Curso DIgSILENT Power Factory v 15.1 ESTABILIDAD EN SISTEMAS DE POTENCIA MÓDULO 1 INTRODUCCIÓN A LA ESTABILIDAD
SANTIAGO, Agosto 2014
Javier H. Vives
[email protected] www.estudios-electricos.com
INTRODUCCIÓN
Temática y Objetivos Objetivos Introducir la filosofía de trabajo de DIgSILENT Power Factory v15 Introducir el concepto de Estabilidad en Sistemas de Potencia Presentar las herramientas del simulador para el análisis de estabilidad
Temas Principales Estabilidad en Tensión - Estabilidad Angular - Estabilidad en Frecuencia • Presentación de Problemáticas: Descripción de Fenómenos • Exigencias Normativas: Parámetros de desempeño • Control de la Inestabilidad: Recursos disponibles para el control del sistema • Ejercicios de Aplicación: Aplicación directa sobre el simulador
Manejo de DigSILENT v15 • Visión de nuevas características y mejoras • Simulaciones dinámicas: parámetros, modelos, controles. 2
Introducción a la Estabilidad
INTRODUCCIÓN
Historia Cronología Reconocida por primera vez 1920
Primer ensayo de laboratorio, 1924 Primer ensayo de campo, 1925 Analizador de redes, 1930 Centrales Hidroeléctricas alejadas que alimentaban centros de cargas a través de líneas de gran distancia. El problema de estabilidad estaba influenciado por la fortaleza del sistema, con lo cual la inestabilidad era debido a la insuficiencia de torque sincronizante. Las herramientas de cálculos consistían en Reglas de cálculos, calculadoras mecánicas y técnicas gráficas (criterios de áreas iguales y diagramas circulares) Actualmente se ha llegado a un nivel de comprensión suficientemente amplio, pudiendo determinar las causas y métodos de control para mitigar los efectos de inestabilidad. 4
INTRODUCCIÓN
Conceptos y Definiciones Definición La estabilidad de un sistema puede ser definida como aquella propiedad de un sistema de potencia que le permite mantenerse en un estado de equilibrio operativo bajo condiciones normales de operación y luego de haber estado sometido a una perturbación. En la evaluación de la estabilidad se lleva a cabo mediante el análisis del comportamiento del sistema de potencia cuando es sometido a una perturbación transitoria. Las perturbaciones pueden ser de pequeña o gran magnitud Las pequeñas perturbaciones ocurren continuamente y el sistema debe ser capaz de adaptarse a las mismas sin provocar inconvenientes. A su vez, el sistema debe estar preparado para soportar grandes perturbaciones tales como cortocircuitos o salidas intempestivas de equipamiento. 5
INTRODUCCIÓN
Clasificación Estabilidad del ángulo rotórico Habilidad para mantener el sincronismo ● Balance entre los torques de la máquina soncrónica
Estabilidad Transitoria
●
Estabilidad en pequeña señal
Grandes perturbaciones Deslizamiento aperiódico en la primera oscilación ● Período de estudio: hasta 10 o 30 segundos ● ●
Inestabilidad No - oscilatoria torque sincronizante insuficiente ●
Estabilidad de Mediano Plazo Grandes perturbaciones, importantes excursiones en tensión y frecuencia ● Dinámicas rápidas y lentas ● Período de estudio: varios minutos ●
Estabilidad de Sistemas de Potencias Habilidad para permanecer en un equilibrio operativo ● Equilibrio entre fuerzas opuestas
Inestabilidad Oscilatoria torque sincronizante insuficiente ● Acción de control inestable ●
●
Estabilidad de Largo Plazo Frecuencia uniforme en el sistema ● Dinámicas lentas ● Período de estudio: decenas de minutos
Estabilidad de la tensión en gran señal Grandes perturbaciones Maniobras ● Dinámicas de los ULTC, demandas ● Coordinación de las protecciones y los sistemas de control ● ●
Habilidad para mantener una tensión estacionaria aceptable ● Balance de potencia reactiva ●
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Modos interárea
Modos de control
Modos torsionales
●
Estabilidad de la tensión
Modos locales de la central
Relaciones P/Q – V en estado estacionario ● Márgenes de estabilidad, reserva de potencia Q ●
Estabilidad en pequeña señal
INTRODUCCIÓN
Principales Soluciones Dispositivos de Control de Potencia Reactiva
Medidas de Diseño del Sistema
Cambiadores de taps de Transformadores Esquemas de Desconexión Automática de Carga Esquemas de Desconexión de Generación
Cumplimiento NTSyCS
Margen de Estabilidad Medidas de Operación del Sistema
Reserva Rotante Acciones de Operadores
Reles de Protección 7
Coordinación de Protecciones
Simulaciones Dinámicas RMS en DIgSILENT Introducción
INTRODUCCIÓN
Características Generales SIMULACIONES DINÁMICAS
Las simulaciones de transitorios permiten analizar el comportamiento dinámico de las redes y los sistemas cuando estos son sometidos a grandes o pequeñas perturbaciones.
Los modelos dinámicos pueden representar sistemas eléctricos, mecánicos, hidráulicos o de cualquier otro dominio.
Existen numerosos modelos de librería
El usuario puede crear modelos específicos para representar con mayor fidelidad el componente real, sobre todo si se realiza sobre la base de ensayos en campo. 9
INTRODUCCIÓN
Características Generales TRANSITORIOS RMS
Simulaciones en el dominio temporal Representación de estado transitorio (RMS) de la red Permite análisis trifásico simétrico o desbalanceado Corresponde a simulaciones de fenómenos electromecánicos, directamente asociados a los estudios de estabilidad de los sistemas de potencia. • Determinación de tiempo crítico de despeje de falla • Diseño de esquemas de control contra contingencias • Verificación y ajustes de protecciones específicas • Esquemas de DAG/DAC • Reservas de reactivo post-contingencia • Reservas para control de frecuencia
→ → → → → →
tensión frecuencia pequeña señal gran señal oscilatoria no oscilatoria
• Optimización del desempeño de los controles para incrementar el amortiguamiento 10
INTRODUCCIÓN
Esquema de Trabajo Verificar condición de RED y modelos dinámicos (ver output window)
Cálculo de de Cálculo FLUJO DE DE POTENCIA POTENCIA FLUJO
- Errores en modelos - Modelos E/S – F/S - Derivadas no nulas - Límites superados
Cálculo de de Cálculo CONDICIONES INICIALES INICIALES CONDICIONES
Definición de de Definición VARIABLES VARIABLES
Definición de de Definición EVENTOS EVENTOS
11
X SIMULACIÓN SIMULACIÓN
Simulation Scan Utilizado para monitorear variables y realizar acciones en consecuencia (Versión 15)
Graficar Graficar resultados resultados
Simulaciones Dinámicas RMS en DIgSILENT Crear una Simulación Dinámica
INTRODUCCIÓN
Condiciones Iniciales - ¿Qué se Inicializa? Del flujo de potencia: ● Potencia Activa ● Tensión Terminal
Ángulo de Tiristores Tensión de Referencia ...
EXCITACIÓN
Flujo de Vapor Referencia de Potencia ...
Tensión de Campo
GENERADOR
TURBINA
●
Potencia de Turbina
●
● ● ●
Cálculo de Condiciones Iniciales 13
RED
Potencia Reactiva Ángulo
Corrientes Flujos Saturación ...
Cálculo de Flujo de Potencia
INTRODUCCIÓN
Simulación Numérica - ¿Cómo se realiza? SOLUCIÓN ANALÍTICA: J
Tm
−Te= J
dω dω dω −b → −bω=J → = ω dt dt dt J
ω(t )= A· e
−b ·t J
ω(t=0 )=1 → A=1
Variables Tm = constante (entrada) Te = b·ω (interna)
ω(t )=e
Parámetros: J = 3 (momento de inercia) b = 1 (rozamiento viscoso)
Ecuación de movimiento:
dω dω T =J → T −Te=J ∑ i dt m dt Evento (t=0): Trip de turbina → Tm = 0
14
t≥0
1,2 1
Frecuencia [pu]
Condiciones Iniciales: Tm = Te =1 ω=1
−b ·t J
0,8
J τ = =3 b
0,6 0,4 0,2 0 0
2
4
6
8
10
Tiempo [seg]
12
14
16
18
20
INTRODUCCIÓN
Simulación Numérica - ¿Cómo se realiza? SOLUCIÓN NUMÉRICA: Frecuencia en el paso k-1
Paso de integración
dω(k−1) ω k =ω(k−1) + ·T dt
15
1
-0,33
1
0,67
-0,22
2
0,44
-0,15
...
0
...
1
0,9 0,8
-0,33
0,7 0,6 0,5
1
0,4
T = 1 seg
0
1
Frecuencia [pu]
dω(1 ) 1 =− = −0,33' dt 3
dωk/dt
...
1,1
dω(k ) −b dω −b = ω → = ω dt J dt J (k) J τ = =3 b
ωk
Condición inicial
Derivada de la frecuencia en paso k-1 Número de paso Frecuencia en el paso k
dω(k) −ω(k ) = dt τ
Paso
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Tiempo [s]
1,2
1,4
1,6
1,8
2
INTRODUCCIÓN
Simulación Numérica - Problematica 1,2
1,2
1
1
Frecuencia [pu]
Frecuencia [pu]
T =0,1· τ 0,8 0,6 0,4 0,2
T =τ
0,8 0,6 0,4 0,2
0
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
Tiempo [s]
10
12
14
16
18
20
1,5
1
1
T =0,5· τ
0,8 Frecuencia [pu]
Frecuencia [pu]
8
Tiempo [s]
1,2
0,6 0,4
0,5 0 0
2
4
6
8
10
-0,5
0 2
4
6
8
10
Tiempo [s]
12
14
16
18
20
12
14
16
18
20
· Utilizar muestreo impar · Analizar la frecuencia de oscilación
-1 0
DETECCIÓN DE LA OSCILACIÓN NUMÉRICA:
T =2· τ
0,2
16
Solución: · Analítica · Numérica
-1,5 Tiempo [s]
INTRODUCCIÓN
Condiciones Iniciales
Los tiempos de simulación son notoriamente diferentes debido a los requerimientos computacionales. La representación desbalanceada debería emplearse para casos donde realmente sea necesaria (e.g. análisis de actuación de protecciones). Monitoreo de Variables y Acciones en consecuencia
Verifica y notifica los resultados del cálculo de condiciones iniciales. Es la manera de conocer cuando el sistema está fuera de equilibrio
Puede ser recomendable para simulaciones de mucho tiempo (más de 30seg), sobre todo si se presentan fenómenos dinámicos asociados a diferentes constantes de tiempo (e.g. AVR y GOV).
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INTRODUCCIÓN
Condiciones Iniciales
Paso de Integración para la Simulación Frecuencia de almacenamiento de datos (se recomienda que sea un número impar de veces el paso de integración) Tiempo de Inicio de la Simulación Se recomienda recomienda comenzar comenzar en en Se t=0s, yy ejecutar ejecutar los los eventos eventos t=0s, en t=1s t=1s → → permite permite en visualizar el el estado estado inicial inicial visualizar del sistema del sistema
Máximo paso de integración admisible 18
INTRODUCCIÓN
Condiciones Iniciales Comportamiento ante eventos tales como comando de interruptores, EDAC, escalones, etc. Ambas opciones se emplean para un sistema separado en islas eléctricas. GLOBAL: mantiene una única referencia (slack del flujo de potencia) y resulta útil cuando las islas eléctricas vuelven a estar sincronizadas, dentro de los tiempos de la simulación. LOCAL: mantiene una referencia para cada subsistema. El método de cálculo resulta computacionalmente más exigente.
Converge correctamente aún con pasos de integración grandes
Permite obtener la evolución de la mayor excursión angular → dfrotx 19
Método de integración numérica → todos los controles deben estar modelados para funcionar con este método.
INTRODUCCIÓN
Definición de Eventos
Los EVENTOS de simulación forman parte del STUDY CASE La cantidad de eventos dentro de una simulación es ilimitada, al igual que la cantidad de secuencias de eventos dentro de un Study Case La secuencia de eventos se crea desde el Study Case:
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INTRODUCCIÓN
Definición de Eventos
Los eventos de una simulación se pueden crear de distintas maneras y en distintos momentos (por ejemplo, en el medio de la simulación). Se pueden crear: desde la carpeta de eventos (new) • accediendo desde el study case • accediendo desde el menú general desde el Elemento (define) • accediendo desde el editor gráfico • accediendo desde el data manager • accediendo desde la lista de elementos
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INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.1 Importar el Proyecto: “EjercicioM11.pfd” Cálculo de condiciones iniciales Analizar opciones ajustadas Seleccionar eventos Ejecutar Analizar lo sucedido en la pantalla de salida Encontrar posibles soluciones según lo ya analizado Definir un cortocircuito sobre la barra 5 Monofásico sin impedancia, en t=1seg Despejar el cortocircuito en 120ms Apertura de la línea 1
Crear un nuevo conjunto de eventos y repetir la simulación, pero balanceada 22
sobre la barra
INTRODUCCIÓN
Definición de Variables
Las variables a almacenar se deben crear previamente o al momento del cálculo de condiciones iniciales → NO después de simular Primero debe seleccionarse el elemento: desde la carpeta de resultados (new) •
accediendo desde el study case
• accediendo desde el menú general
desde el Elemento (define → variable set) accediendo desde el editor gráfico accediendo desde el data manager accediendo desde la lista de elementos Luego la variable: 23
INTRODUCCIÓN
Definición de Variables
Los RESULTADOS de simulación forman parte del STUDY CASE. La cantidad de carpetas de resultados dentro de un Study Case es ilimitada, mientras que la cantidad de variables se limita al total de la red. La carpeta de resultados se crea desde el Study Case:Primero debe seleccionarse el elemento:
24
INTRODUCCIÓN
Definición de Variables
Se puede acceder a distintos tipos de variables.
25
Variables a almacenar → de interés
INTRODUCCIÓN
Simulation Scan Monitoreo de diversas variables que son utilizadas para una acción en consecuencia, por ejemplo Detención de la Simulación
Simulation Scan Módulo Pérdida de Sincronismo Módulo Variables Módulo Tensión Módulo Frecuencia
26
Versión 15 Power Factory
INTRODUCCIÓN
Simulation Scan Monitorea Tensión en todos los nodos y emite un mensaje o para la simulación si se viola algún limite definido
Monitoreo de tensión
Límites de la Tensión, en magnitud y duración Recuperación de la Tensión, comienza a grabar cuando la tensión está por debajo del límite en el tiempo de arranque. Cuando la tensión está por encima del ajuste seteado chequea que este se produjo dentro de la banda de tiempo, caso contrario actúa.
Tiempo de Activación, define el tiempo en el que comienza a monitorear.
27
Acción a ejecutar, si un límite es violado se emite un mensaje en pantalla o se detiene la simulación.
INTRODUCCIÓN
Simulation Scan Módulo Monitoreo Frecuencia
Monitoreo de tensión
Módulo Monitoreo Pérdida de Sincronismo Módulo Monitoreo Variable 28
INTRODUCCIÓN
Simular
Variables Editables Tiempo de SImulación
El cálculo de condiciones iniciales es el que define las características de la simulación 29
INTRODUCCIÓN
Graficar
Existen básicamente dos modos para crear un gráfico de simulación: desde el menú principal iniciales. desde las pestañas gráficas.
30
,para lo que deben estar ya calculadas las condiciones
INTRODUCCIÓN
Graficar
Opciones de Gráfico
Resultados de la simulación Actual
Variables a Graficar
31
INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.2 Importar el Proyecto: “EjercicioM12.pfd”
Definir las variables a almacenar tensión (u) y frecuencia eléctrica (fe) en barra Terminal. tensión terminal (ut) y de excitación (ve), ángulo rotórico (dfrot), potencia activa y reactiva (P1:bus1 y Q1:bus1), potencia de la turbina (pt) en
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INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.2 Calcular Condiciones Iniciales Simular 20 segundos Crear un gráfico de simulación con cuatro figuras Graficar:
Tensión terminal del generador Potencia de la tubina Potencia activa del generador Tensión de excitación del generador Escalón de 5% en P y Q
33
INTRODUCCIÓN
1,02
8.333E-1
1,01
8.333E-1
1,00
8.333E-1
0,99
8.333E-1
0,98
8.333E-1
0,97 0,0000
4,0000
8,0000
12,000
16,000
[s]
20,000
8.333E-1 0,0000
G1: T erm inal Voltage in p.u.
1,734948
41,80
1,734947
41,30
1,734946
40,80
1,734945
40,30
1,734944
34
4,0000
8,0000
G1: Active Power in M W
4,0000
8,0000
12,000
16,000
[s]
20,000
12,000
16,000
[s]
20,000
G1: T urbine Power in p.u.
42,30
39,80 0,0000
DIgS ILENT
Ejercicio M1.2
12,000
16,000
[s]
20,000
1,734943 0,0000
4,0000
8,0000
G1: Excitation Voltage in p.u.
INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.3 Importar el Proyecto: “EjercicioM13.pfd” Definir las variables a almacenar tensión (u) frecuencia eléctrica (fe)
(Diferentes modos de monitorear una misma variable)
35
INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.3 Calcular Condiciones Iniciales Simular 20 segundos Controlar Ventana de Output
Escalón de 10% en P y Q
36
INTRODUCCIÓN
Ejercicio M1.3 Calcular Condiciones Iniciales Detener la simulación cuando la frecuencia es menor a 48,5Hz Simular 20 segundos Controlar Ventana de Output
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FIN DEL MÓDULO 1
Gracias