Curso DIgSILENT Power Factory v.2016 Estabilidad en SISTEMAS DE POTENCIA MÓDULO 2 – Estabilidad en tensión
SANTIAGO, julio de 2016 David E. Perrone
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M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Temas / Objetivos Objetivos Describir los fenómenos involucrados Presentar las exigencias normativas Presentar las soluciones utilizadas para el control de la inestabilidad
Temas Conceptos → Definiciones para el estudio de la estabilidad en tensión Métodos de Análisis → Herramientas para el estudio Control de la Inestabilidad → Equipos y métodos de control existentes en los SEP: Funcionamiento y Operación 2
Conceptos generales de la estabilidad en tensión
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades Definiciones La estabilidad en tensión resulta la habilidad del sistema de potencia para mantener tensiones aceptables en todas las barras del sistema bajo condiciones operativas normales y luego de ser sometido a una perturbación. El sistema entra en un estado de inestabilidad en tensión cuando una perturbación, modificación en la demanda, o cambio en las condiciones del sistema causa un progresivo e incontrolable decaimiento de la tensión.
El principal factor que provoca la inestabilidad resulta la insuficiencia del sistema para satisfacer la demanda de potencia reactiva.
La inestabilidad de tensión es esencialmente un fenómeno local, sin embargo sus consecuencias pueden tener un impacto global sobre el sistema.
BLACKOUT
4
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades SISTEMA RADIAL PAPOSO
Sistema Real
TALTAL
DIEGO DE ALMAGRO
Representación
CARRERA PINTO CARDONES
GUACOLDA MAITENCILLO
PUNTA COLORADA
PAN DE AZÚCAR
LAS PALMAS LOS VILOS NOGALES
5
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades SISTEMA RADIAL 𝐼=
𝐸𝑆 (𝑍𝐿𝑁 cos 𝜃+𝑍𝐿𝐷 cos ∅)2 +(𝑍𝐿𝑁 sen 𝜃+𝑍𝐿𝐷 sen ∅)2
𝑉𝑅 = 𝑍𝐿𝐷 𝐼
𝑃𝑅 = 𝑉𝑅 𝐼 cos ∅ =
𝑍𝐿𝐷 𝐸𝑆 2 cos ∅ 𝐹 𝑍𝐿𝑁
;𝐹 =1+
𝑍𝐿𝐷 2 𝑍𝐿𝑁
+2
𝑍𝐿𝐷 𝑍𝐿𝑁
cos(𝜃 − ∅)
o Z constante → estable en un valor inferior de U Inviable
Valor crítico
Operación normal
Para una condición de carga superior al límite la estabilidad estará supeditada a su dependencia con la tensión:
o P constante → inestable
6
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades NORMA TÉCNICA DE SEGURIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO
Control de tensión Conjunto de acciones destinadas a mantener la tensión de operación dentro de los niveles admisibles.
Estado Normal - Alerta o 0,97 (0,95) y 1,03 (1,05) por unidad, para instalaciones del ST con Un ≥ 500 kV. o 0,95 (0,93) y 1,05 (1,07) por unidad, para instalaciones del ST con 200 kV ≤ Un < 500kV. o 0,93 (0,90) y 1,07 (1,10) por unidad, para instalaciones del ST con Un < 200 kV.
En Estado Normal, el control de las tensiones del SI dentro de la banda de regulación permitida deberá efectuarse manteniendo la potencia reactiva de las unidades generadoras dentro del Diagrama P-Q. En Estado de Alerta, la potencia reactiva aportada por cada unidad generadora sincrónica deberá poder alcanzar el 100% de la capacidad máxima definida en el diagrama P-Q de cada unidad, por un tiempo no superior a 30 minutos, siempre que la tensión en los terminales de la unidad esté comprendida en los rangos admisibles. 7
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades NORMA TÉCNICA DE SEGURIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO
EJEMPLO – PERFILES DE TENSIÓN (N-1 EMERGENCIA) 1,10
[p.u.]
1,06 EMERGENCY & ALERT U=1.05pu
NORMAL U=1.03pu 1,02 U = 1.00pu
0,98 NORMAL U=0.97pu
ALERT U=0.95
0,94
EMERGENCY U=0.93pu
NCARD_C1
600, T(3)
[km] T(2)
T(1)
T
480, CUMB_C1B(2)
T(8)
T(7)
360, T(6)
T(5)
T(4)
240, T(3)
T(2)
T(1)
120, T
0,00
SE LOS CHANG..
0,90
Voltage, Magnitude
P 8
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades CURVAS DE CAPACIDAD PQ
Curvas de Capacidad
Generador Sincrónico ↓ Bornes de la unidad
Parque Eólico (NTSyCS 01/2016) → Aerogenerador → Punto de conexión
Parque Fotovoltaico (NTSyCS 01/2016) → Inversor → Punto de conexión
9
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Generalidades RECUPERACIÓN DINÁMICA (NTSyCS)
Recuperación Dinámica Encontrándose en Estado Normal al ocurrir una Contingencia hasta severidad 7, la tensión no deberá descender transitoriamente por debajo de 0,70 por unidad luego de 50 [ms] de despejada la contingencia, en ninguna barra del ST. La tensión tampoco podrá permanecer por debajo de 0,80 por unidad, por un tiempo superior a 1 segundo. La magnitud de la tensión en todas las barras del SI deberá converger a su valor final, ingresando dentro de una banda de tolerancia de ±10% en torno al mismo, en un tiempo no superior a 20 segundos, medido desde el instante de ocurrencia de la contingencia.
0,8pu
1seg
0,7pu 50mseg
10
Métodos de análisis para la estabilidad en tensión
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV
Curvas PV Las curvas PV relacionan la potencia transportada hacia un nodo en función de la tensión del nodo.
VR
Se construyen mediante sucesivos flujos de potencia, incrementando levemente en cada uno de ellos la potencia activa de la demanda del nodo.
PR
Sin embargo, a medida que la tensión se acerca al valor crítico, normalmente el método de resolución numérica del flujo “NO CONVERGE”.
Para analizar la inestabilidad en tensión se requiere conocer:
VR
Límites de sobreexcitación de generadores Composición de la carga Cambiadores de taps de transformadores
PR 12
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV
Vr / Es
Zona ESTABLE Aumento de carga → Aumento PR
Tensión crítica
Zona INESTABLE
Pr / Prmax; Prmáx es la potencia máxima transportada para cosφ = 1
13
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV El valor mínimo (tensión crítica) de la curva PV resulta habitualmente de interés teórico o de estimación, pero no práctico para un Sistema de Potencia. Normalmente los criterios de desempeño estáticos operativos exigen tensiones mínimas que superan con holgura a la crítica. Este límite “teórico” resulta de gran interés para identificar o cuantificar el margen de seguridad operativa del SEP frente a contingencias tales como: → Incrementos abruptos de carga → Desconexión de líneas → Desconexión de generadores → Desconexión de compensación
14
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV
Influencia del Factor de Potencia Er/Es
Pr/Pmax
A medida que la compensación capacitiva crece, la tensión crítica (punto de colapso) se acerca a la tensión operativa 15
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV
Caso de Estudio
LAT 220kV 210,00 km
ET #1/J1 ET #1/J2
ET #2/J1 ET #2/J2
¿Las curvas dependen del punto donde se realice el incremento de carga?
CT4/J1
LAT 220kV 120,00 km
Características del sistema o Sistema Radial y Extenso o Grandes Consumos o Sin Aporte de Reactivo
LAT 220kV 120,00 km
XLPE 220 kV 10,00 km
Shunt/Fil..
G ~ G_PV
16
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS PV DIgS ILE NT
Se requiere una rutina Tensión ET #1 220kV en función de la potencia de la carga ➔ ROJO: Incremento de la carga en ET #1, la carga en ET #2 para su creación
1,20
(módulo opcional en v2016)
➔
1,10
es constante. VERDE: Incremento de las cargas manteniendo la relación de potencia entre ellas. Valor Valor máximo máximo de de Carga Carga #1 #1 Carga #2 = 104MW Carga #2 = 104MW
1,00
Y = 0,950 p.u.
Valor Valor máximo máximo de de Carga #1 “Y” Carga Carga #1 “Y” Carga #2 #2
0,90
Puntos a considerar en el análisis: Distancia al punto de colapso 70% operación normal 80% operación en N-1 Cumplimiento de estándares SyCS Pendiente de la curva 0,80
0,70 0,00
x-Axis:
30,00
60,00
90,00
120,00
150,00
U_P-Curve: Potencia de T ransferencia Lineas LAT 220kV in M W ET #1\J1: Voltage, M agnitude in p.u. ET #1\J1: Voltage, M agnitude in p.u.
17
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS QV Qi
Características de interés Las curvas QV indican cómo la variación de potencia reactiva afecta la tensión de un nodo.
VR
Se construyen mediante sucesivos flujos de potencia, incrementando/disminuyendo levemente en cada uno de ellos la potencia reactiva de la demanda del nodo. Permite detectar los puntos de operación que se encuentran cercanos a la inestabilidad por consumo de potencia reactiva. Para analizar la inestabilidad en tensión se requiere conocer:
Qi
→ límites de sobreexcitación de generadores → composición de la carga → cambiadores de taps de transformadores
VR 18
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS QV
Qi
Zona INESTABLE
Zona ESTABLE
VR dQ/dV = 0 19
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis CURVAS QV
Se requiere una rutina para su creación (módulo opcional en v2016)
Q@Un
LÍMITE Diferentes Condiciones
Umin
Un
Umax 20
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ
Niveles de sensibilidad Permite evaluar el punto de operación, calculando las variaciones en tensión que provoca un leve incremento de potencia activa o reactiva en la red. Pendiente de la curva PV (QV) en el punto de operación Se especifica en %/MW (%/MVAr) o pu/MW (pu/MVAr) Métodos de cálculo: 1. Manual 2. Power Factory (Load Flow Sensitivities) Resulta útil para evaluar la condición en la que permanece el sistema luego de producida una contingencia 21
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ
Método manual Variaciones de 1MW (0MVAr) en distintos consumos de la red, y análisis de las variaciones de tensión
ESTUDIOS DE SENSIBILIDAD
Tensiones
Carga 09 (ET #2) +1 MW
kV
pu
kV
pu
ΔV
kV
pu
ΔV
ET #1
219,20
0,996
218,90
0,995
0,14%
219,10
0,996
0,05%
ET #2
226,60
1,030
226,50
1,030
0,05%
226,50
1,030
0,05%
ET #3
224,60
1,021
224,60
1,021
0,00%
224,60
1,021
0,00%
MW
MVAr
MW
MVAr
ΔQ
MW
MVAr
ΔQ
ET #3 - 500/220kV
158,43
12,65
159,39
13,25
0,60
159,35
13,10
0,45
ET #3 - 132/220kV
30,64
-28,79
30,74
-28,81
-0,02
30,74
-28,82
-0,03
ET #3 - ET #2 220kV
99,00
-46,12
100,06
-45,52
0,60
100,02
-45,68
0,44
ET #2 - ET #1 220kV
74,13
-2,35
75,17
-1,49
0,86
74,13
-2,31
0,04
MW
MVAr
MW
MVAr
ΔQ
MW
MVAr
ΔQ
80,00
33,98
80,00
34,41
0,43
80,00
34,30
0,32
Equipos de CompensaciónMW
MVAr
MW
MVAr
ΔQ
MW
MVAr
ΔQ
SVS
-
13,72
-
13,66
-0,06
-
13,67
-0,05
MW
MVAr
MVAr
ΔQ
MVAr
ΔQ
-
-64,61
-62,57
2,04
-63,71
0,90
Transferencias
Punto más critico
Carga 14 (ET #1) +1 MW
Caso Base
Centrales Parque Eólico
Totales -
-
-
22
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ
Power Factory → Load Flow Sensitivities
Linealiza las ecuaciones del sistema sobre el punto de operación, y sobre la base de la matriz Jacobiana determina las relaciones dv/dP y dv/dQ.
Aplicación
Visualización de resultados 23
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ
X = 74,150 MW
X = 74,150 MW
0,008
1,10
DIgSILENT
1,20
DIgSILENT
Curvas de sensibilidad dv/dP Son muy útiles para analizar el punto de operación, la distancia al punto de colapso, y estimar límites de transmisión, sin embargo no resultan indicadores restrictivos (no existen parámetros normativos), y necesariamente deben ser complementados con análisis dinámicos 0,006
1,00
74.146 MW 0.990 p.u.
0,90
0,004
112.961 MW 0.900 p.u.
0,002
74.146 MW 0.001 p.u./MW
0,80
0.001 p.u./MW 135.832 MW 0.780 p.u.
0,70 0,00 x-Axis:
30,00 60,00 U_P-Curve: Potencia de Transferencia Lineas LAT 220kV in MW ET #1\J1: Voltage, Magnitude in p.u. ET #2\J2: Voltage, Magnitude in p.u.
90,00
120,00
0.000 p.u./MW 0,000
150,00
-0,002 0,00 x-Axis:
30,00 60,00 U_P-Curve: Potencia de Transferencia Lineas LAT 220kV in MW ET #1\J1: dv/dP Sensitivity in p.u./MW ET #2\J2: dv/dP Sensitivity in p.u./MW
90,00
120,00
Son muy útiles para analizar el punto de operación, la distancia al punto de colapso, y estimar límites de transmisión, sin embargo no resultan indicadores restrictivos (no existen parámetros normativos), y necesariamente deben ser complementados con análisis dinámicos
150,00
24
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 Abrir: Ejercicio M21.pfd LAT 220kV . LAT 220 kV
1. Curvas PV Graficar la curva PV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE.
ET NIOBE.. ET NIOBE..
3. Sensibilidad Calcular y comparar la sensibilidad dv/dP para los escenarios de demanda alta y baja en barras de NIOBE 220kV
LAT 220kV .
Curvas PQ Graficar la curva QV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE.
ET ORACU..
LAT 220kV .
2.
ET ORACU.. Static Generator QV
Shunt/Fil..
SG ~ Gen. Gene..
General L..
25
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 1. Curvas PV
DIgSILENT
Graficar la curva PV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE. 1,10
a. Ejecutar la DPL “PV Curves” en el escenario de Demanda Alta. 1,00
b. Guardar los “Results” dentro de la carpeta “Storage”. Nombrarlos “Dda_Alta”. c. Ejecutar nuevamente la DPL con el escenario de Demanda Baja activo. d. Graficar ambas curvas en un mismo gráfico.
Demanda Baja 0,90
Demanda Alta 0,80
0,70
0,60 0,00 x-Axis:
20,00 PV Curves: Total Load of selected loads in MW ET NIOBE\J1 ET NIOBE\J1: Voltage, Magnitude in p.u.
40,00
60,00
80,00
100,00
26
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 2. Curvas QV
DIgSILENT
Graficar la curva QV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE. 150,00
a. Poner en Servicio el Static Generator b. Ejecutar la DPL “QV Curves” en el escenario de Demanda Alta. c. Guardar el archivo “.ElmRes” resultantes dentro de la carpeta “Fold” dentro de la carpeta “Storage”. Nombrarlos “Dda_Alta”. d. Ejecutar nuevamente la DPL con el escenario de Demanda Baja activo. (Recordar prender Static Generator). e. Graficar ambas curvas en un mismo gráfico.
100,00
Demanda Alta 50,00
Demanda Baja 0,00
-50,00
-100,00 0,40 x-Axis:
0,60 Static Generator QV: Voltage in p.u. Static Generator QV: 0 MW Static Generator QV: 0 MW
0,80
1,00
1,20
1,40
27
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis EJERCICIO M2.1
3. Sensibilidad Calcular y comparar la sensibilidad dv/dP para los escenarios de demanda alta y baja en barras de NIOBE 220kV. a. Utilizar la herramienta “Load Flow Sensitivities” y seleccionar la barra deseada b. Seleccionar variable dV/dP para mostrar en Flexible Data c. Comparar los resultados entre los escenarios de demanda alta y baja
Sensibilidad
Demanda Alta
Demanda Baja
dV/dP
0,00177926
0,00110202
28
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SIMULACIONES DINÁMICAS El análisis de estabilidad transitoria del sistema consiste en evaluar la evolución temporal de variables claves durante los primeros 20 a 30 segundos, luego de que el sistema es sometido a una gran perturbación (falla de diseño).
29
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis SIMULACIONES DINÁMICAS
EJEMPLO – RESULTADOS TENSIONES POST-CONTINGENCIA Evento: Pérdida de generación Tensión de Partida (N)
Tensión de Post-Cont (N-1)
Back-Swing
A B C
Muchas veces interrelacionado con la estabilidad angular
Aumento Reserva Q 30
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de análisis RESUMEN
Análisis
Pequeña Señal • Variaciones normales de demanda • Cambio taps • Cambios de setpoint en reguladores
Largo Plazo
• • • •
Corto Plazo
Modelos dinámicos de Corto Plazo (AVR, modelo de la demanda, etc)
Gran Señal • Cortocircuitos en el Sistema • Pérdida de Generación • Pérdida de Demanda
Curvas PV • Curvas PV (escenario postCurvas PQ falla) Sensibilidad • Modelos dinámicos de largo Modelos dinámicos de largo Plazo Plazo (cambiadores de taps, (cambiadores de taps, limitadores de limitadores de excitación, excitación, controles VAR, etc) controles VAR, etc) • Modelos dinámicos de Corto Plazo (AVR, modelo de la demanda, etc)
31
Control de la estabilidad en tensión
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control GENERALIDADES
Controles de tensión en los SEP Sistemas de Excitación
Equipos estáticos Capacitores Shunt
Control sobre los generadores
Dispositivos FACTS
Esquemas Especiales
Dependencia de la demanda con la tensión
Esquemas Automáticos de Desconexión de Carga por Subtensión
Compensador Estático de Reactivos (CER)
Reactores Shunt
Capacitores Serie
Modelo de la demanda
STATCOM
33
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN
Los AVR resultan los elementos de control de tensión más importantes en los sistemas de potencia.
Control Elemental
34
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN
En general los sistemas de excitación cuentan con las siguientes funciones de limitación: → OEL: Limita la corriente de campo a valores seguros para la máquina → UEL: Limita el ángulo δ – mantiene la estabilidad
→ V/Hz: Limita el flujo magnético dentro de la máquina
Ejemplo OEL La salida VOEL modifica la referencia de tensión del AVR.
35
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN
Curvas de capacidad
¿Por qué resultan importantes los controles OEL y UEL? 36
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN
Modelo Matemático
37
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN DIgSILENT
Representación en Digsilent – AC1A avr_EXAC1A: IEEE Modified Type AC1 Excitation System
vuel
0
avr_EXAC1A: IEEE Modified Type AC1 Excitation System
voel
Vbias
Vs
1
Vrmax
avrref 1/(1+sT) Tr
Vc-
-
(1+sTb)/(1+sTa) Tb,Tc
{K/(1+sT)} Ka,Ta 1
Vr
voel {1/sT Te
yi2
-
Vrmin
upss
Ve
uerrs
0
0.0
Vbias
K Ke
vf
K Kd
Fex
Vs
4
u
Vfe
3
vuel
0
usetp
2
usetp
Se
5
Se(Efd) E1,Se1,E2,Se2,0
avrref
2
curex
3
u
1/(1+sT) Tr
0
Fex Kc 1
Vc-
-
(1+sTb)/(1+sTa) Tb,Tc
sK/(1+sT) Kf,Tf
4
upss 1
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M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN
El Artículo 3-11 de la NTSyCS especifica las exigencias mínimas que deben cumplir las unidades sincrónicas vinculadas al SI
DIgSILENT
Parámetros de desempeño 1,08
1.888 s 1.065 p.u.
1,06
Y = 1,058 p.u. Y = 1,053 p.u.
Y = 1,048 p.u. Y = 1,045 p.u. 1,04
3.200 s 1.047 p.u.
1.504 s 1.045 p.u.
1,02
Cumplimiento de NTSyCS: Y = 1,005 p.u.
1.140 s 1,00
0,98 0,000
2,000 G1: Terminal Voltage in p.u.
4,000
6,000
• Sobrevalor < 15% • Tiempo de Crecimiento < 400ms (entre 10% y 90%) • Tiempo de establecimiento < 1,5s (±5%) 8,000
[s]
10,00
39
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control CCEE Los Capacitores Shunt suministran potencia reactiva e incrementan las tensiones locales corrigiendo el factor de potencia de puntos específicos.
Ventajas Bajo costo Flexibilidad de instalación y operación.
Desventajas ↘ La potencia reactiva de salida es proporcional al cuadrado de la tensión ↘ La regulación de los sistemas con fuerte compensación shunt tiende a ser deficiente ↘ En ciertos casos la compensación shunt por si sola no resulta suficiente para evitar problemas de inestabilidad ↘ Tiempos de maniobra 40
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control REACTORES (LÍNEA / BARRA) Los Reactores Shunt se utilizan generalmente para evitar sobretensiones por efecto de líneas en vacío o con baja condición de carga. Los mismos pueden ser de conexión permanente o maniobrables
Sistema Débil
Reactores de Barra (maniobrables)
Sistema Fuerte
Reactor de línea (no maniobrable) 41
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control CCSS
Los Capacitores serie se conectan en serie con las líneas de transmisión para compensar el efecto reactivo de las mismas. Aumenta la capacidad de transmisión Reduce las pérdidas en la línea
42
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control CCSS
43
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control CCSS
Estabilidad y Capacidad de Transmisión
44
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control CCSS
45
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA Los Compensadores Estáticos de Reactivo (CER) son dispositivos shunt estáticos que vinculados al sistema permiten la absorción/entrega de potencia reactiva para el control de variables eléctricas. Red
Tipos (o combinaciones de tipos) → Reactor Saturable (SR) → Reactor controlado por tiristores (TSR) → Todos los CER en Chile → Capacitor controlado por tiristores (TSC) → Transformador controlado por tiristores (TCT) → Capacitor maniobrable mecánicamente (MSC) → Los CCEE de los CER antiguos del Norte y de Puerto Montt → El CCEE del SVC Plus de DdA
Mechanically Thyristor Switched Controlled Reactor Reactor (TCR) (MSR)
Thyristor Switched Capacitor (TSR)
Harmonic Filter
Mechanically Switched Capacitor (MSC)
Existen numerosas combinaciones de CER, las cuales contemplan dispositivos controlables y capacitores fijos muchas veces utilizados como filtros armónicos. 46
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC
Característica del CER Ic
V
Max L Min L
V
V
+
Ks
IL
Ks
Is
Ic
Característica del SISTEMA
A
A – Sistema Débil B – Sistema Fuerte
V
B ~ Cap.
Ind. I
47
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC
Característica del CER Sistema Operación Normal Cambio Topológico (i.e. pérdida de línea)
V
Pto. Operación Normal sin CER Pto. Operación Normal con CER Pto. Operación Postcontingencia sin CER Pto. Operación Postcontingencia con CER Analizar casos con distintas características del sistema y CER • Sistema Fuerte; Ks → 0° • Sistema Débil; Ks → 90°
Cap.
Ind.
Is 48
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC
Modelo DIgSILENT – CER POLPAICO CCEE fijo, sin posibilidad de maniobra TCR
CER +110/-69MVAr
49
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC
DIgSILENT
Modelo DIgSILENT – CER POLPAICO
typ_Control: Control CER
Bl
Const Bcap
0
-
Tabla array_gate
(1/(1+sT)) Ttir
gatea
usetp Bmax
1
-
u
K/s G
Bmin
K Kp
Bref
Control ESTÁTICO y DINÁMICO sobre 220kV 50
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM
Los Compensadores Estáticos (STATCOM) son dispositivos de regulación de la tensión basados en una fuente de tensión controlada mediante electrónica de potencia.
Características Buen desempeño ante condiciones de baja tensión Respuesta dinámica rápida. Colaboración en fenómenos de inestabilidad transitoria Rango de operación amplio Limitación (bloqueo) ante condiciones de muy baja tensión en la red
51
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM vs. SVC
Comparación STATCOM – SVC convencional Característica de operación
52
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM
Modelo DIgSILENT – SVC + DdA SIC (Diego de Almagro)
SVCPlus Plus, consiste , consistede dedos dosmódulos módulosde de ElElSVC ±50MVAr MVAryyun unbanco bancode decondensadores condensadores ±50 (MSC)de de533,5μF 533,5μFen enelelnivel nivelde de13,9kV, 13,9kV, (MSC) totalizandouna unacapacidad capacidadde de totalizando inyección/absorciónde de+140 +140MVAr/MVAr/inyección/absorción 100MVAr, MVAr,disponible disponiblede demanera maneracontinua continua 100 entodo todoelelrango rangode decontrol. control. en
Trafo_SVC
HV_Bus
1
Reactor 2
Reactor Current must not exceed 2078 Amps
Reactor 1
LV_Bus Reactor Current must not exceed 2078 Amps
MSC SVC1_internal
SVC Unit 1
SVC2_internal
SVC Unit 2
53
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM
Modelo DIgSILENT – SVC + DdA SIC (Diego de Almagro)
SVCPlus Plus, consiste , consistede dedos dosmódulos módulosde de ElElSVC ±50MVAr MVAryyun unbanco bancode decondensadores condensadores ±50 (MSC)de de533,5μF 533,5μFen enelelnivel nivelde de13,9kV, 13,9kV, (MSC) totalizandouna unacapacidad capacidadde de totalizando inyección/absorciónde de+140 +140MVAr/MVAr/inyección/absorción 100MVAr, MVAr,disponible disponiblede demanera maneracontinua continua 100 entodo todoelelrango rangode decontrol. control. en
INOM = 2,07kA
Trafo_SVC
HV_Bus
1
Reactor 2
Reactor Current must not exceed 2078 Amps
Reactor 1
LV_Bus Reactor Current must not exceed 2078 Amps
MSC SVC1_internal
SVC Unit 1
SVC2_internal
SVC Unit 2
El banco de condensadores no cumple la función de filtro, lo que permite maniobrarlo en función de los requerimientos del sistema, para un adecuado control de tensión. 54
Métodos de control
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
0,00 70,66 2,08 1,00
VSC 1 Diego de Almagro
19,63 1,412
1,18 -140,00 0,37 1,40
16,23 1,168
1,000
1
0,00 -46,61 1,66 1,17
-0,00 163,49 5,82 1,40
EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM
19,63 1,412
Máxima inyección de potencia reactiva Capacidad disponible SVC Plus (+140MVAr)
0,00 70,66 2,08 1,00
VSC 2 Diego de Almagro
→ La tensión en el nodo de
Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]
control (Diego de Almagro 220kV) es 1pu, para ambos Diego de Almagro casos
Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]
8,84 0,636 1
0,00 0,00 0,00 0,00
19,63 1,412
220kV resultan de +140/100MVAr. SVC Plus
0,00 70,66 2,08 1,00
Máxima absorción →Las Laspotencias potenciasde reactivas,registradas en el → reactivas, VSC 2 Diego de Almagro potencia reactiva registradas en el lado lado(-100MVAr) de 220kV resultan dede +140/-100MVAr. SVC Plus
VSC 2 Diego de Almagro
8,84 0,636
19,63 1,412
1
0,00 -46,61 1,66 1,17
-0,000,00 -88,01 70,66 4,152,08 1,001,00
VSC 1 Diego de Almagro
0,00 -31,81 2,08 1,00
es 1pu (70,66MVAr en un caso, y -31,81MVAr en otro) -0,00 163,49 5,82 1,40
VSC 1 Diego de Almagro
0,00 -31,81 2,08 1,00
→ La corriente en cada módulo 16,23 1,168
1,18 -140,00 0,37 1,40
0,60 100,00 0,26 1,00
12,23 0,880
go de Almagro
220,00 1,000
Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]
Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]
Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]
Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]
55
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM
Operación → Se espera que en condiciones normales de operación, estos equipos se encuentren controlando tensión con un reducido intercambio de potencia reactiva (medido sobre el transformador), siendo su objetivo principal colaborar con el control transitorio de la tensión, brindando un soporte rápido de potencia reactiva.
→ En estos equipos, los convertidores están equipados con una protección de
!
sub-tensión (i.e. 0,3pu), lo que provoca su bloqueo ante fallas. El desbloqueo se produce cuando la tensión supera un umbral determinado (i.e. 0,5pu)
→ Para el control de barras de alta tensión, el droop es un parámetro altamente necesario.
56
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22 Abrir: Ejercicio M22.pfd
G3 ~ G
A
0
Linea_AB
Analizar en control de tensión para problemáticas ocurridas en la red
1
B
B_G2
E
2
1) Efecto de los controles de los generadores
Linea_EF_1
Load_E1
Cap_E
Load_F1 Load_F2
Cap_F
Linea_EF_2
Load_E2
Linea_AC
~ G
G2
3
TR_G2
Linea_BC
3
3) Comportamiento de bancos de CCEE
TR_G4
CER BT
Linea_CD_2
D
0
0
SVS
CER
1
Cap CER
~ G
3
TR_G1
G1
3
C
B_G1
4) Comportamiento de CER
Trf_CER
F
TR_C2
2) Efecto del ajuste de controles
Linea_CD_1
Evaluar
0
TR_G3
TR_A1
Problemática
TR_A2
B_G3
B_G4 G ~
G4
57
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 1: Generadores de la red SIN Controles Simular - EVENTO • Falla trifásica franca al 10% de la línea de 220kV vinculante de las SS/EE A y C; extremo A • Despeje en 120mseg por apertura de línea • Tiempo de simulación: 10 segundos Variables a Monitorear - RESULTADOS • Definir variables para la simulación • Generar gráficas
Proponer Recursos Estabilizantes - ANÁLISIS • • • •
¿Despacho de Generadores? ¿CCEE F/S? ¿Adición de nuevo equipamiento? ¿Reajuste de Parámetros? 58
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
1,082
DIgSILENT
Problemática: La falla y pérdida del vínculo genera el decaimiento de las tensiones 2,119
Y =
1,07 p.u.
Y =
0,93 p.u.
0,878 1,939
0,674
1,758
0,469
0,265
Tensiones en BARRA ↓ Inestables
1,578
Tensiones de Campo Generadores ↓ FIJAS
1,397 0,060 0,000
1,998
3,997
5,995
A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.
7,993
[s]
9,992
1,217 0,000
1,998
G1: G2: G3: G4:
Excitation Excitation Excitation Excitation
3,997
Voltage Voltage Voltage Voltage
5,995
in in in in
p.u. p.u. p.u. p.u.
7,993
[s]
9,992
59
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 2: Generadores de la red CON Controles
Simular
1,200
DIgSILENT
• Repetir falla de Parte 1 • Observar Resultados 12,14
1.87 s 1.30 s
0,972
Y =
1,07 p.u.
Y =
0,93 p.u.
9,704
0,744
7,267
0,516
Tensiones en BARRA ↓ Estables
4,830
Tensiones de Campo Generadores ↓ VARIABLES (control)
0,288
2,393 0,060 0,627
¿Sistema Estable?
1,655
2,683
3,711
A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.
4,739
[s]
5,768
-0,045 0,627
1,655
G1: G2: G3: G4:
Excitation Excitation Excitation Excitation
2,683
Voltage Voltage Voltage Voltage
3,711
in in in in
p.u. p.u. p.u. p.u.
4,739
[s]
5,768
60
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 2: Generadores de la red CON Controles
Simular
1,319
DIgSILENT
• Apertura Intempestiva transformador TR_C2 • Observar Resultados Tensiones de Campo Generadores ↓ VARIABLES (control) 12,70
1,120
9,216
Y =
1,07 p.u.
Y =
0,93 p.u.
0,920
5,731
0,720
Tensiones en BARRA ↓ Inestables
0,520
0,320 0,000
¿Problemática? ¿Soluciones?
1,998
3,997
5,995
A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.
7,993
[s]
2,246
-1,238
9,992
-4,723 0,000
1,998
G1: G2: G3: G4:
Excitation Excitation Excitation Excitation
3,997
Voltage Voltage Voltage Voltage
5,995
in in in in
p.u. p.u. p.u. p.u.
7,993
[s]
9,992
61
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 2: Generadores de la red CON Controles
Evaluar
DIgSILENT
• Tiempo de respuesta de los controles 1,08
1,06
Y = 1,053 p.u.
Y = 1,048 p.u.
1.402 s
1,04
Sobrevalor Tiempo de Respuesta Tiempo de Crecimiento
1,02
Y = 1,005 p.u.
0.089 s
1,00
0,98 0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
[s]
5,00
G1: Positive-Sequence-Voltage, Magnitude in p.u.
62
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 3: Reajuste de controles
Simular DIgSILENT
• Resimular ajustando la ganancia del regulador (GRV1) a 10 veces su valor • Comparar resultados 1,08
0.253 s 1.054 p.u. 1,06
Y = 1,053 p.u.
0.186 s 0.385 s
0.142 s
Y = 1,048 p.u.
1.402 s
1,04
Sobrevalor Tiempo de Respuesta Tiempo de Crecimiento
1,02
0.089 s 0.012 s
Y = 1,005 p.u.
1,00
0,98 0,00
1,00 G1: Ajuste Original G1: Reajuste
2,00
3,00
4,00
[s]
5,00
63
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 3: Reajuste de controles
Simular
1,319
DIgSILENT
• Apertura Intempestiva transformador TR_C2 • Observar Resultados 12,70
1,120 9,216
Y =
1,07 p.u.
Y =
0,93 p.u.
0,920
5,731
0,720
Tensiones Estable Valor Final
0,520
2,246
-1,238 0,320 0,000
¿Problemática? ¿Soluciones?
2,000
4,000
6,000
A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.
8,000
[s]
10,00
-4,723 0,000
2,000
G1: G2: G3: G4:
Excitation Excitation Excitation Excitation
4,000
Voltage Voltage Voltage Voltage
6,000
in in in in
p.u. p.u. p.u. p.u.
8,000
[s]
10,00
64
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 4: Banco de CCEE
Simular
1,319
DIgSILENT
• Capacitor Cap_F en Servicio • Apertura Intempestiva transformador TR_C2 12,70
1,156 9,216
Y =
1,07 p.u.
Y =
0,93 p.u.
0,992
5,731
0,828
Tensiones Estable Valor Final
0,664
0,500 0,000
¿Problemática?
2,000
4,000
6,000
A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.
8,000
[s]
2,246
-1,238
10,00
-4,723 0,000
2,000
G1: G2: G3: G4:
Excitation Excitation Excitation Excitation
4,000
Voltage Voltage Voltage Voltage
6,000
in in in in
p.u. p.u. p.u. p.u.
8,000
[s]
10,00
65
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
Parte 4: Banco de CCEE 160,0
CCEE NOMINAL 150MVAr 148,9
137,8
127.41 MVAr
126,8
CCEE Rendimiento menor por baja tensión
115,7
104,6 0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
[s]
10,00
[s]
10,00
Cap_F: Total Reactive Power in p.u. (base: -1,00 Mvar) 0,990
0,959
0.92 p.u. 0,928
0,897
0,866
¿Problemática?
0,836 0,000
2,000
F: Voltage, Magnitude in p.u.
4,000
6,000
8,000
66
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
DIgSILENT
Parte 5: Compensador estático de reactivo 160,0
CCEE NOMINAL 150MVAr 148,9
137,8
9.52 s 146.63 p.u. 126,8
CER Comportamiento similar al CCEE (dependencia con la tensión)
115,7
104,6 0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
[s]
10,00
Trf_CER: Total Reactive Power/HV- Side in p.u. (base: -1,00 Mvar) 0,986
0,960
9.76 s 0.93 p.u. 0,934
0,908
0,881
¿Ventajas del CER respecto a los CCEE?
0,855 0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
[s]
10,00
F: Voltage, Magnitude in p.u.
67
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Métodos de control EJERCICIO M22
DIgSILENT
Parte 6: Statcom 160,1
STATCOM NOMINAL 150MVAr 147,6
135,1
STATCOM El aporte de reactivo no depende de la tensión de la barra
122,6
110,1
97,60 0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
[s]
10,00
6,000
8,000
[s]
10,00
Trf_STATCOM: Total Reactive Power/HV-Side in p.u. (base: - 1,00 Mvar) 0,975
0,953
0,931
0,910
¿Ventajas? ¿Utilización?
0,888
0,866 0,000
2,000
4,000
F: Voltage, Magnitude in p.u.
68
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Comportamiento de la carga - Representación
→ Comprende un conjunto de ecuaciones algebraicas y diferenciales que evidencian la dependencia de consumo de potencia activa y reactiva con respecto a las magnitudes de tensión y frecuencia.
→ Por lo general, las características de la demanda resulta de difícil estimación Las componentes de potencia activa y reactiva en cada instante son funciones de los valores de tensión y frecuencia de la barra en el pasado y en ese instante
u [kV] ; f [hz]
P [MW] Q [MVAr]
Expresa una característica de la carga en cada instante de tiempo como una función algebraica de las magnitudes de tensión y frecuencia en ese instante
Modelo Dinámico
Modelo Estático
debido a la variabilidad de tipos de carga.
69
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Comportamiento de la carga - Ejemplos reales
EJEMPLOS: DEPENDENCIA DE LA POTENCIA CON LA TENSIÓN
XVI ERIAC (2015) - CAMMESA “COLAPSOS RÁPIDOS DE TENSIÓN EN SISTEMAS CON ALTA PROPORCIÓN DE AIRES ACONDICIONADOS”
REGISTROS OBTENIDOS EN YACIMIENTO PETROLERO – SALIDAS A BOMBAS
70
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Representación de la carga - Modelos típicos
Modelo ZIP Expresa la dependencia estática de la carga respecto a la tensión y la frecuencia. El nombre deriva de los tres términos que conforman la potencia activa y la reactiva.
P Q
2 P 0 p1 V pu 2 Q 0 q1 V pu
p 2 V pu p 3 1 K pf q 2 V pu q 3 1 K qf
p1, p2 y p3 definen la participación de cada término en P q1, q2 y q3 definen la participación de cada término en Q Kpf y Kqf representan la dependencia con la frecuencia
f f
Exponente
Magnitud constante
0
Potencia
1
Corriente
2
Impedancia 71
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Representación de la carga - Modelo Power Factory
Modelo Estático
Modelo Dinámico
72
M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN
Esquemas especiales - Desconexión por sobre/sub tensión
→ Para casos especiales se utilizan esquemas automáticos para el control de la inestabilidad → Dado que algunos fenómenos de inestabilidad en tensión ocurren en tiempos mínimos, resulta incapaz la solución mediante la respuesta humana.
→ Por este motivo se diseñan Esquemas de Desconexión Automática de Carga (EDAC) ajustados en valores de tensión y tiempo de actuación determinados mediante estudios.
EDAC:
u
urel_subT Utrig_BT,t_BT
outBT
0
fa ultt tswitch
o ut
1
urel_SobreT Utrig_ST,t_ST
outST
73
FIN DEL MÓDULO 2
Gracias