MEJORAMIENTO DE LOS PERFILES DE TENSIÓN USANDO UN REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN IMPLEMENTADO CON TÉCNICAS ADAPTIVAS

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1 Scienia e Technica Año XII, No 3, Mayo de 6 UTP. ISSN MEJORAMIENTO DE LOS PERFILES DE TENSIÓN USANDO UN REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN IMPLEMENTADO CON TÉCNICAS ADAPTIVAS RESUMEN El problema fundamenal del conrol de ensión consise en manener su magniud en erminales de la máquina síncrona denro de los límies esablecidos, uilizando diversas esraegias de regulación. La propuesa que se presena en ese arículo se oriena a la aplicación de una meodología adapiva en el desarrollo de un regulador auomáico de ensión (AVR), para que responda ane diversas perurbaciones realizadas sobre la máquina. Para la validación de la meodología propuesa, se uiliza el sisema de prueba compueso principalmene por una máquina síncrona y un puene semiconrolado. Los resulados son poseriormene comparados con un AVR clásico del ipo proporcional inegral PI. PALABRAS CLAVES: Conrol adapivo, regulador auomáico de ensión, máquina síncrona ABSTRACT The fundamenal problem of he volage conrol is o mainain is value in he synchronous machine erminals beween esablished limis, by using several regulaion sraegies. The proposed approach presened in his paper is aimed o apply an adapive mehodology o develop an Auomaic Volage Regulaor (AVR) capable o work well under differen perurbaions of he sincronous machine. To validae he proposed mehodology, a real es sysem composed mainly by a sincronous machine and a semiconroled bridge is used. The obained resuls are compared wih he ones obained from a classic proporional inegral AVR. SANDRA MILENA PÉREZ LONDOÑO Ingeniera Elecricisa, MS.c Profesor asisene Universidad Tecnológica de Pereira saperez@up.edu.co JUAN JOSÉ MORA FLÓREZ Ingeniero Elecricisa, Ph.D.(c) Profesor auxiliar, Universidad ecnológica de Pereira jjmora@ohm.up.edu.co Grupo de Invesigación en Calidad de Energia Elecrica y Esabilidad ICE3 Grupo de Planeamieno de Sisemas Elécricos GPE KEYWORDS: Adapive conrol, auomaic volage regulaor, synchronous machine. INTRODUCCIÓN A comienzos de la década de los novena, se comenzó oficialmene a fomenar el inerés en los emas concernienes a la calidad del servicio de energía elécrica en muchos países, debido principalmene al nuevo mercado de libre compeencia del secor elécrico. La calidad por ano se oma hoy día como un buen reflejo de la paricipación de las empresas en el mercado energéico y uno de los aspecos de mayor inerés frene a las exigencias del secor a nivel mundial. En Colombia, a parir del esablecimieno del nuevo marco regulaorio del secor elécrico, se preende foralecer el mercado elécrico desde la ópica de la calidad del produco []. En un sisema elécrico de poencia, y en el mismo marco de la calidad, es indispensable manener los niveles de ensión denro de límies definidos para eviar daños a los equipos e inconvenienes a los usuarios del sisema. Adicionalmene, para asegurar la calidad y confiabilidad en el suminisro de energía elécrica, se hace necesario uilizar disposiivos reguladores en los sisemas de generación de la misma []. Específicamene para la maquina síncrona se cuena con el regulador auomáico de ensión (mejor conocido como auomaic volaje regulaor - AVR), el cual es el encargado de acuar sobre el sisema de exciación de la máquina. Generalmene la implemenación del AVR, se ha realizado con écnicas clásicas, ales como el conrol proporcional inegral derivaivo (PID), pero en los úlimos años debido al éxio que han enido las meodologías adapivas, ésas se han empleado como écnicas de conrol con el propósio de incremenar la robusez del conrolador ane cambios en condiciones de operación y en la configuración del sisema de poencia [3,4,5]. En [6], se presenaron los resulados de la uilización de la idenificación en línea de los parámeros de un modelo para la maquina síncrona, los cuales serán uilizados para el poserior desarrollo de la meodología adapiva presenada en ese arículo. Fecha de Recepción: 6 Enero de 6 Fecha de Acepación: 8 Abril de 6

2 54 Como conenido, en la sección de ese arículo se presena la configuración del monaje experimenal desarrollado en el laboraorio para la prueba del algorimo propueso. En la sección 3 se muesran los aspecos más imporanes de la implemenación del AVR adapivo, mienras que en la sección 4 se presenan las pruebas experimenales realizadas y la comparación enre los sisemas clásicos y adapivos. Finalmene se presenan las conclusiones derivadas de esa implemenación real.. CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL En la figura, se presena un esquema de la configuración uilizada en el laboraorio, para probar la propuesa aquí presenada. Primo moor Puene semiconrolado Máquina Síncrona Ángulo de disparo A B C Circuio de campo Transducores de ensión Tarjea de adquisición Figura. Configuración uilizada en el laboraorio.. Sisema de exciación Carga El sisema de exciación uilizado e implemenado en ese proyeco es del ipo esáico y consa de un puene recificador monofásico semiconrolado, el cual alimena el circuio de campo de la máquina síncrona. La esrucura uilizada para la implemenación del puene se ilusra en la figura. RAT Scienia e Technica Año XII, No 3, Mayo de 6. UTP la corriene en el campo con la disminución del ángulo α; por oro lado, si se deeca una ensión en erminales de la máquina mayor al limie superior permiido, la corriene del campo se disminuye con el aumeno del ángulo α. Para el conrol de los recificadores con irisores se realiza un disparo de los mismos mediane un conrol de fase, de manera que los pulsos que se envíen a las pueras de los irisores engan siempre el mismo reardo, es decir, que esén sincronizadas con la ensión de red. Para ello se uilizan los siguienes elemenos en la implemenación real del circuio en el laboraorio: Circuio deecor de cruce por cero: Encargado de deerminar el insane en que señal de alimenación del circuio conrol realiza cruces por cero Sisema de emporización: Implemenado con un microconrolador PIC6F84A, que recibe el valor del ángulo de disparo de los irisores enviado desde el compuador. Ése emporiza después de recibir la señal de habiliación del circuio deecor de cruce por cero y envía los pulsos digiales al circuio de aislamieno. En el sisema implemenado, se cuena con la capacidad de variar los pulsos desde º hasa 8º. Adicionalmene se ienen lo siguienes elemenos uilizados en la implemenación: Sisema de medición: Encargado de obener la ensión en erminales del generador a ravés de ransducores. Se uilizaron res ransducores CCT8 de Omega, rango de enrada de a 65 V ca. Circuio de aislamieno: Es el encargado de aislar la inerface de conrol de la inerface de poencia por medio de opoacopladores. Fuene regulada ± volios: Suminisra alimenación al microconrolador. En la figura 3, se presena el hardware implemenado como puene recificador semiconrolado. Rp Lp Rs Ls X X V ~ Al campo de la máquina síncrona T D D Figura. Puene semiconrolado La variación de la ensión de campo se realiza a ravés de la variación en el ángulo de disparo de los irisores (α) del puene. Así, cuando el sisema de exciación deeca una baja ensión en la salida del generador, se incremena Figura 3. Hardware desarrollado como puene recificador

3 Scienia e Technica Año XII, No 3, Mayo de 6. UTP 55. Regulador auomáico de ensión (AVR) El regulador de ensión es la pare ineligene del sisema de conrol de la exciación de la máquina. Ane una perurbación en el sisema, es necesario que ese regulador acúe lo más rápidamene posible para reesablecer unas condiciones normales. Con el desarrollo rápido de los disposiivos y ecnologías elecrónicas, se ha viso en gran medida favorecida la implemenación de reguladores digiales. Las funciones básicas de un AVR son las siguienes: Regular el nivel de ensión en los bornes del generador, maneniéndolo denro de los límies operaivos considerados como normales. Aplicar señales de esabilización para mejorar el funcionamieno de la máquina, ano en esado esacionario como en esado ransiorio. El AVR implemenado en el proyeco que se referencia en [7] es del ipo PI clásico, donde sus consanes proporcional Kp, e inegral Ki, son esablecidas de una manera empírica por medio del méodo de ensayo y error, para la condición nominal de operación de la máquina. El procedimieno clásico para sinonizar el conrolador es el siguiene: a. Se elige un valor de Kp para el cual no se presene una gran sobreoscilación, cuando la máquina se somee a una señal ipo escalón en el circuio de campo. La consane Ki en ese momeno se hace cero. b. Poseriormene se reduce un poco la consane proporcional para añadir la consane inegral, con la cual se busca anular o en su defeco reducir el error en régimen permanene. Los valores de las consanes obenidas por ese procedimieno se presenan en la abla. Figura 4. Respuesa del generador ane una variación del % en la carga, sin AVR y con AVR 3. IMPLEMENTACIÓN DEL AVR ADAPTIVO La idea básica del conrol adapivo es modificar los parámeros que definen el regulador (PID, por ejemplo) en iempo real, de acuerdo con el comporamieno insanáneo del sisema. De ese modo, suponiendo que un conrolador se hubiese ajusado adecuadamene para deerminadas condiciones, el ajuse no sería válido si alguna de ellas cambiase; en cambio la uilización de las écnicas de conrol adapivo permien reajusar los parámeros del regulador cada vez que el comporamieno del sisema se modifica. El AVR fue desarrollado uilizando un méodo de conrol adapivo, que pare de un comporamieno ideal del sisema, definido mediane un modelo de referencia. La diferencia insanánea enre el comporamieno real del sisema y el modelo deseado, se uiliza para calcular los parámeros del conrolador. En ese ipo de esquema es uilizada la idenificación en línea de la plana. [8]. El esimador implemenado en [6] deermina los parámeros con base en el ensión de erminales de la máquina síncrona V(k), sus dos valores aneriores, V(k- ) y V(k-), la señal de conrol U(k) y sus valores aneriores, U(k-) y U(k-), al como se presena en la figura 5. Kp Ki.7 Señal de referencia ref(k) Conrol un Paso adelane Señal de conrol U(k) Máquina sincrona Señal de salida V(k) Tabla. Parámeros del conrolador Z - Z - Esimador de parámeros Z- Z- El resulado para una variación en la carga obenido con el conrolador sinonizado, en comparación con el resulado sin conrolador se presena en la figura 4. En esa figura se muesra que la caída de ensión del sisema con AVR, en el momeno de la perurbación, es sólo del % durane un coro iempo El sisema sin AVR presena una caída mucho más grande, cercana al % y que se maniene mienras no se reira la carga o se varía manualmene la exciación de la máquina. Figura 5. Conrol un paso adelane El vecor de parámeros esimados por el idenificador esá definido por:

4 56 [ b b b a a ] Thea ( k ) = a () El conrolador adapaivo uilizado es del ipo un paso adelane [3]; en él se uiliza la ecuación DARMA [4], pero ahora incluyendo la salida deseada en un insane de iempo (k+), es decir: Scienia e Technica Año XII, No 3, Mayo de 6. UTP condiciones iniciales en la ensión referencia. Se observa que el iempo de esabilización permanece en 5 s. V ( k + ) = b u( k) + b u( k ) + b u( k ) + a V ( k) + a V ( k ) + a V ( k ) () Por ano, en el insane de iempo k, el valor de la ensión en erminales de la máquina V(k+) será el próximo valor de V, uilizado para llevar el sisema a un valor deseado V*. Luego se iene que: V ( k + ) = V * ( k + ) = ref ( k ) (3) Figura 6. Respuesa del AVR clásico ane cambio de ±% en la referencia. Cuando se uiliza la maquina pero ahora con el AVR adapivo, el iempo de adapación ane las mismas variaciones, se reduce a la miad del presenado con el AVR clásico de la figura 6. Ese comporamieno se presena en la figura 7. Se concluye enonces que V*(k+) es la referencia. Luego, reemplazando (3) en () y despejando u(k) se obiene (4) u( k ) = b V * ( k + ) bu( k ) bu( k ) av ( k ) av ( k ) av ( k ) En la ecuación (4), u(k) es el valor de la señal de conrol en el insane k, para que en el insane k+ la salida V(k+) sea igual a la referencia V*(k+). 4. PRUEBAS Y RESULTADOS El sisema descrio se someió a diferenes circunsancias de prueba. Se presenan en ese arículo las respuesas del sisema ane variaciones en el valor de la ensión de referencia y ane variaciones en la carga de la máquina síncrona. 4.. Variación en la referencia de ensión de la máquina síncrona Las pruebas de la variación en al valor de la referencia de los erminales de la máquina síncrona se realizaron para una carga de ipo resisiva. La variación, en forma de escalón, en la referencia de ±% lo ilusra la figura 6. A los s se realizó un incremeno en la señal de referencia. La respuesa de la maquina con el AVR clásico es inmediaa ane ese cambio en la exciacion, pero presena una considerable oscilación que dura aproximadamene 5 segundos. Una vez alcanzado el esado esable se somee la maquina a un nuevo cambio en la referencia a los 4 s, donde se regresa a las (4) Figura 7. Respuesa del AVR adapivo ane cambio de ±% en la referencia. 4.. Variación en la carga de la máquina síncrona Para la prueba de variación de la carga de la máquina síncrona se consideraron las siguienes condiciones: La carga uilizada fue del ipo inducivo con un facor de poencia.9. El generador se operó con un ensión de referencia de V en erminales. Se realizó un incremeno en la carga del 3% (aproximadamene) a los s y a los 3s se reira esa carga. Los resulados comparaivos obenidos ane una variación de carga y referencia uilizando un AVR clásico ipo PI y el diseñado con el méodo adapaivo se presenan en las figuras 8 y 9, respecivamene. En la figura 8 puede apreciarse la respuesa del AVR clásico ane las siuaciones aneriormene descrias. Es de resalar los 5 s que uiliza ese conrolador para alcanzar el esado permanene cuando se reira la carga.

5 Scienia e Technica Año XII, No 3, Mayo de 6. UTP 57 [] P. M. Anderson and A.A. Fouad, Power sysems conrol and sabiliy, Iowa Sae Univ. Press, Ames, Iowa, U.S. A., 977 Figura 8. Respuesa del AVR clásico En la figura 9, se presena la respuesa del AVR adapaivo, en la cual se aprecia la velocidad de respuesa del conrolador con respeco al anerior; en ese caso el esado permanene se alcanza en,s. En el inervalo s - s se produce el incremeno en la carga, lo cual necesariamene se refleja en una disminución de la ensión. En la figura 9, en comparación con la figura 8, se aprecia que el cambio al inicio es un poco mayor, pero se reduce el iempo de esabilización de la señal de ensión. [3] Liu, W., G. Venayagamoorhy, D, Wunsch, Adapive neural nework based power sysem sabilizer design, IEEE Trans. On EC, 3, pp [4] Hsu, Y.Y., Kan-Lee, Liou, Design of self-uning pid power sysem sabilizers for synchronous generaors, IEEE Trans. On energy conversion, vol EC-, No. 3, 987, pp [5] Mrad, F., S. Karaki and Bassel Copi, An adapive fuzzy-synchronous machine sabilizer, IEEE Trans. sysems, man and cyberneics par c: applicaions and reviews, vol 3, no,, pp [6] Pérez S, Alzae A., Idenificación en línea de la función de ransferencia de una máquina síncrona, Scienia e Technica año XI No 8, Ocubre de 5, pp Figura 9. Respuesa del AVR adapivo 5. CONCLUSIONES Los resulados de conrol de ensión obenidos con la meodología adapiva mejoran noablemene el desempeño ane siuaciones ransiorias de cambio de carga y/o de referencia, en cuano a la disminución del iempo uilizado comparado con la implemenación clásica. Aunque se uiliza un méodo de idenificación del sisema en línea, el esfuerzo compuacional no es elevado debido al bajo orden seleccionado para el modelo de la máquina; a medida que dicho orden aumena el iempo de ruina ambién se incremena. Para efecos de análisis fue escogido un modelo de orden res, el cual presenó una adecuada respuesa. [7] Pérez S., Conrol de oscilaciones de la máquina síncrona uilizando un esabilizador neuronal, Proyeco de grado de maesría. Programa de Ingeniería Elécrica, Universidad Tecnológica de Pereira, Ocubre 5. [8] Goodwin & Sing (984). Adapive Filering Predicion and Conrol, Prenice Hall, New Jersey 6. BIBLIOGRAFÍA [] J. Jaimes, J. Duare, G. Ordóñez, G. Carrillo, P. Gaona, La calidad de la energía elécrica en el secor elécrico colombiano: uopía o realidad, II Congreso Inernacional de la Región Andina, Andescon IEEE, Colombia, 4.