MODELO A ESCALA DE UN CONTROLADOR DINÁMICO DE VOLTAJE

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1 MODELO A ESCALA DE UN CONTROLADOR DINÁMICO DE VOLTAJE Fernando Toledo Toledo UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA Unidad Azcapotzalco, Departamento de Energía, Área Eléctrica Av. San Pablo # 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200, México, D.F. ttf@correo.azc.uam.mx José Dolores Juárez Cervantes UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA Unidad Azcapotzalco, Departamento de Energía, Área Eléctrica Av. San Pablo # 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200, México, D.F. jjc@correo.azc.uam.mx Ricardo Mota Palomino INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Electrica -Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Unidad Profesional Adolfo López Mateos Edificio Z-4 1 er piso, Col. Lindavista. C.P , México, D.F. rmotap@ipn.mx Abstract. Se presenta el diseño e implementación de un modelo a escala de un controlador de voltaje para una red de distribución basado en el principio de inyección dinámica de reactivos, conjuntamente con un programa computacional en lenguajes Fortran y Visual Basic para el monitoreo, análisis y determinación de las inyecciones reactivas para el control del voltaje y las etapas de diseño de la red a escala incluyendo los sistemas de comunicación entre la red y el algoritmo computacional. Se comparan los resultados obtenidos con esta inyección reactiva dinámica. Keywords. Regulación de voltaje, Compensación reactiva de alimentadores, Control dinámico de voltaje. 1. INTRODUCCIÓN Las redes de distribución se caracterizan por tener efectos capacitivos despreciables, de esta manera sus componentes (líneas, alimentadores y transformadores) pueden ser modelados como líneas cortas. Inyectando reactivos en puntos estratégicos se puede tener el control de voltaje inclusive considerando márgenes de regulación diferentes para cada nodo de la red [1]. El prototipo de Simulación de Inyección Reactiva Dinámica, presenta las siguientes características: Cuenta con una interfaz en ambiente Windows, la cual permite al usuario realizar fácilmente las tareas de medición de voltajes e inyección de reactivos. La etapa de electrónica de potencia conformada por triac s para conectar los capacitores permite poder manejar voltajes muy altos, con requerimientos de señales de disparo (corrientes) muy pequeñas. La red cuenta con tres nodos en los que se pueden variar dinámicamente las condiciones de carga (y consecuentemente de voltaje), para simular la variación real de perfiles de demanda y voltaje de la red. Los valores tanto de cargas, como de las líneas presentan (dentro de sus límites de linealidad), características muy similares a los que se presentan en una red real. En el presente trabajo, se realizaron los cálculos necesarios para la parametrización de los valores de cargas y líneas, se muestran ejemplos de las simulaciones computacionales del algoritmo de compensación reactiva dinámica, comparando los voltajes nodales obtenidos sin mecanismo de regulación vs. inyección reactiva dinámica. 2. PARÁMETROS DEL MODELO La figura 1 muestra la red típica para la implementación del sistema de inyección reactiva dinámica para el control de voltaje. 1

2 1 2 3 Módulo de inyección reactiva dinámica (abierto) 4 Fig. 1. Red con inyección reactiva dinámica. Con el fin de contar con un sistema a escala para simular las condiciones reales de operación, se construyó una red de distribución de energía eléctrica a escala mediante un arreglo de mallas Resistor-Inductor (RI), como se muestra en la figura 2. Los parámetros de los elementos utilizados, se eligieron de acuerdo a los valores típicos de las redes de distribución aéreas (23kV) de la zona metropolitana de la cd. de México, estos parámetros se muestran a continuación:!"módulo de líneas de transmisión. Dos líneas de transmisión con los siguientes valores de impedancia: Línea 1 (nodos 2-3) Z L1 = j 7.99 [Ω] X/R = Línea 2 (nodos 3-4) Z L2 = 2.3+j6.404 [Ω] X/R = nodo 1 nodo 2 nodo 3 nodo 4 Z L1 Z L2 Z C1 Z C2 Z C3 Figura 2. Circuito de simulación para el controlador.!"sistema de cargas. Tres cargas, con los siguientes valores: Carga 1 (nodo 2) Z L1 = j51.46 [Ω] X/R = Carga 2 (nodo 3) Z = j39.32[ω] X/R =

3 Carga 3 (nodo 4) Z = 86 + j52.78 [Ω] X/R = 0.61!"Módulo de Transformador. Relación de transformación 1:1 Voltaje de operación 127 a 220 [V] Corriente nominal 0.5 [A]!"Banco de capacitores. Tres bancos de capacitores los cuales están formados por ocho capacitores de 10 [µf] cada uno, teniendo las siguientes características de operación (todos con rango de operación de voltaje de 127 a 200 [V]): Banco 1 (nodo 2) Rango de Potencia Reactiva: [VA] (un solo capacitor) [VA] (ocho capacitores) Banco 2 (nodo 3) Rango de Potencia Reactiva: [VA] (un solo capacitor) [VA] (ocho capacitores) Banco 3 (nodo 4) Rango de Potencia Reactiva: [VA] (un solo capacitor) [VA] (ocho capacitores)!"módulo de adquisición y transferencia de datos Adquiere los valores de voltaje en cada nodo, interrelaciona con el algoritmo computacional [1], [4], [7], el cual determina la cantidad de inyección requerida para cada nodo en forma de ángulo de disparo para los triac s que conforman el módulo de inyección reactiva dinámica de cada nodo (figura 1). 3. MODELADO Y SIMULACIÓN COMPUTACIONAL Utilizando una potencia base S base = 100 [VA] y un voltaje base V base = 127 [V], se construye el archivo de datos siguiente: Número de nodos = 4 Número de elementos = 3 Elementos: Transformador 1-2 Z pu = j = Líneas: 2-3 Z pu = j = Z pu = j = Cargas (impedancia): 1 Z pu = j = Z pu = j = Z pu = j = Cargas (potencia): 1 S pu = j = S pu = j = S pu = j =

4 Potencia reactiva disponible en los bancos de capacitores 1 1 Xc = = = [Ω] 2. Π.f.c (2Π)(60Hz)(10µ f ) 2 2 V (127) Qc = = = [VAR] por capacitor Xc Estos valores se introducen al programa flu_cdv, el cual determina la cantidad de potencia reactiva necesaria para mantener los voltajes nodales dentro del margen de regulación especificado individualmente. Los resultados resumidos de la simulación, se muestran a continuación: NUMERO DE NODOS = 4 NUMERO DE ELEMENTOS = 3 >> CONDICIONES DE LA SIMULACION << POTENCIA BASE = VA NO. DE ITERACIONES MAX. = 90 TOLERANCIA DE CONVERGENCIA: Potencia activa =.100E-02 Potencia reactiva =.100E-02 Control de regulacion (%) = 5.00 EL NODO: 3 TIENE BAJO VOLTAJE EL NODO: 4 TIENE BAJO VOLTAJE >> INYECCIONES REACTIVAS >> Nodo delta_q(pu) delta_q(var) >> POTENCIAS NETAS MODIFICADAS >> NODO INYECCION DE POTENCIA (VAR) POTENCIA COMPLEJA MODIFICADA (VA) j j j j >> EL SISTEMA CONVERGIO EN:25 ITERACIONES >> Voltajes (pu) considerados como reales: NODO Rectangular Magnitud Grados j j j j SISTEMA DE ADQUISICIÓN DINÁMICA DE DATOS (SADD) Para la comunicación y transferencia de información entre la computadora y el circuito simulador, se desarrolló un Sistema de Adquisición Dinámica de Datos (figura 3). La mayoría de las PC y sistemas industriales de cómputo están provistos de al menos un puerto serial estándar (RS-232). Aunque es ampliamente aceptado, el RS-232 tiene limitaciones en cuanto a velocidad de transmisión y alcance, además no posee características intrínsecas de conectividad en red. Se eligió de las posibles opciones de diseño, el puerto del tipo RS-485, el cual supera estas limitaciones teniendo las características: Tasa de transferencia de hasta 10 Mbit/s. 4

5 Distancia de enlace de hasta 1200 m. Transmisión diferencial, que le permite tener menor sensibilidad al ruido Múltiples transmisores y receptores. Para cumplir con el estándar RS-485 e insertar a la PC como un nodo más de la red es necesario colocar una interfaz, esto se logra mediante la inserción de una tarjeta, o como se propone aquí, con un convertidor de RS-232 a RS-485. El SADD realiza esta tarea mediante el puerto serial y un convertidor de RS-232 a RS-485 que es el nodo 0 (figuras 3 y 4). Figura 3. Topología del SADD Al recibir los parámetros de voltaje mediante el SADD, el programa determina las características de los ángulos de disparo para cada módulo de la electrónica de potencia, inyectando el valor adecuado de potencia reactiva a cada nodo. Esta inyección produce un cambio en los voltajes, misma que se retroalimenta al algoritmo computacional mediante el SADD. El proceso se repite hasta que las magnitudes de voltajes nodales quedan dentro de los márgenes de regulación [5], [6]; la estructura completa del sistema de inyección se muestra en la figura 5. Figura 4. Módulo de adquisición de datos. 5

6 127 V línea 1 línea 2 Carga 1 Carga 2 Carga 3 Módulo IR 1 Banco C1 Puerto serie Computadora Módulo IR 2 Banco C2 Módulo IR 3 Banco C3 Figura 5. Conexión de módulos del sistema de inyección reactiva. 5. CONSIDERACIONES Y LIMITACIONES DEL MODELO El proceso de control de voltajes se puede ajustar dinámicamente tanto en el valor de regulación por nodo, como en el tiempo y acción de inyección reactiva, cuando la cantidad requerida de reactivos es excesiva, el nodo se comporta sin control de voltaje, de esta manera es necesario previamente a la aplicación práctica realizar estudios de ubicación óptima de bancos reactivos. La figura 6 muestra en forma breve las pantallas de voltaje para antes y después de la inyección reactiva. Fig.6. Cambios de voltajes nodales. No ha sido posible la inyección dinámica de reactivos por capacitor, esto se debe fundamentalmente a que cuando los ángulos de conducción son reducidos, se genera una distorsión en la onda de voltaje y se alteran los ritmos de conducción de los Triac s. La figura 7 muestra el comportamiento ideal de la corriente y el voltaje a una conducción total. 6

7 Figura 7. Voltaje y corriente a conducción máxima. Por el contrario, la figura 8 muestra el comportamiento del voltaje y corriente cuando los triac s conducen a un ángulo reducido (30º). Se observa que la onda de tensión se distorsiona severamente afectando los parámetros de conducción e inyección reactiva. Figura 8. Voltaje y corriente para ángulo de conducción de 30º. Al verse alterados por este fenómeno los valores de inyección reactiva, los voltajes en los nodos que requerían baja inyección se sobrepasaban en valor debido a la conducción incorrecta de los triac s. Al aumentar los reactivos requeridos por el nodo y consecuentemente los ángulos de conducción, la distorsión en voltaje se reducía teniendo un mejor control de inyección reactiva, como lo muestra la figura 9. Figura 9. Voltaje y corriente para ángulo de conducción de 80º. 7

8 Esta limitación se solucionó preliminarmente seccionando los bancos de inyección reactiva y permitiendo una contribución superior al 50% del total de cada uno de ellos. Con esto en forma práctica no es posible inyectar reactivos en rangos continuos. Este prototipo ha comprobado la viabilidad técnica del modelo y se pretende conjuntamente ampliar el número de nodos del prototipo y mejorar el control de conducción de la fase de electrónica de potencia. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. El modelo del controlador dinámico de voltaje es viable, según lo demuestran los resultados obtenidos. 2. Se debe tener mucho cuidado en operar en lo posible en la parte lineal de la característica del modelo, ya que con ángulos de disparo menores a 30º de los triac s, se produce una gran distorsión de la forma de onda de voltaje. 3. Para operar en la zona de ángulos mayores a unos 80º se requiere hacer regulación discreta, de modo que cada capacitor opere en lo posible con cargas cercanas a su potencia nominal. 4. Se puede mejorar el modelo ampliando el número de nodos y obteniendo características de comportamiento para diversos regímenes de operación. 7. REFERENCIAS [1] F. Toledo T., J.D. Juárez C., R.A. Alcántara R. Control de Voltaje en Redes de Distribución Mediante Compensación Reactiva Dinámica IV Congreso Latinoamericano Generación y Transporte de Energía Eléctrica. Viña del Mar, Chile, Nov., [2] Augugliaro, A. Dusonchet, L. y Mangione, S.: Compensation on Radial Distribution Systems Using Nonlinear Programming. Electric Power Systems Research, V.19. no.2, Aug [3] Ekwue, A., Cory B.: Transmission System Expansion Planning by Iterative Methods. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, V.103, July [4] Scott, W.: Computerizing the Engineering of Distribution Systems. Transmission & Distribution International [5] IEEE std (R99): Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Press. [6] Dugan R., McGranaghan M., Beaty H.: Electrical Power Systems Quality, McGraw Hill, [7] Microsoft Corporation: Microsoft Fortran PowerStation ver. 4.0, Programmer s Guide 8. Copyright Notice The printed material included in this paper is author s responsability. 8