[IPD411] Armónicas en sistemas industriales con convertidores estáticos.
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Tarea #1 [IPD411] Nicolás Albornoz Vignola 2721028-7 Profesor: Jorge Pontt
Abstract— En este siguiente documento se modela un sistema eléctrico de potencia con 2 rectificadores que alimentan una celda de Electro Winning que son usados para la refinar cátodos de cobre en la industria minera. En esta simulación se analizarán los distintos puntos de conexión en el sistema y se verá la cantidad de armónicos que inyectan a la red estos rectificadores si no se emplea una adecuada compensación de reactivos.
A continuación se calculan los parámetros para obtener la razón de corto circuito , teniendo en cuenta que la potencia aparente nominal del sistema es la suma de los dos rectificadores más la carga PQ, con 31[MVA] (antes de conectar los filtros de armónicas), visto desde el lado de alta tensión del transformador: [ √
Index – THD, armónicas, filtros pasivos. (
I. INTRODUCCIÓN Los rectificadores de altas corrientes se usan mayormente en la industria minera para el proceso de refinación. En esta tarea se simulará una red que contiene dos rectificadores de 12 pulsos, los cuales alimentan una celda de electro-obtención de cobre, con una potencia de 15[MVA] cada uno. Al usar estos rectificadores se inyectan una gran cantidad de armónicos a la red que los alimenta, por lo que la principal tarea es mitigar y compensar estos armónicos a través de filtros pasivos de alta potencia, al mismo tiempo que se trata de cumplir la norma IEEE-STD-519-92, la cual tiene como propósito limitar las corrientes de las amónicas que se inyectan, dependiendo de una serie de parámetros de la red. Para el sistema de la figura, se desea diseñar el sistema de filtros para obtener un factor de potencia mejor a 0.98 en PCC de 220 kV y cumplir los límites de distorsión armónica del IEEE-Std.519-92.
)
]
√
√
[
]
[
]
[ ]
[ ]
[ ]
√ [ ] [
√ Entonces, la
√
] [
]
[ ]
que se obtiene es:
A raíz de este resultado, y a través de la norma IEEE-Std 519-92, los requerimientos en término de THDi para el sistema se pueden ver en la siguiente tabla:
II. DESARROLLO 2 1) Establezca un modelado de la operación del sistema de potencia. Para modelar el sistema, uno de los factores más importante que se debe tener es la razón de corto circuito ón de corto circuito , la cual entrega la información necesaria para saber en que rango se deben aplicar las distintas normas de la IEEE std 519-92. Se deben cumplir ciertos ítems donde aparece el THD de voltaje, tanto en PCC como en otros puntos de conexión.
1
0.75
0.3
Para el bus1, que es de 220[kV] según la norma, el THDv total no puede superar el 1.5%, y el THDv individual debe ser menor al 1%. Para el bus2 de 23[kV] el total y el individual deben ser menor al 5% y al 3%. A través del software Harmonix, se puede obtener una aproximación para la amplitud de las armónicas, donde la simulación se muestra a continuación:
0.15
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Como se puede notar, no se cumplen los valores exigidos por la norma IEEE-Std519-92. Al conectar los filtros armónicos en el programa Harmonix, el gráfico que entrega es el siguiente:
Figura 3 Gráfico orden armónicas vs amplitud (concesionaria). Figura 1 Diagrama simulación Harmonix.
El cual sin filtros de armónicas entrega el siguiente gráfico:
Este gráfico se encuentra en una escala distinta al anterior, lo cual se puede notar con la siguiente tabla, al igual que la entregada con anterioridad, Tabla 2 % Armónica respecto al valor total (con filtros).
5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49
Figura 2 Gráfico orden armónicas vs amplitud (concesionaria).
Del gráfico se desprende la siguiente tabla, considerando a la corriente de línea con el valor calculado anteriormente de [ ]: Tabla 1 % de Armónica respecto al valor total (sin filtros).
5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49
2,355 1,683 7,164 6,074 0,7005 0,6288 3,489 3,224 0,4208 0,3956 2,362 2,247 0,307 0,2952 1,822 1,758
2,89489859 2,06883835 8,80639213 7,46650277 0,86109404 0,77295636 4,28887523 3,96312231 0,51727105 0,48629379 2,90350338 2,76213891 0,37738168 0,36287646 2,23970498 2,16103258
0,566 0,0242 0,4053 0,4375 0,0745 0,0719 0,4276 0,4008 0,0527 0,0494 0,2908 0,2738 0,0365 0,0345 0,2065 0,0211
0,69575907 0,029748 0,49821758 0,53779963 0,09157959 0,08838353 0,52562999 0,49268593 0,06478181 0,06072526 0,35746773 0,33657037 0,04486785 0,04240934 0,25384143 0,02593731
Para modelar los filtros de armónicas, se tienen las siguientes ecuaciones para un pasa altos y para un filtro sintonizado de segundo orden: i)
Filtro pasa alto
El filtro pasa altos, será implementado para mitigar la 5ta y 11va armónica de la fundamental (50[Hz]).
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(
√
3
)
√
Donde es la potencia reactiva a compensar, Q es el factor de calidad deseado para el filtro, Vn es el valor RMS de la tensión línea a línea de la barra a la cual está conectada el filtro, h es la armónica a la cual se quiere sintonizar el filtro, en este caso la frecuencia central. ii) Filtro sintonizado Las ecuaciones son similares para el caso de filtro sintonizado, a continuación se entregan las ecuaciones que se deben cumplir:
(
√
)
√
Reemplazando los datos que se tienen para el modelado como se muestra en la tabla, se tienen los siguientes valores para cada filtro. Filtro 5 7 11
[
] 5 5 5
5 50 5
[ ] 30.1 30.1 30.1
[ ] 13.47 6.872 2.78
[ ] 106 0.3 48.1
Figura 4 Diagrama unilineal de flujo de potencia, sin filtros.
Del análisis de flujo de potencia del programa, se aprecia un gran flujo de potencia reactiva hacia la concesionaria, donde también indica un factor de potencia de 82.4% visto de la barra de [ ], donde se requiere un factor de potencia de 98% al menos en el PCC. Además se nota una baja en el factor de regulación de la tensión en la barra 2 de un 95.97%. La potencia aparente en la carga, según ETAP es de [ ], lo que concuerda con lo obtenido en el modelado de potencia de la parte 1 de esta tarea. Los rectificadores de 12 pulsos entrega una gran cantidad de potencia reactiva. A continuación, la simulación con filtros. b) Con filtros
4.232 2.159 0.874
Estos datos serán determinantes en el programa para flujos de potencia ETAP.
2) Determine el flujo de carga de potencia activa y reactiva con y sin sistema de compensación de reactivos. A continuación se muestran imágenes que se obtienen del software ETAP, para determinar los flujos de potencias. Para la simulación en ETAP, se consideró al rectificador de 12 pulsos cada uno de 15[MVA], con una eficiencia de 90% y un factor de potencia de 85%, lo que determina un ángulo de disparo de 30° app. La carga al ser de altas corrientes, se fija en un voltaje DC de 200[V]: a) Sin filtros
Figura 5 Diagrama unilineal de potencia, con filtros.
Al conectar los dos tipos de filtros, con los valores especificados en el punto anterior, se obtiene una mejora notable de regulación en la barra de [ ], y una reducción en el flujo de reactivos en la concesionaria, de la cantindad que se esperaba de [ ] aproximadamente. Del ETAP se obtiene que el factor de potencia del sistema visto desde la
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concesionaria es de un 99.5%, obteniendo un buen resultado de mitigación de potencia reactiva.
3) En la tarea se propone una compensación de potencia reactiva de [ ] por cada filtro, sumando [ ] en total. Verifique según su modelado y proponga otros valores de potencia si estima conveniente.
Al analizar los dos puntos anteriormente expuestos, se puede apreciar que no se cumple con la norma debido a que el rectificador de 12 pulsos no distorsiona con armónicas ni 5ta ni 7ma, por lo que se debería enfocar el uso de filtros en frecuencias mayores. Además las armónicas donde no se cumple la norma son de la armónica 25 hacia arriba, por lo que una opción valida sería, bajar las potencias de los filtros en la 5ta y 7ma, y aumentar la del filtro centrado en la armónica 11av. La nueva distribución de potencia de reactivos a compensar en los filtros será: [ [
Al ver la tabla, se aprecia que se cumple la norma IEEEStd519-92, en su totalidad. Por lo que la nueva distribución de los [ ] de potencia reactiva a compensar, además de cumplir con la norma, entrega un factor de potencia (según datos de ETAP) de 99.6%. Los resultados anteriormente mostrados, se resumen en la siguiente tabla (con datos entregados entre ETAP y Harmonix): Tabla 4 Resumen Modificación.
] ] [
]
En el software harmonix, se tiene el siguiente gráfico de armónicas:
Figura 6 Gráfico de armónicas vs amplitud, con nueva distribución de potencia.
El cual entrega los siguientes datos, donde el porcentaje de la amplitud está referido a la corriente de línea: Tabla 3 Valor % de armónicas, con nueva distribución de reactivos a compensar.
[ ]
(
)
A pesar de que se mantuvo la potencia reactiva a compensar en total, se pudo cumplir con la a cabalidad, además de obtener un factor de potencia levemente mejor. 4) Establezca un modelado para la operación de los rectificadores (componentes fundamentales y armónicos). Debido a la gran cantidad de armónicas que proveen los rectificadores al sistema, es importante tener un modelado de su operación, ya sea componentes fundamentales y armónicos. Primero que todo el voltaje medio en la carga, en función del ángulo de disparo de los tiristores, para un rectificador de 12 pulsos con transformador estrella/delta/estrella, es:
[IPD411] Armónicas en sistemas industriales con convertidores estáticos. √
IV. REFERENCIAS
( )
Donde el factor de potencia es: √
[1] ( )
√
[2]
Por lo que se tiene que la corriente circulando en la carga es: [ ]
[
]
Además, la corriente en el primario del transformador es: ( )
√
[
(
)
( (
)
)
5
(
)
]
Para este tipo de rectificadores, se puede apreciar que, solo se presentan armónicas con:
III. CONCLUSIÓN A partir de una red simple, se pudo obtener gran conocimiento respecto a la implementación de filtros pasivos de segundo orden para la mitigación y compensación de reactivos, donde principalmente la contaminación principalmente provenía de dos rectificadores de 12 pulsos, cada uno entregando [ ], para alimentar un proceso de Electro-obtención de cobre. Cabe destacar que al modificar los niveles de potencia reactiva a compensar para cada filtro, se obtuvieron resultados mejores a los que se había propuesto en la tarea, debido a que los armónicos que tenían mayor amplitud no eran exactamente los que se proponían mitigar. Además, al usar herramientas como Harmonix y ETAP se tiene un mayor aprendizaje de estas aplicaciones debido a la implementación simulada de estos sistemas.
Capitulo 2: “Rectificadores de Altas corrientes” Apuntes del ramo: “Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos – ELO384”. Prof. Samir Kouro. Apuntes tomados en ramo “Electrónica Industrial – ELO383” César Silva.
[3]
http://etap.com/training/etap-tips/ETAP-TIP009.pdf
[4]
http://ingeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca%20In ternet/Articulos%20Tecnicos%20de%20Consulta/Cal idad%20de%20Energia%20y%20Armonicos/Control %20de%20Armonicos%20IEEE%205191992%20en%20Espa%C3%B1ol.pdf
