Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 11-05-2020, Aprobado tras revisión: 16-07-2020
Forma sugerida de citación: Paredes, L; Serrano, B.; Molina, M. (2020). “Modeling of DSTATCOM Devices to Improve Dynamic
Voltage Stability in a Microgrid with High Penetration of Motor Loads”. Revista Técnica “energía”. No. 17, Issue I, Pp. 32-42.
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2020 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Modeling of DSTATCOM Devices to Improve Dynamic Voltage Stability in a
Microgrid with High Penetration of Motor Loads
Modelado de Dispositivos DSTATCOM para Mejorar la Estabilidad
Dinámica de Tensión en una Microrred con Alta Penetración de Cargas
Motóricas
L.A. Paredes
1
B.R. Serrano
1
M.G. Molina
1
1
Instituto de Energía Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan - CONICET, San Juan, Argentina
E-mail: lparedes@iee.unsj.edu.ar; bserrano@iee-unsjonicet.org; mmolina@iee-unsjconicet.org
Abstract
This paper proposes and validates models of FACTS
technology devices of the Synchronous Static
Compensator for Distribution (DSTATCOM) type.
In the first instance, a simplified DSTATCOM
modeling performed through a controlled current
source is presented. Subsequently, a DSTATCOM
modeled through control strategies is exposed
considering a PWM (Pulse-Width Modulation)
converter. The proposed models of DSTATCOM
devices are validated in a CIGRÉ Electrical
Microgrid (MG) test system. The presence of
induction motor type loads in the MG requires a
considerable demand for reactive power, this causes
inconveniences to maintain the Dynamic Voltage
Stability (DVE). This situation is aggravated by the
occurrence of failures that trigger an isolated
operation of the MG. To solve these problems, a
DSTATCOM device will be used. The optimal
connection and location of DSTATCOM in the MG
is done through an exhaustive search algorithm,
considering the premise of the best performance in
terms of DVE made through dynamic simulations in
PowerFactory DIgSILENT. Comparatively, the
results obtained for the two models performed are
presented, showing the improvement of the DVE in
the isolated operation of the MG with both models.
Depending on the detail and scope of the studies in
the MG system, you can choose between the
developed DSTATCOM models. All details of
models, control diagrams and data of DSTATCOM
devices are provided in this document.
Resumen
A través de este artículo se propone y valida modelos
de dispositivos de tecnología FACTS de tipo
Compensador Estático Sincrónico para Distribución
(DSTATCOM). En primera instancia, se presenta el
modelado de un DSTATCOM simplificado realizado
a través de una fuente de corriente controlada.
Posteriormente, se expone un DSTATCOM
modelado a través de estrategias de control
considerando un conversor PWM (Pulse-Width
Modulation - Modulación por ancho de pulsos). Los
modelos propuestos de dispositivos DSTATCOM se
validan en un sistema de prueba de Microrred
Eléctrica (MRE) de la CIGRÉ. La presencia de
cargas de tipo motor de inducción en la MRE
requiere una considerable demanda de potencia
reactiva, esto ocasiona inconvenientes para
mantener la Estabilidad Dinámica de Tensión
(EDT). Ésta situación se agrava ante la ocurrencia
de fallas que desencadenen una operación aislada de
la MRE. Para solucionar estos inconvenientes se
hará uso de un dispositivo DSTATCOM. La
conexión y ubicación óptima del DSTATCOM en la
MRE se realiza a través de un algoritmo de
búsqueda exhaustiva, considerando la premisa del
mejor rendimiento en términos de EDT realizado a
través de simulaciones dinámicas en PowerFactory
DIgSILENT. Comparativamente se presentan los
resultados obtenidos para los dos modelos
realizados, demostrándose la mejora de la EDT en la
operación aislada de la MRE con ambos modelos.
Dependiendo del detalle y alcance de los estudios en
el sistema de MRE, se puede elegir entre los modelos
DSTATCOM desarrollados. Todos los detalles de
modelos, esquemas de control y datos de los
dispositivos DSTATCOM son proporcionados en
este documento.
Index terms DSTATCOM, FACTS, Modeling,
Dynamic Voltage Stability, Microgrid, Induction
Motor.
Palabras clave DSTATCOM, FACTS, Modelado,
Estabilidad Dinámica de Tensión, Microrred, Motor
de Inducción.
32
Edición No. 17, Issue I, Julio 2020
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo sostenible de una sociedad depende en
gran medida del sector energético de electricidad y
representa un objetivo estratégico en cada país para
consolidar un futuro seguro y sólido [1]. Los recursos
energéticos tradicionales (petróleo y agua) para la
generación de electricidad se están agotando, el nivel de
contaminación del medio ambiente se vuelve cada más
alarmarte por la elevada emisión de CO
2
a la atmosfera,
lo que ha desencadenado en las labores de investigación
y desarrollo para aprovechar nuevas fuentes de
generación de electricidad que sean amigables con el
medio ambiente, así como también, nuevas formas de
transportar y consumir energía de manera más eficiente y
minimizando las pérdidas.
Los clásicos sistemas de distribución suministran
energía eléctrica de manera unidireccional desde la red
de transporte hacia los consumidores. La red de
distribución se considera una red pasiva, con una
configuración topológica radial. La red de distribución
activa por su lado, tiene una configuración topológica en
anillo o lazo cerrado, permitiendo que los flujos de
potencia sean transportados de manera multidireccional,
esto supeditado a la presencia de sistemas de Generación
Distribuida (solar fotovoltaica, eólica, hidráulica,
geotérmica, etc.), con lo cual se puede gestionar
energéticamente el suministro eléctrico a los
consumidores [1].
Los sistemas de Generación Distribuida (GD) y
Microrredes Eléctricas (MREs), en las dos últimas
décadas han recibido una connotada atención,
posicionamiento, desarrollo e investigación en los
mercados eléctricos. Esto impulsado por cuestiones
ambientales, la necesidad de acceso a la energía eléctrica
en comunidades remotas y la promesa de una mayor
confiabilidad, seguridad, calidad y resiliencia de los
sistemas eléctricos [2], [3]. Específicamente, las MREs
se consideran un vínculo crítico o un punto de inflexión
en la evolución de Sistemas de Suministro de Energía
Eléctrica (SSEE) integrados verticalmente hacia las redes
inteligentes descentralizadas (smart grids, en inglés) al
facilitar la integración de la GD basados en Energías
Renovables No Convencionales (ERNCs) [4], [5].
Un problema a tener en consideración en las MREs
con fuentes de ERNCs debido a la GD son las constantes
fluctuaciones de tensión. Estas fluctuaciones también
pueden originarse por las inyecciones temporarias de
potencia cuando una MRE se encuentra conectada a una
red de distribución principal que suministra energía a la
MRE. Adicionalmente, se debe considerar que las
fluctuaciones de potencia son debidas a los sistemas de
GD de tipo Solar Fotovoltaica (SFV), Generación Eólica
(GE) y Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE),
que conforman el sistema de MRE [6].
En concordancia a lo manifestado en [7], se cita que
pueden ocurrir cambios significativos en los perfiles de
tensión y frecuencia en una MRE, cuando ocurren
transiciones del modo operativo red–MRE hacia el modo
operativo de MRE aislada. En el modo operativo red–
MRE, la tensión y la frecuencia son impuestas
principalmente por la red principal, limitando el rol de la
MRE para realizar servicios auxiliares de regulación de
estas dos variables eléctricas. Según lo establecido en el
estándar IEEE 1547 [8], se permite la operación en isla
de la MREs. En este contexto, la tensión y la frecuencia
del sistema ya no son admitidos o referenciados por la red
principal, lo que conlleva a que los diferentes sistemas de
GD que conforman la MRE deban mantener estas
variables en rangos aceptables garantizando la
estabilidad de la MRE.
Para los sistemas de GD que conforman una MRE la
toma de decisiones en relación a las inyecciones de
potencia dependen en gran medida de la disponibilidad
de los recursos energéticos primarios. En lo que respecta
a las acciones de control que deben gestionar la
operatividad de los componentes de GD en la actualidad
un área relativamente inexplorada, ahondándose la
problemática cuando se analiza la estabilidad ya sea de
tensión o frecuencia de las MREs en sus modos
operativos: asilados o de tipo interconectado red–MRE.
Típicamente, las cargas motóricas representan entre
el 60-70% del consumo energético de un sistema de
suministro de electricidad [9]. Particularmente los
Motores de Inducción (MI) son ampliamente utilizados
en los sectores industrial y residencial por su estructura
simple, operación confiable y bajo costo [10]. Por lo
tanto, considerar este tipo de cargas dinámicas en los
sistemas de MREs se torna fundamental, con la premisa
de que las mismas requieren una considerable demanda
de potencia reactiva para su correcto funcionamiento.
Problemas asociados a la estabilidad de tensión en
MREs y particularmente teniendo en consideración la
presencia de cargas dinámicas de tipo MI se han
abordado en algunas investigaciones [10], [11],
En la investigación [10] se presenta un modelo
matemático que ejemplifica el proceso de arranque de un
MI en una MRE y su efecto en la estabilidad transitoria.
En [11], se aborda el problema de estabilidad dinámica
de tensión considerando el impacto de la carga de tipo MI
en una MRE en isla durante la ocurrencia de falla. Se
analiza una estrategia de control enfocada en el soporte
de potencia reactiva para un SFV en el entorno de
Matlab/Simulink. En lo que respecta a la implantación de
un dispositivo DSTATCOM en un sistema de
distribución, en el trabajo [12], se analiza a través de
simulaciones electromagnéticas el comportamiento de un
DSTATCOM, como controlador de tensión y factor de
potencia en un sistema de distribución que cuenta con
cargas de tipo MI y estáticas.
Con los antecedentes mostrados, en el presente
artículo se expone a través de un sistema de prueba de
microrred, como incide la presencia de cargas motóricas
33
Paredes et al. / Modelado Dispositivos DSTATCOM para Mejorar EDT en MRE con Alta Penetración de Cargas Motóricas
en las dificultades para mantener el control y estabilidad
dinámica de tensión, cuando ocurren contingencias que
desencadena la operación asilada del sistema. Los
modelos desarrollados y en función de los resultados
obtenidos de las simulaciones dinámicas, se muestra
comparativamente que, ya sea con los dispositivos
DSTATCOM de tipo modelo simplificado y detallado,
hay mejoras en la estabilidad dinámica de tensión de la
microrred eléctrica en su modo operativo aislado.
El resto del presente artículo está organizado de la
siguiente manera: en la sección dos, se presenta una
visión panorámica de microrredes eléctricas y generación
distribuida. Posteriormente, en la sección tres, se aborda
la problemática asociada a la estabilidad de tensión en
MREs. En la sección cuatro, se exhibe la tecnología
FACTS y el modelado de ambos dispositivos
DSTATCOM. Consecuentemente en la sección cinco, se
presentan los casos de estudio, simulaciones y resultados
comparativos obtenidos. Finalmente, en la sección seis,
se exhiben las conclusiones y trabajos futuros derivativos
del artículo.
2. MICRORREDES ELÉCTRICAS Y CARGAS
DINÁMICAS
El DOE (Department Of Energy, departamento de
energía de los Estados Unidos, por sus siglas en inglés)
define a una microrred eléctrica así: “Es un conjunto de
cargas interconectadas y recursos de energía distribuida
que trabajan dentro de límites eléctricos definidos, que
actúa como una única entidad controlable con respecto a
la red y que se conecta o desconecta de dicha red para
permitirle operar en modo conectado a la red o en modo
de isla (autónomo)” [13]. Por otro lado, la CIGRÉ
(Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas, por
sus siglas en francés), define a la MRE como: “son
sistemas de distribución de electricidad que contienen
cargas y recursos de energía distribuidos en forma de
generación distribuida, dispositivos de almacenamiento y
cargas controlables, que pueden operarse de forma
controlada y coordinada, ya sea mientras están
conectados a la red principal de energía o en modo de
isla”. [14].
En la actualidad, la tecnología de GD ha ido tomando
un considerable posicionamiento, esto debido al aumento
constante de diferentes fuentes de energías renovables,
que no necesariamente son grandes parques de
generación, sino más bien, están cercanas eléctricamente
hablando a las cargas, lo que permite aprovechar de
mejor manera el tendido eléctrico de las redes de
distribución en media y baja tensión. Entre las principales
ventajas que presenta este tipo de generación están:
mejores índices de interrupción del suministro eléctrico,
reducción de costos y precios de energía, mitigar la
congestión del sistema de transmisión, reducción de
emisión de gases al medioambiente y fortalecer la
seguridad energética [14]. Es preciso indicar que la GD
abarca diferentes tecnologías y sistemas, cuyas fuentes
principales son recursos primarios tanto renovables como
no renovables entre los que se incluyen recursos fósiles.
Son sistemas de GD aquellos cuya potencia instalada
abarca entre las unidades de kilovatios hasta las decenas
de megavatios, los cuales pueden estar instalados para su
operación directamente a la red de distribución o
conectados en el punto de suministro del usuario [15]. En
función de la potencia instalada y capacidad de
producción, los sistemas de GD se dividen en cuatro
categorías: micro [1W–50kW], pequeño [5kW–5MW],
mediano [5–50MW] y grande [mayor de 50 MW] [16].
2.1. Carga Dinámica de tipo Motor de Inducción
La carga de un motor de inducción debe modelarse de
tal manera que resulte sensible a las variaciones
dinámicas en la tensión y frecuencia. En la literatura se
recomienda el modelo de carga compuesto, como el más
usual para simular dinámicamente esta carga en un
sistema eléctrico. Este modelo consiste en dos partes, un
motor de inducción, generalmente que obedezca a un
modelo de tercer orden, en conjunto con una conexión
paralela que represente la carga estática. El modelo de
este motor es mostrado en la Fig. 1. El comportamiento
dinámico de un MI de tercer orden obedece a las
ecuaciones mostradas en (1) y cuya descripción detallada
de parámetros y modelos son mostrados en [17].
Figura 1: Circuito Equivalente Motor de Inducción
(1)
3. ESTABILIDAD DINÁMICA DE TENSIÓN EN
MICRORREDES
Un sistema eléctrico se dice que es estable en
términos de tensión, si después de cualquier perturbación
es capaz de restaurar la tensión a un estado estacionario
y mantener la magnitud de tensión estable. La principal
condición de la inestabilidad de tensión es que el sistema
eléctrico no puede satisfacer la demanda de potencia
reactiva, esto puede ser causado por los límites en la
corriente de excitación de los generadores, líneas de
transmisión altamente inductivas, características de la
carga o incluso los dispositivos de control de tensión en
las redes de transmisión y distribución, que actúan como
soporte de tensión.
R
S
X
S
R
r
/S
X
m
U
-
+
X
r
X
estática
R
estática
Carga Estática Carga Motor de Inducción
34
Edición No. 17, Issue I, Julio 2020
Otro fenómeno que a menudo es mencionado con la
inestabilidad es el colapso de tensión. Éstos se tratan de
dos diferentes conceptos. Inestabilidad de tensión es un
fenómeno local, pero puede tener un impacto
generalizado. El colapso de tensión es más complejo y es
el resultado de una secuencia de eventos, que acompañan
a la inestabilidad de tensión y que conduce a una caída de
tensión significativa en la red eléctrica. La inestabilidad
de tensión a veces se asocia con la inestabilidad de
frecuencia. La pérdida gradual del sincronismo de
generadores desencadenaría en una baja tensión en
puntos intermedios de la red. Particularmente, en los
sistemas de microrredes con integración de energías
renovables, la alta demanda de potencia reactiva puede
ser manipulada para llevar a escenarios de inestabilidad
de tensión [23].
Con la presencia de ERNCs en MREs, el control de
la generación se vuelve significativamente más
desafiante en términos de ingeniería, debido a la mayor
intermitencia e incertidumbre de los recursos energéticos
primarios para mantener el equilibrio generación–
demanda. Con el objetivo de solucionar los
inconvenientes técnicos que faciliten una adecuada
operatividad de los sistemas de MREs y GD, en torno a
flujos de potencia bidireccionales, perfiles de tensión
dentro de los rangos establecidos, incertidumbre en la
generación de electricidad, cargabilidad de los elementos
del sistema eléctrico, y en general la utilización eficiente
de los SSEE manteniendo la seguridad operativa, se
demanda una mayor dependencia de sistemas y acciones
de control [24].
No obstante, con las actuales redes de distribución
evolucionando en MREs, las caídas de tensión y los
límites de cargabilidad asociados a las corrientes
circulantes, pueden convertirse en un problema de
considerable representatividad, en particular con las
redes de características eléctricas débiles y antiguas en
función de su tiempo de operación [25]. Por lo que, el
colapso de tensión, es decir, la disminución lenta y
sostenida de la tensión asociada con el proceso de
recuperación de carga y capacidad de suministro de
potencia reactiva, se convierte en un desafío actual de
análisis e investigación en las MREs. El funcionamiento
operativo óptimo de las MREs, desde un punto de vista
técnico y económico, guarda estrecha vinculación con las
características topológicas de los elementos del sistema
eléctrico, la cantidad y la ubicación de los componentes
tipo GD. Este tipo de GD asociada a la conexión a un
sistema tipo red de distribución débil, aumenta los
niveles de cortocircuito, dando lugar a la aparición de
fluctuaciones de tensión y, por ende, reducción de los
márgenes de estabilidad del sistema MRE, por lo que es
imperativo considerar nuevas técnicas y estrategias de
control, que tomarán connotada influencia para
contrarrestar esta problemática [26].
Los términos relacionados a estabilidad de tensión en
MREs incluyen: calidad, regulación, distorsión y perfil
de tensión. Como se indicó, la estabilidad de tensión en
microrredes, consiste en mantener estable la amplitud de
tensión en un nivel requerido por el sistema. Las
principales causas que provocan problemas de
estabilidad de tensión son: límites de potencia reactiva,
cargas dinámicas y cambiadores de TAPs en
transformadores, equipamiento de electrónica de
potencia para el acoplamiento de GD en la MRE [27].
Con las tendencias actuales a que los sistemas
eléctricos sean operados más cerca de sus límites, las
estrategias operativas serán mucho menos predecibles.
Por lo tanto, a medida que aumenta la tensión en una
MRE estas no linealidades se tornan cada vez más
pronunciadas. La no linealidad de la carga y las
dinámicas asociadas a la GD son importantes a la hora de
determinar inestabilidades. Por lo que, es fundamental
considerar los diseños dinámicos de los controladores de
los componentes de los sistemas de MREs [28].
Con respecto al control dinámico de la tensión, el
estándar IEEE 1547-2018 proporciona los requisitos
específicos con los que deben contar las unidades de GD,
cuyo acoplamiento eléctrico a MREs es a través de
inversores electrónicos. Por lo que, se permite el soporte
dinámico de tensión en condiciones de falla o en
transitorios de tensión, otorgando al inversor la capacidad
de establecer ajustes al unísono o separadas para las
potencias activa y reactiva [8].
3.1 Índice de Desempeño de Tensión Dinámica
Idealmente, el comportamiento de la tensión en
función del tiempo cuando no existe la presencia de una
perturbación en el sistema su valor es cercano a 1 p.u.
Situación diferente ocurre cuando el sistema se encuentra
sometido a alguna contingencia que genera una
perturbación, por lo que, la dinámica transitoria de éste
proceso ocasiona variaciones en la magnitud de tensión
del sistema. A través de la Fig. 2 y la expresión (2), se
muestra el análisis efectuado para determinar el índice de
desempeño de la tensión dinámica (IDTD), que está
basado en resultados discretizados de la magnitud de
tensión a través de una simulación en el dominio del
tiempo. A través del cálculo de éste índice, se puede
determinar el desempeño y estabilidad de tensión. Cabe
destacar que la formulación y la propuesta para el cálculo
del IDTD es de elaboración propia de los autores.
Figura 2: Comportamiento Dinámico de Tensiones Nodales sin
DSTATCOM
35
Paredes et al. / Modelado Dispositivos DSTATCOM para Mejorar EDT en MRE con Alta Penetración de Cargas Motóricas
(2)
Donde:
representa la magnitud de tensión de la
señal de simulación para el tiempo
y representa la
cantidad total de muestras de magnitud de tensiones
discretizadas en la ventana de tiempo de análisis. Es
preciso indicar que mientras el IDTD es más cercano al
producto de la tensión pre-falla por el tiempo , quiere
decir que el IDTD tiene un mejor rendimiento en
términos de respuesta de la tensión dinámica de la MRE.
La eficacia del índice permite cuantificar las mejoras en
la estabilidad dinámica de tensión (variabilidad de
tensión en el tiempo) con la incorporación del dispositivo
DSTATCOM operando coordinadamente con los
componentes de GD en la MRE. Por ejemplo, para los
casos de estudio de este artículo en condiciones estables,
sin la presencia de perturbaciones en la microrred y para
un tiempo de 5 s, el IDTD sería igual a: 15 = 5.
4. TECNOLOGÍA FACTS
Según el IEEE, define a los FACTS como sigue:
“Sistemas de transmisión de corriente alterna que
incorporan controladores basados en electrónica de
potencia y otros controladores estáticos, para mejorar la
controlabilidad e incrementar la capacidad de
transferencia de potencia” [18]. Desarrollos e
investigaciones recientes han dado como resultado
capacidades de control mejoradas en tiempo real, como
la inyección y absorción de potencia reactiva de los
FACTS, proporcionando así, oportunidades para el
control y estabilidad de tensión y frecuencia en los
sistemas eléctricos y particularmente en la actualidad en
microrredes eléctricas [13], [19], [20].
De los diferentes dispositivos desarrollados en base a
la tecnología FACTS, se puede mencionar el
compensador estático sincrónico a nivel de distribución
(DSTATCOM). En la Tabla 1, se expone resumidamente
las características y atributos de control más destacados
de este componente [21].
Tabla 1: Características y Atributos de Control DSTATCOM
FACTS
Características
Atributos de
Control
Compensador
Estático
Sincrónico de
Distribución
DSTATCOM
Es un generador sincrónico
estático, operando como un
compensador shunt de
potencia reactiva variable,
cuya corriente inyectada de
características capacitiva o
inductiva puede ser
controlada en forma
independiente de la tensión
del sistema eléctrico.
Estabilidad y
Control Dinámico
de Tensión.
Control de Tensión
en Estado Estable.
Control y Gestión
de Potencia
Reactiva.
Amortiguamiento
de Oscilaciones.
4.1 Compensador Estático Sincrónico para
Distribución (DSTATCOM)
El funcionamiento de un dispositivo DSTATCOM en
conexión shunt en un PCC (Punto de Conexión Común
MRE-Sistema de Distribución), actúa en su operación
como un compensador estático de VAr, ya sea de
características inductivas o capacitivas,
independientemente de la tensión del sistema al que esté
conectado y sin la necesidad de utilizar grandes bancos
de capacitores o reactores. La característica principal de
este equipo es proporcionar soporte de tensión al sistema.
En la Fig. 3, se muestra el esquema y conexión de un
DSTATCOM a través de un transformador acoplador
[20]. La tensión de salida
que suministra el
dispositivo será a frecuencia fundamental y de secuencia
positiva. El DSTATCOM suministra una corriente
al
sistema. Fasorialmente
donde
representa la reactancia del transformador acoplador. Por
lo que, la tensión de salida del DSTATCOM es
controlable tanto en su magnitud como en su fase.
Figura 3: Esquema y diagrama de conexión DSTATCOM
4.1.1 Modelo DSTATCOM Simplificado
Para el modelado del dispositivo DSTATCOM, se ha
considerado un generador estático a través de una fuente
de corriente controlable [22]. El objetivo de este modelo
simplificado es la compensación de potencia reactiva en
la microrred, por lo tanto, la parametrización se realiza
bajo este enfoque. Es así que, la fuente debe ser capaz de
inyectar una corriente que esté en cuadratura con la
tensión nodal donde se conecte el dispositivo. El
esquema del controlador y de la fuente de corriente del
modelo desarrollado se presentan en la Fig. 4.
Figura 4: Controlador y Modelo DSTATCOM Simplificado
El controlador para este modelo, consiste en una
función de transferencia de primer orden no lineal, que se
emplea para conocer la respuesta dinámica del
DSTATCOM. Donde
es la ganancia del controlador,
es la constante de tiempo de retardo del controlador,
es la tensión nodal de referencia de la MRE,
es
la tensión nodal a controlar en donde está conectado el
DSTATCOM y
es la corriente de compensación
inyectada (la cual estará en función de sus componentes
de ejes directo y cuadratura), con sus respectivos limites
inferior y superior expresados en p.u. Las señales de
corriente del controlador
son expresadas a través de
su descomposición en
e
;
son los módulos de
la tensión en su ejes real e imaginario, respectivamente. A
través de (3) se muestran las expresiones que gobiernan
el desempeño de la fuente de corriente controlable.
I
sh
V
sh
I
sh
V
sh
ϴ
sh
V
j
ϴ
j
jX
sh
V
11
V
ref
–
+
I
d
,I
q
I
max
I
min
Kr
1+sTr
I
sh
V
sh
ϴ
sh
jX
sh
Controlador
DSTATCOM
Q
36
Edición No. 17, Issue I, Julio 2020
(3)
La potencia inyectada por la fuente controlable se
expresa a través de (4), donde se debe considerar que el
requerimiento de modelado es únicamente para aporte de
potencia reactiva, por lo tanto, la potencia activa es cero.
(4)
En consecuencia, al desarrollar matemáticamente las
ecuaciones (3) y (4), la corriente de inyección del
dispositivo DSTATCOM, para el modelo simplificado,
obedece el comportamiento operativo en concordancia a
la expresión (5). Seguidamente, en la ecuación (6) se
determina la expresión, mediante la cual el controlador
permite que la corriente de inyección del dispositivo
opere únicamente en cuadratura.
(5)
(6)
Por consiguiente, en la Tabla 2, se presentan los
parámetros y valores del controlador desarrollado para
éste modelo de DSTATCOM.
Tabla 2: Parámetros Controlador DSTATCOM Simplificado
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor
Kr
100
I_min
-1
Tr
0,05
I_max
1
4.1.2 Modelo DSTATCOM basado en control PWM
El modelo de DSTATCOM desarrollado en esta
sección, corresponde a un conversor electrónico de dos
niveles basado en PWM (Pulse-Width Modulation,
modulación por ancho de pulsos) controlado. La potencia
reactiva de entrega o recepción al sistema, que se
desarrolla internamente en un dispositivo DSTATCOM,
se genera a través de una onda de tensión sincrónica en
sus termínales utilizando convertidores GTO. En la Fig.
5, se muestra esquemáticamente el dispositivo
DSTATCOM con su controlador basado en PWM.
Figura 5: Controlador y Modelo DSTATCOM basado en PWM
El esquema del controlador consiste en establecer
acciones de control tanto para las componentes de
corrientes contínua como alterna del conversor. En ésta
última corriente se establece un lazo de retroalimentación
con control de caída (droop), que permita establecer un
comparativo de error en la señal de tensión con respecto
a la tensión de referencia de la MRE. Las señales de
corrientes AC y DC están limitadas en los bloques
integradores. Finalmente, el bloque limitador de
corrientes permite controlar las señales en eje directo y
cuadratura al conversor PWM. En la Tabla 3, se
presentan los parámetros y valores del controlador, para
este modelo de dispositivo DSTATCOM.
Tabla 3: Parámetros Controlador DSTATCOM control PWM
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor
Kp
10
K
0,05
Tp
0,002
T
0,001
Kq
4
I_min
-2.67
Tq
0,002
I_max
2,67
droop
0,005
5. CASOS DE ESTUDIO, SIMULACIONES Y
RESULTADOS COMPARATIVOS
Los modelos presentados en las secciones anteriores
y el sistema de MRE, fueron implementados en el
paquete computacional PowerFactory DIgSILENT, que
es utilizado como herramienta para realizar las diferentes
simulaciones en el dominio del tiempo en una ventana
temporal de 5 s, que guarda concomitancia con los
estudios de estabilidad de tensión de corto plazo. Los
detalles de los modelos desarrollados y los resultados
obtenidos para el análisis de estabilidad dinámica de
tensión en una microrred eléctrica son presentados y
discutidos en esta sección.
El sistema de microrred de prueba de la CIGRÉ [24]
es utilizado para el análisis y validación de los modelos
de DSTATCOM desarrollados. En la Fig. 6, se presenta
el sistema de MRE empleado, considerando dos tipos de
tecnologías de GD: Sistema Solar Fotovoltaico y
Generación Sincrónica térmica (equipado con AVR y
gobernador: ESDC1A y TGOV1, respectivamente) [24].
Además, se presentan cargas estáticas (con una
participación aproximada del 30% de la carga total de la
MRE) y de tipo motor de inducción (con 70% de
participación), las mismas que se encuentran conectadas
en los diferentes nodos de la MRE. Un total de 105 MIs
se han incorporado al sistema de MRE, los cuales han
sido distribuidos uniformemente a razón de 15 unidades
de MI en cada uno de los nodos: 2, 3, 4, 7, 8, 11 y 12 que
conforman la MRE. Particularmente, en lo que
corresponde a la carga dinámica de tipo de motor de
inducción, sus parámetros característicos se han
modelado en concordancia a los siguientes datos: P=250
kW; Momento de Inercia= 21,624 kgm
2
; R
s
=0,035821
p.u.; X
s
=0,01 p.u.; X
m
=1,55462 p.u.; R
r
= 0,010807 p.u.;
X
r
= 0,421021 p.u.; S=0.224 [17].
Para los dos modelos de DSTATCOM, simplificado
y basado en PWM se ha considerado una potencia
nominal de 5 000 kVAr. Cabe destacar que los esquemas
de control asociados a ambos dispositivos están
DSTATCOM
I
sh
V
DC
V
DC ref
–
+
I
max
I
min
Kp
1+sTp
V
AC
+
I
max
I
min
Kq
1+sTq
V
droop
–
K
1+sT
I
d
I
q
Limitador
de
Magnitud
de
Corrientes
I
max
Conversor
PWM
Q
Controlador
V
sh
ϴ
sh
37
Paredes et al. / Modelado Dispositivos DSTATCOM para Mejorar EDT en MRE con Alta Penetración de Cargas Motóricas
diseñados con el objetivo de operar únicamente en
situaciones bajo la presencia de perturbaciones o
contingencias en la MRE. La condición operativa pre
contingencia del sistema MRE se resume en la Tabla 4.
Tabla 4: Condiciones Operativas del Sistema de Microrred
Tipo de Generación
P [kW]
Q [kVAr]
Sincrónica Diésel
32 538,34
26 355, 37
Solar Fotovoltaica
5 000,00
0,00
Importación Red
35,79
181,83
Tipo de Carga
P [kW]
Q [kVAr]
Cargas Dinámicas MI
26 196,08
19 647,01
Cargas Estáticas P-Q
10 463,00
4 682,43
Pérdidas
915,05
2 207,76
Figura 6: Modelo de Microrred de Prueba de la CIGRÉ [24]
Las contingencias a tomar en consideración
corresponden a un criterio N–2, este tipo de
perturbaciones son consideraras de poca probabilidad de
ocurrencia, pero que cuando ocurren comprometen
severamente la operatividad del sistema de microrred,
este tipo de contingencias son conocidos como eventos
resilientes [1], [21]. La primera contingencia se considera
a la desconexión del enlace de interconexión red-MRE,
por consiguiente, la segunda contingencia se considera la
desconexión ocasionada por una falla en el enlace PCC-
12 de la MRE. Para ambas contingencias se considera
una falla trifásica al 50% de la longitud de los
alimentadores, coincidente en el tiempo a los 0,15 s de
iniciado el proceso de simulación, además, se considera
un tiempo de 0,15 s para el proceso de detección y
despeje de ambas fallas. No se consideró fallas o salidas
de los componentes de GD justamente porque se quiere
evaluar la capacidad de éstos y el accionar de los sistemas
de control desarrollados, específicamente el sistema solar
fotovoltaico en relación al soporte dinámico de tensión y
suministro de potencia reactiva en presencia de
contingencias acorde a lo estipulado en el estándar IEEE-
1547-2018.
Los nodos considerados para el análisis son: PCC, 4,
7 y 11, que corresponden a la MRE de la Fig. 6. La
elección de los nodos de análisis se justifica debido a que
en el nodo PCC se encuentra conectado el parque
generador de la MRE. El nodo 11 se lo consideró por ser
el nodo más lejano eléctricamente desde el PCC. En
relación a los nodos 4 y 7 se consideraron por ser estos
nodos los que se encuentran en el baricentro topológico
de la microrred, todos los nodos de análisis tienen
presencia de cargas de tipo MI. A través de la Fig. 7, se
muestra el comportamiento dinámico de las tensiones
nodales en la MRE ante la presencia de las contingencias
descritas en anterioridad (N–2) y sin la conexión de
ningún dispositivo de compensación tipo DSTATCOM.
Figura 7: Comportamiento Dinámico de Tensiones Nodales sin
DSTATCOM
De los resultados obtenidos por simulación para este
caso de estudio, es posible concluir que se produce un
colapso asociado a un proceso de inestabilidad de
tensión, esto debido a que no se visualiza recuperación de
las tensiones dinámicas nodales posterior a la ocurrencia
de las contingencias.
A través de una técnica de búsqueda exhaustiva [29]
y, considerando los resultados obtenidos de las
simulaciones dinámicas, se determinará la mejor
ubicación para la conexión del DSTATCOM. En la
sección siguiente se detalla con mayor rigurosidad el
procedimiento a realizar.
5.1. Ubicación óptima del dispositivo DSTATCOM en
función de su respuesta dinámica de tensión.
El comportamiento de estabilidad dinámica de
tensión en la MRE se evalúa para cada modelo de
DSTATCOM. Además, a través del IDTD se determina
el mejor desempeño de entre los dos modelos
desarrollados y su ubicación óptima para la conexión de
este dispositivo en la MRE. La conexión de los modelos
DSTATCOM fueron conectados alternadamente en los
nodos: PCC, 4, 7 y 11. En el procedimiento de búsqueda
óptima para la ubicación y conexión del dispositivo
DSTATCOM, se consideró el algoritmo de búsqueda
exhaustiva, cuyo desempeño y evaluación se basa en las
simulaciones y resultados del IDTD en concordancia al
diagrama de flujo mostrado en la Fig. 8.
2
3
4
5
6
12
13
8
9
10
11
7
PCC – MRE
Red
Red–MRE
0
DSTATCOM
M
M
M
M
M
M
M
38
Edición No. 17, Issue I, Julio 2020
Figura 8: Algoritmo de Búsqueda Exhaustiva para DSTATCOM
Los resultados obtenidos, que identifican el
comportamiento de las tensiones nodales en la MRE para
cada modelo de DSTATCOM teniendo en cuenta las
simulaciones empleadas en función del algoritmo de
búsqueda empleado, son mostrados en la Fig. 9.
Figura 9: Comportamiento Dinámico de las Tensiones Nodales
para diferentes posiciones de los modelos DSTATCOM
El criterio de evaluación para determinar la mejor
ubicación del DSTATCOM y con ello mejorar el
desempeño y estabilidad de la tensión dinámica en la
MRE, fue realizado con base en el cálculo del IDTD
expuesto en la sección 4.1, donde para cada ubicación del
dispositivo DSTATCOM se procedió con su cálculo. En
la Tabla 5 se presentan los resultados obtenidos para el
IDTD y se muestra comparativamente, que la ubicación
optima de conexión de ambos modelos de DSTATCOM
desarrollados, corresponden a la conexión en nodo 7.
Tabla 5: IDTD para modelos de DSTATCOM
UD
N
PCC
4
7
11
S
P
S
P
S
P
S
P
PCC
4,73
4,45
4,69
4,37
4,71
4,38
4,70
4,37
4
4,70
4,50
4,74
4,51
4,76
4,52
4,75
4,51
7
4,69
4,52
4,72
4,53
4,78
4,58
4,76
4,56
11
4,69
4,53
4,72
4,54
4,77
4,58
4,76
4,58
UD: Ubicación DSTATCOM; N: Nodo de MRE; S: DSTATCOM
modelo Simplificado; P: DSTATCOM modelo basado en PWM
Con el dispositivo DSTATCOM conectado en el
nodo 7 de la MRE, a continuación, en las Figs. 10 y 11,
se muestran los desempeños de las tensiones nodales de
la MRE para los modelos de DSTATCOM simplificado
y PWM controlado, respectivamente. Visiblemente se
observan mejoras en el desempeño dinámico de las
tensiones nodales para ambos casos. Con lo cual, se ha
demostrado concluyentemente las mejoras obtenidas en
la estabilidad dinámica de tensión para la operación
asilada de la MRE en comparativa con el escenario en
donde no estuvo conectado ningún equipamiento de
compensación sincrónica estática.
Figura 10: Dinámica de tensión modelo DSTATCOM simplificado
Figura 11: Dinámica de tensión modelo DSTATCOM PWM
En función de los resultados obtenidos para el IDTD
a través de la Fig. 12, se muestra comparativamente el
desempeño de cada modelo DSTATCOM desarrollados.
Figura 12: IDTD comparativo entre Modelos DSTATCOM
usados
Por lo tanto, se puede concluir que en términos de
desempeño y estabilidad de tensión dinámica en la MRE
el DSTATCOM en su modelo simplificado otorga una
mejora un tanto superior que su par basado en PWM. Por
otro lado, el DSTATCOM en su modelo de control a base
de PWM, otorga también mejoras en la estabilidad
dinámica de tensión y muestra un suavizado de
oscilaciones posterior a la ocurrencia de las
perturbaciones, tal cual se mostró en la Fig. 10 de la
MRE. Comparativamente y considerando términos
porcentuales promediados acorde a la Fig. 12, el modelo
de DSTATCOM basado en control PWM tiene un
desempeño menor en el orden del 5% que el modelo de
DSTATCOM simplificado, lo cual no implica una
Ubicación Óptima DSTATCOM
Conexión de DSTATCOM
en la MRE en el nodo i
Simulación
Dinámica
Desempeño y Perfil de
Tensión Dinámica nodales
Mejoras
de Estabilidad Dinámica de
Tensión
Ubicación Óptima
No
Sí
i+1
Cálculo del IDTD
4,71
4,76
4,78
4,77
4,38
4,52
4,58
4,58
4,10
4,20
4,30
4,40
4,50
4,60
4,70
4,80
4,90
5,00
PCC 4 7 11
Índice de Desempeño Dinámico de Tensión
SIMP PWM
4,71
4,76
4,78
4,77
4,38
4,52
4,58
4,58
4,10
4,20
4,30
4,40
4,50
4,60
4,70
4,80
4,90
5,00
PCC 4 7 11
Índice de Desempeño Dinámico de Tensión
SIMP PWM
39
Paredes et al. / Modelado Dispositivos DSTATCOM para Mejorar EDT en MRE con Alta Penetración de Cargas Motóricas
variabilidad considerable entre los modelos debido a que
es concordante con el criterio de diseño y modelos en
ingeniería. La variabilidad de éste modelo obedece
justamente al detalle de componentes empleados en el
modelamiento, lo que desencadena en pequeños retardos
al momento del cálculo de simulación dinámica.
A través de la Fig. 13, se muestran comparativamente
los desempeños asociados a las tensiones dinámicas
nodales de la MRE. Como se expuso en anterioridad, acá
se presentan los resultados obtenidos para los tres casos
de la microrred: sin equipo de compensación,
DSTATCOM modelo simplificado y DSTATCOM en su
modelo de control a base de PWM.
Figura 13: Modelos DSTATCOM en el desempeño dinámico de
tensiones nodales en la MRE
Para ambos modelos desarrollados de DSTATCOM
se observa que ante la ocurrencia de las contingencias
que desencadenaron la operación aislada de la MRE, ésta
ha respondido operativamente de manera correcta, la
tensión se ha restablecido favorablemente, con ello se
puede garantizar que las cargas dinámicas sensibles de
tipo motóricas puedan seguir funcionando sin riesgo a
incurrir en inconvenientes abruptos de desaceleración
que restrinja el funcionamiento de este tipo de cargas.
En concomitancia con el objetivo de la operación de
los dispositivos DSTATCOM, en la Fig. 14, se muestran
los comportamientos en términos de potencia reactiva,
como era de esperarse, el aporte y respuesta de ésta
potencia se muestra en coherencia con la ocurrencia de
las perturbaciones, es decir, la mayor contribución de
potencia reactiva se suministra durante los cortocircuitos,
esto ha permitido mantener y realizar soporte dinámico
de tensión y el amortiguamiento de oscilaciones.
Figura 14: Respuesta de Potencia Reactiva DSTATCOM modelo
Simplificado y PWM controlado
La variabilidad de respuesta entre los dos modelos
presentados, radica en la complejidad del modelado
empleado, para el modelo simplificado se ve una
respuesta mejor en amortiguamiento de oscilaciones y
recuperación de la magnitud de tensión cercana a 1 p.u.
(ver Fig. 13). A su vez, para el modelo de basado en
PWM controlado, también se aporta mitigando las
oscilaciones de tensión, permitiendo un suavizado
retardado, esto obedece a la característica de control
empleada básicamente en la etapa del PWM y en los
tiempos de conmutación de los controles realizados.
Para ambos dispositivos DSTATCOM, la respuesta al
momento de iniciada las perturbaciones en el sistema de
MRE presenta buenas características de desempeño, esto
es, realizando las compensaciones de potencia reactiva
satisfactoriamente. Posterior al despeje de las fallas y en
el modo operativo en isla de la MRE, se aprecia que la
tensión presenta un comportamiento estable para ambos
escenarios, por su parte, el aporte de potencia reactiva
transitorio se ve disminuido considerablemente a partir
de los 1 s, como se aprecia en la Fig. 14. Esto obedece a
la respuesta coordinada de operación entre la generación
sincrónica y solar fotovoltaica, quienes ante el
asilamiento permiten mantener operativa la MRE. Por lo
que, los modelos empleados en esta investigación han
respondido correctamente a su dinámica operacional y en
concordancia con las características operativas propias de
un dispositivo DSTATCOM y de control coordinado
entre los componentes de GD y cargas que conforman la
microrred.
6. CONCLUSIONES
Si bien es cierto, que los dispositivos de tecnología
FACTS han alcanzado cierta madurez y posicionamiento
en los grandes sistemas de potencia, con el actual auge de
los sistemas de GD y MREs, en la literatura se ha
encontrado pocos aportes a la implementación de éstos
dispositivos para el estudio y análisis en dichos sistemas.
A través de este artículo se ha mostrado la importancia
de implementar un dispositivo DSTATCOM en un
sistema de MRE, cuyo componente de carga corresponde
a una alta penetración de motores de inducción, quienes
comprometen trascendentalmente la estabilidad y control
dinámico de la tensión. Los casos de estudio se
consideraron bajo la presencia de un evento extremo
resiliente asociado a la ocurrencia simultánea de una
doble contingencia, que desencadena en la operación
aislada de la MRE. Con esto, se ha determinado las
acciones de control necesarias para evitar inestabilidades
de tensión, por lo que, se desarrollaron dos tipos de
modelos de DSTATCOM, para mejorar el desempeño
dinámico en términos de estabilidad de tensión en una
MRE. Bajo este escenario se estableció la ubicación
óptima para la conexión del DSTATCOM en la MRE a
través de un algoritmo de búsqueda exhaustiva y con base
en los resultados del Índice de Desempeño de Tensión
Dinámica propuesto por los autores.
40
Edición No. 17, Issue I, Julio 2020
Los resultados obtenidos a través de simulaciones y
del IDTD, comparativamente mostraron una adecuada
operatividad de la MRE aislada con la presencia de los
modelos DSTATCOM simplificado y PWM controlado,
ambos aportando a mejorar la estabilidad dinámica para
las tensiones nodales.
Como trabajos futuros se establece seguir
investigando para establecer la calibración óptima de los
parámetros asociados a los controladores DSTATCOM,
atendiendo además un enfoque de resiliencia operativa
basado en métricas y según los requerimientos
establecidos en el estándar IEEE-1547-2018 para la
operatividad estocástica de recursos primarios en MREs.
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Luis A. Paredes. – Nació en Quito,
Ecuador en 1987. Recibió su título
de Ingeniero Eléctrico de la Escuela
Politécnica Nacional en 2012 y de
Magíster en Gestión de Energías en
2016. Además, ha realizado varios
cursos y especializaciones en
temáticas de energía eléctrica en
Estados Unidos, China, Perú, Chile y Brasil. Su
experiencia profesional ha sido desarrollada en varias
empresas e instituciones del sector eléctrico y energético
del Ecuador. Actualmente es candidato a Doctor en
Ingeniería Eléctrica (Ph.D.) del Instituto de Energía
Eléctrica (IEE) de la Universidad Nacional de San Juan
(UNSJ) en Argentina. Sus campos de investigación están
relacionados con: Resiliencia de los Sistemas Eléctricos,
Estabilidad y Control en Microrredes, FACTS,
Movilidad Eléctrica, Energías Renovables y Eficiencia
Energética.
Benjamín R. Serrano. – Nació en
San Juan, Argentina en 1955.
Recibió su título de Ingeniero
Electromecánico en la Universidad
Nacional de San Juan (UNSJ),
Argentina en 1981. Obtuvo su
título de Doctor en Ingeniería
Eléctrica en el Instituto de Energía
Eléctrica (IEE) de la UNSJ, Argentina en 2017. Desde
2020 se desempeña como Vicedirector del Instituto de
Energía Eléctrica (IEE) de la UNSJ-CONICET.
Actualmente desarrolla sus tareas docentes, de
investigación y transferencia en temáticas relacionadas
con la Programación Óptima de la Operación de los
Sistemas Eléctricos de Potencia, considerando el Control
de Tensiones y Suministro de Potencia Reactiva.
Marcelo G. Molina. – Es profesor
titular de Electrónica de Potencia,
Energías Renovables y Redes
Eléctricas Inteligentes en la
Universidad Nacional de San Juan
(UNSJ), Argentina. Desde 2019 se
desempeña como Director del
Instituto de Energía Eléctrica (IEE)
de la UNSJ-CONICET. El Dr. Molina recibió el título de
Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional de San
Juan, Argentina en 1997 y su Ph.D. de la misma
universidad en 2004. Sus actividades de investigación se
centran en el modelado, análisis y control de sistemas
eléctricos de potencia, electrónica de potencia,
tecnologías de microrredes, redes inteligentes y la
aplicación de almacenamiento de energía.
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