DISEÑO E IMPLANTACIÓN EN UN GENERADOR SÍNCRONO REAL DE UN REGULADOR DE POTENCIA PRIMARIO

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1 DISEÑO E IMPLANTACIÓN EN UN GENERADOR SÍNCRONO REAL DE UN REGULADOR DE POTENCIA PRIMARIO Autor: Sanz Ull, Alejandro Directores: Egido Cortés, Ignacio; Sigrist, Lukas. Entidad colaboradora: ICAI- Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO La motivación de este proyecto es sentar las bases para poder implementar un sistema eléctrico a escala muy reducida en el laboratorio. Este pequeño sistema eléctrico permitirá ir un paso más allá de las simulaciones que se hacen actualmente con programas como Matlab o PSSE porque existirá la opción de contrastar las simulaciones e incluso abre la posibilidad de introducir mejoras en los modelos disponibles. El objeto más inmediato de comprobación son las microrredes o redes aisladas y la implantación de controles en dichas redes. Para ello, el objetivo inmediato de este proyecto es implementar un regulador de potencia primario en un generador real para en un futuro conectar varias máquinas del laboratorio e instalar un regulador secundario en el sistema. En un sistema real además habría un regulador de excitación, que queda fuera del alcance de este proyecto. Para una operación satisfactoria de un sistema eléctrico la frecuencia debe permanecer tan constante como sea posible. Un control estricto de la frecuencia asegura que la velocidad de las máquinas síncronas y de inducción permanezca constante. Es realmente importante que dicha velocidad sea constante para que los generadores tengan un buen comportamiento, ya que dependen en gran medida de las turbinas y de las máquina auxiliares cuyo funcionamiento a su vez es sensible a desvíos de frecuencia. En un sistema eléctrico la potencia generada debe ser en todo momento igual a la potencia de demanda más las pérdidas. Si la potencia demandada aumenta, la frecuencia cae, y viceversa. El valor final de frecuencia en régimen permanente depende del estatismo, que es la proporción entre el cambio de frecuencia y el cambio de potencia generada. En el caso de este proyecto se implantará un regulador primario en un generador síncrono aislado. Normalmente lo que mueve el generador es una turbina de gas o un motor diesel, que en este caso se sustituirá por un motor asíncrono accionado por un variador de frecuencia y un inversor, tal como se muestra en la figura 1.

2 Figura 1: diagrama de bloques reducido del sistema que se montará en el laboratorio. Usar una máquina de inducción tiene varias ventajas, sobre todo a la hora de realizar las simulaciones porque el motor es mucho más flexible gracias al variador. Previamente al trabajo en el laboratorio se simularon los ensayos que se realizaron para tener una referencia de los resultados que se esperaban. Las simulaciones se han llevado a cabo mediante el software Simulink, y se han usado los modelos de las máquinas eléctricas proporcionados por el profesor (Fidel Fernández) de la asignatura Accionamientos Eléctricos de 4º IIND de la Universidad Pontificia Comillas. Los modelos fueron realizados por Juan Luís Zamora, también profesor de la misma universidad. Estos modelos son de régimen dinámico, por lo que hay que elegir un sistema de referencia que en el caso de este proyecto es el denominado rotor oriented frame (ROF) en el que el eje d coincide con el flujo total del rotor. Normalmente en Simulink se usa el solver de paso variable ODE 45, que es de propósito general, pero en el caso de estas simulaciones se encontró que el solver ODE 15 stiff es mucho más rápido debido a la rigidez del sistema simulado. Se han realizado dos tipos de simulaciones, el arranque de las máquinas y los ensayos en carga, que consisten en realizar cambios de carga en escalón. A continuación se detallan las simulaciones y los ensayos realizados: Arranque hasta 2 kw con carga resistiva. De 0 a 1 kw con carga resistiva y estatismo del 4 %. Cambio de 2 a 4 kw con carga resistiva. Cambio de 4 a 3 kw con carga resistiva. Reducción de la tensión de excitación en un 20%. Cambio de 1.6 kw a 2.6 kw+j 1.5 kvar con carga resistiva e inductiva (1.5kvar). Cambio de 0kvar a 1.5kvar con carga resistiva (2 kw) e inductiva Estos valores se han elegido de acuerdo a los aparatos disponibles en el laboratorio.

3 Una vez simulado el sistema se utilizó el variador Unidrive SP para controlar el motor. El variador usa control vectorial para el control en lazo cerrado pero no se conocen todos los detalles del mismo, lo que unido a que no se conocen los parámetros exactos del generador da lugar a pequeñas discrepancias entre los ensayos y las simulaciones. Para realizar las medidas se utilizó la tarjeta de adquisición de datos de National Instruments NI- PCI 6221(37-PIN) junto con la toolbox de Simulink Real Time Windows Target, para realizar las medidas en tiempo real. A la tarjeta se conectaron varias sondas de corriente y de tensión para poder realizar las medidas de tensión y corriente del estator del generador, intensidad de excitación. Para medir la velocidad se utilizó un encoder incremental. Las medidas capturadas tenían una gran componente de ruido de alta frecuencia que las distorsionaba enormemente, por lo que se diseñaron dos filtros paso bajo para obtener las señales reales. Se trata de dos filtros Butterworth diferentes porque las señales son de dos tipos. La intensidad de excitación y la velocidad deberían ser constantes, por lo que se puede utilizar una frecuencia de corte muy baja, que se fijó para este caso en 5Hz, mientras que para el caso de la tensión y la corriente del estator, como son señales senoidales de 50 Hz la frecuencia de corte se determinó en 90 Hz. El criterio para fijar esta frecuencia fue que no se atenuara significativamente la señal y que no presentara un ruido excesivo tras ser filtrada. Para el cálculo de la potencia activa se calculó el valor eficaz de las señales de tensión e intensidad alternas senoidales medidas. También, al hacer los ensayos, se producían vibraciones en la máquina síncrona que aumentaban para valores grandes de la ganancia del control proporcional y al aumentar la potencia generada. Para no dañar las máquinas se decidió aumentar el estatismo hasta el 40% frente al 4% habitual, lo que hizo que las vibraciones en las máquinas fueran menores. En cualquier caso, se realizó un ensayo con el estatismo del 4% habitual para comprobar el funcionamiento del sistema en este caso. Finalmente se comparan los resultados de los ensayos con los de las simulaciones, y se encontró que los resultados de los ensayos son los esperados. Existen en ocasiones diferencias entre las simulaciones y los resultados de los ensayos, que son debidos fundamentalmente a la diferencia entre los valores utilizados de los parámetros en las simulaciones y los valores reales. En el futuro, dado que el sistema funciona satisfactoriamente salvo por el problema de las vibraciones, se podría implantar un control automático de la excitación, necesario para evitar las grandes variaciones de tensión de salida que se producen en el generador. A continuación se puede realizar la conexión de varias máquinas a la misma red y finalmente la implementación de un regulador secundario.

4 DESIGN AND IMPLANTATION OF A PRIMARY POWER CONTROL IN A REAL SINCHRONOUS GENERATOR The motivation for this project is to establish the basis to implement a small scale electric power system in the laboratory. This small electric system will allow to go a step further than the simulations currently performed with computer programs like Matlab or PSS/E, because it makes it possible to compare the actual results with the simulations and even maybe improving the models available. The most obvious application of this system are microgrids or isolated grids. In order to do this, the immediate objective of this project is to implement a primary power regulator in a real generator to be able in the future to connect several machines by the inner grid of the laboratory and to be able to install a secondary regulator in the system. In a real system there would be also a voltage regulator but it is not within the scope of this project. For a good operation of an electric power system, frequency must remain as constant as possible. A strict control of frequency ensures that the speed of synchronous and asynchronous machines remains constant. It is really important that this speed is constant so the generators have a good behavior, given that they operation is linked to that of the turbines and auxiliary machines whose operation is in turn sensible to frequency trips. In an electric power system, generated power must be always equal to demand power plus losses. If the demand is increased the frequency will drop and vice versa. This drop depends in steady state of the droop, which is the ratio between the change of frequency and the change of generated power. In the case of this project the primary power regulator will be set in an isolated synchronous generator. Usually the generator is moved by a gas turbine or a diesel engine, which is replaced here by an asynchronous motor. The motor will be driven by an AC drive, as shown in figure 1. Figure 1: Block diagram of the system that will be implanted in the laboratory.

5 Using an induction machine has several advantages, especially when carrying out the tests because the motor is very flexible thanks to the AC drive. Some simulations were carried out before the laboratory tests to have a reference of the expected results. The simulations were preformed using Simulink, and the models of the machines and AC drives used were provided by Fidel Fernández, the professor of the course Electric Drives which belongs to the fourth year of industrial engineering in the Universidad Pontificia Comillas. The models were developed by Juan Luís Zamora. These models are dynamic state models, so a frame reference must be chosen. In the case of this project the reference frame chosen is a rotor oriented frame (ROF) in which the direct axis coincides with the rotor flux. The most used variable step solver in Simulink is ODE 45, a general purpose solver. However, it was found out that in the case of this project the solver ODE 15stiff gives faster results due to the stiffness of the systems simulated. There are two kinds of simulations that were carried out, the starting of the machines and the load tests, which consist on making a load step change starting from steady state. The simulations carried out are: Starting the machine up to 2 kw with resistor load. From 0 to 1 kw with resistive load and 4% droop. From 2 to 4 kw with resistive load. From 4 to 3 kw with resistive load. Decreasing field voltaje by 20%. From 1.6 kw to 2.6 kw with resistive and inductive (1.5kvar) load. From 0kvar to 1.5kvar with resistive (2 kw) and inductive load. These values were chosen according to the devices available in the laboratory. Once the system was simulated, the Unidrive SP AC drive was used to drive the induction motor. The AC drive uses vector control when doing closed loop control but not all of its details are known. Besides, the real parameters of the electric machines are unknown. That leads to some differences between the tests and the simulations. In order to measure the different magnitudes a data acquisition card was used. The card is the NI- PCI 6221 (37-PIN) from National Instruments. This card is connected to the Simulink toolbox Real Time Windows Target to measure in real time. Several voltage and current probes were connected to the card to be able to measure stator voltage and current and field current. The speed was measured by an incremental encoder.

6 The acquired measures had a very strong high frequency noise that distorted them, so two different low pass filters were designed to obtain the real signals. Two different Butterworth filters were designed because there are two kinds of signals. The field current and the speed of the generator should be constant, so a very low cutting frequency can be used. The cutting frequency in this case was fixed to 5 Hz, while the stator voltage and current are 50 Hz sine waves and the cutting frequency was determined to 90 Hz. The guidelines used to obtain the cutting frequency were that the signal should not be significantly attenuated while the noise after the low pass filter was not excessive. In order to calculate the active power, the root mean square value of the voltage and current signal were computed. Besides, while doing the tests, the machine would vibrate too much and the vibrations increased when increasing the generated power and the proportional control gain. In order not to damage de machines it was decided to increase the droop up to 40% (from the typical 4%), what caused the machines to vibrate less. However, a 4% droop test was made, which is a reasonable value. Finally, the results of the simulations and the tests are compared. It was found out that the results of the tests are similar to what was expected while the results of the simulations in some cases are different because of the modeling uncertainties. In the future, as it has been proved that the system works properly except for the vibrations, an automatic voltage control could be implemented. Later, several machines can be connected through the same grid and a secondary power regulator can be added to the complete system.