Estructuración de una Base de Datos del S.N.I. Ecuatoriano en DIgSILENT PowerFactory para Análisis de Estabilidad con Modelos Validados de sus Unidades de Generación
Ullauri Marlon, Arcos Hugo, Cepeda Jaime Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador
[email protected] [email protected] [email protected]
Resumen- En este trabajo se presenta una metodología para el desarrollo de modelos de sistemas de control de unidades de generación, así como una metodología para la realización de pruebas de estos controles, sobre un sistema aislado. Las pruebas de gabinete sobre los modelos estructurados, permiten analizar la congruencia de los resultados y validar sus parámetros. Estas metodologías se aplican para la modelación y prueba de los controles de las unidades de generación del Sistema Nacional Interconectado Ecuatoriano (S.N.I.). Para el modelamiento, se hace uso de la herramienta DSL (Lenguaje de Simulación de DIgSILENT) del programa computacional DIgSILENT PowerFactory. Una vez desarrollados y probados los modelos, se procede a incorporarlos a una base de datos, sobre esta nueva base de datos se realizan diversas pruebas funcionales en las que se analiza el desempeño, tanto en forma individual como en forma conjunta de los modelos de los sistemas de control. Al finalizar satisfactoriamente las pruebas, se llega a obtener una base de datos configurada para realizar estudios de estabilidad, la cual permite mejorar la emulación de transitorios electromecánicos en el sistema. I.
II.
SISTEMAS DE CONTROL DE UNIDADES DE GENERACIÓN
A. Sistema de Excitación [1], [2] La función básica de un sistema de excitación, es proveer de corriente continua al devanado de campo de la máquina sincrónica. Mediante el control de la corriente de excitación de los generadores de un sistema de potencia, es posible mantener un comportamiento satisfactorio en lo que respecta a la regulación de los perfiles de voltaje en las barras que constituyen dicho sistema. En la Fig. 1, se presenta un diagrama de bloques funcional para un sistema de control de excitación típico, para grandes generadores sincrónicos. Las principales componentes son:
INTRODUCCIÓN
La modelación de los sistemas de control vinculados a las unidades de generación es cada vez más rigurosa, pues las nuevas tecnologías, regulaciones y condiciones del mercado requieren que la modelación de estos sistemas de control sea más minuciosa, con lo cual se puede cumplir con criterios de calidad demandados en la prestación del servicio eléctrico.
Fig. 1 Configuración típica de un Sistema de Excitación [1]
Excitatriz: Proporciona la potencia DC al devanado de campo de la máquina sincrónica, constituyendo la etapa de potencia del sistema de excitación.
Regulador: Procesa y amplifica las señales de entrada de control, a un nivel y forma apropiada para controlar la excitatriz. Este incluye tanto las funciones de regulación, como de estabilización del sistema de excitación.
Transductor de Voltaje Terminal y Compensador de Carga: Sensa el voltaje terminal del generador, rectifica y filtra esta señal a una cantidad DC, y la compara con una referencia la cual representa el voltaje terminal deseado. Además, podría disponer de compensación de carga, si se desease mantener constante el voltaje en algún punto remoto desde el terminal del generador.
Transductor de Voltaje Terminal y Compensador de Carga: Sensa el voltaje terminal del generador, rectifica y filtra esta señal a una cantidad DC, y la compara con una referencia la cual representa el voltaje terminal deseado. Además, podría disponer de compensación de carga, si se desease mantener constante el voltaje en algún punto remoto desde el terminal del generador.
Estabilizador de Sistemas de Potencia (PSS): Proporciona una señal de entrada adicional al regulador, para amortiguar las oscilaciones del sistema de potencia.
Circuitos Limitadores y de Protección: Estos incluyen un amplio arreglo de funciones de control y protecciones, las cuales aseguran que los límites de capacidad de la excitatriz del generador sincrónico no sean excedidos. Algunas de las funciones comúnmente usadas son: el limitador de corriente de campo, limitadores de voltaje terminal, limitación y regulación V/Hz, limitador de subexcitación, etc. Estos son circuitos normalmente independientes, y sus señales de salida podrían ser aplicadas al sistema de excitación en diferentes lugares de la cadena de control, como una entrada en el punto de suma o en una entrada en una compuerta.
El sistema de control de velocidad de una turbina permite regular la frecuencia del sistema, y la potencia eléctrica entregada por el generador. En la Fig. 2, se presenta la relación funcional entre los elementos básicos asociados con la generación de potencia y sus controles. Los principales bloques funcionales son:
Fig. 2 Diagrama de bloques funcional de un sistema de generación de potencia y sus sistemas de control [1]
Fuente Primaria de Energía: Generalmente vinculada a un fluido, cuyas condiciones o características facultan el funcionamiento de una máquina primo motriz. La energía puede ser hidráulica, térmica o eólica, y el fluido será correspondientemente agua, vapor o gas, y aire, respectivamente.
Regulador de Velocidad: Es el mecanismo que amplifica y procesa la diferencia (señal de error) entre una medición y su valor de referencia. La salida del regulador determina la consigna de la potencia a ser producida por la unidad.
Sistema de Válvulas de Control: Esta etapa procesa y/o amplifica la señal de control proveniente del regulador de velocidad, convirtiéndola en desplazamientos mecánicos para modificar la admisión de la energía primaria que mueve a la turbina.
Sistema de Aducción y Turbina: Representa los elementos en donde se canaliza y convierte la energía de la fuente primaria, en energía mecánica de rotación en el eje del generador.
B. Primo Motrices y Sistemas de Abastecimiento de Energía [1], [2]
C. Estabilizador de Sistemas de Potencia [1]
Las principales fuentes aprovechadas para la generación de energía eléctrica son: la energía cinética del agua, la energía térmica derivada de combustibles fósiles y la fisión nuclear. Las máquinas primo motrices convierten dichas formas de energía en energía mecánica, la que a su vez es convertida en energía eléctrica por los generadores sincrónicos.
La función básica de un Estabilizador de Sistemas de Potencia (PSS) es agregar amortiguamiento a las oscilaciones del rotor, y esto se logra controlando la excitatriz con señales estabilizantes adicionales. Para proveer amortiguamiento, el PSS debe introducir una componente de torque eléctrico en fase con la variación de velocidad del rotor. Algunas señales de entrada
comúnmente usadas son: el desvío de la velocidad del rotor, la potencia acelerante, la potencia eléctrica y la variación de la frecuencia. En la Fig. 3, se muestra la representación de un PSS simple, el cual consiste de los siguientes tres bloques:
el rango de interés. Además tiene la función de atenuar las componentes torsionales en unidades de generación de tipo térmicas.
Bloque Limitador: Este bloque limita la señal a la salida del PSS en un rango determinado. III.
LENGUAJE DE SIMULACIÓN DE DIGSILENT (DSL) [4], [5]
DSL son las siglas de DIgSILENT Simulation Language (Lenguaje de Simulación de DIgSILENT). Este lenguaje permite al usuario acceder a la modelación de sistemas, y a la interacción de los mismos con el módulo de análisis dinámico. Fig. 3 Estabilizador de Sistemas de Potencia básico [1]
Ganancia del Estabilizador : Este bloque determina la cantidad de amortiguamiento introducido por el PSS, este parámetro debe ser ajustado a un valor, tal que, aporte el máximo amortiguamiento.
Bloque “Filtro Washout”: Este bloque sirve como un filtro pasa alto, con una constante de tiempo suficientemente alta, para permitir que señales asociadas con oscilaciones en pasen sin cambio. Permite además que el PSS responda sólo a cambios oscilatorios en la velocidad, así como tiene la función de filtrar componentes continuas y no periódicas.
Bloque de Compensación de Fase: Este bloque provee las características apropiadas de adelanto de fase, para compensar el atraso de fase entre la entrada de la excitatriz y el torque eléctrico del generador (rango de interés 0.1 Hz a 2.0 Hz). Se puede utilizar más de un bloque compensador.
El lenguaje de simulación DSL se utiliza principalmente para programar sistemas de control, y otros componentes usados en sistemas eléctricos de potencia. Como cualquier lenguaje de programación, emplea una sintaxis especial para la formulación de estos modelos. A. Elementos Básicos 1) Composite Model (Modelo Compuesto) Un Composite Model es una estructura que se usa para administrar los modelos asociados a una máquina o a un sistema de control, en éste se selecciona todos los modelos y elementos que se desee relacionar. Un ejemplo común en el uso de un Composite Model, es el empleado para describir los elementos asociados a una máquina sincrónica.
Como se puede apreciar en la Fig. 3, la señal de salida del PSS ( ) se suma a la señal de error de voltaje en terminales, y el resultado constituye una señal de entrada a la excitatriz. En otros modelos de PSS, se cuenta con otros bloques adicionales, como por ejemplo para el modelo PSS1A del estándar IEEE Std 421.5-2005 [3], se incluyen otros bloques que se detallan a continuación:
Bloque de Retardo: Este bloque representa el retardo en la medición de la entrada (transductor).
Filtros Pasa Bajos de Alta Frecuencia (Superior a 3 Hz): Este bloque se incluye para asegurar un adecuado funcionamiento del PSS en
Fig. 4 Interfaz Composite Model de la U1 de la Central Paute Molino Fase AB
En la Fig. 4, se muestra el Composite Model que utiliza DIgSILENT PowerFactory para relacionar una unidad generadora con sus respectivos controles. En esta figura se observa el despliegue de todos los elementos asociados a la máquina sincrónica, así como los elementos constitutivos que componen el sistema de control en particular.
2) Composite Frame (Marco Compuesto) Un Composite Frame o simplemente Frame, es una plantilla o estructura de conexionado, en el cual se definen las interfaces o vías de comunicación, de las distintas señales entre los slots que van a definirse dentro de un Composite Model.
Frame_Paute_AB:
Fig. 6 Common Model del PSS para una unidad de la Central Paute Molino Fase AB
DIgSILENT
En la Fig. 5, se muestra un ejemplo de Frame que emplea DIgSILENT PowerFactory para unidades sincrónicas, se presenta como caso particular el Frame para una unidad de la Central Hidroeléctrica Paute Molino Fase AB. En éste se pueden observar las señales que se interconectan entre los modelos que componen el Frame.
En la Fig. 7 se muestra un ejemplo de un diagrama de bloques que utiliza DIgSILENT PowerFactory, como caso específico un integrador.
If d Vt ii ir ui ur
0 1
0
2 3
1
Ef d
0
VCO
2
4 ElmVco*
3
5
Vs PSS ElmPss*
4
Generator ElmSy m* 6
pt
5 6
1
7 8 9
0 1 2
PCU ElmPcu*
Fig. 7 Bloque Integrador
3
cosn sgnn w pgt
Fig. 5 Composite Frame de una unidad de generación de la Central Paute Fase AB
3) Common Model (Modelo General) Un Common Model es un objeto que proporciona una interface de comunicación entre el usuario y el modelo de control, esta interface es realizada mediante el seteo de un conjunto de parámetros, los cuales sirven para ajustar el modelo. En la Fig. 6 se muestra un ejemplo de Common Model. Los parámetros seteados en este modelo, corresponden al Estabilizador de Sistemas de Potencia (PSS) de una unidad de Paute Molino Fase AB. 4) Composite Block Diagram (Diagrama de Bloques) Un Diagrama de Bloques es una representación gráfica de una función matemática, que produce una o más señales de salida como función de una o más señales de entrada. Un Diagrama de Bloques también puede tener límites (valores mínimos y máximos) como señales de entrada.
IV.
METODOLOGÍA PARA MODELAMIENTO EN DSL [5]
Para un correcto modelamiento de dispositivos de control en DSL, se recomienda seguir los siguientes pasos: A. Recolección de la Información Existen varias posibilidades para obtener la información de un modelo, una de ellas es el modelo que entrega el fabricante del equipo. Otra fuente son los grupos de investigación, entre los que se destaca la IEEE, en especial en el campo de los dispositivos de regulación. B. Modelamiento El punto de partida para realizar el modelo, es la información recolectada (ecuaciones diferenciales o funciones de transferencia). Para el caso de la modelación en DSL, se parte siempre de los diagramas de bloques (o ecuaciones de transferencia en términos de Laplace), que es la forma más común de encontrar información de los sistemas de control. Existen dos formas de desarrollo de modelos con el programa DIgSILENT PowerFactory:
Desarrollo a través del código del lenguaje de simulación DSL (sin necesidad de tener gráficos de soporte).
Recolectar la información del modelo: diagrama de bloques y valores de los parámetros de ajuste.
Definir la ubicación del nuevo modelo.
Desarrollo gráfico, empleando bloques predefinidos en el programa: uso de librerías de bloques y macros.
Generar una nueva hoja Block/Frame Diagram.
Dibujar los bloques y los operadores.
Construir y/o asignar las macros a los bloques.
Hacer la conexión de todas las señales.
Calcular matemáticamente iniciales del modelo.
Setear las condiciones iniciales del modelo en el bloque principal.
Hacer la comprobación del modelo.
Generar el objeto Commom Model (Modelo General).
C. Proceso de Codificación
D. Proceso de Pruebas y Documentación
Una vez culminado de efectuar todos los pasos antes expuestos, para cada sistema de control de la máquina sincrónica, se procede como siguiente punto a la creación de un Composite Frame (Marco Compuesto), el cual es un objeto que vincula y asocia los modelos de los sistemas de control con la máquina sincrónica. VCO Daule Peripa: (Type ST1)
Este proceso consiste en realizar una verificación del funcionamiento del modelo desarrollado, buscando:
Vs
0
Vref
1
Comprobar la adecuada conectividad (flujos de señales), interfaz o comunicación entre los elementos del sistema y los modelos desarrollados.
x1
x2
Vt
2
-
Vc 1/(1+sT) Tr
dV
Va_max
x3
yi
y i1
y i2
(1+sTb)/(1+sTa) Tc,Tb
-
T RANSDUCT OR
Ef d
K/(1+sT)_ Ka,Ta
EST ABILIZADOR
Limits
Va_min
REGULADOR
LÍM IT ES
x4
Vbias
3
Vf sK/(1+sT) Kf ,Tf
Verificar el adecuado funcionamiento del dispositivo modelado (velocidad de respuesta, forma de onda, no linealidades, etc.). Generar documentación que permita dar soporte a los posteriores usuarios para el uso adecuado del modelo.
condiciones
DIgSILENT
El proceso de codificación busca que el usuario ingrese la información necesaria para que el modelo sea identificado completamente. Este proceso supone ejecutar rutinas de verificación de sintaxis, verificación de condiciones iniciales, entre otras; las cuales complementan el acople del modelo dentro del módulo de estabilidad.
las
DIgSILENT
La diferencia básica entre los dos, es que en el segundo caso no se tiene contacto directo con el lenguaje de simulación DSL, puesto que las ecuaciones y el lenguaje están inmersos en los bloques predefinidos en la librería del programa.
EST ABILIZADOR
PSS Daule Peripa:
Fig. 8 Diagrama de bloques del Sistema de Control de Voltaje de la U1 de Daule Peripa wref 0
1
w
-
x1 dw
o1 K KF
yi
-
GANANCIA dw
x2
x3
y i1 sT/(1+sT) Tw
WASHOUT
y i2 K K
WASHOUT
y i4 (1+sTb)/(1+sTa) T1,T2
GANANCIA PSS
Lim_max
x4
y i3
sT/(1+sT) Tw2
y i5 (1+sTb)/(1+sTa) T3,T4
BLOQUES ADELANT O-AT RASO
Vs Limits
Lim_min
o2
LÍM IT ES
PROCESO DE MODELAMIENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL COMPLETO PARA UNA UNIDAD DE GENERACIÓN EN DSL
pgt
2
K KP
Pe PCU Daule Peripa: GANANCIA VOITH
Fig. 9 Diagrama de bloques del Estabilizador de Sistemas de Potencia de la U1 de Daule Peripa
[6] Para modelar un sistema de control completo para cualquier unidad de generación convencional, en el programa computacional DIgSILENT PowerFactory, la primera acción a realizar es la modelación de cada sistema de control en forma individual. Para este efecto, los pasos a seguir se resumen de la siguiente manera:
DIgSILENT
V.
T RANSDUCTOR DE LA POSICIÓN DE LA COM PUERTA o2 K Kg wref
0
CONTROL DE LA VÁLVULA Y SERVOM OT OR DE LA COM PUERTA
x1 1
w
x2, x3 wt
1/(1+sT) To
RET ARDO EN M EDICIÓN
2
-
dw
o1 (A0+sA1+ssA2)/(B0+sB1+ssB2)_mod T1v ,Td,bp,bt,Tv
BLOQUE PIDP
-
x4 yi
x5 y i1
K/(1+sT) Kag,Ty m
ACT UADOR DE LA VENT ANA DE LA COMPUERT A
x6
x7 y i3
y i2 1/sT Ty g
1/(1+sT) Ty g2
pt (1-sT)/(1+sT/2) Tw
T URBINA HIDRÁULICA
wbias
Fig. 10 Diagrama de bloques del Sistema de Control de Velocidad de la U1 de Daule Peripa
DIgSILENT
Frame Daule Peripa:
pgt
C. Pruebas a realizar a los Sistemas de Control de Voltaje (VCO) y de Velocidad (PCU)
Vt
0
Vs
PSS ElmPss*
0 1
0
Ef d
VCO ElmVco*
0
1) Prueba de Operación en Estado Estable
1
Generator ElmSy m*
1
1 2
pt
w
Fig. 11 Composite Frame para la U1 de Daule Peripa
En las Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10 y Fig. 11, se presentan los modelos desarrollados en DSL, que corresponden al Sistema de Control de Voltaje, Estabilizador de Sistemas de Potencia, Sistema de Control de Velocidad, y el Composite Frame, respectivamente. Estos modelos corresponden a los sistemas de control de la U1 de la Central Hidroeléctrica Daule Peripa. Este procedimiento es aplicado para el modelamiento de los sistemas de control de todas las unidades de generación dentro del S.N.I. Ecuatoriano.
METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE PRUEBAS A LOS MODELOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA DESARROLLADOS EN DSL [7]
VI.
Antes de realizar cualquier tipo de prueba a los sistemas de control de velocidad, y de voltaje de una unidad de generación, es prioritaria la realización de la prueba de operación en estado estable, esto con la intención de comprobar el desempeño de los modelos, y analizar su estabilidad numérica. La prueba de operación en estado estable consiste en emular la respuesta de los modelos de control, sin la ocurrencia de ningún tipo de evento en el sistema. Los resultados de efectuar esta prueba a los sistemas de control de la U1 de Daule Peripa se muestran en la Fig. 13. 1.1602
1.000E+0
1.1602
1.000E+0 10.970 s 1.160
1.000E+0
1.000E+0
11.460 s 1.000
1.1602
1.000E+0
1.000E+0
1.1602
1.000E+0
1.000E+0
1.1602
1.000E+0
1.000E+0
1.1602 -0.1000
1.000E+0 -0.1000
59.920
119.94
179.96
239.98
[s] 300.00
59.920
CM VCO Daule Peripa: Efd
119.94
179.96
239.98 [s] 300.00
1.000E+0 -0.1000
10.560 s 1.000
59.920
CM VCO Daule Peripa: Vt
1.000E+0
1.000E+0
1.000E+0
179.96
239.98
[s] 300.00
239.98
[s] 300.00
8.015E-1
1.000E+0
9.620 s 1.000
119.94
CM VCO Daule Peripa: Vref
1.000E+0
1.000E+0
DIgSILENT
PCU ElmPcu*
8.015E-1
11.820 s 1.000
8.015E-1
1.000E+0
1.000E+0
8.015E-1
1.000E+0
1.000E+0
8.015E-1
1.000E+0 -0.1000
1.000E+0 -0.1000
9.870 s 0.802
A. Sistema de Pruebas La realización de pruebas en un sistema aislado tiene como finalidad verificar el correcto desempeño de los sistemas de control, ante diferentes transitorios electromecánicos en los que se reflejen cambios tanto en la carga de la red aislada, como en las variables de referencia de los controles.
La red de prueba, en la cual se realiza los ensayos a los modelos de los sistemas de control se muestra en la Fig. 12. Esta red está compuesta por dos barras interconectadas mediante un cable, un generador y una carga. Además, opera en forma aislada, es decir, no tiene la influencia de una red externa o de otro sistema eléctrico de potencia. Cable 52.3
56.88 MW 0.03 Mvar 52.30 %
B1/Barra_Gen
13.80 kV 1.00 p.u. 0.00 deg
-56.88 MW 0.00 Mvar 52.30 %
B2/Barra_Load 56.88 MW 0.03 Mvar 72.00 %
13.80 kV 1.00 p.u. -0.03 deg
56.88 MW -0.00 Mvar
G ~ Daule Peripa 72.0
119.94
179.96
239.98
[s] 300.00
CM PCU Daule Peripa: wref
59.920
119.94
179.96
239.98 [s] 300.00
8.015E-1 -0.1000
CM PCU Daule Peripa: w
HIDRONACIÓN - DAULE PERIPA
59.920
119.94
179.96
CM PCU Daule Peripa: pt
DESARROLLO Y PRUEBAS REGULADORES MÁQUINA SINCRÓNICA
Estable
MARLON ULLAURI
Date: Annex: 1 /1
Fig. 13 Prueba de operación en estado estable - U1 Central Daule Peripa
2) Escalón del +/-5% en el Voltaje de Referencia Esta prueba consiste en variar súbitamente el voltaje de referencia del modelo del VCO, ya sea en más o menos el 5% de su valor inicial. En la respuesta de este modelo, se comprueba que el voltaje terminal de la máquina tienda al nuevo valor de referencia, y que su respuesta sea amortiguada dentro de los tiempos normales para cada tipo de unidad de generación. DIgSILENT
B. Caso de Prueba
59.920
General Load
Fig. 12 Red de prueba para la U1 de la Central Daule Peripa
Al realizar esta prueba al sistema de control de voltaje de la U1 de Daule Peripa, se obtienen las gráficas presentadas en la Fig. 14. 3) Escalón del +/-5% en la Velocidad de Referencia Esta prueba consiste en variar súbitamente la velocidad de referencia del modelo del PCU, ya sea en más o menos 5% de su valor inicial. En la respuesta de este modelo, se verifica que la velocidad de la máquina, y
1.30
1.022
1.20
1.017
5.912 s 1.019 p.u.
5.000 s 1.160 p.u. 1.10
1.012
170.132 s 0.970 p.u.
DIgSILENT
1.00
1.725
1.08 1.012 s 1.671 p.u.
DIgSILENT
por ende de la red, tienda al nuevo valor de referencia, y que su respuesta sea amortiguada dentro de los tiempos normales para cada tipo de unidad de generación.
1.007
5.000 s 1.000 p.u. 194.562 s 1.002 p.u.
0.90
1.002 8.462 s 0.882 p.u.
1.600
1.06
2.942 s 1.051 p.u.
0.80 -0.1000
22.262 s 0.999 p.u.
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.997 -0.1000
79.920
Daule Peripa: Excitation Voltage in p.u.
1.475
1.04
43.192 s 1.049 p.u.
1.00
239.96
319.98
[s]
400.00
[s]
400.00
1.12 5.692 s 0.824 p.u.
1.350
159.94
Daule Peripa: Terminal Voltage in p.u.
14.412 s 1.100 p.u.
5.000 s 0.802 p.u.
1.02 0.50
1.09
111.922 s 1.221 p.u. 1.225
1.00
1.100 -0.1000
0.00
1.000 s 1.000 p.u.
1.000 s 1.160 p.u. 79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.98 -0.1000
Daule Peripa: Excitation Voltage in p.u.
1.06
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
-0.50
1.03
Daule Peripa: Terminal Voltage in p.u.
0.97
233.832 s 1.032 p.u.
243.192 s 0.000 p.u.
79.920
21.832 s -0.533 p.u.
1.003 1.000 s 1.000 p.u.
-1.00
30.852 s 0.986 p.u.
1.00
26.612 s 1.002 p.u.
17.512 s 0.938 p.u. 0.93
1.000
0.89
0.997
5.000 s 1.000 p.u. -1.50 -0.1000
228.282 s 0.997 p.u.
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.97 -0.1000
79.920
Daule Peripa: Turbine Power in p.u.
HIDRONACIÓN - DAULE PERIPA
0.85
159.94
239.96
319.98
Daule Peripa: Speed in p.u.
DESARROLLO Y PRUEBAS REGULADORES MÁQUINA SINCRÓNICA
Rechazo Carga
MARLON ULLAURI
Date: Annex: 1 /4
0.994 313.872 s 0.883 p.u. 1.000 s 0.802 p.u.
0.81
0.991
2.242 s 0.800 p.u. 0.77 -0.1000
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.988 -0.1000
Daule Peripa: Turbine Power in p.u.
Fig. 16 Prueba de rechazo de carga - U1 Central Daule Peripa 10.442 s 0.989 p.u.
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
5) Cambio de Carga del +/-10%
Daule Peripa: Speed in p.u.
DESARROLLO Y PRUEBAS REGULADORES MÁQUINA SINCRÓNICA HIDRONACIÓN - DAULE PERIPA
ustep+5%
MARLON ULLAURI
Date: Annex: 1 /2
Fig. 14 Prueba de escalón de +5% del voltaje de referencia del VCO - U1 Central Daule Peripa
1.195
DIgSILENT
Al realizar esta prueba al sistema de control de velocidad de la U1 de Daule Peripa, se obtienen las gráficas presentadas en la Fig. 15. 1.003 7.862 s 1.002 p.u.
1.352 s 1.172 p.u. 1.170
1.002 1.000 s 1.000 p.u.
1.000 s 1.160 p.u.
1.145
236.272 s 1.000 p.u.
1.001
238.862 s 1.115 p.u.
Las gráficas obtenidas luego de ejecutar esta prueba al sistema dado para la U1 de Daule Peripa, se muestran en la Fig. 17.
1.000
1.095
1.2125
0.999 12.932 s 1.076 p.u.
1.070 -0.1000
79.920
1.302 s 0.999 p.u.
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.998 -0.1000
Daule Peripa: Excitation Voltage in p.u.
1.30
1.001 5.762 s 1.204 p.u.
1.000 s 1.000 p.u.
1.2000 79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
DIgSILENT
1.120
Esta prueba consiste en tener la máquina conectada al sistema de prueba en estado estable, y realizar súbitamente un incremento, o un decremento del 10% de la carga. La modelación de la carga puede ser de cualquier tipo, pero por facilidad se usa una carga resistiva pura.
400.00
142.792 s 1.000 p.u.
1.000
263.372 s 1.194 p.u.
Daule Peripa: Terminal Voltage in p.u.
1.1875
1.09
8.972 s 1.198 p.u.
0.999
18.072 s 1.082 p.u.
1.10
1.1750
1.07
0.998
224.682 s 1.050 p.u. 262.042 s 0.802 p.u.
0.90
1.942 s 0.997 p.u. 1.1625
1.05
0.70
1.1500 -0.1000
1.03
1.000 s 1.160 p.u.
0.997
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.996 -0.1000
Daule Peripa: Excitation Voltage in p.u.
79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
319.98
[s]
400.00
Daule Peripa: Terminal Voltage in p.u.
1.000 s 0.802 p.u. 0.50
1.01
79.920
0.97
1.004 1.000 s 1.000 p.u.
1.182 s 0.417 p.u. 0.30 -0.1000
1.000 s 1.000 p.u.
1.742 s 0.999 p.u. 159.94
239.96
319.98
[s]
400.00
0.99 -0.1000
Daule Peripa: Turbine Power in p.u.
0.93 79.920
159.94
239.96
319.98
[s]
17.672 s 0.935 p.u.
1.001
26.562 s 1.001 p.u.
400.00
Daule Peripa: Speed in p.u.
DESARROLLO Y PRUEBAS REGULADORES MÁQUINA SINCRÓNICA HIDRONACIÓN - DAULE PERIPA
MARLON ULLAURI
wstep+5%
Date:
245.212 s 0.881 p.u. 0.89
235.042 s 0.997 p.u.
0.998
Annex: 1 /3
0.85
Fig. 15 Prueba de escalón de +5% de la velocidad de referencia del PCU - U1 Central Daule Peripa
0.81
0.995
1.000 s 0.802 p.u.
0.992 10.522 s 0.990 p.u.
1.722 s 0.799 p.u. 0.77 -0.1000
79.920
159.94
239.96
319.98
Daule Peripa: Turbine Power in p.u.
4) Rechazo de Carga del 100% Esta prueba consiste en tener la máquina conectada al sistema de prueba en estado estable, y realizar súbitamente la apertura del interruptor de la carga. En esta prueba se verifica el desempeño de variables como: el voltaje de excitación, el voltaje terminal, la potencia mecánica, y la velocidad. Además, se busca que los tiempos de estabilización de las variables sean apropiados. Al efectuar esta prueba al sistema dado para la U1 de Daule Peripa, se obtienen las gráficas mostradas en la Fig. 16.
[s]
400.00
0.989 -0.1000
79.920
159.94
239.96
Daule Peripa: Speed in p.u.
DESARROLLO Y PRUEBAS REGULADORES MÁQUINA SINCRÓNICA HIDRONACIÓN - DAULE PERIPA
MARLON ULLAURI
Cambio de Carga
Date: Annex: 1 /5
Fig. 17 Prueba de escalón de +10% en carga resistiva - U1 Central Daule Peripa
Esta metodología expuesta, es aplicada para probar todos los modelos DSL de los sistemas de control de las unidades de generación convencionales dentro del S.N.I. Ecuatoriano. VII.
PRUEBAS A LOS MODELOS DE CONTROL DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DEL S.N.I. EN FORMA INDIVIDUAL EN UNA BASE DE DATOS ESTRUCTURADA
Los sistemas de control de una unidad de generación determinada, que hayan pasado en forma satisfactoria las pruebas para un sistema aislado, están aptos para pasar al siguiente nivel, el cual consiste en realizar un ensayo de los mismos, dentro de una base de datos estructurada. En caso de tener una unidad de generación que cuente con un Estabilizador de Sistemas de Potencia (PSS), este se lo debe deshabilitar, ya que todos los PSS dentro del S.N.I., se encuentran desintonizados. La prueba a ser aplicada para los sistemas de control de cada unidad de generación dentro del S.N.I. Ecuatoriano, consiste en simular un evento de cortocircuito trifásico y un evento de switcheo. El cortocircuito trifásico se define al 50% de una línea de transmisión, la cual debe estar lo más cercana al generador a probar, y la apertura de la línea de transmisión es luego de 100 ms de haber ocurrido la falla. Para poder equiparar las respuestas obtenidas de la acción de los sistemas de control de cada unidad de generación, se generaliza los tiempos de simulación. El evento de cortocircuito se emula para un tiempo de 0.5 s, y el evento de apertura de la línea a un tiempo de 0.6 s. A. Equivalente Estático para el Sistema Colombiano Para verificar el comportamiento de las respuestas de los controles en forma aislada como país, así como evitar posibles errores que puedan darse por parte del Sistema Colombiano, se hace uso de un equivalente estático para la Red Colombiana. Para el modelamiento de este equivalente estático en DIgSILENT PowerFactory se hace uso del elemento red externa. En la Tabla I y Tabla II, se presenta los valores obtenidos para el seteo en la red externa para las tres demandas. TABLA I VALORES DE FLUJO DE POTENCIA A SETEAR EN LA RED EXTERNA
TABLA II VALORES DE CORTOCIRCUITO A SETEAR EN LA RED EXTERNA
B. Consideraciones a ser tomadas para la Incorporación de Modelos de Control de una Unidad de Generación en la Base de Datos Estructurada Al momento de incorporar los sistemas de control de una unidad de generación determinada, y realizarle la prueba menciona con anterioridad, se puede dar el caso de que los modelos presenten respuestas inestables para el sistema de potencia, incluso si estos modelos presentan una respuesta adecuada en las pruebas para un sistema aislado. Generalmente el que ocasiona los problemas de inestabilidad en el sistema, es uno de los sistemas de control, pudiendo ser el sistema de control de voltaje o el sistema de control de velocidad. Por esta razón, como primer punto se debe identificar el sistema de control que está inyectando inestabilidad al sistema, para esto se efectúa la prueba de comprobación de los modelos en la base de datos estructurada para dos casos, el primero habilitando únicamente el sistema de control de voltaje, y el segundo sólo habilitando el sistema de control de velocidad. Una vez que se tenga reconocido el modelo que está ocasionando problemas, como siguiente paso se realizar una nueva revisión del modelo de control. En este punto se inicia comparando el diagrama de bloques que se dispone de la información recolectada con el modelo final armado en DSL; los errores comunes que se pueden encontrar examinando este punto pueden ser: realimentación positiva en vez de realimentación negativa, realimentación en un punto de suma diferente al dado en la información, uso de macros distintas a las mostradas en el diagrama de bloques dado en la información, etc. Luego, el siguiente paso a desarrollar es calcular nuevamente las condiciones iniciales del modelo y compararlas con las seteadas en el modelo. Y finalmente, es necesario efectuar una revisión de los parámetros seteados en el Common Model del modelo, ya que puede suscitarse que los parámetros estén seteados con valores inadecuados, como puede ser el caso de: ganancias, constantes de tiempo, entre otras. En la Fig. 18 se muestra las respuestas de voltaje y frecuencia obtenidas luego de realizar la prueba a los sistemas de control de las unidades de la Central Hidroeléctrica Paute C. La falla simulada es en la línea de transmisión Molino-Zhoray 2_1 de 230 kV. Las formas de onda de color azul representan las respuestas sin ningún sistema de control en el sistema, mientras que las formas de onda de color rojo representan las respuestas únicamente habilitando los sistemas de control de las unidades de Paute C. Los sistemas de control a habilitar
DIgSILENT
dependen de las unidades de generación que se encuentren despachadas. 1.35 0.500 s 1.087 p.u.
33.142 s 1.086 p.u.
1.10 32.982 s 1.085 p.u. 0.85
0.60
0.35
0.10 -0.1000
39.918
79.937
119.96
159.97
[s]
199.99
Molino_230\B4: Voltage, Magnitude in p.u. - sin sistemas de control Molino_230\B4: Voltage, Magnitude in p.u. - con sistemas de control
60.525
60.400
60.275
Las simulaciones se efectúan para dos casos: el primero deshabilitando todos los sistemas de control de las unidades de generación del S.N.I. (graficas de color azul), y el segundo habilitando los mismos, dependiendo del despacho (gráficas de color rojo). Cabe mencionar que al realizar las simulaciones, todos los Estabilizadores de Sistemas de Potencia (PSS) se encuentran deshabilitados. En la Fig. 19 se muestra las respuestas de voltaje y frecuencia obtenidas en la barra de Molino 230 kV, luego de simular la prueba de cortocircuito en la línea MolinoPascuales 2_1.
60.025
X = 27.000 s
1.20 0.500 s 1.086 p.u. 20.402 s 1.085 p.u.
92.132 s 60.009 Hz
0.500 s 60.000 Hz 59.900 -0.1000
1.10
39.918
79.937
DIgSILENT
111.712 s 60.069 Hz
60.150
119.96
159.97
[s]
1.084 p.u.
199.99
Molino_230\B4: Electrical Frequency in Hz - sin sistemas de control Molino_230\B4: Electrical Frequency in Hz - con sistemas de control
PRUEBAS SISTEMAS DE CONTROL SNI CENTRALES INDIVIDUALES CON EQUIV EST COL DEMANDA MEDIA
MARLON ULLAURI
Prueba_PauteC
Date:
1.00
Annex: 2 /4 0.912 p.u. 0.90
Fig. 18 Voltaje y frecuencia en la barra de Molino 230 kV
0.80
0.70 -0.1000
VIII.
PRUEBAS A LOS MODELOS DE CONTROL DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DEL S.N.I. EN FORMA CONJUNTA EN UNA BASE DE DATOS ESTRUCTURADA
39.918
Los cortocircuitos trifásicos se simulan al 50% de las siguientes líneas de transmisión:
Línea Molino - Zhoray 2_1 Línea Molino - Pascuales 2_1 Línea Quevedo - Santo Domingo 2_1 Línea Santa Rosa - Pomasqui 2_1 Línea Santa Rosa - Totoras 2_1
159.97
[s]
159.97
[s]
199.99
60.30
60.223 Hz 60.20
0.500 s 60.000 Hz
60.10
100.022 s 59.997 Hz
59.985 Hz
59.90 -0.1000
39.918
79.937
119.96
199.99
Molino_230\B3: Electrical Frequency in Hz Molino_230\B3: Electrical Frequency in Hz
PRUEBAS SISTEMAS DE CONTROL S.N.I. EN CONJUNTO CON COLOMBIA COMPLETO DEMANDA MEDIA
MARLON ULLAURI
CC_L_Moli_Pasc_2_1-Graf1
Date: Annex: 2 /4
Fig. 19. Respuesta Prueba de Cortocircuito Trifásico Línea Molino - Pascuales 2_1 para Demanda Media
IX.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La herramienta DSL de DIgSILENT PowerFactory es útil para el modelamiento de los sistemas de control de las unidades generadoras, ya que permite construir modelos con gran precisión con respecto a la información proporcionada por las centrales de generación, fabricantes, o grupos especializados en este campo de estudio.
La prueba de Operación en Estado Estable de los sistemas de control de una unidad generadora para un sistema aislado, es la primera y principal prueba a realizar, pues al tener respuestas inadecuadas luego de efectuar esta prueba, no tiene sentido aplicar las demás pruebas.
Las metodologías aplicadas para el modelamiento, y pruebas en un sistema aislado de los sistemas de control de las unidades de generación, resultaron ser metodologías apropiadas y acorde a las necesidades del modelamiento de estos controles.
La base de datos estructurada final es una base sólida, que presenta respuestas amortiguadas de
Para estas pruebas ya no se utiliza el equivalente estático para Colombia, sino más bien se hace uso de la base de datos completa, es decir, una base en donde se tiene a ambos sistemas de potencia interconectados (red colombiana completa). Las pruebas a ejecutar en la base de datos, consisten en simular cortocircuitos de tipo trifásicos en líneas de transmisión dentro del anillo de 230 kV en el S.N.I. Ecuatoriano, y luego de 100 ms de haber ocurrido el cortocircuito, estas líneas de transmisión se abren.
119.96
X = 27.000 s
60.40
60.00
Una vez terminado de probar todos los sistemas de control de las unidades de generación del S.N.I. en forma individual en la base de datos estructurada, se tiene la necesidad de probar todos los sistemas de control en forma conjunta, es decir, que se debe examinar la respuesta dada por la acción de todos los sistemas de control de las unidades de generación ante un evento de falla dado.
79.937
Molino_230\B3: Voltage, Magnitude in p.u. Molino_230\B3: Voltage, Magnitude in p.u.
las variables analizadas frente a las simulaciones de prueba efectuadas.
Como trabajo subsiguiente, se recomienda implementar metodologías para la sintonización de estabilizadores de sistemas de potencia, para con ello obtener una base de datos del S.N.I. aun mejor a la proporcionada en este proyecto, la cual servirá para estudios de estabilidad.
REFERENCIAS
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P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw - Hill, USA, 1994.
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A. Del Rosso, L. Torres, J. L. Magaz, J. L. Pérez, H. Primerano, “Transferencia de Tecnología para el Desarrollo de Ensayos de Validación de Modelos para Estudios Dinámicos”, Mercados Energéticos, Reporte M 0565 - P 246//01, 10 de Mayo de 2002.
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IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. IEEE Std. 421.5-2005.
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“Curso Lenguaje de Simulación Digital -DSL- DIgSILENT PowerFactory Versión 13.1.257”, Ingeniería Especializada S.A., Documento IEB 012-05-01, Medellín, Marzo 2006.
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[9]
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D. G. Calomé, Sistemas de Regulación de Velocidad y Control de Turbinas, IEE-UNSJ, Argentina.
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K. Ogata, Ingeniería de Control Moderna, Quinta Edición, Pearson Educación, España, 2010.
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J. Palacios, R. Saraguro, "Parametrización de los Modelos de las Unidades de Generación del Sistema Nacional Interconectado", Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Enero 2007.
[13]
P. Verdugo, “Metodología de Sintonización de Parámetros del Estabilizador de Sistemas de Potencia (PSS) utilizando el Programa Computacional DIgSILENT PowerFactory”, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Marzo 2012.
15,
Marlon Ullauri Rosillo.- Nació en Loja, Ecuador en 1990. Egresado de la Carrera de Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional. Sus áreas de interés son el Planeamiento y Operación de Sistemas Eléctricos de Potencia.
Hugo Arcos Martínez.- Nació en Quito, Ecuador, en 1972. Recibió el título de Ingeniero Eléctrico en la Escuela Politécnica Nacional en 1998, y el de Doctor en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Nacional de San Juan en 2003. Actualmente es parte del cuerpo de Docentes de la Carrera de Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional.
Jaime Cepeda Campaña.- Nació en Latacunga, Ecuador en 1981. Recibió el título de Ingeniero Eléctrico en la Escuela Politécnica Nacional en 2005, y el de Doctor en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Nacional de San Juan en 2013. Entre 2005 y 2009 trabajó en Schlumberder y en el CONELEC. Colaboró como investigador en el Instituto de Energía Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan, Argentina y en el Instituto de Sistemas Eléctricos de Potencia, Universidad Duisburg-Essen, Alemania entre 2009 y 2013. Actualmente se desempeña como jefe de Investigación y Desarrollo del CENACE. Sus áreas de interés incluyen la evaluación de vulnerabilidad en tiempo real y el desarrollo de Smart Grids.
