Tarea en DigSilent

Tarea en DigSilent  Introducción al Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia

Profesor:

Pablo Medina

Auxiliar:

Lorenzo Reyes

Ayudantes:

Miguel Neicún Eduardo Zamora

Integrantes:

Fernando Beas Alejandro López Adio Stefoni

Fecha: 12 de Noviembre de 2010

Índice Introducción: ........................................................................................................................................................................... 6 Desarrollo: ............................................................................................................................................................................... 7 1.1.1.- Determinar las pérdidas del sistema. ...................................................................................................................... 7 1.1.2.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra del generador asignado, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. ........................................................................................................... 7 1.1.3.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra asignada, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. ............................................................................................................................... 8 1.1.4.- Estudie que sucede con las tensiones cercanas a la barra del generador asignado, si éste queda fuera de operación. ¿Cómo es posible que se siga satisfaciendo la demanda? Corrobore su respuesta con la solución obtenida. 8 1.1.5.- Para la línea más corta conectada a la barra asignada, dibuje el diagrama de círculo, considerando las tensiones en las barras que aparecen en el flujo de potencia, e indique el punto de operación. Defina con criterio cual es el extremo receptor de la línea. ............................................................................................................................................. 9 1.2.0.- Luego, modificando la consigna del generador asignado en un 10%, se deberá volver a determinar lo antes solicitado. Se disminuyó un 10% la generación en Nehuenco I, explicación en ejercicio 2.1. ...................... ............................... .................. ........... .. 9 1.2.1.- Determinar las pérdidas del sistema. ...................................................................................................................... 9 1.2.2.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra del generador asignado, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. ........................................................................................................... 9 1.2.3.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra asignada, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. ............................................................................................................................. 10 1.2.4.- Estudie que sucede con las tensiones cercanas a la barra del generador asignado, si éste queda fuera de operación. ¿Cómo es posible que se siga satisfaciendo la demanda? Corrobore su respuesta con la solución obtenida. .......................................................................................................................................................................................... 10 1.2.5.- Para la línea más corta conectada a la barra asignada, dibuje el diagrama de círculo, considerando las tensiones en las barras que aparecen en el flujo de potencia, e indique el punto de operación. Defina con criterio cual es el extremo receptor de la línea. ........................................................................................................................................... 11 1.3.1.- Dibujar en un mismo gráfico el diagrama de círculo de la línea más corta conectada a la barra asignada, para ambas condiciones de operación. Especifique el punto de operación en ambos casos. ...................... ............................... .................. .................. ......... 11 1.3.2.- A partir de la base de datos del CDEC-SIC, determine el límite térmico de la línea de transmisión, e incorpórelo al gráfico anterior. ............................................................................................................................................................. 13 1.3.3.- Identificar y calcular el valor de la diagonal referido a la barra asignada en la matriz de admitancia en forma detallada. ¿Hay diferencias entre ambos casos? .............................................................................................................. 14 1.3.4.- Estudiando la forma de la matriz de admitancia. ¿Qué tipo de sistema se podría decir que es el SIC? ............ ............... ... 15 2.1.- La Potencia total demandada por el sistema. .......................................................................................................... 15 2.2.- La potencia específica demandada por el consumo asignado más los 5 consumos cercanos a él. ................... ......................... ...... 16 2.3.- La potencia específica demandada por el consumo asignado más los 5 consumos cercanos a él, pero ahora todos ellos modelados como consumos de impedancia constante. .......................................................................................... 17 2

2.4.- Para el consumo asignado, graficar el valor de tensión de la barra en función de la potencia activa consumida al modificar el consumo de 10% a 200%, manteniendo el factor de potencia (mínimo 20 valores). En caso de que no sea posible llegar al 200% por problemas de convergencia numérica, déjelo señalado claramente..................................... 19 2.5.- Analizar cuáles son las barras del sistema que tienen problemas de tensión en el caso base. ............................... 23 2.6.- Además, se debe concluir cómo afecta la disminución de tensión en el nivel de generación del sistema. ............ 24 2.7.- Finalmente, se solicita discutir y ejemplificar en el caso base, 2 formas de mejorar la tensión en la barra asignada. Es necesario que se apliquen estos métodos en DigSILENT, ya sea modificando datos o incorporando dispositivos. Compare estos 2 métodos. ............................................................................................................................................... 25 Banco de condensadores a la barra en particular: ....................................................................................................... 25 Aumentar la Consigna de un Generador Cercano: ....................................................................................................... 26

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Índice de Ilustraciones:

Ilustración 1 ........................................................................................................................................................................... 7 Ilustración 2 ........................................................................................................................................................................... 8 Ilustración 3: Diagrama del círculo Charrúa-Hualpén 220 kV ......................................................................................... 12 Ilustración 4: Diagrama del círculo Charrúa-Hualpén 220 kV (con generador alterado). ............................................ 13 Ilustración 5: Límite térmico y Límite de tensión máxima. ............................................................................................. 14 Ilustración 6: Tensión en barra vs potencia en consumo de Hualpen 154 ..................................................................... 20 Ilustración 7: Regresión lineal Tensión en barra vs potencia en consumo de Hualpen 154 ........................................ 20 Ilustración 8: Tensión en barra vs potencia en consumo de Hualpen 154 ..................................................................... 22 Ilustración 9: Regresión lineal Tensión en barra vs potencia en consumo de Hualpen 154 ........................................ 22

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Índice de Tablas: Tabla 1: Pérdidas de Potencia en la Red. ............................................................................................................................. 7 Tabla 2: Estudio de Flujo de Potencia en Generador Nehuenco. ....................................................................................... 7 Tabla 3: Estudio Flujo de Potencia barra Hualpén 220 kV. ................................................................................................ 8 Tabla 4: Estudio de Demanda con Generador fuera de servicio. ....................................................................................... 8 Tabla 5: Pérdidas del Sistema con Generador Alterado ..................................................................................................... 9 Tabla 6: Estudio de Flujo de Potencia en barra de generador alterado ............................................................................ 9 Tabla 7: Estudio de flujo de potencia en barra asignada con generador alterado. ........................................................ 10 Tabla 8: Estudio de Demanda con Generador alterado fuera de servicio. ...................................................................... 10 Tabla 9: Datos Línea Charrúa-Hualpén 220 kV ................................................................................................................. 11 Tabla 10: Parámetros Línea Charrúa-Hualpén 220 kV .................................................................................................... 11 Tabla 11: Datos Generador Petropower y Transformador .............................................................................................. 14 Tabla 12: Caso original ........................................................................................................................................................ 15 Tabla 13: Caso menos 3% ................................................................................................................................................... 15 Tabla 14: Consumos cercanos a Hualpen 154 kV. ............................................................................................................ 16 Tabla 15: Potencia demandada por consumos activos..................................................................................................... 16 Tabla 16: Consigas generadores de casos a estudiar. ....................................................................................................... 17 Tabla 17: Potencia demandada por consumos pasivos en el caso original. ................................................................... 18 Tabla 18: Potencia demandada por consumos pasivos en el caso original. ................................................................... 18 Tabla 19: Potencia en consumo y tensión en barra Hualpen 154 ................................................................................... 19 Tabla 20: Potencia en consumo y tensión en barra Hualpen 154 ................................................................................... 21 Tabla 21: Barra y tensiones en los dos casos. ................................................................................................................... 24 Tabla 22: Resumen de barras con problemas ................................................................................................................... 24 Tabla 23: Generación en cada caso y diferencia de potencia ........................................................................................... 24 Tabla 24: Comparación Tensión barra y Potencia Reactiva ............................................................................................ 25 Tabla 25: Tensión en barra y generador PetroPower. ..................................................................................................... 26 Tabla 26: Tensión en barra y generador Bucamina. ......................................................................................................... 26 Tabla 27: Tensión en barra y generador Bucamina con PetroPower a 0,99 [p.u]. ........................................................ 27

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Introducción: Los Sistemas Eléctricos de Potencia, en la actualidad, son considerados fundamentales para el funcionamiento del mundo que vivimos, por lo mismo, desde hace bastante tiempo ha sido un área de gran interés dentro de la Ingeniería Eléctrica. Su estudio y control son, en general bastante complejos, puesto que su análisis, como un gran sistema, puede ser bastante arduo aún si se toman en cuenta un gran número de simplificaciones. De hecho, numéricamente hablando, puede resultar bastante pesado, pues es posible enfrentarse a matrices de enormes dimensiones y operaciones bastante largas. Por lo mismo, han aparecido una serie de programas que intentan simplificar la tarea de quién pretenda hacer un análisis de un sistema dado, haciendo simulaciones del mismo que permiten, por ejemplo, disminuir drásticamente la tasa de errores que se producen por cálculos numéricos. Entre los programas antes mencionados se encuentra DigSILENT Power Factory, el cual lleva bastante tiempo en el rubro de simular estos sistemas y ha experimentado una serie de mejoras a lo largo del tiempo. En el presente informe, se utilizará la versión 13.2 de dicho software en su modo Demo para realizar el estudio que se detalla a continuación. El estudio que se presenta en este informe, guarda relación con el Sistema Interconectado Central chileno, específicamente con el generador Nehuenco I, la barra Hualpén 220 kV y el consumo Hualpén 154 kV. Su análisis contiene dos grandes segmentos: Estudio base de flujo de Flujo de Potencia y Control de Tensión. Para ello se usará el software antes mencionado, además de otras herramientas computacionales, como MATLAB R2010a para los dibujos complementarios. Finalmente, se pretende hacer una comparación entre la teoría aprendida durante el curso EL57A Sistemas Eléctricos de Potencia y los resultados que se obtengan con el software, así como también ocupar dichos conocimientos para poder explicar los números que acompañan a las componentes del sistema que se estudiarán con mayor profundidad.

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Desarrollo: PARTE 1: ESTUDIO BASE DE FLUJO DE POTENCIA. 1.1.1.- Determinar las pérdidas del sistema. Potencia Activa [MW] Pérdidas en la Red

Potencia reactiva [Mvar]

167.38 267.87 Tabla 1: Pérdidas de Potencia en la Red.

Estas pérdidas fueron calculadas mediante la opción “Análisis de Cálculos de Salida” en la s ub-opción: Resumen del Sistema Total.

1.1.2.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra del generador asignado, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. Barras Generador

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

ϕ final

Nehuenco 13.8 kV

13.484

0.977

22.599°

22.599°+330°=-7,401°

San Isidro 13.8 kV

13.938

1.01

-41.16°

Nehuenco 220 Ynd11 N=230/13.8 San Isidro 220 Ynd1 N=230/13.8

San Luis 220 kV

224.508

1.02

-12.702°

Quillota 220 kV

-41.16° + 30° = -11.16° -12.702°

223.396 1.015 -13.685° -13.685° Tabla 2: Estudio de Flujo de Potencia en Generador Nehuenco.

La topología del sistema a estudiar consiste en la barra de Nehuenco y la barra San Isidro están conectadas mediantes transformadores independientes a la barra de San Luis. Luego, de esta barra se transmite energía a la barra Quillota. En la tabla superior se muestran los datos recolectados, cabe destacar que cada barra asociada a un generador tiene un transformador de subida, el cual influirá en el valor final a calcular para estudiar el flujo de potencia. Viendo la última columna de la tabla señalada anteriormente, se puede concluir, mediante el conocimiento previo de que la potencia se transmite de ϕ mayor a ϕ menor, que la potencia generada en Nehuenco y San Isidro es transmitida a la barra de San Luis y a su vez esta es transmitida a la barra Quillota. Ilustración 1 7

1.1.3.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra asignada, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. Barras asignadas Charrúa 220 kV Hualpén 220 kV

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

227.134 213.4 kV

1.032 0.97

18.052° 12.319°

ϕ final

18.052° 12.319°

Hualpén 220/154 YnYn0 N=220/154

146.3 0.95 9.54° 145.117 0.942 9.071° Tabla 3: Estudio Flujo de Potencia barra Hualpén 220 kV.

9.54° 9.071°

Hualpén 154 kV San Vicente 154 kV

Análogamente, al ejercicio anterior, y mediante la figura que acompaña, se puede concluir que el flujo de potencia va desde la barra Charrúa hasta la barra Hualpén 220 kV, esta a su vez es bajada a la barra de Hualpén 154 kV y mediante una pequeña línea de transmisión, el flujo continúa hasta la barra de San Vicente. Todo esto debido a que la potencia fluye desde ϕ mayores a ϕ menores.

Ilustración 2

1.1.4.- Estudie que sucede con las tensiones cercanas a la barra del generador asignado, si éste queda fuera de operación. ¿Cómo es posible que se siga satisfaciendo la demanda? Corrobore su respuesta con la solución obtenida. Barras Generador

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

ϕ final

Nehuenco 13.8 kV

12.594

0.913

-15.41°

-15.41°+330°=-45.41°

San Isidro 13.8 kV

13.938

1.01

-77.007°

Nehuenco 220 Ynd11 N=230/13.8 San Isidro 220 Ynd1 N=230/13.8

San Luis 220 kV

214.873

0.977

-48.573°

Quillota 220 kV

-77.007°+ 30° = -47.007°

-48.573°

213.672 0.971 -49.206° -49.206° Tabla 4: Estudio de Demanda con Generador fuera de servicio.

Comparando con la Tabla 2, las tensiones no varían en gran cantidad, a lo mucho disminuyen un 3%, lo que si varía es el valor que tiene ϕ, pero que en cálculos de flujo de potencia se sigue cumpliendo el mismo recorrido que con la 8

central en servicio. Como no es una puesta en fuera de servicio repentina, el cálculo que hace el sistema para satisfacer la demanda es generar con las centrales conectadas al SIC que todavía puedan producir más potencia, ya que es como si un pre despacho hubiese decidido que Nehuenco I no funcionase. Esto se corrobora ya que al ver la tabla de datos con las potencias generadas antes y después del retiro de servicio se nota que en algunas centrales su producción aumenta para así poder parchar la demanda en ese instante.

1.1.5.- Para la línea más corta conectada a la barra asignada, dibuje el diagrama de círculo, considerando las tensiones en las barras que aparecen en el flujo de potencia, e indique el punto de operación. Defina con criterio cual es el extremo receptor de la línea. Este ítem se verá en ejercicio 1.3.1.

1.2.0.- Luego, modificando la consigna del generador asignado en un 10%, se deberá volver a determinar lo antes solicitado. Se disminuyó un 10% la generación en Nehuenco I, explicación en ejercicio 2.1. 1.2.1.- Determinar las pérdidas del sistema. Potencia Activa [MW]

Potencia reactiva [Mvar]

171.22 334.07 Tabla 5: Pérdidas del Sistema con Generador Alterado

Pérdidas en la Red

Debido a la disminución de la potencia generada en Nehuenco I, otra central debió suplir la demanda de energía, con lo cual tuvo que ser mediante una línea de transmisión menos eficiente, ya que se perturbó el óptimo calculado por el software, por lo tanto, los costos subieron mediante esta alza de pérdidas.

1.2.2.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra del generador asignado, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. Barras Generador Nehuenco 13.8 kV

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

ϕ final

13.486

0.977

19.882°

19.882°+330°=-10.118°

San Isidro 13.8 kV

13.938

1.01

-43.624°

Nehuenco 220 Ynd11 N=230/13.8 San Isidro 220 Ynd1 N=230/13.8

San Luis 220 kV

224.493

1.02

-15.166°

Quillota 220 kV

-43.624° + 30° = -13.624° -15.166°

223.361 1.015 -16.109° -16.109 Tabla 6: Estudio de Flujo de Potencia en barra de generador alterado 9

Al calcular estos parámetros, con el generador disminuido en un 10%, nos hemos podido dar cuenta que las tensiones no cambiaron significativamente (las relaciones p.u. siguen igual) solo el valor de ϕ disminuyo aproximadamente de 2° a 3°. Nuevamente se hace el cálculo de flujo de potencia y debido a que todos disminuyen la misma cantidad, el flujo de potencia no sufre cambio alguno.

1.2.3.- Determinar las tensiones y ángulos cercanos a la barra asignada, estudiar la dirección del flujo de potencia entre barras en base a estas medidas. Barras asignadas Charrúa 220 kV Hualpén 220 kV

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

226.668 213.4 kV

1.03 0.97

17.196° 11.429°

Hualpén 220/154 YnYn0 N=220/154

ϕ final

17.196° 11.429°

146.3 0.95 8.65° 8.65° 145.103 0.942 8.183° 8.183° Tabla 7: Estudio de flujo de potencia en barra asignada con generador alterado.

Hualpén 154 kV San Vicente 154 kV

Nuevamente y análogamente al ejercicio anterior, el flujo de potencia no sufre cambio alguno y las tensiones como sus ángulos se ven disminuidos en forma muy insignificante.

1.2.4.- Estudie que sucede con las tensiones cercanas a la barra del generador asignado, si éste queda fuera de operación. ¿Cómo es posible que se siga satisfaciendo la demanda? Corrobore su respuesta con la solución obtenida. Barras Generador

Vff [kV]

Vff [p.u.]

ϕ

Trafo Asociado

ϕ final

Nehuenco 13.8 kV

12.594

0.913

-15.41°

-15.41°+330°=-45.41°

San Isidro 13.8 kV

13.938

1.01

-77.007°

Nehuenco 220 Ynd11 N=230/13.8 San Isidro 220 Ynd1 N=230/13.8

San Luis 220 kV

214.873

0.977

-48.573°

Quillota 220 kV

-77.007°+ 30° = -47.007°

-48.573°

213.672 0.971 -49.206° -49.206° Tabla 8: Estudio de Demanda con Generador alterado fuera de servicio.

Esta solución es exactamente igual al ejercicio 1.1.4 ya que como están fuera de servicio no hay diferencia si está disminuido o no.

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1.2.5.- Para la línea más corta conectada a la barra asignada, dibuje el diagrama de círculo, considerando las tensiones en las barras que aparecen en el flujo de potencia, e indique el punto de operación. Defina con criterio cual es el extremo receptor de la línea. Este ítem se verá en ejercicio 1.3.1.

1.3.1.- Dibujar en un mismo gráfico el diagrama de círculo de la línea más corta conectada a la barra asignada, para ambas condiciones de operación. Especifique el punto de operación en ambos casos. La línea más corta conectada a dicha barra, es la línea Charrúa-Hualpén 220 kV, la cual tiene una extensión de 165.6 km y cuyos parámetros se señalan en la Tabla 9, considerando que el generador Nehuenco I está entregando su potencia activa original de 340 MW. Dato Corriente nominal Frecuencia nominal Voltaje nominal n° fases n° líneas Resistencia (R’) Reactancia (X’) Susceptancia (B’) Conductancia (G’) V1 V2

Valor 0.596 kA 50 Hz

220 kV 3 1 0.08 Ohm/km 0.4 Ohm/km 3.5 uS/km 0 S/km 1.03 [p.u.] 0.97 [p.u.] Tabla 9: Datos Línea Charrúa-Hualpén 220 kV Ahora, para efectos de cálculos, se define una potencia base trifásica de 100 MVA y se establece que en la zona donde se efectuarán los cálculos, la tensión base será de 220 kV, lo que implica una impedancia base de 484 Ω. Con los datos de la Tabla 9, se pueden obtener los parámetros necesarios para construir el diagrama del círculo en dimensiones de [p.u.], puesto que si se considera la barra de Hualpén como extremo receptor de la línea, las tensiones correspondientes serán las que se muestran con los sub índices 1 y 2. Parámetro

Valor 0.0274+j0.1369 Z’ [p.u.] 0.1404j [p.u.] Y’/2  A 0.9808