MATLAB-EN-EL-ANÁLISIS-Y-SIMULACIÓN-DE-SISTEMAS-DE-POTENCIA

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE TRUJILLO INGENIERIA ELECTRICA

POWER SYSTEM ANALYSIS TOOLBOX

PSAT USO BASICO

UNIDAD CURRICULAR: SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA FACILITADOR: ING. CARLOS RONDON ELABORADO POR:

PEDRO LUIS TORRES CHACON PEDRO A TORRES C

VALERA-VENEZUELA 2010

MATLAB EN EL ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Matlab es un poderoso y versátil software de simulación, muy popular en la industria y academia. Fue diseñado originalmente para análisis numérico y control lineal de sistemas; por ello, es muy bien adaptado para manipulación de matrices numéricas. Sin embargo, debido a su flexibilidad en permitir programación directa y enlace a FORTRAN y rutinas C, el paquete ha crecido inmensamente, con muchas rutinas añadidas que permiten además simulaciones de sistemas no lineales. El mayor inconveniente de este programa es su tamaño y su relativa complejidad; toma algo de tiempo conseguir usar su lenguaje y llegar a ser familiar con algunas de las principales rutinas necesarias para simulaciones básicas. Las ecuaciones pueden ser manejadas en cierta forma y secuencia, requiriendo del usuario ser familiar con el fenómeno analizado, haciendo un tanto complejo para usuarios inexpertos. Matlab es un entorno de cálculo el cual proporciona análisis numérico, cálculos matriciales e interfaces gráficas para usuarios. Además, existen varios toolboxes que suministran soluciones de aplicación específicas en áreas como procesamiento de señal, diseño de sistemas de control, redes neuronales, sistemas de potencia, etc.

TABLA XX Paquetes basados en Matlab para análisis de sistemas de potencia

Paquete EST MatEMTP Matpower PAT PSAT PST SPS VST

PF

CPF

OPF

x x x x x x x

SSSA x

TDS x x

EMT x

GIU

CAD

x

x x

x

x x

x x x

x

x

x x x x x

x x x x x

x

x x

x

La tabla XX describe una comparación aproximada de los paquetes de software actuales basados en la plataforma de Matlab para el análisis y simulación de sistemas de potencia., estos son: 1. Educational Simulation Tool (EST) [Vournas et al. 2004] 2. MatEMTP [Mahseredjian y Alvarado 1997] 3. Matpower [Zimmerman y Gan 1997] 4. Power System Toolbox (PST) [Chow y Cheung 1992, Chow 1991-1999,

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Chow 1991-1997] 5. Power Analysis Toolbox (PAT) [Schoder et al. 2003] 6. SimPowerSystems (SPS) [Sybille 2004] 7. Voltage Stability Toolbox (VST) [Chen et al. 1996, Nwankpa 2002]

Las características ilustradas en la tabla son: PF: Flujo de potencia ( Power Flow). CPF: Continuación de flujo de potencia y/o análisis de estabilidad de voltaje. OPF: Flujo óptimo de potencia (Optimal Power Flow). SSSA: Análisis de estabilidad de pequeña señal (Small Signal Stability Analysis). TDS: Simulación en el dominio del tiempo (TDS Time Domain Simulation) y transitorios electromagnéticos (EMT Electromagnetic Transient). GUI: Interfaz gráfica de usuario (Graphical User Interface). CAD: Construcción de red gráfica.

USO DEL PSAT PARA EL ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE ELECTRICOS DE POTENCIA

PSAT es un toolbox de Matlab diseñado para el análisis de sistemas eléctricos de potencia, esta herramienta incluye cálculo de flujo de carga, continuación de flujo de potencia o análisis de estabilidad de voltaje, simulación en el dominio del tiempo, modelos de turbina de viento. Todas estas operaciones pueden ser evaluadas mediante interfaces de usuario gráficas y una biblioteca Simulink, proporciona un instrumento fácil de usar para el diseño de sistemas eléctricos de potencia.

A continuación se presenta un manual básico para la utilización de la herramienta PSAT:

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Abrimos el software MATLAB y nos ubicamos en la ventana Current Directory y luego abrimos la carpeta work donde anexaremos la carpeta descomprimida del toolbox PSAT (en la carpeta work se ejecutan los programas de matlab).

Ingresamos en la carpeta PSAT donde se observan todos los códigos fuentes de su programación.

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Ahora nos ubicamos en Command Windows y realizamos la llamada del PSAT como se muestra a continuación:

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Luego aparece una nueva ventana del entorno de trabajo del PSAT V2.1.5 , donde se observa los parámetros por defecto para el cálculo del flujo de potencia, como potencia base, frecuencia, tiempos de análisis y otros los cuales pueden ser modificados según los requerimientos de simulación solicitados.

Parámetros de simulación

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Ahora podemos crear un archivo esquemático de simulación (simulink) y que es de extensión.mdl donde crearemos nuestro sistema eléctrico de potencia, para esto hacemos clik en el botón OPEN PSAT SIMULINK LIBRARY que se observa en la siguiente figura:

Posteriormente aparece la siguiente ventana, en la que se encuentra toda la librería del PSAT para simulink.

Al presionar el símbolo que se muestra se abrirán nuevas ventanas donde se encuentran disponibles los símbolos para elaboración de nuestro sistema eléctrico de potencia. Por ejemplo: Al presionar el siguiente botón

se abre la siguiente ventana:

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Ahora si presionamos

se abre la siguiente ventana:

Y así con cada botón que conforma la librería de PSAT para simulink.

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Siguiendo con la creación de un archivo para la simulación nos ubicamos en el menú file de la barra de menú, luego buscamos NEW y posteriormente hacemos clik en MODEL como se muestra en la siguiente figura:

Donde aparecerá la siguiente ventana para la creación de nuestro esquemático:

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Utilizando la librería del PSAT como se vio anteriormente armamos nuestro sistema eléctrico de potencia.

A continuación se describen los componentes que conforman nuestro sistema eléctrico de potencia:

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Símbolo de Barra

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Símbolo de línea de transmisión tipo PI

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Símbolo de Generador

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Permite definir el módulo de voltaje y potencia activa en una barra de Generación

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Permite definir los valores de voltaje en magnitud y ángulo en una barra oscilante

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SIMBOLO

DESCRIPCION

PANTALLA DE CONFIGURACION

Símbolo de Carga donde podemos especificar la potencia activa y la potencia reactiva

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En la siguiente figura podemos describir nuestro sistema eléctrico de potencia con las características más importantes (para este ejemplo).

Barra Oscilante

Barra de Carga

Barra de Generación

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Una vez realizado el esquemático procedemos a guardar nuestro archivo de simulink de manera convencional como se realiza en ambiente Windows.

Para este caso guardaremos nuestro archivo.mdl en la carpeta test del PSAT con el nombre de d_3barras, la siguiente figura muestra esta operación:

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TIP: para colocar el nombre del archivo primero escribimos d_nombre. Normalmente la carpeta test se encuentra localizada en la siguiente dirección C:\Archivos de programa\MATLAB\R2007a\work\psat-2.1.5-mat\psat\tests

Ahora debemos cargar el archivo para realizar la simulación, ingresamos al menú FILE, luego OPEN y DATA FILE, también podemos hacer doble clik en el cuadro de texto correspondiente a DATA FILE esto se ilustra en las siguientes figuras:

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Primera forma para cargar el archivo

Segunda forma de cargar el archivo

Doble clik

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Utilizando cualquier camino la nueva ventana que se desplega es la siguiente:

Luego hacemos doble clik en la carpeta tests ubicada en Folders in current path

Definimos la extensión del archivo que queremos cargar (en nuestro caso archivo.mld simulink) en el menú Filters.

Dentro de Filters, se nos presenta diferentes extensiones: la extensión Psat Simulink, nos presenta el archivo en modo gráfico utilizando el entorno del Simulink (extensión .mld), en el caso de Psat Data(.m), los archivos de datos de un sistema de potencia lo guarda en data, dentro de una hoja de programación de MATLAB. Como se puede ver hay diversas extensiones con las cuales se puede trabajar, por ejemplo se puede importar un archivo de NEPLAN, o POWER WORLD y hacer correr sus sistemas y simularlos dentro del PSAT.

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Filter

Y seleccionamos el archivo d_3barras.mdl ubicado en Files in current path

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Si hacemos clik en el botón View File podemos obtener una vista previa del archivo que queremos cargar.

Para culminar la carga del archivo hacemos clik en el botón LOAD.

Si el sistema no tiene ningún error en sus datos, se cargará en la ventana principal del PSAT tal y como se muestra a continuación

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Para el caso de flujo de potencia hacemos clic en el botón Power Flow, y si el sistema converge hasta obtener su error de convergencia se mostrará una gráfica de la convergencia en la parte inferior izquierda, en el caso de que el sistema reporte algún error de data, se aperturará el gráfico prediseñado (esquemático) coloreando los elementos que tengan algún error de data o conexión.

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Para poder ver el reporte de resultados en el menú dentro de la opción VIEW hacemos clic en la opción STATIC REPORT (ctrl.+v) o haciendo clic en su respectivo icono, luego de esto aparecerá la ventana del reporte con el nombre de las barras, el nivel de tensión, su ángulo, la potencia activa y reactiva, se puede modificar la presentación de los resultados de la tensión en p.u. o en valores reales, el ángulo en grados o radianes, la potencia de generación, neta o de carga de la barra también en p.u. o en valores reales, haciendo clic en las letras de las unidades que se encuentran en color azul.

También se puede tener una gráfica comparativa de cada parámetro, haciendo clik en los iconos de color azul que se encuentran al lado de las unidades.

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Para obtener un reporte más detallado de estos resultados y de los flujos de potencia entre las barras, en la ventana del STATIC REPORT existe un icono denominado REPORT, el cual generará en un bloc de notas el reporte completo del sistema simulado.

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Para poder ver los cálculos realizados y obtenidos como por ejemplo la matriz Ybus o las matrices de los datos del sistema, en la ventana principal del MATLAB, dentro de la ventana del WORKSPACE, quedaron almacenados todas las matrices de cálculo o data del sistema, por ejemplo ubicamos la variable Line y hacemos doble clik sobre ella.

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Inmediatamente después emergerá una nueva ventana sobre la ventana de Command Windows con las sub -variables que se encuentran dentro de la variable Line la matriz compleja Ybus esta denotada por la letra Y, en el caso simulado la matriz que se almacenó está compuesta por 3 filas y 3 columnas al ser un sistema de 3 barras ( Y: [3x3] ). Para poder llamar los datos almacenados en Y correspondientes a la matriz Ybus, en la ventana del Command Windows se digita el nombre de la variable (Line) y su extensión (Y) unidas a través del punto, recordando que debemos llamarlo tal como está escrito respetando sus mayúsculas y minúsculas, es así que se puede obtener los datos o resultados del sistema simulado.

>> Line.Y Finalmente se muestra los datos almacenados en esta matriz:

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Para el caso de continuación de flujo de potencia y/o análisis de estabilidad de voltaje hacemos clik en el botón CPF .

Para visualizar graficas hacemos clik en el botón PLOT y aparece la siguiente ventana:

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Donde podemos graficar por ejemplo V_Bus1 (voltaje en barra 1) vs. Parámetro de cargabilidad que los conseguimos en los menús desplegables y hacemos clik en el botón plot .

De igual manera en el menú VIEW y Static Report podemos obtener un informe detallado de los cálculos realizados por el PSAT tal y cual como ocurrió con el cálculo de flujo de carga.

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