Modelado de un recuperador dinámico de tensión para el mejoramiento de la calidad de onda de tensión

Omar Pinzón Ardila

• Editorial: Universidad Pontificia Bolivariana
• Año: 2019
• ISBN del libro electrónico: 9789587646269
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería general

Esta obra muestra el control de un Recuperador Dinámico de Tensión, DVR de sus siglas en inglés. Para ello inicialmente se modela un sistema de potencia eléctrico donde se presentan perturbaciones de tensión (huecos de tensión) y se determinan las limitaciones y el comportamiento transitorio del compensador. Para el control del compensador se propone una estructura combinada de dos niveles en cascada a partir de las variables medidas del sistema para mejorar la respuesta transitoria del dispositivo. En este documento también se muestran los problemas de retardo inherentes en el sistema de control digital de un Recuperador Dinámico de Tensión. Los sistemas de control digital normalmente exhiben un retardo asociado al periodo de muestreo, la frecuencia de conmutación del inversor, el tiempo de medida del sensor, el cálculo de la acción de control, entre otros. Este retardo incrementa la dimensión de las variables de estado del sistema, llevando al sistema de control a una zona de inestabilidad. Con base en este análisis se propone un diseño para los controladores y la estructura del sistema de control. Los resultados obtenidos se validan en simulación utilizando el software PSCAD™/EMTDC™ Versión 4.6 y se muestran en funcionamiento mediante un prototipo de laboratorio.

1. Introducción

En este trabajo de investigación se aborda el problema del modelado y control de un Recuperador Dinámico de Tensión, (DVR, de sus siglas en inglés). En el desarrollo del documento son revisadas las topologías existentes, las diferentes técnicas y algoritmos de control. Se analiza en detalle la implantación de un algoritmo de control del Recuperador Dinámico de Tensión y se prueba su eficacia mediante el software de simulación PSCAD/EMTDC [19, 60]. El Power Systems Computer Aided Design (PSCAD) es un software para la simulación de sistemas de potencia, desarrollado por la división Manitoba Hydro International del Centro de Investigación Manitoba HVDC. El PSCAD se compone de una interfaz gráfica para simular los sistemas de potencia junto con dispositivos electrónicos de potencia, los cuales son necesarios para realizar una simulación más realista de un Recuperador Dinámico de Tensión.

1.1 Antecedentes

Por tradición, la calidad de servicio ha estado asociada con la continuidad en el suministro eléctrico, pero desde hace unos años se han integrado nuevos conceptos tales como la calidad de onda y la atención comercial [8, 21]. El mantenimiento de la calidad de onda depende de un conjunto muy amplio de factores, unos propios del sistema eléctrico y otros que dependen de la presencia de consumidores que introducen perturbaciones en la red.

El nivel de perturbación en algunos puntos de la red puede llegar a afectar negativamente a los usuarios conectados a la red de suministro eléctrico, en especial aquellos con cargas sensibles [2, 21]. Por ello, los niveles de perturbación de las redes no deben sobrepasar un cierto valor de compromiso. Esto exige limitar el efecto de emisión de las perturbaciones por parte de los equipos conectados a estas mismas redes o instalar dispositivos de compensación, con el fin de disminuir al máximo las emisiones que se detectan en una red eléctrica, así como reducir en lo posible las repercusiones que pueden tener dichas alteraciones sobre el funcionamiento del equipo conectado a la red.

Cuadro 1.1: Perturbaciones asociadas a las características de la onda de tensión.

Característica

Perturbaciones asociada

Frecuencia	Variaciones de frecuencia
Amplitud	Variaciones lentas Variaciones rápidas Parpadeo (Flicker) Interrupciones breves Hueco Sobretensiones temporales Sobretensiones transitorias
Simetría de fases	Desequilibrio
Formas de onda	Tensión armónica Tensión interarmónica

Las autoridades competentes de cada país fijan unos criterios normativos para asegurar que los niveles de perturbación en la red eléctrica no sobrepasen el nivel de compromiso. Las autoridades deben fijar los niveles máximos permitidos de emisión, así como los niveles mínimos de inmunidad de los diferentes equipos que se conectan a red eléctrica [11, 21].

Por un lado, las empresas suministradoras deben vigilar el nivel de perturbación en sus redes y garantizar que la suma de las emisiones de las perturbaciones procedentes de los equipos conectados a la red no sobrepase el valor de referencia especificado, imponiendo para ello la corrección de las perturbaciones en aquellos equipos que superen el límite permitido. Por otro lado, los fabricantes de equipos eléctricos deben ajustar sus diseños para cumplir los requisitos regulados de emisión e inmunidad a las perturbaciones.

En este compromiso y coordinación entre las diferentes partes, la regulación normativa juega un papel esencial. Dicha regulación debe realizarse en el ámbito internacional, al amparo de los organismos de normalización y teniendo en cuenta el carácter global de los mercados actuales.

1.1.1 Calidad de onda y compatibilidad electromagnética

La calidad de onda hace referencia a la onda de tensión de suministro y las perturbaciones asociadas a la misma. Agrupa prácticamente todas las perturbaciones de origen técnico, salvo las interrupciones largas de suministro que se encuadran dentro de la continuidad del suministro o fiabilidad. La onda de tensión ideal es sinusoidal, con amplitud y frecuencia determinadas e invariables, con simetría de fases (en los sistemas trifásicos) [21]. Cuando estas características son alteradas variando sus condiciones ideales, se dice que la onda de tensión sufre perturbaciones. Un suministro con buena calidad de onda debería mantener estas perturbaciones dentro de unos límites aceptables. En la Tabla 1.1, se presenta una clasificación de las perturbaciones que pueden afectar las distintas características de la onda de tensión. El compromiso entre emisión e inmunidad a las perturbaciones es resuelto por medio de las normas de compatibilidad electromagnética (CEM) [38].

La compatibilidad electromagnética se define como la aptitud de los dispositivos, aparatos o sistemas para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria y sin producir ellos mismos perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo lo que se encuentra en su entorno [38]. Las características que deben cumplir los dispositivos, aparatos o sistemas para ser compatibles son descritas en normas internacionales donde también se muestran las perturbaciones existentes en un sistema de distribución de energía eléctrica y los límites máximos de las mismas (CEI 61000-2-1, CEI 61000-2-2)[39]. Basándose en esas normas, la CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique ) desarrolló la norma europea EN 50160 que busca uniformizar en todo el territorio de la Unión Europea la electricidad definida como producto. Cada perturbación tiene un índice asociado sobre el cual existe un importante consenso internacional. La norma europea CEI 61000-4-30 [40] describe exactamente cómo debe medirse cada una de las perturbaciones. En Colombia, a finales del 2012, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) presento la norma NTC-IEC 61000-4-30, la cual es una adopción idéntica de la norma europea y complementa las normas previas NTC 5000 y NTC 5001. La NTC 5000 define los términos fundamentales utilizados en el tema de calidad de la potencia eléctrica y la norma NTC 5001 establece las metodologías de evaluación y los valores de referencia de los parámetros asociados a la calidad de la potencia eléctrica en el punto común de conexión entre el operador de red y el usuario para todos los niveles de tensión, bajo condiciones normales de operación.

Figura 1.1: Compatibilidad Electromagnética.

Por otro lado, en Colombia existe la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) entidad responsable de regular los servicios de electricidad y gas según lo establece la Ley 142 y 143 de 1994. Esta entidad fue creada por el Gobierno Nacional con el fin de regular las actividades de los servicios públicos y en particular el servicio de energía eléctrica. Entre las resoluciones más relevantes se encuentra la Resolución CREG 0024 de 2005, por la cual se modifican las normas de calidad de la potencia eléctrica aplicables a los servicios de distribución de energía eléctrica y crea, de este modo un punto de partida para la implantación de la Calidad de Energía en el territorio colombiano. Esta resolución fue modificada posteriormente por la Resolución 16 de 2007, la cual establece las normas de calidad de la potencia eléctrica aplicables a los sistemas de Distribución de Energía Eléctrica en el Sistema Interconectado Nacional.

En las distintas normativas son establecidos los límites en términos de probabilidad debido al carácter aleatorio de la mayoría de la perturbaciones existentes en el sistema. En la Figura 1.1 se muestra una representación de este escenario tanto para las compañías distribuidoras como para los fabricantes de equipo. En este caso se revela que las perturbaciones exhiben un comportamiento aleatorio ya sea de emisión o la capacidad que tienen los equipos de soportarla. Es por ello que los organismos internacionales juegan un papel de arbitraje donde establecen los límites y definen con ello los niveles de compatibilidad electromagnética de un fenómeno perturbador. Por ejemplo, un equipo debe ser inmune, con un 95% de probabilidad, al nivel de perturbación fijado en los niveles de CEM [38]. De esto deben encargarse los fabricantes de equipos, en la elaboración de diseños aptos para funcionar normalmente y con esos niveles de perturbación. También, se considera que debe haber un 95% de probabilidad de que las perturbaciones emitidas sean inferiores al límite de emisión fijado por los niveles CEM. Con este límite deben controlarse todos los emisores de perturbaciones.

En el caso del suministro de electricidad, es considerado imposible o con probabilidad cero suministrar un producto electricidad perfecto. Además, los niveles de compatibilidad electromagnética consideran que los límites fijados deben cumplirse durante el 95% del tiempo, y en el 95% de los puntos de la red. Incluyen, por lo tanto, una componente aleatoria ligada no solo con el tiempo, sino también al espacio.

1.1.2 Perturbaciones de la onda de tensión

En la normativa europea 85/374/EEC, al igual que la CREG, la electricidad es definida como un producto, y como tal su suministro debe regirse por los mismos derechos y obligaciones que la distribución de cualquier otro producto comercial. Ello implica una descripción exacta del producto electricidad, con las propiedades que debe tener. Las normas definen y uniformizan el producto electricidad. Las normas no fijan niveles de compatibilidad electromagnética, sino que describe cómo debe ser la electricidad que se suministra a cada cliente, o los niveles máximos de perturbaciones que pueden existir en cada punto de la red de suministro.

A continuación se presenta un resumen de algunas perturbaciones de la onda de tensión y los límites propuestos en la norma NTC-IEC 61000-4-30, los cuales se derivan de la norma española UNE-EN 50160 [7, 8].

Tensión armónica: son las tensiones sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación (60 Hz). Los armónicos se miden como la amplitud relativa de su valor eficaz.

(medida del valor eficaz en periodos de 10 min) frente al de la frecuencia fundamental. Se consideran límites para cada armónico individual (ver Tabla 1.2¹), y un máximo de un 8% para la tasa de distorsión armónica total durante el 95% del tiempo. Estos límites son los mismos en baja y en media tensión, y deben cumplirse en periodos de 1 semana [67]. Las ecuaciones de amplitud relativa del armónico h (v_h) y la tasa de distorsión armónica total de la tensión (THD_v) son las siguientes:

Cuadro 1.2: Valores máximos permitidos de las tensiones de armónicos en los puntos de suministro, hasta el armónico de orden 25, expresados en porcentaje de la tensión nominal.

En gran medida, las tensiones armónicas son producidas por las cargas conectadas a la red que demandan corrientes no sinusoidales. Entre ellas, se pueden encontrar cargas de uso industrial: convertidores de potencia (rectificadores), hornos de inducción, hornos de arco y también cargas de uso doméstico (receptores de televisión, lámparas fluorescentes, etc). Las tensiones armónicas afectan negativamente a los equipos de control y protecciones, pueden provoca...

Índice

• Cubierta
• Portada
• Créditos
• Tabla de contenido
• 1. Introducción
• 2. Generalidades
• I. Modelado
• II. Simulación y resultados experimentales
• 6. Conclusiones
• Bibliografía
• A. Normativa y recomendaciones
• Notas al pie
• Contracubierta