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DIMENSIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS (SVC) PARA
UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC
Presentado por
CAMILO SUÁREZ RIVILLAS
Proyecto de Grado para optar por el título de:
INGENIERO ELÉCTRICO
Director
MARIO ALBERTO RIOS M.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INYENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
BOGOTA, D.C.
2013
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
A mi hijo, mi hombre Juan Camilo, mis padres, a mi hermano y mi Lupe.
Por ser siempre una inspiración.
3 INTRODUCCIÓN
RESUMEN
Considerando los avances tecnológicos y el crecimiento poblacional junto con los sistemas de
potencia y las industrias a nivel mundial, la electrónica de potencia así como el crecimiento de
la demanda de energía eléctrica y las posibles dificultades que pueda enfrentar la prestación
del servicio, como son los introducidos por la operación de hornos de arco eléctrico conectado
a los sistemas eléctricos este trabajo tiene como objetivo desarrollar un estudio sobre los
inconvenientes que puede causar la operación de dichos equipos en cuanto a calidad de la
potencia se refiere, y su posible solución haciendo uso de tecnologías desarrolladas en las
últimas décadas, como son los sistemas flexibles de transmisión en corriente alterna, FACTS, y
más específicamente el compensador estático de reactivos SVC.
DIMENSIONAMIENTO DE UN COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS (SVC) PARA UNA CARGA
HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC, es el trabajo de proyecto de grado desarrollado
por Camilo Suarez Rivillas y asesorado por el Dr. Mario Alberto Ríos Mesías, profesor asociado
del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes, en
Bogotá.
Es un trabajo que se realiza con el fin de entender el funcionamiento de los hornos de arco
eléctrico, utilizados hoy en más de la mitad del acero que se fabrica, y los dispositivos FACTS,
como una unión entre la electrónica de potencia y los avances en semiconductores de los
últimos tiempos, constituye además una investigación con fines aplicativos a la industria
nacional y el sistema eléctrico colombiano en términos técnicos y económicos.
Los objetivos del estudio son modelar el horno de arco en un software de Sistemas Eléctricos de
Potencia, como es PSCAD, consiguiendo las características eléctricas de esta carga variante en
el tiempo para modelar los problemas que pueda introducir a la red, esta carga se conectara a
un sistema de potencia basado en el artículo Advanced applications of FACTS in industrial
distribution systems in Middle Europe (Svec, Tlusty, Muller, & Santarius, 2012) donde se observa
la aplicación de un acondicionador de Calidad de potencia unificado (Unified Power Quality
conditioner, UPQC) y su comparación con el desempeño de un SVC para aliviar los problemas
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
de calidad de potencia que introduce el arco en el sistema eléctrico. Finalmente se pretende
dimensionar y realizar el diseño básico de un compensador estático de reactivos con el mismo
fin y validar su funcionamiento mediante simulaciones utilizando PSCAD.
Se obtuvo un modelo completo de un sistema eléctrico de potencia con la carga horno de arco
conectada, y datos que dieron paso a un análisis a conciencia del efecto y las soluciones
alrededor de este en la industria metalúrgica, así como el impacto económico que pudiera
significar la utilización de dispositivos FACTS, más específicamente el SVC en un sistema de
potencia o para la industria que opere el horno de arco.
5 INTRODUCCIÓN
Contenidos
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 10
1.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO .................................................................................................................... 11
1.2. DISPOSITIVOS FACTS ................................................................................................................................. 12
1.2.1 COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS/STATIC VAR COMPENSATOR (SVC) ........................................ 13
2. OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 14
2.1. GENERAL ................................................................................................................................................... 14
2.2. ESPECIFICOS .............................................................................................................................................. 14
2.3. ALCANCE Y PRODUCTOS FINALES ............................................................................................................. 14
3. HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA ........................................... 15
3.1. PARPADEOS DE VOLTAGE ......................................................................................................................... 16
3.2. ARMÓNICOS ............................................................................................................................................. 16
4. COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA .............................................................................. 17
4.1. REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES (TCR) ....................................................................................... 18
4.2. CONDENSADOR CONMUTADO POR TIRISTORES (TSC) ............................................................................. 18
4.3. FILTROS ARMONICOS EN DERIVACIÓN ..................................................................................................... 19
5. CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD .......................................................................................... 19
5.1. FACTOR DE POTENCIA ............................................................................................................................... 19
5.2. THD ........................................................................................................................................................... 21
6. METODOLOGIA ........................................................................................................................................... 22
7. EXPERIENCIAS ANTERIORES ........................................................................................................................ 24
7.1. CASCADE STEEL, MCMINNIVILLE, OREGON, USA. 2002 ............................................................................. 24
7.1.2 RESULTADOS OBTENIDOS ......................................................................................................................... 25
7.2. MARCIAL UCIN´S, ACIÉRIE DE L´ATLANTIQUE (ADA), BAYONNE, FRANCIA ................................................ 25
7.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS ......................................................................................................................... 26
8. SISTEMA DE POTENCIA ............................................................................................................................... 26
9. ESTUDIOS EN PSCAD ................................................................................................................................... 28
9.1. MODELO DEL HORNO DE ARCO ................................................................................................................ 30
9.2. SISTEMA CON EL HORNO DE ARCO EN FUNCIONAMIENTO ...................................................................... 31
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
10. SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA ............................................................ 34
10.1. OPCION 1 – TCR+FILTROS(2) ..................................................................................................................... 34
10.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP1 ........................................... 34
10.2. OPCIÓN 2 – TCR+FILTROS(3) ..................................................................................................................... 36
10.2.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP2 ........................................... 37
10.3. OPCION 3 – TSC+FILTROS .......................................................................................................................... 42
10.3.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP3 ........................................... 43
10.4. COMPARACION DE LAS TRES OPCIONES ................................................................................................... 48
9.4.1 ANÁLISIS ECONOMICO DE LAS OPCIONES ................................................................................................. 49
11. CONCLUSIONES........................................................................................................................................... 50
12. AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................................... 51
13. REFERENCIAS .............................................................................................................................................. 51
7 INTRODUCCIÓN
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Magnitud de armónicos de corriente de horno de arco. Se aprecian 2°, 3°, 4° y 5°
armónicos...................................................................................................................................... 16
Figura 2: Configuración a) TCR/Filtros. y b) TCR/TSC/Filtros ....................................................... 19
Figura 3: Triangulo de potencia .................................................................................................... 20
Figura 4 Modelo de horno de Arco Eléctrico de Dan Kell para PSCAD. ........................................ 22
Figura 5: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Oregon, USA .................................................... 24
Figura 6: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Francia ............................................................. 25
Figura 7: Diagrama Unifilar del sistema de Potencia de referencia para el estudio. ................... 27
Figura 8: Sistema de potencia con carga de horno de arco modelado en PSCAD ....................... 28
Figura 9: Curva V-I del modelo de horno de arco. ........................................................................ 30
Figura 10: Corriente, voltaje y resistencia del horno de arco. ...................................................... 31
Figura 11 : a) Ondas de voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del EAF; b) Voltaje
en mpA y mpB en la operación del EAF. Onda completamente distorsionada............................ 32
Figura 12: Factor de potencia y su variación con la entrada en operación del EAF, y sus
respectivas mediciones. ................................................................................................................ 33
Figura 13: Potencias Activa y reactiva en el horno de arco y en el bus mpB ............................... 33
Figura 14: Potencia activa y reactiva en los buses mpA y mpB, asi como la medición de la
potencia activa y reactiva en el arco y el bus mpA(PCC). ............................................................. 33
Figura 15: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opcion1. ................. 35
Figura 16: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la
operación del mismo y posterior corrección con el SVC. ............................................................. 35
Figura 17: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del
horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC. ........................................ 36
Figura 18: Diagrama unifilar configuración de la opción2 ............................................................ 38
Figura 19: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA .............................................. 39
Figura 20: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco en operación. a) Sin SVC en
funcionamiento y b) Filtrada y con SVC en funcionamiento. ....................................................... 40
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Figura 21: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la
operación del mismo y posterior corrección con el SVC. ............................................................. 41
Figura 22: Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del
15% en la potencia activa del horno. ............................................................................................ 41
Figura 23: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del
horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC. ........................................ 42
Figura 24: Ondas de voltaje en los buses mpA y mpB antes y durante la operación del horno con
y sin SVC ........................................................................................................................................ 43
Figura 25: Ondas de voltaje en los nodos mpA y mpB, EAF y SVC apagados. .............................. 44
Figura 26: Ondas de voltaje con arco en operación y SVC apagado............................................. 44
Figura 27: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco y SVC en operación. .................. 45
Figura 28: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opción3. ................. 45
Figura 29. Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del
18% en la potencia activa del horno. ............................................................................................ 46
Figura 30: Factor de potencia de los buses mpA, mpB y generador con corrección en el instante
1.0s. ............................................................................................................................................... 47
Figura 31: Voltajes p.u. en lo buses mpA, mpB y generador con leve mejoría al entrar el SVC en
acción. ........................................................................................................................................... 47
9 INTRODUCCIÓN
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: SVC instalados y en funcionamiento por parte de Siemens ........................................... 18
Tabla 2: Valores Máximos permitidos de distorsión armónica para corriente. ........................... 21
Tabla 3: Configuración final del SVC instalado ............................................................................. 24
Tabla 4: Operación con SVC en Oregon, USA ............................................................................... 25
Tabla 5: Operación con SVC en Francia ........................................................................................ 26
Tabla 6: Nombres de variables utilizadas en modelo, mediciones y simulaciones del sistema... 29
Tabla 7: Diferentes momentos característicos en la simulación. ................................................. 29
Tabla 8: Descripción del SVC ......................................................................................................... 34
Tabla 9: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la Opción1. ............ 34
Tabla 10: Descripción del SVC ....................................................................................................... 37
Tabla 11: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción2 ............ 37
Tabla 12: Magnitudes y THDi par el bus mpA en los amónicos del 2º al 13º. .............................. 39
Tabla 13: Descripción del SVC ....................................................................................................... 42
Tabla 14: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción3 ............ 46
Tabla 15: Magnitud de corrientes armónicas para cada una de las opciones. ............................ 48
Tabla 16: Comparación de costos de instalación.......................................................................... 49
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de las poblaciones y su crecimiento alrededor del mundo se ve reflejado en el
crecimiento de la demanda de energía eléctrica para llevar a cabo distintas tareas que están
inmersas en la vida diaria de los grupos poblacionales, así como esto conlleva a un crecimiento
en la industria, los bienes y servicios y el crecimiento de las ciudades, como resultado del
proceso de la vida misma. Es por esto que los sistemas de generación, transmisión y
distribución crecen de la misma manera como los seres humanos necesitamos utilizar la energía
eléctrica. Esto trae como resultado aumento en la capacidad, seguridad y confiabilidad que los
sistemas antes mencionados requieren, por lo que se hace uso de diversas tecnologías para
proporcionar el servicio de electricidad con las características antes mencionadas. (Rivera,
2008)
Este crecimiento en la demanda de energía eléctrica, se traduce entonces en la expansión de
los sistemas de potencia alrededor del mundo, buscando siempre satisfacer esa demanda con
la seguridad y confiabilidad requerida a costos que hagan rentable el gran negocio de la
electricidad pudiendo beneficiar a todos sus actores, incluyendo el usuario final, bien sea
residencial, comercial o industrial, sin embargo ante estos planes de expansión se observan
obstáculos que podrían frustrarlos, como son los aspectos medio ambientales, la utilización de
terrenos, pago de servidumbres, regulaciones y tristemente el terrorismo y la violencia. Dando
como resultado la necesidad de optimización de los sistemas existentes, donde muchas veces
se encuentran corredores sobrecargados y en contraposición líneas que están siendo operadas
debajo de su capacidad real.
De la mano de la expansión de las poblaciones y el crecimiento en la demanda crecen las
industrias estrechamente relacionadas con la expansión de los sistemas de energía. Dado el
crecimiento de la industria minero energética en el país y la idea de hacer cada vez el sistema
más seguro y mucho más eficiente, se observa la necesidad de la utilización de dispositivos
Flexible AC Transmisión Systems (FACTS) con el ánimo de tener una mayor confiabilidad y
calidad de la potencia.
11 INTRODUCCIÓN
Dentro de este tipo de industrias se encuentra la metalúrgica, una de gran importancia a nivel
mundial, en esta industria es muy común la utilización de Hornos de arco (EAF por sus siglas en
ingles), un dispositivo que debido a su operación da como resultado fluctuaciones en el voltaje
conllevando a un fenómeno conocido como parpadeo o flicker. La utilización de SVC (Static Var
Compensator) en este tipo de industria se hace cada vez más necesario, así como la ubicación
estratégica de los mismos en algunas áreas del país para permitir cumplir los requerimientos de
energía reactiva en algunas zonas del país.
1.1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO
El horno de Arco eléctrico, Electric Arc Furnace (EAF) en inglés, es un equipo que utiliza el arco
voltaico descubierto por el químico británico Humphry Davy para generar una descarga
eléctrica continua, generando luz e intenso calor, dicha descarga se genera entre dos
electrodos dentro de una atmosfera de gas a baja presión o al aire libre. (Yañez , 2012) Desde
hace tres a cuatro décadas el uso de hornos de arco eléctrico para la producción de acero ha
crecido a gran escala, hoy en día se acerca a estar en uso en el 50% del acero producido. Esta
tendencia se da gracias a dos razones principales, la primera de ellas es el bajo costo de capital
en la compra del Horno de arco, y su consumo de energía menor frente a otros procedimientos
utilizados para la fundición del acero. (Jones, 1997)
Existen hornos de arco en un rango que va desde pequeños hornos con capacidad para una
tonelada aproximadamente, utilizados en la producción de hierro fundido, hasta hornos de 400
toneladas, utilizados en la fabricación del acero, donde una sola industria puede operar entre
uno y cinco hornos aproximadamente. Dichos hornos pueden ser de corriente alterna, AC, o de
corriente continua, DC, y funden el acero introduciendo los electrodos en medio de una masa
de chatarra aplicando corriente a la misma. Para fundir una tonelada de acero los hornos
requieren entre 360 y 400 kWh, lo que indica que son equipos que consumen energía en gran
cantidad. (Jones, 1997)
Los hornos de arco son entonces una de las diferentes cargas conectadas a los sistemas de
potencia, por eso se hace necesario estudiar y entender su papel en cuanto a la calidad de
potencia. (Kell, Electric Arc furnace modeling and validation, 2003) Los EAF constituyen fuentes
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
de perturbaciones en los sistemas eléctricos, dada su naturaleza no lineal y variante en el
tiempo, características tales como el arco voltaico, su corriente, y la potencia activa y reactiva
perciben grandes variaciones en el tiempo, especialmente al principio de su operación en la
fundición de la masa de chatarra inicial. Dichas variaciones traen como resultado problemas en
las redes de alta tensión tales como el fenómeno de parpadeo o flicker, así como desbalances y
corrientes armónicas, afectando el rendimiento del sistema. (Postiglione, Ladoux, & Riedinger,
2005)
1.2. DISPOSITIVOS FACTS
La capacidad de los sistemas de potencia se limitan por distintos factores, mientras el objetivo
es hacer el mejor uso posible de los sistemas de transmisión y maximizar esa capacidad de uso,
dentro de las limitaciones a las que se pueden enfrentar los sistemas se tienen la condiciones
térmicas o ambientales relacionadas con la temperatura ambiente, condiciones de viento, de
los conductores y distancia al suelo; limitaciones dieléctricas desde el punto de vista del
aislamiento eléctrico, es posible aumentar la operación normal de los sistemas donde se debe
tener especial cuidado de limitar los sobrevoltajes dinámicos y transitorios dentro de rangos
deseados, es allí donde las tecnologías FACTS pueden ser usadas para asegurar los límites de
seguridad de sobre voltaje y flujo de carga. Finalmente la estabilidad es la tercera de las
limitaciones que se pueden encontrar frente a la capacidad de los sistemas de potencia, y
existen variedad de inconvenientes relacionados con este, como son la estabilidad transitoria,
dinámica, de estado estable, colapso de frecuencia y de voltaje, así como la resonancia
subsincrónica (SSR). (Hingorani & Gyugyi, Understanding FACTS: Concepts and technology of
Flexible AC Systems, 2000, pp. 7,8)
Flexible AC Transmission System (FACTS) están definidos por un grupo de trabajo de IEEE como
“Las redes de corriente alterna que incorporan controladores basados en electrónica de
potencia y otros controladores estáticos con el fin de mejorar la controlabilidad y aumentar la
capacidad de transferencia de potencia.” (Hingorani, FACTS Technology - State of the Art,
Current Challenges and the future Prospects, 2007) Las tecnologías FACTS abren la oportunidad
de controlar la potencia, así como mejorar la capacidad utilizable de los sistemas de potencia
13 INTRODUCCIÓN
actuales, junto con los tramos nuevos y mejorados de un sistema eléctrico. (Hingorani &
Gyugyi, 2000)
En general los controladores FACTS pueden generar impactos sobre los sistemas de potencia en
el cual actúan, proporcionando un control rápido y continuo sobre el flujo de potencia,
controlando los voltajes en los nodos críticos, cambiando la impedancia de las líneas o
controlando el ángulo de fase al final de las mismas. Además proporcionan la posibilidad de
incrementar la cargabilidad de las líneas a niveles cercanos a los límites térmicos, aumentando
de esta manera la transferencia de potencia a través del sistema con el fin de optimizar el uso y
capacidad de la infraestructura instalada. Pueden incluso permitir la disminución de
oscilaciones que tengan la capacidad de dañar equipos y/o limitar la capacidad de transmisión
de potencia eléctrica, (Rivera, 2008) así como disminuir el fenómeno de parpadeo en los buses
donde se tengan cargas no lineales o desbalanceadas conectadas al sistema, como el horno de
arco para este caso de estudio.
1.2.1 COMPENSADOR ESTATICO DE REACTIVOS/STATIC VAR COMPENSATOR (SVC)
Los compensadores estáticos de reactivos (SVC) son utilizados para el control de voltaje
promedio de la generación o absorción de reactivos, tanto en sistemas de transmisión, como en
aplicaciones industriales. En este último caso se conectan para compensar el factor de potencia
de las cargas no lineales a gran velocidad, como ocurre en la industria metalúrgica con los
hornos de arco (Control de parpadeo-flicker). (Ekstrom, 1990)
Desde el punto de vista operacional, el SVC se comporta como una reactancia variable
conectada en paralelo, con la capacidad de generar o absorber potencia reactiva con el fin de
regular la magnitud de voltaje en el punto de conexión. Siendo entonces utilizados para proveer
de manera rápida potencia reactiva, dar soporte en la regulación de voltaje, dar soporte en la
regulación de voltaje, controlar sobrevoltajes, mejorar la estabilidad del sistema y dar
amortiguamiento ante las oscilaciones de potencia. Todo lo anterior coordinado por un sistema
de control con velocidad de respuesta casi instantánea. (Rivera, 2008)
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
2. OBJETIVOS
2.1. GENERAL
Estudiar la influencia de la operación de hornos de arco eléctrico en los sistemas de
potencia, evaluar su rendimiento, identificando fenómenos propios de estos equipos, así
como el efecto de SVC para remediar dichos comportamientos, estableciendo su correcto
dimensionamiento y localización.
2.2. ESPECIFICOS
Desarrollar el estado del arte tanto de SVC como de hornos de arco y su correcto
modelamiento en software que permita simular su funcionamiento.
Determinar el principio de funcionamiento de los hornos de arco y su efecto sobre el
sistema de potencia al cual está conectado y su área de influencia.
Desarrollo de un modelo confiable del sistema con uso de SVC, realizando pruebas a su
impacto sobre el mismo posterior a su diseño básico y dimensionamiento.
Documentar la importancia de la utilización de FACTS en el sistema nacional y en la
industria con el fin de promover su uso resaltando los beneficios que trae, así como la
necesidad que se tiene de su implementación.
2.3. ALCANCE Y PRODUCTOS FINALES
Con el desarrollo de este trabajo se pretende documentar la metodología detallada para llevar
a cabo el correcto dimensionamiento de un dispositivo SVC conectado al sistema de potencia
con una carga horno de arco para la industria metalúrgica. Además el archivo de PSCAD/EMTDC
en el cual se ha llevado a cabo el estudio del sistema de potencia y los efectos del horno de arco
constituye un entregable dada la capacidad de medir gran cantidad de variables importante en
el problema identificado, así como el correcto funcionamiento del horno de arco en cuanto a
sus características se refiere dando paso a estudios futuros sobre dicha problemática.
15 HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA
3. HORNOS DE ARCO ELECTRICO Y SU EFECTO SOBRE EL SISTEMA DE POTENCIA
Desde su invención en el siglo XIX hasta nuestros días, el horno de arco ha sufrido una
evolución junto con los sistemas de potencia y el crecimiento poblacional dadas las exigencias
de la industria.
Hasta la década de 1960, los hornos de arco se empleaban para la fabricación de aceros de alta
calidad, es hasta 1962 que se desarrollaron los hornos UHP (Ultra High Power). Con estos
hornos fue posible llegar a potencias de 165 MVA y capacidades de producción de 360
toneladas, todo ellos con rendimiento aceptables que dieron paso al desarrollo y extensión de
hornos para la fabricación de diversos tipos de acero. Hoy en día la mayoría de aceros se
fabrican utilizando este tipo de hornos. (Yañez , 2012)
El incremento en el número de industrias metalúrgicas ha generado una conciencia sobre el
impacto en el sistema de potencia. La popularidad de estos equipos ha contribuido además al
estudio de sus efectos sobre la red, que enfrenta el desafío de proveer energía de calidad a
todos los usuarios, incluyendo las industrias que operan estas cargas tan grandes.
Una de las principales preocupaciones al operar horno de arco, que como se ha dicho
previamente son cargas variables, es el parpadeo en el sistema eléctrico de potencia, problema
que se complica con el uso de varios hornos de arco. En el proceso de planeación y diseño se
utilizan diferentes métodos para estimar la capacidad requerida del sistema para operar estos
hornos sin que exista el fenómeno del parpadeo. Como regla general se tiene que la relación
entre los MVA del horno y los MVA disponibles de corto circuito pueden dar cierta luz sobre la
probabilidad de problemas potenciales, entre mayor sea esta relación, mejor. (Witte, Bishop, &
Mendis, 1994)
También se tienen evidencias de interacciones de bancos de capacitores y filtros armónicos
junto con el fenómeno de parpadeo. La aplicación de banco de capacitores o filtros armónicos,
principalmente para corregir el factor de potencia o reducción de armónicos resulta en un
punto de resonancia paralela en algún punto del espectro de frecuencia. Lo que puede incitar a
que se amplifiquen los voltajes armónicos producidos por el horno de arco resultando en
parpadeos en el sistema eléctrico de potencia. (Witte, Bishop, & Mendis, 1994)
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
3.1. PARPADEOS DE VOLTAGE
El proceso de fundición dentro de un horno de arco es inconstante por naturaleza,
especialmente cuando uno o varios electrodos hacen contacto físico con la chatarra, resultando
efectivamente en un corto eléctrico con el circuito del horno de arco. Como consecuencia, el
consumo de potencia reactiva principalmente se hace fluctuante de una manera estocástica. La
caída de voltaje que causada por la fluctuación de la potencia reactiva que fluye por el circuito
resulta en parpadeos de voltaje, que se pueden observar de manera más simple en las luces de
lámparas incandescentes que se conectan a la misma red del sistema. Esa cantidad de
parpadeos que se dan como consecuencia de la operación del EAF, depende del tamaño del
mismo y de la capacidad de corto circuito del sistema en el punto de acople común.
(Grunbaum, Gustafson, Hasler, & Persson, 2010)
3.2. ARMÓNICOS
La carcasa del horno de arco está conectada a tierra, es decir que representa una conexión en Y
o estrella, mientras el secundario del transformador del horno de arco esta en conexión Delta,
de manera que la componente de secuencia cero (0) es nula, así en una operación balanceada
de manera hipotética presentaría armónicos en el 5°, 7°, 11°, etc. Sin embargo la operación del
horno de arco no es balanceada, especialmente en la fase de fundición de la masa,
observándose la aparición de otros armónicos como son el 2°, 3°, 4° presentes en la onda de
corriente. (Postiglione, Ladoux, & Riedinger, 2005)
Figura 1: Magnitud de armónicos de corriente de horno de arco. Se aprecian 2°, 3°, 4° y 5° armónicos.
17 COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA
Los armónicos producen efectos no deseados en los sistemas de potencia dentro de los cuales
se encuentran los que se listan a continuación:
Falla prematura en capacitores por exceso de corriente y elevación de su temperatura
normal de operación.
Ruido e interferencia en sistemas de telecomunicaciones, especialmente en líneas de
teléfono
Crecimiento en las pérdidas que puedan experimentar transformadores, motores y
switchgear.
Los cortacircuitos (breakers) podrían fallar al momento de interrumpir la corriente dada
una operación no convencional.
Sobrevoltajes y sobrecorrientes podrían experimentarse en el sistema de potencia,
causando inestabilidad y acortando la vida útil de los equipos.
4. COMPENSADORES ESTATICOS DE POTENCIA REACTIVA
Dentro de los controladores FACTS que se han mencionado brevemente con anterioridad en
este documento, el dispositivo del que se encargara este trabajo es el compensador estático de
reactivos, SVC. Diseñados para producir y absorber potencia reactiva en cualquier momento.
Para tal propósito es necesario que el SVC posea un reactor o arreglo de inductancias y un
capacitor o banco de condensadores, los cuales van a ser controlados por un arreglo de
tiristores. (Castro, 2001)
Alrededor del mundo existen diversos ejemplos de instalación de SVC con múltiples fines, entre
ellos mejorar la transmisión de energía eléctrica en los sistemas de potencia donde su
ampliación puede ser complicada por costos o inviabilidades técnicas, arranque de grandes
motores, fundidoras de metal, máquinas de chatarrización, aserraderos, estaciones de bombeo,
minas de carbón y procesos industriales similares, así como también en la eliminación del
parpadeo producido por el horno de arco y estabilización de líneas de transmisión.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Tabla 1: SVC instalados y en funcionamiento por parte de Siemens
4.1. REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES (TCR)
Los elementos básicos del TCR son una reactancia en serie con un switch bidireccional de
tiristores como se muestra en la Figura 2, la corriente es controlada por el ángulo de disparo α,
y dependiendo de este su componente fundamental puede ser mayor o menor variando α
entre 90ᵒ y 180ᵒ. El inconveniente principal que podría presentar el uso de TCR en la solución
de la estabilidad y calidad de la potencia es la introducción de corriente armónicas debido a la
conmutación de los tiristores.
4.2. CONDENSADOR CONMUTADO POR TIRISTORES (TSC)
Consiste en un condensador estático conmutado por tiristores, dicho condensador es
encendido únicamente cuando la condición de cero voltaje es alcanza (ZVS). Lo que significa
que el voltaje en los tiristores debe ser cero al momento del encendido. Es decir el condensador
es fijo y su funcionamiento se limita a encendido o apagado, es decir a conexión o desconexión
de la línea. En el caso trifásico está conectado en Delta, con una inductancia en serie para
amortiguar sobrecorrientes, prevenir resonancias con la red y limitar transientes.
19 CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD
4.3. FILTROS ARMONICOS EN DERIVACIÓN
Los filtros armónicos en derivación (shunt) desvía las corrientes armónicas relevantes a tierra
por medio de un camino de baja impedancia, lo que significa cargar una fracción de la corriente
que debería llevar un filtro en serie, lo que reduce sus costos con respecto a estos últimos. Más
allá de lo dicho anteriormente el filtro en derivación provee potencia reactiva capacitiva al
sistema de potencia, en la frecuencia fundamental, en esta caso 60Hz, lo que se hace necesario
para dar mantener la calidad de la potencia y la estabilidad de voltaje en sistemas en los que se
requiera. Dos tipos de filtros en derivación son los filtros sintonizados y los filtros paso alto o
amortiguados.
a) b)
Figura 2: Configuración a) TCR/Filtros. y b) TCR/TSC/Filtros
5. CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD
5.1. FACTOR DE POTENCIA
La Figura 3 muestra el triangulo de potencia, de donde se pueden obtener algunas relaciones
para calcular el factor de potencia de un sistema en un punto determinado, siendo esta una
medida que relaciona la cantidad de potencia real con la potencia aparente, el factor de
potencia optimo es cosϴ=fp=1, es decir donde existe únicamente potencia activa o real en el
sistema y el valor de la potencia reactiva (Q), es nulo. Para la carga horno de arco, objeto de
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
estudio de este trabajo, la potencia reactiva (Q) inyectada al sistema es de carácter inductivo y
variante, es una fuente de potencia reactiva importante, por lo que puede deteriorar el factor
de potencia a niveles alrededor de fp=0.7.
Figura 3: Triangulo de potencia
Teniendo el valor de la potencia activa y reactiva es posible obtener el factor de potencia por
medio de la ecuación Ec(1). Esta relación es importante en este trabajo dada la imposibilidad de
medir el factor de potencia en PSCAD, lo que se hace posible mediante módulos de operaciones
trigonométricas que pueden dar el resultado de esta ecuación para posteriormente ser
utilizado en las mediciones que se harán al sistema de potencia.
(
)
Como es de esperarse entonces, con el fin de lograr el factor de potencia unitario (fp=1) es
necesario corregir el valor de la potencia reactiva (Q) con el fin de hacerlo el valor más cercano
a cero posible, en este caso se utilizaran cargas capacitivas para hacer que la carga inductiva del
horno de arco vista en el punto de acople común (PCC) sea casi cero.
21 CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Y THD
5.2. THD
La distorsión armónica total (Total harmonic distortion, THD) es la relación entre la suma de las
magnitudes de la corriente o el voltaje en otros componentes armónicos, es decir a otras
frecuencias diferentes a la frecuencia fundamental, y la magnitud de la corriente o el voltaje de
la frecuencia fundamental respectivamente. Es decir que para un sistema de potencia el THD
optimo seria cero, es decir que no existen corrientes o voltajes en otras frecuencias diferentes a
la fundamental, bien sea 50Hz o 60Hz. Para el caso de estudio, en cargas tipo horno de arco se
observan apariciones de corrientes en armónicos en los cuales no aparece comúnmente como
son el 2º y 4º armónico, es decir que para un sistema de potencia a 60Hz, también se
encuentran componentes armónicas en las frecuencias 120Hz y 240Hz, así como también
aparecen componentes en armónicos mas comunes como son el 5º, 7º, 11º y 13º.
Los limites amximos permitidos para THD están regulados y estandarizados por la IEEE 519-
1992 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power
Systems. Para el caso de estudio, con una red de distribución a 110kV se muestran los valores
máximos permitidos en la siguiente tabla.
Tabla 2: Valores Máximos permitidos de distorsión armónica para corriente.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
6. METODOLOGIA
Este trabajo pretende estudiar el efecto de una carga variable como son los hornos de arco en
la estabilidad de la red, y posteriormente el comportamiento del compensador estático de
reactivos (SVC) conectado en el punto de acople común (PCC) y la forma como dicho dispositivo
puede ayudar a mejorar los inconvenientes en cuanto a calidad de la potencia se refiere en esta
aplicación de tipo industrial. Para ello la metodología a seguir consiste en el modelamiento del
horno de arco en un software de simulación de sistemas eléctricos, tal como PSCAD, del centro
de investigación de Manitoba. Para este hecho es posible simular una resistencia variable
controlada por corriente. (Sharmeela, Uma, Mohan, & Karthikeyan, 2004) La segunda
alternativa contemplada se trata de utilizar el modelo de Horno de arco eléctrico diseñado por
el Ingeniero Dan Kell, para el centro de investigación de Manitoba, y que se describe en las
notas de aplicación de PSCAD. (Kell, PSCAD Knowledge Library, 2013)
Figura 4 Modelo de horno de Arco Eléctrico de Dan Kell para PSCAD.
El nuevo modelo de horno de arco eléctrico para PSCAD que se muestra en la Figura 4 ha sido
estudiado como parte de un sistema eléctrico, se han probado sus características de corriente-
voltaje, y pueden variarse sus parámetros para hacerlo parte de un nuevo estudio. (Kell, 2003)
23 METODOLOGIA
Posteriormente se realizará el modelo del sistema eléctrico industrial propuesto en documento
de CIGRE titulado “Advanced Applications of FACTS in Industrial Distribution Systems in Middle
Europe” para validar el funcionamiento del horno de arco y sus efectos sobre el rendimiento
del sistema eléctrico.
Finalmente se analizará el sistema bajo las misma condiciones pero añadiendo un compensador
estático de reactivos al punto de acople común con el fin de mejorar el comportamiento del
sistema con el uso de este dispositivo y las mejoras y oportunidades que puede brindar el SVC a
la red, optimizando su uso y mejorando la calidad de la potencia que se supone afectada por las
perturbaciones que añade el horno de arco y sus características naturales.
Con los datos recolectados y las simulaciones anteriormente mencionadas se pretende analizar
la localización y dimensionamiento del SVC, con el objetivo de hacer de este un proceso
documentado y que el dispositivo sea óptimo para una aplicación específica, haciendo énfasis
en el uso industrial, en especial para el horno de arco, caso de estudio de este trabajo.
Documentar dichos datos y análisis provee la información necesaria para realizar el diseño
básico de un sistema de potencia que tiene una carga variable industrial instalada.
Para lo anterior será de vital importancia la búsqueda de información de fuentes confiables
tales como IEEExplore, Cigre y Manitoba Research Institute, para realizar un correcto
modelamiento del sistema y correcta utilización del software y aprovechamiento de las
características que ofrece la simulación el sistema en PSCAD. Además se hará un estudio sobre
otros casos y experiencias anteriores en calidad de potencia para cargas el mismo tipo, tema
ampliamente estudiado y desarrollado en anteriores ocasiones por empresas de la industria de
la Energía tales como ABB, Siemens y Alstom, entre otras.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
7. EXPERIENCIAS ANTERIORES
En la industria se encuentran experiencias o ejemplos de diseño de SVC para cargas horno e
arco con el fin de corregir perfiles de voltaje y factor de potencia junto con la idea de cumplir
normatividad exigida en cuanto a armónicos se refiere.
A continuación se presentan dos ejemplos desarrollados por la empresa ABB
7.1. CASCADE STEEL, McMINNIVILLE, OREGON, USA. 2002
Figura 5: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Oregon, USA
La acería desea incrementar la potencia de operación de su horno de arco sin entrar en el
riesgo de infringir los requerimientos de la empresa prestadora del servicio, Bonneville Power
Administration (BPA) a 230kV. El horno es actualmente de 65MW y se desea crecer a 84MW.
Por otro lado la industria desea reducir el impacto general que causa la operación del horno de
arco en el sistema de potencia relacionado con armónicos y fenómeno de parpadeo, mientras
se obtiene un factor de potencia mejorado en el PCC.
Tabla 3: Configuración final del SVC instalado
TCR 90 MVAr
Filtro 2° 30 MVAr
Filtro 5° 28 MVAr
Filtro 3° Existente 16 MVAr
Filtro 4° Existente 16 MVAr
SVC 34.5kV, 0-90MVAr Capacitivos
25 EXPERIENCIAS ANTERIORES
7.1.2 RESULTADOS OBTENIDOS
En el artículo publicado por la firma se destacan mejoras en el factor de potencia en el PCC, que
es de 0.998 actualmente, mejorías en el fenómeno de parpadeo, en el THD y el objetivo
principal de la industria de acero, 15% de incremento en la potencia activa para la fundición.
(ABB FACTS, 2012)
Tabla 4: Operación con SVC en Oregon, USA
7.2. MARCIAL UCIN´S, ACIÉRIE DE l´ATLANTIQUE (ADA), BAYONNE, FRANCIA
Figura 6: Diagrama Unifilar del SVC instalado en Francia
El propósito del compensador de reactivos es reducir el fenómeno de parpadeo causado por la
operación de un horno de arco de 123MVA junto con un horno de cuchara de 25MVA, asi como
también se desea mejorar el factor de potencia en el punto de acople común. Dado el gran
tamaño del horno los efectos sobre el sistema de potencia son considerados severos, haciendo
que este proyecto fuera asumido por Marcial Ucin junto con el dueño de la red local.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
7.2.1 RESULTADOS OBTENIDOS
Posterior a la instalación del SVC a 31.5kV, de 0-120MVAr capacitivos se obtuvo uuna mejoría
en los aspectos por lo cuales se requería la instalación del compensador como son el factor de
potencia, mayor a 0.93 y la reducción del parpadeo.
Tabla 5: Operación con SVC en Francia
8. SISTEMA DE POTENCIA
El sistema de potencia que se utilizará como referente para esta tesis es el descrito en (Svec,
Tlusty, Muller, & Santarius, 2012) ubicado en Eslovaquia Central, que consta de una red de
distribución a 110kV que se suple en la subestación de Medzibrod de 220kV a 200MVA con un
transformador de 220/110kV. Un arco eléctrico de 65MVA está instalado en esta área,
considerado una carga dominante que afecta la calidad de la potencia de los usuarios
alrededor. El sistema de potencia de referencia se presenta en la Figura 7.
La carga de horno de arco puede ser considerada indeseable si se refiere a la calidad de
potencia del sistema eléctrico, dado que durante su operación se pueden observar grandes
distorsiones en la señal de voltaje, el valor instantáneo de la tensión varia de forma no
predecible y errática en el tiempo dada la resistencia variable del horno al fundir la chatarra o
masa de metal. El horno de arco se encuentra conectado al sistema de potencia en la barra de
22kV por medio de un transformador de 62MVA, 22kV/0.55kV, que debe cumplir con
requerimientos tales como altas corrientes y bajo voltaje en el secundario, amplio rangode
27 SISTEMA DE POTENCIA
regulación (taps), alta impedancia de corto circuito y capacidad de sobrecarga de alrededor del
20% durante el proceso inicial de fundición.
Para la compensación de reactivos se pretende diseñar un SVC y filtros armónicos donde sea
necesario con el fin de cumplir el estándar IEEE 519-1992 Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. Posterior al diseño se
evaluaran los beneficios, económicos y técnicos que puede traer la conexión de dicho
compensador al sistema de potencia y a la industria en cuanto a términos de rendimiento y
producción.
Figura 7: Diagrama Unifilar del sistema de Potencia de referencia para el estudio.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
9. ESTUDIOS EN PSCAD
Se utilizó el software PSCAD para modelar el horno de arco, el sistema de potencia, y medir
variables importantes en el sistema como factor de potencia, voltajes y corrientes en cada bus,
potencia activa y reactiva inyectada a cada bus, y medición de armónicos de corriente y voltaje
en el punto de acople común. La siguiente tabla muestra los nombres de las variables utilizadas
en las diferentes mediciones y simulaciones.
Figura 8: Sistema de potencia con carga de horno de arco modelado en PSCAD
29 ESTUDIOS EN PSCAD
Tabla 6: Nombres de variables utilizadas en modelo, mediciones y simulaciones del sistema.
NOTA: En las soluciones propuestas se observan tres momentos fundamentales para comparar
el funcionamiento y los fenómenos que experimenta el sistema de potencia con el
funcionamiento del SVC y el EAF asi:
Tabla 7: Diferentes momentos característicos en la simulación.
LISTA DE TERMINOS
EAF Horno de Arco
PCC Punto de acople comun
SD Sistema de distribución
mpA Es el nombre del PCC en el modelo
mpB Bus de SD inmediatamente anterior al PCC
Ea Voltaje referido a tierra
P Potencia activa
Q Potencia reactiva
fp Factor de potencia
Vpu Voltaje por unidad
Ejemplo
Ea_mpA Voltaje del bus mpA referido a tierra
I_mpA Corriente instantanea en mpA
P_mpA Potencia activa en mpA
Q_mpA Potencia reactiva en mpA
Iarc corriente en el EAF
Rarc Resistencia del EAF
Varc Volatje del EAF
fp_mpA Factor de potencia en mpA
t inicial t final Descripción
Momento 1 0 0.5 SVC off y EAF off
Momento 2 0.5 0.6 Ignicion/Encendido EAF
Momento 3 0.6 1 SVC off y EAF on
Momento 4 1 2 SVC on y EAF on
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
9.1. MODELO DEL HORNO DE ARCO
Utilizando el modelo de horno de arco de Dan Kell referido anteriormente, se hicieron las
pruebas de funcionamiento del modelo, entre las que se encuentra la curva V-I del horno de
arco, y las ondas de corriente, voltaje y resistencia, observando su comportamiento variante en
el tiempo, inestable e desbalanceado, notando sobrevoltajes en el momento de encendido del
horno y variaciones en la resistencia dada por el estado de la chatarra en fundición al interior
del arco, como se muestra en las siguientes figura.
Figura 9: Curva V-I del modelo de horno de arco.
31 ESTUDIOS EN PSCAD
Figura 10: Corriente, voltaje y resistencia del horno de arco.
9.2. SISTEMA CON EL HORNO DE ARCO EN FUNCIONAMIENTO
Posterior al modelamiento del horno de arco se realizó la simulación de voltajes en mpA y mpB,
así como el factor de potencia en los mismo buses y en el primer bus del sistema de
distribución, es decir donde se encuentra conectada la red de transmisión de 220kV.
En las siguientes figuras se observa el voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del
horno de arco, se observan sobrevoltajes en mpA dada la ignición del horno y una caída de
voltaje en el momento en que el horno entra en funcionamiento.
Posteriormente se observan los factores de potencia y su disminución a valores alrededor de
0.75, la potencia activa es de 65MW y la reactiva de 55MVAr inductivos. Lo que indicaría una
compensación de alrededor de 55MVAr si se quisiera obtener el factor de potencia unitario.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
a)
b)
Figura 11 : a) Ondas de voltaje en mpA y mpB antes y durante la operación del EAF; b) Voltaje en mpA y mpB en la operación del
EAF. Onda completamente distorsionada.
33 ESTUDIOS EN PSCAD
Figura 12: Factor de potencia y su variación con la entrada en operación del EAF, y sus respectivas mediciones.
Figura 13: Potencias Activa y reactiva en el horno de arco y en el bus mpB
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
10. SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
10.1. OPCION 1 – TCR+FILTROS(2)
La primera opción consiste en filtrar las corrientes del 5º y 7º armonico que se presentan dada
la operación del arco, para ello se dispone de dos filtros sintonizados en los armónicos
nombrados anteriormente y un TCR de 53 MVAr, siendo entonces un SVC de 0 a 53 MVAr
capacitivos, conectado a 22kV en el PCC y dos filtros de 27MVAr y de 26MVAr en el 5º y 7º
armónico respectivamente.
Tabla 8: Descripción del SVC
10.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP1
El sistema propuesto cumple con los objetivos de corrección de factor de potencia sin embargo
no cumple con el estándar IEEE 519-1992 en cuanto a la máxima corriente en el tercer
armónico según la Tabla 2. Esta corriente no debe superar el 2% de la corriente fundamental,
en este caso la corriente del tercer armónico oscila entre el 2.2% y el 2.6% de la corriente del
fundamental.
Tabla 9: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la Opción1.
SVC para EAF 22kV, 62MVA
TCR 53Mvar
Filtro 5th 27Mvar
Filtro 7th 26Mvar
Opcion 1
Fund 3.47504
1 Mag %
2 0.01672 0.48
3 0.12985 3.74
4 0.01673 0.48
5 0.01117 0.32
6 0.01251 0.36
7 0.01131 0.33
8 0.00942 0.27
9 0.00854 0.25
10 0.00790 0.23
11 0.01181 0.34
12 0.00644 0.19
13 0.01062 0.31
THDi 2.90%
Fundición
35 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Figura 15: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opcion1.
Figura 16: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la operación del mismo y posterior corrección con el SVC.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
10.2. OPCIÓN 2 – TCR+FILTROS(3)
Con el fin de corregir el factor de potencia y así mejorar la calidad de la potencia en el sistema
descrito anteriormente, se pretende diseñar un sistema estático de reactivos de 62MVA
compuesto por un TCR y filtros armónicos, conectados al sistema en el punto de acople común
a 22kV tal y como se describe a continuación. Este caso corresponde a una mejora de la opción
1 dado que ante la utilización de un TCR y a pesar de la conexión en Delta del transformador se
observan corrientes que infringen la normatividad descrita en el estándar IEEE 519-1992 en el
tercer armónico, por esto se decide instalar un filtro en dicho armónico con el y se
redistribuyen los valores de potencia reactiva que aportan al sistema en la frecuencia
fundamental.
Figura 17: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC.
37 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Tabla 10: Descripción del SVC
Con la configuración anterior se obtiene la compensación de 55MVAr requerida a través de los
filtros sintonizados en los armónicos que según los límites establecidos por el stdIEEE519 están
siendo infringidos por la operación del arco, estos filtros compensan capacitivamente el sistema
en la frecuencia fundamental y filtran las corrientes armónicas en los armónicos 3º, 5º y 7º.
10.2.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP2
El sistema propuesto cumple con los objetivos trazados alrededor de la calidad de potencia en
el sistema de distribución, los filtros para objetivos de simulación han sido sintonizados en los
armónicos 3º, 5º y 7º, en las frecuencias exactas de 180Hz, 300Hz y 420Hz, aunque en la vida
real es usual sintonizar los filtros alrededor de 0.95% de la frecuencia del armónico que se
desea filtrar.
Tabla 11: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción2
SVC para EAF
TCR 55Mvar
Filtro 3th 15Mvar
Filtro 5th 20Mvar
Filtro 7th 20Mvar
Opcion 2
Fund 3.57444
1 Mag %
2 0.01425 0.40
3 0.03441 0.96
4 0.01677 0.47
5 0.01781 0.50
6 0.01060 0.30
7 0.00737 0.21
8 0.00786 0.22
9 0.00736 0.21
10 0.00616 0.17
11 0.01005 0.28
12 0.00596 0.17
13 0.00196 0.05
THDi 1.82%
Fundición
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Figura 18: Diagrama unifilar configuración de la opción2
Se presentan los resultados del espectro de frecuencia para 31 armónicos, donde se observa la
disminución en los armónicos que estaban pasando los límites establecidos, 2% de la magnitud
del armónico fundamental, y siendo esta última alrededor de 3.5kA, cualquier corriente
armónica que sobrepasara 0.07kA debía filtrarse.
39 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Figura 19: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA
Tabla 12: Magnitudes y THDi par el bus mpA en los amónicos del 2º al 13º.
Fundamental 1.878443 3.57444
Armonico Mag % Mag %
2 0.65198 34.71 0.04248 1.08
3 0.40351 21.48 0.03441 0.87
4 0.24120 12.84 0.01677 0.43
5 0.17025 9.06 0.01781 0.45
6 0.11065 5.89 0.01060 0.27
7 0.16648 8.86 0.00737 0.19
8 0.12711 6.77 0.00786 0.20
9 0.09828 5.23 0.00736 0.19
10 0.08158 4.34 0.00616 0.16
11 0.07940 4.23 0.01005 0.26
12 0.07328 3.90 0.00596 0.15
13 0.06483 3.45 0.00196 0.05
THDi 47.88% 1.82%
Ignición Fundición
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
a)
b)
Figura 20: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco en operación. a) Sin SVC en funcionamiento y b) Filtrada y con SVC en funcionamiento.
41 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Figura 21: Factor de potencia antes y durante la ignición del horno de arco y durante la operación del mismo y posterior corrección con el SVC.
Figura 22: Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del 15% en la potencia activa del horno.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
10.3. OPCION 3 – TSC+FILTROS
La opción 3 nace de la idea de hacer una compensación puramente capacitiva dada la
característica inductiva del horno de arco en operación, por ello se hace uso de un TSC de
25MVAr y dos filtros en el 5º y 7º armónico de 15MVAr cada uno, conectados a 22kV. Se
observa que dicha compensación cumple con la corrección del factor de potencia, aunque las
magnitudes de corriente en el tercer armónico son muy cercanas al valor que dicta la
normatividad.
Tabla 13: Descripción del SVC
SVC para EAF 22kV, 62MVA
TSC 25MVAr
Filtro 5th 15MVAr
Filtro 7th 15MVAr
Figura 23: Voltaje en p.u del generador, buses mpB y mpA antes y durante la operación del horno de arco, con mejoría cuando entra en funcionamiento el SVC.
43 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Por otro lado, al no contar con una compensación inductiva con un TCR como en los casos
anteriores, al estar el horno de arco fuera de operación el control del SVC tiene la posibilidad de
desconectar el TSC, mientras los filtros siguen proporcionando energía reactiva al bus mpA, lo
que indica que estos filtros bien podrían tener un control independiente o ser conmutados de
manera mecánica cuando su operación sea necesaria.
10.3.1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA COMPENSACION PROPUESTA OP3
El sistema propuesto cumple con los objetivos trazados alrededor de la corrección del factor de
potencia en el sistema de distribución, los filtros para objetivos de simulación han sido
sintonizados en los armónicos 5º y 7º, en las frecuencias exactas de 300Hz y 420Hz, aunque en
la vida real es usual sintonizar los filtros alrededor de 0.95% de la frecuencia del armónico que
se desea filtrar. Se observan aumentos de 15% en la potencia activa del horno al entrar en
funcionamiento el SVC, lo que se traduce en aumento de la producción.
Figura 24: Ondas de voltaje en los buses mpA y mpB antes y durante la operación del horno con y sin SVC
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Figura 25: Ondas de voltaje en los nodos mpA y mpB, EAF y SVC apagados.
Figura 26: Ondas de voltaje con arco en operación y SVC apagado
45 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Figura 27: Ondas de voltaje en mpA y mpB con horno de arco y SVC en operación.
Figura 28: Corrientes armónicas (magnitud y fase) en el bus mpA, para la Opción3.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Tabla 14: Magnitud de corriente en los 13 primeros armónicos y THDi para la opción3
Figura 29. Potencia activa y reactiva en el horno de arco y en mpB, se observan aumentos del 18% en la potencia activa del horno.
opcion 3
Fund 3.50329
1 Mag %
2 0.01600 0.46
3 0.06590 1.88
4 0.02504 0.71
5 0.02098 0.60
6 0.01578 0.45
7 0.01470 0.42
8 0.01175 0.34
9 0.01045 0.30
10 0.00964 0.28
11 0.01282 0.37
12 0.00761 0.22
13 0.00871 0.25
THDi 3.33%
Fundición
47 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
Figura 30: Factor de potencia de los buses mpA, mpB y generador con corrección en el instante 1.0s.
Figura 31: Voltajes p.u. en lo buses mpA, mpB y generador con leve mejoría al entrar el SVC en acción.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
10.4. COMPARACION DE LAS TRES OPCIONES
Las tres opciones constituyen soluciones del problema planteado, siendo la Opción 2 una
corrección de la primera basado en el cumplimiento del estándar IEEE 519-1922, basándose en
la magnitud de corriente del tercer armónico en la primera opción, la tercera opción es una
puramente capacitiva, que no se ajusta a las experiencias anteriores de casos satisfactorios en
los cuales se instalaron SVC para hornos de arco alrededor del mundo por parte de la empresa
ABB.
Como se indicó en el apartado de esa opción, los bancos de capacitores podrían ser operados
mecánicamente al entrar en funcionamiento el SVC lo que hace su control diferentes a la
opción 2, sin embargo es una solución del problema planteado, que podría resultar más
económica. A continuación se reúnen las mediciones de las magnitudes de corriente en el
espectro de frecuencia, y se observa que la opción 3 se encuentra muy cerca al límite permitido
de magnitud de corriente en el tercer armónico.
Tabla 15: Magnitud de corrientes armónicas para cada una de las opciones.
Opcion 1 Opcion 2 opcion 3
Fund 3.47504 3.57444 3.50329
1 Mag % Mag % Mag %
2 0.01672 0.48 0.01425 0.40 0.01600 0.46
3 0.12985 3.74 0.03441 0.96 0.06590 1.88
4 0.01673 0.48 0.01677 0.47 0.02504 0.71
5 0.01117 0.32 0.01781 0.50 0.02098 0.60
6 0.01251 0.36 0.01060 0.30 0.01578 0.45
7 0.01131 0.33 0.00737 0.21 0.01470 0.42
8 0.00942 0.27 0.00786 0.22 0.01175 0.34
9 0.00854 0.25 0.00736 0.21 0.01045 0.30
10 0.00790 0.23 0.00616 0.17 0.00964 0.28
11 0.01181 0.34 0.01005 0.28 0.01282 0.37
12 0.00644 0.19 0.00596 0.17 0.00761 0.22
13 0.01062 0.31 0.00196 0.05 0.00871 0.25
THDi 2.90% 1.82% 3.33%
FundiciónFundiciónFundición
49 SOLUCIÓN PROPUESTA PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA
9.4.1 ANÁLISIS ECONOMICO DE LAS OPCIONES
Para el análisis económico se tienen en cuenta los valores por MVAr en dólares
estadounidenses, y tres escenarios que varían dependiendo de la ubicación del proyecto, la
viabilidad técnica, detalles constructivos, tasas e impuestos de importación y formas de pago.
Con respecto a la ubicación puede variar el precio, es decir que un SVC en Alemania o Estados
Unidos debe ser mucho más económico que uno en Colombia, debido a que los fabricantes se
sitúan en dichos países lo que ahorraría en costos de importación, transporte y tasas. (Agrawal,
2009)
Tabla 16: Comparación de costos de instalación.
Optimista Probable Pesimista
$ 75,000 $ 100,000 $ 125,000
Optimista Probable Pesimista
$ 33,750 $ 45,000 $ 56,250
SVC para EAF Optimista Probable Pesimista
TCR 55 MVAr $ 4,125,000 $ 5,500,000 $ 6,875,000
Filtro 3th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750
Filtro 5th 20 MVAr $ 675,000 $ 900,000 $ 1,125,000
Filtro 7th 20 MVAr $ 675,000 $ 900,000 $ 1,125,000
TOTAL $ 5,981,250 $ 7,975,000 $ 9,968,750
SVC para EAF 22kV, 62MVA
TCR 53 MVAr $ 3,975,000 $ 5,300,000 $ 6,625,000
Filtro 5th 27 MVAr $ 911,250 $ 1,215,000 $ 1,518,750
Filtro 7th 26 MVAr $ 877,500 $ 1,170,000 $ 1,462,500
TOTAL $ 5,763,750 $ 7,685,000 $ 9,606,250
SVC para EAF 22kV, 62MVA
TSC 25 MVAr $ 1,875,000 $ 2,500,000 $ 3,125,000
Filtro 5th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750
Filtro 7th 15 MVAr $ 506,250 $ 675,000 $ 843,750
TOTAL $ 2,887,500 $ 3,850,000 $ 4,812,500
Nota: Los valores indicados estan en Dólar estadounidense (USD)
Costo por MVAr SVC
Costo por MVAr Filtros
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Se observa que la tercera opción es aproximadamente 50% más económica en todos los
escenarios, esto es debido a que la cantidad de MVAr instalados es menor en la misma
proporción, sin embargo podría declararse no comparable al constituir una solución diferente y
con especificaciones técnicas que no son similares a la Opción 2 que resultaría siendo la más
apropiada si se compara con experiencias anteriores.
11. CONCLUSIONES
El horno de Arco eléctrico constituye una carga variable de gran dimensión con la capacidad
de desestabilizar un sistema eléctrico de potencia causando daños en equipos y en la
calidad del servicio de energía presentado, por ello el diseño básico del SVC constituye un
primer paso importante para mitigar esos efectos como se logró comprobar mediante las
simulaciones llevadas a cabo en PSCAD para efectos de este trabajo.
Los dispositivos FACTS constituyen hoy en día una alternativa de gran importancia para la
seguridad y calidad en la prestación el servicio de energía, así como posibilitan su
controlabilidad de manera casi instantánea, dando la oportunidad de crecer en transmisión
de energía aprovechando la capacidad total del sistema sin necesidad de expandir
físicamente su estructura. Aunque constituyen una opción para grandes sistemas de
transmisión, en este caso se ha aplicado el estudio a la industria mostrando los resultados
esperados para mejorar la calidad de la potencia.
El estudio de diseño anterior se ha basado en mantener el factor de potencia en todos los
buses en valores cercanos a 1, y aunque en la mayoría de los casos estos valores no llegan a
tomar los valores que tiene el sistema sin el horno de arco en operación, se observan
mediciones alrededor de 0.95, logrando junto con esto mantener los voltajes dentro de los
límites de seguridad (0.96p.u-1.04p.u) en el sistema de distribución. En adición las mejoras
en el factor de potencia traen beneficios tanto para los usuarios de la energía como para los
operadores del horno de arco, al aumentar la potencia de sus hornos permitiendo ahorrar
en tiempos y costos, el incremento de la potencia es alrededor de 15% y 20% en
condiciones normales de operación del horno y el SVC.
51 AGRADECIMIENTOS
12. AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecer a cada una de las personas que han marcado mi trayectoria a través de
estos años, todos los profesores que más que enseñanzas de ingeniería en algún momento han
aportado algo para brindar mejores personas a la sociedad. A quienes con entusiasmo dictaron
cada una de las lecciones en la Universidad e hicieron que esto fuera posible.
13. REFERENCIAS
ABB FACTS. (2012). SVC to improve productivity and power quality in a steel plant fed by a
230kV grid. Västeras, Suecia: ABB AB FACTS.
Acosta, A. (2005). Metodos de control de las tecnologias FACTS (Flexible AC Transmission
Systems). Bogota, Colombia: Facultad de Ingenieria. Universidad de los Andes.
Agrawal, B. (1 de Febrero de 2009). Reactors, Capacitors, SVC, PSS. Long term transmission
Planning Seminar. Arizona: Arizona Public Service Co.
Castro, P. A. (2001). Compensacion en distribucion mediante compensadores estaticos de
potencia reactiva SVC. Bogota, Colombia: Facultad de Ingenieria. Universidad de los
Andes.
Ekstrom, A. (1990). High Power Electronics HVDC and SVC. Estocolmo, Suecia: The Rotal
Institute of Technology.
Grunbaum, R., Gustafson, T., Hasler, J.-P., & Persson, A. (2010). Improved SVC Performance for
flicker Mitigation of an Electric Arc Furnace. The iron & Steel Technology Conference and
exposition (págs. 296-304). St Louis, MO: AISTech.
Hingorani, N. (2007). FACTS Technology - State of the Art, Current Challenges and the future
Prospects. Power Engineering Society General Meeting (pp. 1,4). Tampa, FL: IEEE.
Hingorani, N., & Gyugyi, L. (2000). Understanding FACTS: Concepts and technology of Flexible AC
Systems. Piscataway, NJ: Wiley-IEEE Press.
DIMENSIONAMIENTO DE UN (SVC) PARA UNA CARGA HORNO DE ARCO UTILIZANDO PSCAD/EMTDC 2013
Jones, D. J. (1997). Understanding Electric Arc Furnace Operations. Pittsburg, Pennsylvania: EPRI
Center for Materials Production.
Kell, D. (2003). Electric Arc furnace modeling and validation. Winnipeg, Canada.: Manitoba
HVDC Research Center.
Kell, D. (12 de Febrero de 2013). PSCAD Knowledge Library. Obtenido de Manitoba-HVDC
Research Center: https://hvdc.ca/knowledge-library/reference-material
Postiglione, G., Ladoux, P., & Riedinger, D. (2005). Measurements and evaluations of electrical
disturbances on a steel plant using two arc furnaces. 18th International Conference on
Electricity Distribution. Turin, Italia: CIRED.
Rivera, J. P. (2008). Modelamiento y simulacion de dispositivos FACTS para estudios electricos de
estado estable. Medellin, Colombia: Facultad de Ingenieria. Universidad de Antioquia.
Sharmeela, C., Uma, G., Mohan, M., & Karthikeyan, K. (2004). Voltage Flicker Analysis and
Mitigation Case Study in AC Electric Arc Furnace Using PSCAD/ENTDC. International
conference on power System Technology - POWERCON 2004 (pp. 707-712). Singapore:
IEEE.
Svec, J., Tlusty, J., Muller, Z., & Santarius, P. (2012). Advanced Applications of FACTS in industrial
distribution systems in middle Europe. 2012 CIGRÉ Canada Conference. Montreal,
Canada: CIGRÉ.
Witte, J. F., Bishop, M. T., & Mendis, S. R. (1994). Investigations of voltage flicker in electric arc
furnace power systems. Industry applications society annual meeting (págs. 2317-2315
vol.3). Denver, CO: IEEE.
Yañez , M. A. (2012). Estudio de la influencia de la operacion de hornos de arco electrico en
estado estacionario y dinamico sobre el SNI, aplicado al caso Novacero S.A. Quito,
Ecuador.: Facultad de Ingenieria Electrica y Electronica. Escuela Politecnica Nacional.
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