Control de la Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo Real

Transcripción

1 Control de la Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo Real Daniel Ruiz Vega Escuela de Verano de Potencia, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán, México, del 24 a 26 de Agosto de 2011 SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 1

2 Estabilidad de Sistemas de Potencia El sistema de potencia es un sistema muy dinámico en el que varían en el tiempo tanto los valores de sus parámetros (impedancias, etc.) como de sus variables (voltajes, corrientes, frecuencia, etc.). Estas variaciones son conocidas como disturbios. La mayor parte de los cambios en el sistema se deben a variaciones normales de la carga y acciones programadas por los ingenieros a cargo de la operación del sistema Variación de la carga de un área de control del Sistema Interconectado Nacional en dos dias diferentes Carga (MW) Hora 1 de enero 1 de junio SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 2

3 Estabilidad de Sistemas de Potencia Sin embargo, también ocurren usualmente disturbios repentinos debidos a la ocurrencia de fallas en el sistema, provocadas por descargas atmosféricas, cortocircuitos y otras causas. La estabilidad de sistemas eléctricos de potencia es su habilidad para permanecer en un estado de operación aceptable a pesar de estar sujeto a cambios (disturbios) repentinos, programados y normales. Como el sistema de potencia es un sistema no-lineal, el análisis de estabilidad se realiza y es válido solamente para un punto de operación y ante una contingencia específica. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 3

4 Contextos de aplicación Para asegurarse que siempre se cumpla el balance generación-carga las compañías eléctricas realizan una serie de decisiones coordinadas que pueden ser divididas en tres etapas principales: Planeación del sistema ó adquisición de recursos. Se elige con años de adelanto entre alternativas para reforzar los sistemas de generación y transmisión. Planeación de la operación ó programación. Esta etapa incluye tres procesos principales: programación del mantenimiento, coordinación hidrotérmica y asignación de unidades termoeléctricas. Operación en tiempo real ó despacho. CONTEXTOS Décadas/Años Planeación Años/Meses Dias Horas Minutos Segundos Ciclos Tiempo Planeación de la operación Operación en tiempo real ACTIVIDADES Construir Mantener Programar Operar MERCADOS Largo plazo Mediano plazo Corto plazo Contextos de aplicación de los estudios de estabilidad SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 4

5 Seguridad de Sistemas de Potencia Evaluar la estabilidad en el contexto de operación ha sido un tema de investigación abierto desde finales de los años 60 del siglo pasado. En ese contexto la evaluación de la estabilidad se realiza dentro de la determinación de los límites seguros de operación del sistema en un estudio de seguridad. Esto se debe a que el concepto de seguridad ha evolucionado, a partir de 1965, de ser considerada exclusiva del contexto de planeación del sistema, hasta su sentido presente de ser una condición instantánea, variante en el tiempo, que debe ser evaluada en el contexto de la operación de los sistemas de potencia desde un centro de control. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 5

6 Seguridad de Sistemas de Potencia Evaluar la estabilidad en el contexto de operación se puede clasificar en dos enfoque principales, los cuales han sido incluidos recientemente en el concepto de las redes inteligentes, dentro del rubro de sistemas autocurativos : Funciones de seguridad en línea, las cuales evalúan y controlan la seguridad del estado actual de operación del sistema, obtenido a partir de mediciones en línea, ante una lista de posibles contingencias futuras, empleando un simulador. Funciones de seguridad en tiempo real, las cuales evalúan y controlan la seguridad del estado actual de operación del sistema después de que ha ocurrido algún disturbio, empleando mediciones en tiempo real. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 6

7 Seguridad de Sistemas de Potencia Estructura general de una función de seguridad SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 7

8 Seguridad de Sistemas de Potencia Se tiene en el grupo de investigación de fenómenos dinámicos una experiencia de más de 15 años y se continua trabajando principalmente en las funciones de seguridad en línea para estabilidad angular, en los siguientes temas: Sistema de filtrado de contingencias para estabilidad transitoria. Estabilización de contingencias múltiples. OPF con restricciones de estabilidad (métodos secuencial y global). Creación de controles de estabilidad adaptables (método OLEC). Evaluación y control de oscilaciones en línea. Mejora de modelos de componentes del sistema. Métodos de validación de modelos del sistema incluyendo pruebas a generadores, controles y cargas. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 8

9 Seguridad de Sistemas de Potencia Actualmente se está trabajando en una función de seguridad en tiempo real para estabilidad angular, la cual fue propuesta a finales de los años 90 pero que se ha vuelto factible debido al gran desarrollo de los sistemas de medición fasorial sincronizada, los cuales proveen mediciones en tiempo real. Aunque existen muchos aspectos aún que se deben mejorar para su aplicación práctica, es una línea de investigación muy prometedora que se va a seguir desarrollando en el grupo. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 9

10 El Método de la Máquina Equivalente Principio Reemplaza el sistema multimáquinas por un sistema tipo máquina-bus infinito variante en el tiempo. Evalúa la estabilidad del sistema original al aplicar el criterio de áreas iguales al sistema equivalente de una máquina (SIME) Grupo de máquinas avanzadas Grupo de máquinas restantes 1 máquina avanzada equivalente 1 máquina equivalente } Systema equivalente de dos máquinas OMIB: One Machine Infinite Bus Sistema equivalente de una máquina- bus infinito (OMIB) Reducción del sistema original a un sistema de una máquina equivalente SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 10

11 El Método de la Máquina Equivalente Identificación de las máquinas críticas a u 0 0 P P a u Evolución del sistema en el tiempo Aplicación del criterio de áreas iguales al OMIB SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 11

12 P P m El Método de la Máquina Equivalente A dec Márgenes y criterios de estabilidad u 0 0 P a P a u P P m A dec Pa r 0 r 0 P e A acc P e A acc st e u 1 M 2 2 Margen Inestable: Margen Estable : Criterio de Áreas Iguales : e Adec A acc st r u u P a r d SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 12

13 El Método de la Máquina Equivalente Caso inestable, te = 150 ms, evolución en el tiempo Caso inestable, criterio de áreas iguales aplicado al OMIB Caso estable, te = 145 ms, evolución en el tiempo Caso estable, criterio de áreas iguales aplicado al OMIB SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 13

14 El Método de la Máquina Equivalente El método también provee medios para comprender la dinámica del sistema de potencia por medio de tres representaciones principales: Curvas de oscilación multimáquinas Curvas de oscilación del OMIB Curvas P- del OMIB SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 14

15 El Método de la Máquina Equivalente Curvas de oscilación multimáquinas Curvas de oscilación del OMIB Curvas P- del OMIB Curvas del plano de fase del OMIB Filtrado de contingencias Evaluación detallada SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 15

16 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Trigger Corrective Action No Power System Real Time Measurements Predictive SIME: Predictive TSA Unstable case (margin<0)? Yes Stability Margin Critical Machines Design Corrective Action To Prevent loss of Syncrhonism 1* 2* Método SIME de Emergencia 3* Tiempos para el método: Adquisición de datos [50ms], Procesamiento de datos (bloques 2* y 3*) [60-200ms], envío de las acciones de control [50ms], control aplicación de las acciones de control [50 ms]. En promedio: de 210 a 350 ms después de que se libera la falla. Si tu es más pequeño que 450 ms, el método no tendrá tiempo suficiente para actuar. SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 16

17 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real º º º º º º º Sistema de Prueba de 3 generadores y 9 nodos del IEEE º º Falla en el nodo 5 liberada en 0.2 s desconectando la línea 5-7 SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 17

18 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Predicción de la composición del OMIB SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 18

19 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Predicción de la inestabilidad del OMIB SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 19

20 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Resumen del control de E-SIME Measurement t i (s) δ u (rad) t u (s) η/m (rad/s) 2 η/m (rad/s) 2 after shedding It is decided to trip machine 2 at t=0.360s Machine 2 is tripped SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 20

21 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Aplicación del control de estabilidad SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 21

24 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Trayectorias de los ángulos de los generadores en el caso controlado SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 24

25 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real t cl = 0.39 s Sistema de Prueba nuevo de 27 generadores y 52 nodos SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 25

26 26 SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 26 Sistema de Prueba nuevo de 27 generadores y 52 nodos Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real

27 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Trayectorias de los ángulos de los generadores en el caso sin controles SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 27

28 Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real Trayectorias de los ángulos de los generadores en el caso controlado SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 28

29 Simuladores de Sistemas de Potencia Siempre se han requerido para el análisis en estado estacionario y dinámico del sistema de potencia Primeros simuladores: físicos (1920). Simuladores analógicos (analizadores de red, 1930) Simuladores de computadora analógica con elementos de estado sólido (1950) Simuladores de computadora digital (1950) Simuladores físicos escalados y especiales (1960) Simuladores de computadora digital en tiempo real (1994) SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 29

30 Simulador Experimental de Sistemas de Potencia SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 30

31 Simulador Experimental de Sistemas de Potencia a) Máquina educacional como generador síncrono b) Rotores. Figura: Máquina educacional de laboratorio de 5 kva SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 31

32 Simulador Experimental de Sistemas de Potencia Micro Red SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 32

33 Simulador Experimental de Sistemas de Potencia Máquina Generalizada AEI Máquina Generalizada Mawdsley Primeros trabajos Corrientes de cortocircuito SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 33

34 Simuladores Digitales Utilizados por el Grupo Programas propios Programa Flujos (Estudio de flujos de potencia) Programa TRANSTAB (Estudios de estabilidad en el tiempo) Programa MAPS (Estudios de análisis modal) Programa CONT (Estudios de estabilidad de voltaje por el método de flujos de potencia de continuación) Programas comerciales Programa PSS/E versión 29 de Siemens Programa DSATools versión 10 de Powertech Programa Powerworld versión 6 Programa DIGSilent versión 13 SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 34

35 Simuladores Digitales Utilizados por el Grupo Simulador en Tiempo Real Es una herramienta de investigación que permitirá consolidar las líneas de investigación de los profesores nuevos en las áreas de protección de SEP, estabilidad, máquinas eléctricas, transitorios electromagnéticos, alta tensión y electrónica de potencia. Adicionalmente, este equipo será empleado para ampliar los convenios de colaboración con la industria y otras instituciones académicas, nacionales y extranjeras. Es un simulador con 8 núcleos que puede simular sistemas de potencia de hasta 86 nodos y que puede probar equipos en lazo cerrado. Este equipo complementa y mejora de manera importante la infraestructura experimental de laboratorios de investigación de los programas de posgrado en ingeniería eléctrica SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 35

36 Resultados Página del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas: SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 36

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