo de tal sistema es el Controlador de Flujo de Potencia Interlineal (IPFC).
Controladores combinados en paralelo-serie
Este tipo de controlador integra dos componentes funcionales: un controlador en paralelo que inyecta voltaje en paralelo con el sistema, y un controlador en serie que inyecta corriente en serie con la línea. Crucialmente, estos dos componentes operan de manera coordinada para optimizar el rendimiento general. Un ejemplo destacado de tal sistema es el Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC).
Tipos de dispositivos FACTS
Se ha desarrollado una variedad de dispositivos FACTS para satisfacer diversas necesidades de aplicación. A continuación, se presenta un resumen de los controladores FACTS más comúnmente utilizados, categorizados por su tipo funcional:
Compensadores en serie:
Compensadores en paralelo:
Compensadores en serie-serie:
Compensadores en paralelo-serie:
Examinemos brevemente cada compensador:
Capacitores Serie Controlados por Tiristores (TCSC)
El TCSC introduce reactancia capacitiva en serie con el sistema de energía. Su estructura central incluye un banco de condensadores (compuesto por múltiples condensadores en configuración serie-paralelo) conectado en paralelo con un reactor controlado por tiristores. Este diseño permite un ajuste suave y variable de la capacitancia en serie.
Los tiristores regulan la impedancia del sistema controlando el ángulo de disparo, lo que a su vez ajusta la impedancia total del circuito. Un diagrama simplificado del TCSC se muestra en la figura siguiente.
Reactores Serie Controlados por Tiristores (TCSR)
El TCSR es un compensador en serie que proporciona una reactancia inductiva ajustable suavemente. Su diseño es análogo al del TCSC, con la diferencia clave de que el condensador se reemplaza por un reactor.
El reactor cesa la conducción cuando el ángulo de disparo del tiristor alcanza 180°, y comienza a conducir cuando el ángulo de disparo es menor de 180°. Un diagrama básico del Reactor Serie Controlado por Tiristores (TCSR) se muestra en la figura siguiente.
Condensadores Serie Comutados por Tiristores (TSSC)
El TSSC es una técnica de compensación en serie similar en principio al TCSR, pero con una diferencia operativa clave: mientras que el TCSR logra el control de potencia ajustando los ángulos de disparo de los tiristores (permitiendo una regulación escalonada), los tiristores del TSSC operan en un modo simple "encendido/apagado" sin ajuste del ángulo de disparo. Esto significa que el condensador está completamente conectado o completamente desconectado de la línea.
Esta operación simplificada reduce la complejidad y el costo tanto de los tiristores como del controlador general. El diagrama básico del TSSC es idéntico al del TCSC.
Compensador Sincrónico Serie Estático (SSSC)
El SSSC es un dispositivo de compensación en serie utilizado en sistemas de transmisión para regular el flujo de potencia controlando la impedancia equivalente de la línea. Su voltaje de salida es totalmente controlable e independiente de la corriente de la línea, al ajustar este voltaje de salida, se puede modular con precisión la impedancia efectiva de la línea.
Funcionalmente, el SSSC actúa como un generador sincrónico estático conectado en serie con la línea de transmisión. Su propósito principal es ajustar la caída de tensión a lo largo de la línea, controlando así el flujo de potencia. El SSSC inyecta un voltaje que está en cuadratura (desfase de 90°) con la corriente de la línea: si el voltaje inyectado conduce la corriente, proporciona compensación capacitiva; si se retrasa respecto a la corriente, proporciona compensación inductiva. Un diagrama básico del Compensador Sincrónico Serie Estático se muestra en la figura siguiente.
Compensador VAR Estático (SVC)
Un Compensador VAR Estático (SVC) consta de un banco de condensadores fijos conectado en paralelo con un reactor controlado por tiristores. El ángulo de disparo del tiristor regula la operación del reactor, controlando directamente el voltaje a través del inductor y, por lo tanto, la cantidad de potencia que absorbe.
Esta configuración permite al SVC ajustar dinámicamente la salida de potencia reactiva, estabilizando la tensión y mejorando el factor de potencia en el sistema de transmisión. Un diagrama básico del Compensador VAR Estático se muestra en la figura siguiente.
Aplicaciones del Compensador VAR Estático (SVC)
Los SVC son dispositivos versátiles utilizados para mejorar el rendimiento del sistema de energía, con funciones clave que incluyen:
También se adoptan ampliamente en entornos industriales para la gestión de potencia reactiva y la mejora de la calidad de la energía. A continuación, se presenta un resumen de las configuraciones más comunes de SVC:
Reactor Controlado por Tiristores (TCR)
Un TCR consta de un reactor conectado en serie con una válvula de tiristores, específicamente, dos tiristores conectados en anti-paralelo. Estos tiristores conducen alternativamente durante cada media onda de la fuente de alimentación de CA, con un circuito de control que entrega pulsos de disparo a los tiristores cada media onda.
El ángulo de disparo del tiristor determina la cantidad de potencia reactiva retardada suministrada al sistema. Los TCR se utilizan comúnmente en líneas de transmisión de UHV (Ultra Alta Tensión), donde proporcionan compensación de potencia reactiva durante condiciones de carga ligera o sin carga. Un diagrama básico de un Reactor Controlado por Tiristores se muestra en la figura siguiente.
Condensadores Comutados por Tiristores (TSC)
Bajo condiciones de carga pesada, la demanda de potencia reactiva aumenta, y los Condensadores Comutados por Tiristores (TSC) están diseñados para satisfacer esta demanda creciente. Se utilizan comúnmente en líneas de transmisión de UHV durante períodos de alta carga.
El TSC comparte un principio estructural similar con el TCR, pero con un cambio de componente clave: el reactor en el TCR se reemplaza por un condensador. Al igual que el TCR, el TSC regula la cantidad de potencia reactiva suministrada a la línea de transmisión ajustando el ángulo de disparo del tiristor. Un diagrama básico del Condensador Comutado por Tiristores (TSC) se muestra en la figura siguiente.
Reactores Comutados por Tiristores (TSR)
El TSR es estructuralmente similar al Reactor Controlado por Tiristores (TCR), pero difiere en la operación: mientras que el TCR ajusta la corriente controlando los ángulos de disparo de los tiristores (permitiendo el control de fase), los tiristores del TSR operan en un modo binario "encendido/apagado" sin control de fase. Esto significa que el reactor está completamente conectado al circuito o completamente desconectado.La ausencia de regulación del ángulo de disparo simplifica el diseño, reduciendo los costos de los tiristores y minimizando las pérdidas de conmutación. El diagrama básico de un TSR es idéntico al de un TCR.
Compensador Sincrónico Estático (STATCOM)
El STATCOM es un convertidor de fuente de tensión basado en electrónica de potencia (VSC) que regula el rendimiento del sistema de transmisión suministrando o absorbiendo potencia reactiva, y también puede proporcionar soporte de potencia activa cuando sea necesario. Es particularmente efectivo en líneas de transmisión con un mal factor de potencia y regulación de tensión, lo que lo convierte en un dispositivo ampliamente utilizado para mejorar la estabilidad de la tensión en los sistemas de energía.
El STATCOM opera utilizando un condensador cargado como su fuente de entrada de corriente continua, que se convierte en tensión trifásica de CA a través de un inversor controlado por tensión. La salida del inversor se sincroniza con el sistema de energía de CA, y el dispositivo se conecta en paralelo con la línea de transmisión a través de un transformador de acoplamiento. Ajustando la salida del inversor, se puede controlar con precisión la potencia reactiva (y activa) suministrada por el STATCOM. Un diagrama básico del STATCOM se muestra en la figura siguiente.
Controlador de Flujo de Potencia Interlineal (IPFC)
El IPFC es una técnica de compensación diseñada para sistemas de transmisión multi-línea, que cuenta con múltiples convertidores interconectados a través de un bus de corriente continua común, cada convertidor se conecta a una línea de transmisión separada.
Una capacidad clave de estos convertidores es la transferencia de potencia real, lo que permite equilibrar tanto la potencia real como la reactiva a través de las líneas interconectadas. Este control coordinado mejora la eficiencia y estabilidad general del sistema en redes multi-línea. Un diagrama básico del IPFC se muestra en la figura siguiente.
Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC)
El UPFC integra un Compensador Sincrónico Estático (STATCOM) y un Compensador Sincrónico Serie Estático (SSSC) a través de un enlace de tensión de corriente continua compartido, combinando sus funcionalidades en un solo sistema. Utiliza un par de puentes trifásicos controlables para generar corriente, que se inyecta en la línea de transmisión a través de un transformador de acoplamiento.
El UPFC destaca en mejorar múltiples aspectos del rendimiento del sistema de energía, incluyendo la estabilidad de tensión, la estabilidad del ángulo de potencia y la amortiguación del sistema. Puede controlar con precisión tanto el flujo de potencia activa (real) como reactiva en las líneas de transmisión. Sin embargo, opera óptimamente solo bajo condiciones de ondas sinusoidales equilibradas y puede no funcionar eficazmente durante estados anormales del sistema. Además, el UPFC ayuda a suprimir las oscilaciones del sistema de energía y mejora la estabilidad transitoria. Un diagrama básico del Controlador Unificado de Flujo de Potencia (UPFC) se muestra en la figura siguiente.
