Resumen
El SVG (Generador Var Estático) de alta tensión representa la tecnología de compensación de potencia reactiva más avanzada en los sistemas eléctricos modernos. Con algoritmos de control mejorados, también puede realizar compensación armónica. Sin embargo, las aplicaciones de campo han revelado un fenómeno contraintuitivo: mientras que los armónicos de corriente y voltaje en el lado del sistema disminuyen durante la compensación, los armónicos de corriente en el lado de carga aumentan significativamente. Este artículo investiga esta cuestión mediante análisis teóricos, modelado y simulación, proporcionando conocimientos prácticos para el despliegue efectivo de sistemas de compensación armónica.
Palabras clave: Compensación Armónica; Generador de Var Estático (SVG)
I. Introducción
El uso generalizado de cargas no lineales —como hornos de arco, hornos de inducción de frecuencia media, hornos de arco sumergido, variadores de frecuencia variable de baja tensión (VFD) y rectificadores— ha provocado problemas cada vez más graves de calidad de energía en las redes eléctricas, incluyendo armónicos, parpadeo de voltaje, desequilibrio, sobretensión y subtensión. Estas perturbaciones no solo amenazan el funcionamiento de equipos sensibles de alta precisión, sino que también aumentan las pérdidas en infraestructuras de transmisión y distribución. Entre estos problemas, los armónicos presentan riesgos especialmente graves, reduciendo la eficiencia energética y provocando sobrecalentamiento, vibraciones, ruido, envejecimiento del aislamiento e incluso fallos catastróficos en equipos eléctricos.
Las soluciones comunes de mitigación armónica incluyen filtros pasivos (FC) y filtros de potencia activa (APF). Mientras que los APF suelen desplegarse a niveles de bajo voltaje (por ejemplo, 380 V o 660 V), los sistemas de media y alta tensión (10 kV/35 kV) suelen depender de SVGs en cascada de puente H con estrategias de control modificadas para lograr potencia reactiva integrada y compensación armónica.
El SVG, basado en dispositivos IGBT totalmente controlados, reemplaza los voluminosos condensadores y reactores por electrónica de potencia de conmutación rápida, permitiendo una compensación dinámica, suave y precisa. Al refinar su algoritmo de control, el SVG puede compensar simultáneamente la potencia reactiva y suprimir armónicos.
Este artículo presenta el principio de compensación armónica de los SVGs, informa sobre una aplicación real y analiza un aumento inesperado de armónicos en el lado de carga mediante simulación y modelado teórico.
II. Principio de compensación armónica de SVG
a. Operación básica de SVG
Tabla 1: Principios del Estado de Funcionamiento
El SVG es un compensador dinámico de potencia reactiva estático y de respuesta rápida. Conecta un circuito puente autoconmutado—compuesto por múltiples módulos H-bridge conectados en serie—a la red mediante reactores o transformadores (Fig. 1). Ajustando la amplitud y la fase del voltaje de salida del lado AC (o controlando directamente la corriente de salida), el SVG inyecta o absorbe potencia reactiva según sea necesario.
Figura 1: Diagrama de un sistema SVG en cascada de alta tensión
En aplicaciones de alta tensión, varios módulos de puente H se encadenan por fase, y el número escala con el nivel de tensión. Las señales de control se transmiten mediante fibra óptica para asegurar el aislamiento galvánico y la inmunidad al ruido (Fig. 2).
Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura eléctrica del sistema SVG
El SVG monitoriza continuamente el voltaje del sistema, la corriente del sistema y la corriente de carga, y luego ajusta dinámicamente su salida para mantener los valores objetivo de potencia reactiva, voltaje o factor de potencia en el punto de acoplamiento común.
b. Mecanismo de compensación armónica
El principio de funcionamiento de un SVG de tensión media con capacidad de filtrado activo mediante control de corriente continua se ilustra en la Figura 3. A partir de esta figura, se puede derivar la ecuación (1), que indica que la corriente fuente es la suma vectorial de la corriente de carga y la corriente de compensación:
Figura 3: Principio de funcionamiento de un generador Var estático usando control de corriente continua
Suponiendo que la corriente de carga contiene corriente fundamental de secuencia positiva (incluyendo componentes reactivos y activos fundamentales de secuencia positiva), corriente fundamental de secuencia negativa y corrientes armónicas, puede expresarse como:
Para eliminar los componentes reactivos fundamentales de secuencia positiva y negativa fundamentales de la corriente fuente, la corriente de salida SVG debe satisfacer la Ecuación (3):
Como resultado, la corriente fuente contendrá solo el componente activo fundamental de secuencia positiva y las corrientes armónicas, como se muestra en la Ecuación (4):
Por lo tanto, lograr la compensación deseada depende de controlar con precisión la corriente de salida SVG para cumplir con el requisito de la Ecuación (3).
A partir de la descripción anterior del principio de funcionamiento del SVG, es evidente que si el SVG quiere suprimir armónicos de carga además de compensar la potencia reactiva, solo necesita generar las corrientes armónicas correspondientes. En consecuencia, el SVG puede cumplir simultáneamente dos objetivos: compensar la corriente reactiva y mitigar la corriente armónica.
Se pueden emplear varios algoritmos de detección armónica para este propósito, como la detección armónica selectiva basada en coordenadas rotatorias, la FFT (Transformada de Fourier Rápida) y la teoría de potencias reactivas instantáneas, entre otros.
III. Observación de campo y análisis de problemas
a. Estudio de caso: Una fábrica de papel en China
La instalación se alimenta mediante una red de 35 kV a través de dos transformadores principales de 10 kV (uno activo y otro de espera). El bus de 10 kV da servicio a ~60 alimentadores y dos unidades autogeneradas. Las principales cargas no lineales incluyen rectificadores de dióxido de cloro, rectificadores cloro-alcalinos y VFD, generando armónicos dominantes de quinta y séptima, siendo la quinta superior a los límites de utilidad.
Figura 4: Diagrama del sistema primario de la fuente de alimentación in situ
Se instaló un SVG de 10 kV / 5 Mvar en el bus de 10 kV para la mitigación del quinto armónico. Los datos posteriores a la puesta en servicio (Tabla 2) muestran:
Tabla 2: Efectos de la compensación armónica
Mientras que los armónicos del lado del sistema disminuyeron, la corriente total del quinto armónico en el lado de carga subió de 93 A a 152 A—un incremento del 63%—a pesar del límite de compensación de 96 A del SVG.
Las mediciones armónicas de tensión confirmaron la supresión exitosa en el bus de 10 kV (Fig. 5), descartando resonancia o sobrecompensación.
Figura 5: Armónicos de la tensión del bus de 10kV antes (izquierda) y después de la compensación (derecha)
b. Análisis de la causa raíz
El fenómeno se origina en la impedancia interna ((Z_1)) no despreciable del sistema de suministro relativamente débil. La corriente armónica de carga depende de:
Tensión de la rejilla ((V))
Impedancia de la fuente ((Z_1))
Impedancia de carga ((Z_2))
Antes de la compensación, la corriente armónica que fluye a través de (Z_1) provoca distorsión de tensión en el punto de conexión. Tras la compensación SVG, menos corriente armónica regresa a la fuente, reduciendo la distorsión de tensión y aumentando efectivamente la capacidad aparente de cortocircuito de la red. En consecuencia, la misma carga no lineal consume más corriente armónica debido a una mejor calidad de voltaje—un efecto bien documentado de "amplificación armónica" en rejillas débiles.
Figura 6: Diagrama esquemático del principio de compensación armónica SVG
IV. Validación de simulación
Se construyó un modelo Simulink del sistema de 10 kV (Fig. 7), con el controlador SVG implementado como una función S basada en C (Fig. 8). La carga consistía en un rectificador de diodo trifásico con reactores de entrada y salida RC.
Figura 7: Simulación simultánea de compensación armónica SVG en rejilla de 10kV
Figura 8: Ajustes del módulo de función S
Se probaron dos escenarios:
(1) Relación de impedancia fuente-carga = 1:10
Figura 9: Forma de onda del resultado de la simulación con relación de impedancia 1:10
La corriente armónica de carga aumentó del 81,63% al 85,09% THD
Los armónicos de tensión y corriente del sistema disminuyeron significativamente
Tabla 3: Comparación de armónicos de avance antes y después de la compensación armónica con la relación de impedancia 1:10
(2) Relación de impedancia = 1:1 (rejilla más débil)
Figura 10: Forma de onda del resultado de la simulación con relación de impedancia 1:1
La corriente armónica de carga aumentó hasta el 105,31% de THD
Confirma que las rejillas más débiles exacerban la amplificación armónica en el lado de la carga
Las formas de onda (Figs. 9–10) muestran claramente una distorsión de corriente de carga creciente a pesar de formas de onda más limpias en el lado del sistema.
Tabla 4: Comparación de armónicos de avance antes y después de la compensación armónica con la relación de impedancia 1:1
V. Conclusión
Este estudio demuestra que, aunque los SVG de alto voltaje reducen eficazmente los armónicos del lado del sistema, pueden aumentar inadvertidamente las corrientes armónicas en el lado de carga en escenarios de rejilla débil debido a la mejora de la calidad del voltaje. El efecto se intensifica a medida que disminuye la relación entre la impedancia de la fuente y la impedancia de carga.
Por lo tanto, al diseñar sistemas de compensación armónica:
No dimensiones la capacidad SVG únicamente en función de armónicos de carga medidos
Ten en cuenta la intensidad de la red (capacidad de cortocircuito) y las características de impedancia
Consideremos soluciones híbridas (por ejemplo, SVG + filtros pasivos) para aplicaciones críticas
Estos hallazgos ofrecen una guía valiosa para el despliegue seguro y eficaz de mitigación armónica basada en SVG en sistemas eléctricos industriales.
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