Simulación y Diseño de un compensador serie (SSSC) para el laboratorio UNIGRID

Abstract

El presente proyecto aborda la necesidad del laboratorio UNIGRID de la Universidad del Norte de ampliar su portafolio de dispositivos FACTS, actualmente limitado a equipos de compensación en derivación, careciendo de un compensador serie que permita estudiar el control directo del flujo de potencia mediante la modificación de la impedancia aparente de una línea de transmisión. Para suplir esta carencia, se planteó el diseño integral de un Compensador Síncrono Estático Serie (SSSC), abordando sus aspectos de hardware, software eléctrico y control, con el fin de dejar al laboratorio una base técnica rigurosa y validada que facilite una futura implementación física. El alcance comprendió cuatro frentes: la definición de las especificaciones funcionales del dispositivo para operación en baja tensión; el diseño de la topología eléctrica basada en tres convertidores H-Bridge monofásicos con modulación SPWM unipolar, acoplamiento serie mediante transformadores y un esquema de control PI en el marco rotacional dq0; la elaboración de la documentación técnica constructiva, incluyendo modelo 3D en Fusion 360, PCBs en KiCad y planos en AutoCAD Electrical; y la validación del sistema mediante simulación en MATLAB/Simulink sobre una red simplificada de generador, dos líneas paralelas y carga. La metodología combinó revisión bibliográfica, selección de alternativas mediante cuadros de decisión cuantitativos, modelado y simulación detallada, y validación estadística inferencial mediante pruebas de hipótesis. Como resultados esperados se planteó obtener un diseño completo y reproducible que demuestre el correcto seguimiento de consigna en modos capacitivo e inductivo, una regulación efectiva del flujo de potencia entre líneas paralelas y un desempeño dinámico cuantitativamente validado, conformando un paquete documental transferible para futuros desarrollos del laboratorio en dispositivos FACTS.

This project addresses the need of the UNIGRID laboratory at Universidad del Norte to expand its portfolio of FACTS devices, currently limited to shunt compensation equipment, lacking a series compensator that would allow the study of direct power flow control through the modification of a transmission line's apparent impedance. To meet this need, an integral design of a Static Synchronous Series Compensator (SSSC) was proposed, addressing its hardware, electrical software, and control aspects, with the aim of providing the laboratory with a rigorous and validated technical foundation that facilitates a future physical implementation. The scope comprised four fronts: the definition of the device's functional specifications for low-voltage operation; the design of the electrical topology based on three single-phase H-Bridge converters with unipolar SPWM modulation, series coupling through transformers, and a PI control scheme in the dq0 rotational reference frame; the elaboration of the technical and constructive documentation, including a 3D model in Fusion 360, PCBs in KiCad, and schematics in AutoCAD Electrical; and the validation of the system through simulation in MATLAB/Simulink over a simplified network composed of a generator, two parallel lines, and a load. The methodology combined bibliographic review, selection of alternatives through quantitative decision matrices, detailed modeling and simulation, and inferential statistical validation by means of hypothesis testing. The expected results were to obtain a complete and reproducible design that demonstrates accurate setpoint tracking in both capacitive and inductive modes, effective regulation of power flow between parallel lines, and a quantitatively validated dynamic performance, constituting a transferable documentary package for future developments at the laboratory in the field of FACTS devices.