C G. Jerez* J. Toledo* A. Díaz**

Transcripción

1 II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Junio 2009 C2-187 COMPORTAMIENTO DE LA ESTABILIDAD DINÁMICA EN EL SISTEMA DE POTENCIA NACIONAL EVALUANDO LA INCORPORACIÓN DE LA GENERACIÓN DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO TOCOMA G. Jerez* J. Toledo* A. Díaz** *Electrificación del Caroní, C. A., EDELCA ** Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de Sucre Vicerrectorado Pto. Ordaz, UNEXPO, Pto. Ordaz, Edo. Bolívar. RESUMEN El problema de la Estabilidad Transitoria y Dinámica ha afectado la planificación, explotación, control y protección de los sistemas de energía eléctrica desde el inicio del desarrollo de los equipos de potencia de corriente alterna. La Estabilidad del sistema ha impuestos límites en la utilización de las redes de transporte de energía. El problema de la Estabilidad aparece en su primera instancia cuando se plantea la incorporación de grandes generadores hidráulicos o Centrales Hidroeléctricas al sistema de potencia. En los actuales momentos, EDELCA, C.A., se encuentra en construcción la última Central del Bajo Caroní, con un total de 10 generadores, de 230 MVA que se incorporarán al sistema de potencia nacional. En este caso se propone si podría mantenerse funcionando los hidrogeneradores dentro de sus límites ante la ocurrencia de perturbación o falla en algún punto de la red y si el tiempo que requieren las protecciones e interruptores en el despeje de la falla era superior al denominado tiempo crítico de despeje. La instalación de protecciones numéricos cada vez más rápidos lograron reducir los tiempos de despeje y disminuir los efectos de la falla sobre el sistema. En este trabajo se presentan un estudio y análisis dinámico para determinar el impacto que ocasionará la incorporación de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar en Tocoma en el sistema de potencia. Para su desarrollo se realizó un estudio previo del sistema eléctrico, con la finalidad de definir la porción del sistema que será analizado. Con las características propias de los equipos, se modelaron los diagramas de bloques y los ajustes de los parámetros de los generadores, sistemas de excitación, estabilizadores, gobernadores y turbinas, para ser implementados en los estudios de estabilidad dinámica. Se simularon condiciones de carga y se evaluaron diversas fallas severas. Se concluye que el sistema de potencia posee una mejor respuesta tanto en tensión, frecuencia como en mantener la continuidad del servicio. El conocimiento previo del comportamiento del sistema ante perturbaciones permitirá tomar medidas para que sea más eficiente y confiable. PALABRAS-CLAVES Estabilidad, Tensión, Frecuencia, Central Hidroeléctrica, Falla, Potencia Activa y Reactiva.

2 1. INTRODUCCIÓN EDELCA, con el incremento de la demanda y aprovechando del potencial hidroeléctrico del bajo Caroní, se ve en la necesidad de incorporar la cuarta y última Central Hidroeléctrica llamada Tocoma, generando la necesidad de múltiples estudios. Gracias al desarrollo tecnológico y científico, se aplicarán potentes herramientas computacionales, con el fin de obtener resultados muy cercanos a la realidad y además se podrá predecir las respuestas que podría tomar el sistema ante ciertos eventos. La confiabilidad del sistema de potencia depende bastante de la estabilidad de las máquinas síncronas y de la capacidad de transferencia de potencia eléctrica de las líneas interconectadas. La cantidad creciente de potencia distribuida en todo el país y la adaptación de sistemas de excitación de generadores síncronos de alta respuesta, ha impuesto una importancia creciente en controles automáticos para mejorar la estabilidad del sistema eléctrico. A su vez, el aumento de la estabilidad trae consigo el aumento de los límites de transmisión, permitiéndonos, además de la optimización de los Sistemas de Potencia, ganancias económicas para la empresa. En este trabajo se desarrollo una porción del sistema de potencia de EDELCA, formado por dos (2) modelos (con y sin la incorporación de Tocoma). 2. MODELOS DE ELEMENTOS DE POTENCIA Los modelos para líneas es el circuito, y para los transformadores se consideraron hasta las pérdidas en el hierro, arrollado, etc. Los modelos empleados para la simulación del comportamiento de los generadores, gobernadores, excitatrices estabilizadores, son el resultado de años de investigaciones y pruebas en campo, realizadas por el personal de EDELCA que permitieron reducir y adaptar al comportamiento de estos sistemas en el tiempo Generadores Síncronos: En la actualidad se aplican con frecuencia 3 modelos básicos: el modelo clásico, representa una fuente de tensión, detrás de una reactancia transitoria, considerando constante de inercia y de amortiguamiento del generador únicamente. Los modelos a continuación representan al generador (G) tanto en régimen estacionario (RE), como transitorio (T), además representan la variación de la frecuencia con la carga eléctrica. A través de la modelación de la reactancia de la máquina y de la saturación, se determinan las propiedades de la máquinas en RE y de la saturación, se determinan las propiedades de la máquinas en RE. Y las propiedades Transitorias (torques sincronizantes y de amortiguamiento), son determinadas por las reactancias sincrónica, transitoria y subtransitoria, además de las constantes de tiempo del circuito del rotor. Modelo del G de polos salientes (GENSAL) asume que la saturación afecta solamente al eje d y que la inductancias mutuas varían en función de los enlaces de flujo, detrás de la reactancia transitoria. Adicionalmente considera los arrollados amortiguadores en los ejes d y q. La curva de saturación magnética de este modelo, en circuito abierto está definida como una función cuadrática, que se calcula empleando la ecuación:

3 S= BE A2 E (1) 2H dn dt = P mech D e n (2) T 1 n elec donde E es la entrada, y A y B son los puntos correspondientes a (1.0,S1.0) y (1.2,S1.2) respectivamente, sobre la curva de saturación. GENSAL reconoce que el alcance del efecto de saturación depende de las corrientes del rotor y del estator. También calcula la aceleración del rotor por la ecuación: P mech : (P mech ) a velocidad nominal Dt n, T elec : Torque eléctrico del rotor del generador, n: Velocidad de desviación del generador en p.u., De= P e / n, Representa la variación de la carga eléctrica con la frecuencia, visto desde el generador, Dt = P t / n : Representa la variación de la potencia de la turbina con la velocidad del eje. Figura 1. Modelo GENSAL para Generadores 2.2. Sistemas de Excitación SE: Figura 2. Modelo SCRX para excitatrices estáticas de estado sólido. La función básica de un SE es suministrar corriente directa a los arrollados de campo de la máquina. Adicionalmente, desempeña funciones protectivas y de control esenciales para el satisfactorio comportamiento del SP, por medio del control del voltaje de campo, y por ende de la corriente de campo. Las funciones de control incluyen además del control de voltaje de campo, el control del flujo de potencia reactiva entre el generador y la red, y el mejoramiento de la estabilidad del sistema. Las funciones protectivas aseguran que los límites de estabilidad de la máquina sincrónica, el SE, y otros equipos relacionados no sean excedidos. Los SE han adoptado diferentes formas de acuerdo a la fuente de alimentación empleada para la excitación (lo que los clasifica en Rotativos y Estáticos) y al tipo de tecnología empleada para el control (Analógica y Digital). La función de transferencia de un SE incluye tanto las características dinámicas de los elementos excitadores (fuente de potencia de la excitación) como las características de los elementos de control (regulador de voltaje). A continuación se citará el modelo empleado con mayor frecuencia por EDELCA para representar sus sistemas de excitación:

4 Figura 4. Modelo de PSS sensitivo a la potencia STAB4. Figura 3. Modelo ST4B para excitatrices de Tocoma Sistemas de Estabilización PSS: Los PSS son empleados para mejorar la amortiguación de las oscilaciones del sistema y extender los límites de estabilidad mediante el control de la excitación. Para suplir amortiguamiento, el PSS debe producir una componente del torque eléctrico en el rotor, la cual se encuentre en fase con las variaciones de la velocidad. La implementación del estabilizador difiere dependiendo del tipo de señal empleada como entrada. Las señales de entrada comúnmente utilizadas son: variación de la velocidad del rotor, variación de la frecuencia del generador y variación de la potencia eléctrica. El estabilizador empleados para Caruachi, es de potencia acelerante, con entrada de Potencia eléctrica y ángulo rotórico. Y su función de transferencia, debe compensar las características de ganancia y fase del conjunto SE-Generador-SP asociado. Sus ajustes se basan en el análisis en el dominio de la frecuencia y en el tiempo. A continuación se presenta un modelo típico de PSS y a partir de este Edelca, realiza los ajustes respectivos, para adaptarlo al comportamiento adecuado Red modelada: Se modeló la red de potencia de EDELCA, en los niveles de 765 kv, 400 kv y 230 kv, hasta las Subestaciones de San Jerónimo, Santa Bárbara, La Horqueta, La Arenosa y Yaracuy. Figura 5. Modelo de Red simulada 765 kv, 400 kv y 230 kv. 3. SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Previo a estas simulaciones dinámicas (con aplicaciones de fallas), se ajustaron los modelos de red, de tal forma, que se ajusten a los esquemas reales de flujo de carga. Con la incorporación de la nueva central en el Sistema Eléctrico Nacional, se incrementa, además, de la potencia disponible, los niveles de cortocircuito, los cuales son importantes considerar, para no exceder las capacidades de los interruptores

5 asociados. Diversos estudios sobre el sistema determinaron que la subestación que se encuentra más afectada ante esta problemática es la S/E Guayana B, por su proximidad a la Planta Tocoma, además de afectarse por otras plantas como Guri, Caruachi y Macagua. Premisas para las simulaciones: A. En relación con el sistema de transmisión se consideró el diseño de conexión recomendado en marzo de 2000 por el Departamento de Interconexiones. B. Se realizaron simulaciones en régimen permanente para tres condiciones, basado en las demandas del año 2010, 2015 y demanda máxima de diseño para los sistemas involucrados. C. Las tensiones de referencia en las subestaciones asociadas a cada casa de máquinas del Bajo Caroní serán consideradas en las simulaciones como la tensión nominal, lo cual se fija en 1 p.u., como la tensión de referencia. D. Se considera la instalación de 10 generadores de 230 MW en Tocoma. E. Se considera para las simulaciones de flujo de carga, un máximo nueve (9) máquinas en Tocoma, Guri A y B, y once (11) máquinas en Macagua II y Caruachi. F. Las peores contingencias en el Sistema Eléctrico Nacional con una duración 75 milisegundos (4.5 ciclo) son las siguientes: Falla Trifásica en Caruachi Falla Trifásica en Guayana B Limpia Falla Trifásica en Guri 765 En la Figura 6, se puede apreciar que al instante de la perturbación existe una diferencia entre los voltajes terminales en el sistema Futuro y Actual de las plantas Caruachi, Macagua y Tocoma, donde el sistema Futuro cae un 11% menos que en el sistema actual, siendo Caruachi la planta más afectada, debido a que en ese punto es donde ocurre la perturbación. Figura 6. Voltaje Terminal en las barras de generación del Sistema en la falla trifásica en Caruachi. Figura 7. Respuesta de los Voltajes de campo pertenecientes al Sistema en la falla trifásica en Caruachi. En la Figura 7, se puede observar que al momento de la perturbación existe una diferencia entre las plantas de Macagua, Tocoma y Caruachi en el sistema actual y futuro, en donde el voltaje de campo del sistema futuro es menor un 6% que el sistema actual, debido a que en el sistema futuro se inyecta menos reactivos al sistema para mantener el voltaje nominal en las barras de generación.

6 Figura 8. Respuesta del Sistema Actual en frecuencia del Sistema en la Falla trifásica en Caruachi. Figura 9. Angulo Rotoricos del Sistema en la Falla trifásica en Caruachi. En la Figura 8, la respuesta en frecuencia para ambos sistemas (Actual y Futuro), es similar en la forma de comportamiento, pero no en su magnitud, ya que, el sistema futuro, presenta una variación del 1% menor que el sistema actual, por lo tanto el sistema futuro se estabiliza mucho más rápido que el sistema actual. En la Figura 9, se puede observar que existe una diferencia de ángulos rotóricos entre las máquinas de Macagua, Caruachi y Tocoma en el momento de la perturbación para los sistemas actual y futuro, debido al impacto que genera la falla sobre el sistema. El sistema futuro logra estabilizar el sistema 0.7 s antes que el sistema actual, por lo tanto al incorporar la central Tocoma el sistema es más estable y seg se recupera más rápido de esta perturbación. Figura 10. Voltaje Terminal en las barras de generación del Sistema en la Falla trifásica en Guayana B Limpia. Figura 11. Respuesta de los Voltajes de Campo de diversas maquinas pertenecientes al Sistema en la Falla trifásica en Guayana B Limpia. En la Figura 10, se puede observar que al instante de la perturbación existe una diferencia entre los voltajes terminales en el sistema Futuro y Actual de las plantas Caruachi, Macagua y Tocoma, donde el sistema Futuro cae un 9% menos que en el sistema actual, siendo Macagua la planta más afectada, debido a que es la planta que se encuentra más cercana a la perturbación. En la Figura 11, al momento de la perturbación existe una diferencia entre las plantas de Tocoma, Macagua y Caruachi en el sistema

7 actual y futuro, en donde el voltaje de campo del sistema futuro es menor un 8% que el sistema actual, debido a que en el sistema futuro se inyecta menos reactivos al sistema para mantener el voltaje nominal en las barras de generación. Figura 12. Respuesta en frecuencia del Sistema Actual en la Falla trifásica en Guayana B. Figura 13. Angulo Rotoricos del Sistema en la Falla trifásica en Guayana B Limpia. En la Figura 12, la respuesta de la frecuencia para ambos sistemas (Actual y Futuro), es similar en la forma de comportamiento, pero no en su magnitud, ya que, el sistema futuro, presenta una variación del 1% menor que el sistema actual, por lo tanto el sistema futuro se estabiliza mucho mas rápido que el sistema actual. En la figura 13, se puede observar que existe una diferencia de ángulos rotoricos entre las máquinas de Macagua, Caruachi y Tocoma en el momento de la perturbación en los sistemas actual y futuro, debido al impacto que genera la falla sobre el sistema, pero el sistema futuro logra estabilizar el sistema 0.8 s antes que el sistema actual, por lo tanto al incorporar la central Tocoma el sistema es más estable o se recupera mas rápido de una perturbación. Figura 14. Voltaje Terminal en las barras de generación del Sistema en la Falla trifásica en Guri 765 kv. Figura 15. Respuesta de los Voltajes de Campo de diversas maquinas pertenecientes al Sistema en la Falla trifásica en Guri 765 kv. En la Figura 14, observamos que al instante de la perturbación existe una diferencia entre los voltajes terminales en el sistema Futuro y Actual de las plantas Caruachi, Macagua y Tocoma, donde el sistema Futuro cae un 1% menos que en el sistema actual, en donde el voltaje terminal no se ve tan afectado de las plantas de Caruachi, Tocoma y Macagua por su lejanía al punto de falla. En la Figura 15, al momento de la perturbación existe una diferencia entre las plantas de Tocoma, Macagua y Caruachi en el sistema actual y futuro, en donde el voltaje de campo del sistema futuro es menor un 2% que el sistema actual, debido a que en el sistema futuro se inyecta menos reactivos al

8 sistema para mantener el voltaje nominal en las barras de generación. En la Figura 16, la respuesta de la frecuencia para ambos sistemas (Actual y Futuro), es similar en la forma de comportamiento, pero no así en su magnitud, ya que, el sistema futuro, presenta una variación del 1% menor que el sistema actual, por lo tanto el sistema futuro se estabiliza mucho más rápido que el sistema actual. Figura 16. Respuesta de la frecuencia del Sistema Figura 17. Ángulo Rotóricos del Sistema en la Falla Actual en la Falla trifásica en Guri 765 kv. trifásica en Guri 765 kv. En la Figura 17, existe una diferencia de ángulos rotóricos entre las máquinas Macagua, Tocoma y Caruachi debido al impacto que genera la falla sobre el sistema, donde el sistema Futuro logra estabilizar al sistema 1 seg mas rápido que el sistema actual, por lo tanto al incorporar la central Tocoma el sistema se recupera más eficientemente de una perturbación. 4. CONCLUSIONES En las simulaciones para el año 2010 se obtiene la mejor distribución de potencia reactiva en las casas de maquinas si Caruachi tiene 2% más de tensión que Macagua y Tocoma tiene 1% más que Macagua. En este caso el factor de potencia no excede 98% en adelanto y 99% en atraso. Al incorporar la Central Hidroeléctrica Tocoma la estabilidad del sistema se recupero en las diferentes falla evaluadas entre 0.8 y 1 seg más rápido que el sistema actual, por lo tanto ella contribuye a que el sistema se recupere más eficientemente. En los casos de fallas trifásicas de 4.5 ciclos de duración, las excitatrices actualmente en operación, poseen voltajes de campo de hasta 8% mayores que el sistema futuro, es decir en el sistema actual deben inyectar mayor cantidad de reactivos capacitivos, para mantener un voltaje determinado en barras y en el sistema futuro la frecuencia atenúa un 1%, en comparación con el sistema actual En las simulaciones se obtuvo un factor de potencia mayor a 98%, considerando 10 máquinas en Tocoma y todas las casas de maquinas restantes con tensión de referencia nominal. BIBLIOGRAFÍA [1] DeMello, F.P., Concordia, Ch.; Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control. IEEE Transactions on PAS, Vol. PAS-88, N 4, April 1969, p.p [2] Anderson, P.M., Fouad A.A.; Power System Control and Stability. The Iowa State University Press. Volume I. Third printing [3] William D. Stevenson Jr, Segunda edición (1979). Análisis de sistemas de potencia, McGraw Hill.

9 [4] C.V.G. Electrificación del Caroni C.A. EDELCA, Descripción y Funcionamiento de los Gobernadores de Casa de Máquinas II de Gurí. Departamento de Ingeniería de Despacho. Informe Técnico: N Enero 1989.