BESS: Batería para almacenamiento de energía
DVR: Corrector dinámico de tensión
DSTATCOM:
Compensador estático síncrono de distribución
SSCB:
Interruptor automático de estado sólido
SSTS: Conmmutador electrónico
Dispositivos
para mejorar la calidad de la energía eléctrica
Los problemas de calidad de la energía
eléctrica son evidentes en muchas redes comerciales, industriales,
residenciales y de abastecimiento. La energía de baja
calidad puede ocasionar la interrupción de un proceso industrial con la correspondiente
pérdida de ingresos. Se tiene energía de alta calidad cuando las
características físicas del suministro eléctrico en condiciones normales de
operación no provocan perturbaciones ni interrupciones en los procesos
industriales.
Los fenómenos naturales, como los rayos,
son las causas más frecuentes de los problemas de calidad de la corriente. Los
fenómenos propios de la conexión y desconexión de ciertas instalaciones, de los
que resultan oscilaciones transitorias del suministro eléctrico (por ejemplo
cuando se conectan condensadores o grandes motores), contribuyen también substancialmente
a provocar problemas de calidad de la corriente. Los más importantes y críticos
son, sin embargo, las caídas de tensión o la interrupción total del suministro
de energía.
Hay en general dos enfoques para limitar
los problemas de calidad de la energía eléctrica.
Uno, denominado acondicionamiento de la carga,
es asegurar que los equipos de proceso sean menos sensibles a las
perturbaciones, permitiéndoles así superarlas. La otra posibilidad es instalar
un dispositivo de acondicionamiento de la línea, que suprima o contrarreste las
perturbaciones.
Los dispositivos de mitigación
disponibles en el mercado tienden a proteger contra un grupo de perturbaciones de la calidad de la energía. Estos dispositivos son de tamaño variable y pueden ser instalados a todos los niveles de tensión (AT, MT y BT) de una red eléctrica. El dispositivo de mitigación y el punto de conexión del mismo se eligen según criterios de factibilidad económica y de la fiabilidad requerida.
Las
soluciones que
utilizan la electrónica de potencia (Ver figura de cabecera) se aplican frecuentemente cuando es esencial conseguir una respuesta rápida para suprimir o contrarrestar las perturbaciones, mientras que los dispositivos convencionales (por ejemplo la conexión de baterías de condensadores) son adecuados para regular la tensión
en régimen estacionario. La Tabla 1 presenta
una visión general de los problemas de
calidad de la energía eléctrica y sus posibles soluciones.
Para aplicaciones con cargas simples es
muy fácil seleccionar el dispositivo de mitigación adecuado. Sin embargo, en
redes grandes con varias cargas hay que considerar con mucho cuidado todos los
aspectos del sistema. Cuando se trata de redes grandes hay que conocer los
requisitos de calidad de las cargas sensibles.
Hay que tener en cuenta también la
interacción potencial entre dispositivos de mitigación, cargas conectadas y la
red eléctrica misma (figura 1).
Figura 1: Distorsiones
de forma de onda más significativas relacionadas con una deficiente calidad de
la corriente eléctrica
Aplicación
y ejemplos de dispositivos para mejorar la calidad de la energía
Una calidad deficiente de la energía
eléctrica puede producir la parada no programada de procesos industriales o el
fallo de equipos, lo que causa importantes costes a los clientes.
Limitación
de las caídas de tensión por medio de un corrector dinámico de tensión
Las plantas de fabricación de
semiconductores tienen equipos sensibles que pueden pararse por caídas
momentáneas de la tensión de alimentación, causadas por defectos del lado del suministro.
Para asegurar que el proceso de fabricación no se vea interrumpido durante
estas caídas se puede instalar un dispositivo para la calidad de energía, como
el corrector dinámico de tensión (DVR), que mitigue el problema. Como se indica
en la figura 2, el DVR es capaz de corregir en pocos milisegundos la tensión
afectada por un fallo de la red, protegiendo así al consumidor de las
desagradables consecuencias que se producirían.
Figura 2: Limitación de
las caídas de tensión con el corrector dinámico de tensión (DVR)
Para poder suprimir las caídas de tensión, el DVR debe tener un sistema de control rápido y disponer de una unidad de almacenamiento de energía y de un transformador de inyección para el acoplamiento de las tensiones destinadas a la compensación.
Componentes clave del DVR (figura 2):
–
Interruptor automático
–
Transformador de inyección (booster)
–
Filtro de armónicos
–
Dos convertidores de fuente de tensión basados en IGCT
–
Unidad de carga de CC
–
Sistema de control y de protección
– Fuente de energía, por ejemplo una batería de acumuladores de almacenamiento
Mientras las condiciones de la
alimentación de energía sean normales, el DVR opera en modo stand-by con bajas
pérdidas. Sin embargo, el secundario del transformador de inyección está en
cortocircuito. Mientras el DVR no inyecte tensión, las pérdidas se deben básicamente
a los elementos semiconductores. El uso de IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
minimiza estas pérdidas.
Cuando se produce una caída (o un
aumento) de tensión en el lado de la red, el DVR responde inyectando tres
tensiones de CA monofásicas en serie con las tensiones trifásicas que llegan de
la red, compensando así la diferencia entre las tensiones de la línea antes y después
del defecto. La amplitud y fase de cada una de las tensiones inyectadas puede ser
controlada independientemente de las otras tensiones. Las potencias activa y
reactiva necesarias para generar estas tensiones son suministradas por dos
convertidores de fuente de tensión con modulación de anchura de impulso (PWM),
alimentados a partir de un enlace CC como se muestra en la figura 3.
Figura 3: El
convertidor de tensión del DVR basado en tiristores IGCT, montado sobre una
batería de condensadores
Una instalación DVR de media tensión,
montada en contenedor, para una carga de 4 MVA (figura 4) es muy flexible, ya
que puede volver a ser montada en distintas ubicaciones, y con ello un aprovechamiento
máximo de la inversión.
Figura 4: DVR instalado en contenedor,
que garantiza un suministro fiable y una alta calidad de energía para una planta
de 4 MVA para la fabricación de semiconductores.
Para garantizar que el DVR sea capaz de cumplir
los requisitos especificados, es necesario verificar su comportamiento dinámico
las funciones del sistema de control utilizando un simulador analógico en
tiempo real. El sistema de control es una réplica del que se ha de utilizar en
la instalación del cliente.
Las tensiones de los lados de red y del
consumidor durante una caída de tensión simulada del 38% pueden verse en la
figura 5. La caída en una fase se produce en el instante en que la tensión
alcanza su valor máximo. El defecto es suprimido por la protección del sistema
al cabo de tres ciclos, recuperándose la tensión de alimentación hasta el nivel
inmediatamente anterior al fallo. A continuación, el DVR vuelve al modo
stand-by. Durante el defecto no se producen cambios en la tensión de la carga,
lo cual pone de manifiesto la rapidez de respuesta del control del DVR. La
buena concordancia entre los valores calculados de la tensión y los valores
estimados con el simulador analógico confirma la adecuación del diseño y el
buen comportamiento del sistema.
U
Tensión de entrada (a) y de salida (b) del DVR
t Tiemp
Figura 5: Tensiones por
unidad calculadas en el lado de la red (a) y de la carga (b) durante una caída
de tensión trifásica, con el DVR en funcionamiento
Compensación de las fluctuaciones de tensión y suministro de energía con DSTATCOM
DSTATCOM es un dispositivo shunt basado
en convertidores de tensión (tecnología PWM). Por lo tanto sustituye las instalaciones
convencionales destinadas a regular la tensión y la potencia reactiva. Puede
mejorar el perfil de la tensión a lo largo de la línea de alimentación y
reducir las pérdidas. También tiene la capacidad de suprimir las fluctuaciones
de la potencia activa gracias a la presencia de un dispositivo destinado a
suministrar la energía almacenada en el condensador del lado CC.
En condiciones normales de alimentación,
DSTATCOM funciona como fuente de potencia reactiva o en modo stand-by con bajas
pérdidas. Cuando se produce una fluctuación de la tensión, DSTATCOM reacciona
inyectando corrientes con la amplitud y la fase adecuadas.
La naturaleza no lineal de las cargas de
hornos de arco tiene una influencia substancial sobre la calidad de la
alimentación de energía eléctrica. Las fluctuaciones de potencia debidas al
funcionamiento del horno de arco provocan efectos visibles, indeseables, de la
fluctuación de la tensión (flicker). En estas situaciones puede aplicarse la
solución DSTATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator), mostrada en la
figura 6, para resolver los problemas de calidad de la energía. DSTAT-COM es
capaz de suprimir las fluctuaciones más rápidamente que los dispositivos
convencionales y, además, no contribuye a la aparición de fenómenos de
resonancia en la red.
Figura 6: Compensación
de carga de un horno de arco por medio de un DSTATCOM, compensador estático
síncrono de distribución
Se han realizado medidas de la
fluctuación, con la carga de un horno de arco, que muestran la contribución del
dispositivo DSTAT-COM. En la figura 7 se puede ver que la instalación de un DSTATCOM
elimina efectivamente la fluctuación de la tensión.
También es ventajoso el uso de DSTATCOM funcionando
conjuntamente con un interruptor automático de estado sólido SSCB (Solid State Circuit-Breaker)
y un sistema de almacenamiento de energía (por ejemplo una batería de condensadores).
Si se instala un dispositivo SSCB entre la red y el juego crítico de barras de
la carga, y si paralelamente a esta opera un DSTATCOM equipado con un sistema de
almacenamiento de energía como BESS (Bat-tery Energy Storage
System), entonces queda garantizado el máximo apoyo a la carga durante los
cortes momentáneos de la alimentación.
a)
Sin dispositivo de mitigación
b)
Con DSTATCOM
∆U
Variación de la tensión
t Tiemp
Figura 7: Fluctuaciones
de la tensión (flicker) generadas por el funcionamiento de un horno de arco
En caso de fallo en la red, el SSCB
aísla inmediatamente la carga crítica de la red y el DSTATCOM le suministra la
energía necesaria desde su sistema de almacenamiento.
Eliminación
de las interrupciones momentáneas de la alimentación por medio de SSTS
El conmutador electrónico SSTS (Solide
State Transfer Switch) ha sido diseñado para sustituir los dispositivos mecánicos
utilizados en las grandes instalaciones industriales y comerciales para
conmutar de una fuente de alimentación a otra, un proceso que tiene una duración
típica de entre 0,5 y varios segundos. El SSTS es también una alternativa para
las empresas que necesitan un aprovisionamiento de energía integrado y sin
interrupciones.
En la figura 8 se ve una aplicación
típica de SSTS para compañías de electricidad, como solución para garantizar
una alta calidad de la energía. El consumidor sensible recibe el suministro por
una línea radial derivada de la red aislada de media tensión. En caso de
perturbaciones en la red se intenta eliminar el defecto abriendo brevemente la
sección afectada. No obstante, un breve corte de la alimentación dispararía el
equipo del consumidor, deteniendo la producción y causándole pérdidas. Se
dispone de una línea secundaria independiente, en paralelo con la línea
primaria, con suficiente capacidad de suministro. Cuando se realice la breve apertura
en la red de tensión media, el SSTS conmutará inmediatamente la carga a la
línea secundaria, representada aquí por la línea independiente.
Figura 8: Mitigación de las interrupciones momentáneas del suministro, temporales y en duración, por medio de un conmutador electrónico SSTS (Solide State Transfer Switch)
Durante el funcionamiento normal está
cerrado el interruptor destinado a conectar la carga a la fuente primaria,
mientras que el de la fuente secundaria está abierto. Si en la línea primaria se
producen perturbaciones, como caídas de tensión, cortocircuitos e
interrupciones, el SSTS conmuta la carga a la línea secundaria.
Para que el SSTS sea eficaz, la red de
distribución en la que está instalado tiene que cumplir determinados requisitos:
–
Ha de haber dos fuentes de alimentación de dos
subestaciones distintas.
–
La línea de reserva debe disponer de suficiente
capacidad de distribución.
–
La subestación debe tener suficiente capacidad de
distribución.
–
Se ha de disponer de una transmisión fiable con
buena calidad de energía.
Las curvas obtenidas en la simulación
por ordenador del SSTS (figura 9) muestran las tensiones de la línea primaria y
las del juego de barras durante un fallo trifásico. La conmutación de la carga
a la línea secundaria es inmediata y no perjudica a la carga.
U
Tensión
t Tiempo
Figura 9: Tensiones de la línea primaria (a) y de los juegos de barras de la carga (b) en el caso de fallo del sistema
Pararrayos
de óxidos metálicos como protección contra las sobretensiones transitorias
La protección contra las sobretensiones
transitorias, provocadas por los rayos o por la conexión de elementos
reactivos, es importante para garantizar la calidad de la energía.
Figura 10: Pararrayos
POLIM (ABB) de media tensión para la protección contra las sobreintensidades
transitorias
Los pararrayos de óxidos metálicos (figura
10) limitan las sobretensiones transitorias a 1,5 pu de la tensión nominal de
la red. Son, por tanto, ideales para limitar las sobretensiones transitorias en
las redes de transmisión distribución y mejoran la calidad de la energía en las
gamas de alta y de baja tensión.
FUENTE:
ABB High Voltage Technologies Ltd: “Soluciones
innovadoras para mejorar la calidad de la energía eléctrica” (Arun
Arora, Kevin Chan, Alexander Kara, Thomas Jauch,
Ernst
Wirth), Revista ABB 3/1998
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