525.9Kb - DSpace@UCLV - "Marta Abreu" de Las Villas

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Centro de Estudios de Electroenergética
TRABAJO DE DIPLOMA
Título: “Control de frecuencia, carga y generación en sistemas
electroenergéticos con la interconexión de plantas diesel”
Autor: Lisbanet Rodríguez Hernández
E-mail: Lisbonet@uclv.edu.cu
Tutor: Dr. Ing. Leonardo Casas Fernández
Dpto. de Electroenergética
Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV
E-mail: lcasas@uclv.edu.cu
Santa Clara
2006
“Año de la Revolución Energética en Cuba”
“Año de la Revolución Energética en Cuba”.
Hago constar que el presente trabajo fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de las Villas (UCLV) como parte de la culminación de los estudios
de la carrera de Ingeniería eléctrica. Autorizo a que el mismo sea utilizado por la
UCLV para los fines que se estimen convenientes, tanto de forma parcial como
total y que además no pueda ser presentado en eventos, ni publicado, sin la
autorización expresa de la UCLV.
.
Firma del autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según
acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos
que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
.
Firma del tutor
Firma del jefe de dpto.
donde se defiende el trabajo
.
Firma del Responsable de
información Científico-Técnica
PENSAMIENTO
AGRADECIMIENTOS
Quiero remitir mis más sinceros agradecimientos a:
¾ Mis extraordinarios padres y hermano por su incondicional apoyo, cariño
y confianza;
¾ Mi esposa por su gran ayuda y dedicación;
¾ Toda mi familia;
¾ Mi tutor el compañero, Dr. Leonardo Casas Fernández, por su gran
atención, experiencia y paciencia en la realización de este trabajo;
¾ Mis compañeros por compartir conmigo todos estos inolvidables años;
¾ Todos los que tuvieron que ver con mi formación como profesional;
¾ Los que me ayudaron en la realización de este trabajo;
en fin a todos, muchísimas gracias de todo corazón.
TAREA TECNICA
Para lograr el objetivo de este trabajo resulta imprescindible ejecutar las siguientes
tareas técnicas:
• Realizar una amplia revisión bibliográfica y su posterior análisis, que
permita fundamentar teóricamente el trabajo y establecer una estrategia
para el correcto funcionamiento de las pequeñas plantas diesel dentro
del Sistema.
•
Valorar las estrategias que deben emplearse en la operación conjunta de
las pequeñas unidades diesel con las grandes termoeléctricas.
________________
Firma del Autor
_______________________
Firma del Tutor
RESUMEN
En esta investigación, titulada “Control de frecuencia, carga y generación en
sistemas electroenergéticos con la interconexión de plantas diesel” se realiza una
amplia revisión bibliográfica que permitió fundamentar teóricamente la misma y
argumentar la necesidad de la utilización de los generadores acoplados a motores
diesel, como una forma de generación distribuida. Con esta alternativa se
pretende incrementar la potencia instalada en el sistema electro energético
nacional, así como, su utilización en casos de emergencias ya sea por la salida de
alguna planta termoeléctrica o en estados de catástrofes naturales.
En el desarrollo de este trabajo se exponen claramente las ventajas y desventajas
de la utilización de estas plantas, sus formas de operación, así como su fácil
manejo a la hora de ser conectadas. Además se hace un estudio acerca del
control de frecuencia y generación en un sistema de potencia en cuanto a las
acciones para mantenerla en un rango permisible, los riesgos de operar las
plantas fuera de este rango y los dispositivos que permiten la posibilidad de la
operación correcta de un sistema eléctrico.
Índice
_________________________________________________________________________
INDICE
INTRODUCCION .................................................................................................................1
CAPITULO I Los generadores diesel, variante de generación distribuida.........3
1.1 Introducción. ........................................................................................................... 3
1.2 Planta diesel. .......................................................................................................... 4
1.2.1 Formas de utilización de las plantas diesel........................................ 5
1.2.2 Beneficios de las plantas diesel. ......................................................... 6
1.2.3 Métodos de operación de los diesel: ................................................. 7
CAPITULO II Características del control de frecuencia y carga ..........................9
2.1. Riesgos en la operación con baja frecuencia. .............................................. 9
2.2 Teoría y métodos del control de frecuencia. .................................................. 9
2.3 Acciones y medios para mantener la frecuencia. ....................................... 12
2.4 Consideraciones generales sobre la caracterización de las cargas...... 12
2.5 Liberación de carga por baja frecuencia. ..................................................... 14
2.6 Bases para la selección de esquemas de liberación de carga............... 14
CAPITULO III Control de generación en sistemas eléctricos de potencia...... 16
3.1 Control de generación. ...................................................................................... 16
3.2 El gobernador de velocidad en estado estable. ......................................... 17
3.3 Modelación del gobernador de velocidad. .................................................... 19
3.4 Control general del sistema motor – generador.......................................... 24
3.5
Las Plantas Diesel como reguladores del voltaje y la frecuencia..... 25
CONCLUSIONES:............................................................................................................ 27
RECOMENDACIONES:............................................................................................... 28
BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................................... 29
ANEXO 1:........................................................................................................................... 30
Introducción
_________________________________________________________________________
INTRODUCCION
Desde hace varios años nuestro país viene afrontando problemas con el
suministro de energía eléctrica debido al envejecimiento y deterioro de las redes
eléctricas y las plantas térmicas. Este quebrantamiento en las centrales se debe, a
pesar de los años de explotación de estas. A lo anteriormente mencionado, se le
añaden los daños provocados por los huracanes en las líneas de transmisión,
subtransmisión y distribución que dejan sin servicio eléctrico a vastas regiones del
país durante semanas. La salida de operación de la planta “Antonio Guiteras” en
Matanzas, por ser la mayor del país, produjo adicionalmente, serias afectaciones
debidas, precisamente, al gran déficit de generación que provoca su ausencia por
su gran potencia (300 MW).
A raíz de estos problemas se decide por la máxima dirección del país y los
especialistas de la Unión Eléctrica, adquirir un grupo apreciable de plantas
“pequeñas”, pero de rápida instalación, que utilizan el diesel como combustible
para suplir el déficit de generación existente.
La introducción de la nueva forma de generar energía eléctrica ha significado un
reto para los técnicos y especialistas, ya que constituye una técnica con la que no
se cuenta con gran experiencia. Entre los principales aspectos que ha sido
necesario enfrentar figuran:
•
La operación de una planta diesel (máquina pequeña) ante un Sistema
Eléctrico de Potencia de mayor capacidad, lo que conlleva el conocimiento
de los parámetros, formas de utilización, beneficios y métodos de
explotación.
•
El estudio del control de la frecuencia del nuevo sistema eléctrico, el que
conlleva las acciones necesarias para mantenerla dentro del rango
establecido. Los pasos y mediciones que se requieren para un efectivo
control de las unidades, la liberación de carga por baja frecuencia y los
riesgos a los que está expuesta la planta cuando trabaja bajo estas
condición
1
Introducción
_________________________________________________________________________
•
La caracterización de las cargas, así como las bases para la selección de
esquemas de liberación de estas.
•
El control automático de generación (AGC) y la asignación de la potencia a
cada unidad.
De los temas tratados anteriormente se establecen los siguientes objetivos:
•
Realizar una amplia revisión bibliográfica y su posterior análisis, que
permita fundamentar teóricamente el trabajo y establecer una estrategia
para el correcto funcionamiento de las pequeñas plantas diesel dentro
del Sistema.
•
Valorar las estrategias que deben emplearse en la operación conjunta de
las pequeñas unidades diesel con las grandes termoeléctricas.
El trabajo se estructura de la siguiente forma:
Introducción
Desarrollo:
•
Capítulo Ι :” Los generadores diesel, variante de generación distribuida. ”
•
Capitulo ΙΙ : “Características del control de frecuencia y carga”.
•
Capitulo ΙΙΙ : “Control de generación en sistemas eléctricos de potencia. “
Conclusiones y Recomendaciones.
Bibliografía.
2
Capítulo I
_________________________________________________________________________
CAPITULO I
“Los generadores diesel, variante de generación distribuida”.
1.1 Introducción.
La Generación Distribuida (GD) representa un cambio en el paradigma de la
generación de energía eléctrica centralizada. Aunque se pudiera pensar que es un
concepto nuevo, la realidad es que tiene su origen, de alguna forma, en los inicios
mismos de la generación eléctrica.
De hecho, la industria eléctrica se fundamentó en la generación en el sitio del
consumo. Después, como parte del crecimiento demográfico y de la demanda de
bienes y servicios, evolucionó hacia le esquema de Generación Centralizada,
precisamente porque la central eléctrica se encontraba en el centro geométrico del
consumo, mientras que los consumidores crecían a su alrededor. Sin embargo, se
tenían restricciones tecnológicas de los generadores eléctricos de corriente
continua y su transporte máximo por la baja tensión, que era de 30 a 57
kilómetros.
Con el tiempo, la generación eléctrica se estructuró como se conoce hoy en día,
es decir, con corriente alterna y transformadores, lo que permite llevar la energía
eléctrica prácticamente a cualquier punto alejado del centro de generación. Bajo
este escenario, se perdió el concepto de Generación Centralizada, ya que las
grandes centrales se encuentran en lugares distantes de las zonas de consumo,
pero cerca del suministro del combustible y el agua.
En los últimos años, factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio
climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) en nuestro país,
plantearon la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado, el
suministro oportuno y de calidad de la energía eléctrica y, por el otro, el ahorro y el
uso eficiente de los recursos naturales.
3
Capítulo I
_________________________________________________________________________
Una de estas alternativas tecnológicas es generar la energía eléctrica lo más
cerca posible al lugar del consumo, precisamente como se hacía en los albores de
la industria eléctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnología moderna y
el respaldo eléctrico de la red del sistema eléctrico. A esta modalidad de
generación eléctrica se le conoce como Generación Dispersa, o más
cotidianamente, Generación Distribuida.
Una de las formas de utilización de la generación distribuida es el uso de motores
de combustión interna (motores diesel). Nuestro país se encuentra inmerso en un
proceso de transformaciones en el sistema electroenergético nacional, en el cual,
su principal estrategia es la explotación de estas plantas para solucionar de forma
rápida y económica los problemas existentes con la generación en el SEN.
En este capítulo se argumentará sobre las formas de utilización, sus ventajas y
procedimientos que se utilizan para diseñar la estrategia de aplicación en nuestro
país.
1.2 Planta diesel.
En términos de un sistema eléctrico, una planta diesel se puede representar como
un motor primario diesel y un generador. Idealmente, el motor primario es capaz
de suministrar cualquier demanda de potencia para mantener la frecuencia
constante, y el generador sincrónico conectado a él, debe mantener el voltaje
constante bajo cualquier estado de carga.
La figura 1.1: es un esquema de una planta diesel. El motor debe ser capaz de
suministrar la energía mecánica que demande el generador y con esto se logra
una frecuencia constante, manteniendo constante la velocidad del rotor controlado
por el gobernador de velocidad. El generador sincrónico, por su parte puede
controlar el voltaje de salida por medio de la corriente de excitación. Así, como una
unidad, el sistema de generación con diesel puede establecer el control de su
frecuencia y el voltaje de salida.
La inercia del motor, la sensibilidad del gobernador y la capacidad de potencia de
la máquina afecta su habilidad de respuesta a los cambios de la frecuencia. La
habilidad del generador sincrónico de controlar su voltaje se afecta por la
4
Capítulo I
_________________________________________________________________________
constante de tiempo del devanado de campo, la disponibilidad de la corriente
directa (DC) que suministra potencia a los campos del rotor y la respuesta del
mecanismo de control de voltaje.
Figura 1.1: Esquema de una palta diesel.
Estas plantas existen en capacidades desde alrededor de 1 kW hasta del orden de
decenas de MW, con eficiencias próximas al 40%, la temperatura de los gases de
escape son del orden de los 400°C; se instalan en plazos muy cortos, tienen un
bajo costo de inversión, una vida útil de 25 años, alta eficiencia a baja carga,
consumo medio de agua, poco espacio para instalación, flexibilidad de
combustibles y su crecimiento puede ser modular.
1.2.1 Formas de utilización de las plantas diesel
Las plantas diesel tienen múltiples aplicaciones, entre las que se destacan su uso
como plantas de emergencia o de respaldo. Para evaluar la operación de una
planta dada existen ciertas definiciones que ayudan a la selección, evaluación y
explotación de las mismas.
Carga pico: Es la generación máxima para satisfacer los requerimientos de una
instalación, se refiere al suministro de la energía eléctrica en períodos de horarios
picos, en los cuales la energía demandada por el sistema se incrementa
5
Capítulo I
_________________________________________________________________________
considerablemente de forma tal que no pueda ser totalmente servida por las
centrales termoeléctricas.
Generación aislada o remota. Este término se usa para referirse al modo de
operación de la planta en relación con el sistema eléctrico al cual puede asociarse.
Cuando opera aislada del sistema para el autoabastecimiento de una entidad, se
dice que opera aislada o en isla. Un ejemplo de ello es la utilización de estos
equipos en los cayos del litoral norte, así como en la Isla de la Juventud y zonas
montañosas donde sea más económico su montaje que llevar el suministro
mediante redes eléctricas.
Soporte a la red de distribución. A veces en forma eventual o bien periódicamente,
la empresa eléctrica requiere reforzar su red eléctrica instalando pequeñas plantas
que pueden ubicarse en la subestación de potencia, debido a altas demandas en
diversas épocas del año, o por fallas en la red. De esta forma se logra una mayor
fiabilidad de la generación de energía en aquellos lugares que por su importancia
social o económica requieran de este servicio de forma permanente, como son:
hospitales, centros de elaboración de alimentos, frigoríficos y otras entidades.
En algunos países estos equipos se utilizan como plantas de emergencia de los
generadores eólicos, es decir, cuando la intensidad del viento disminuye, la turbina
de aire disminuye la potencia entregada y para compensar esta disminución de
potencia, el generador diesel comienza a funcionar supliendo el déficit. Además se
instalan para ser utilizadas como, plantas de emergencia, en caso de fallo en el
suministro.
1.2.2 Beneficios de las plantas diesel.
El auge de estos sistemas se debe a los beneficios inherentes a la aplicación de
esta tecnología, tanto para el país como para la red eléctrica. A continuación se
listan algunos de los beneficios:
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Capítulo I
_________________________________________________________________________
a)
Beneficios para el país:
9
Incremento en la confiabilidad.
9
Aumento en la calidad de la energía.
9
Reducción del número de interrupciones.
9
Uso eficiente de la energía.
9
Disminución de emisiones contaminantes.
b)
Beneficios para el SEN:
9
Reducción de pérdidas en transmisión y distribución.
9
Abasto en zonas remotas.
9
Libera capacidad del Sistema.
9
Proporciona mayor control de energía reactiva.
9
Mayor regulación de voltaje.
9
Disminución de inversión.
9
Menor saturación.
9
Reducción del índice de fallas.
1.2.3 Métodos de operación de los diesel:
Estos equipos pueden ser explotados principalmente de dos formas:
a) Operación incorporada a la red.
En este método, los grupos son conectados a una barra del sistema
entregando una potencia fija a una frecuencia y voltaje constante. Esta
frecuencia es controlada por la planta seleccionada por el despacho, para
mantener este parámetro dentro del rango permisible.
El objetivo de los bloques generadores pequeños es operar en caso de un
incremento brusco de la carga o en caso de déficit de energía. Estas acciones
se realizan de forma rápida por su gran facilidad de sincronización y su rápida
puesta en funcionamiento. Con esta estrategia de operación, los circuitos dejan
de ser circuitos donde la potencia fluye en un solo sentido.
7
Capítulo I
_________________________________________________________________________
b) Operación en isla:
Como ya se mencionó, en este caso la planta se encarga de llevar tanto la
frecuencia como el voltaje en las cargas asociadas a la instalación, sin que reciba
respaldo del Sistema Eléctrico. La operación con este esquema puede ser con una
o varias plantas.
8
Capítulo II
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CAPITULO II
“Características del control de frecuencia y carga”.
2.1. Riesgos en la operación con baja frecuencia.
El principal problema en la operación con baja frecuencia es la presencia de
esfuerzos físicos de vibración en los álabes de las turbinas de baja presión, dado
que los efectos de estos esfuerzos son acumulativos, es esencial la restauración
de la frecuencia a su valor de operación nominal.
El segundo problema se refiere al funcionamiento de los sistemas auxiliares de las
plantas, impulsados por motores de inducción. A frecuencias menores de 57Hz, la
capacidad de la planta puede ser severamente reducida debido a la disminución
de la salida de las bombas de suministro a la caldera y de los ventiladores que
proporcionan el aire para la combustión. En el caso de las plantas nucleares los
reactores pueden calentarse debido a la disminución en el flujo del refrigerante. Si
la frecuencia disminuye demasiado las unidades generadoras pueden salir de
operación en el sistema.
Además de evitar las consecuencias antes mencionadas, es necesario restablecer
la frecuencia lo más pronto posible a su valor normal para que el área afectada
pueda volver a conectarse al sistema de potencia.
2.2 Teoría y métodos del control de frecuencia.
Una tarea de gran complejidad en la operación de un sistema eléctrico es alcanzar
un efectivo control de frecuencia, pues implica dominar los
diapasones de
potencia necesarios para dicho control, lo que depende de las características de la
carga del sistema, así como conocer los parámetros de los sistemas de control de
los generadores y sus características.
Las dimensiones actuales de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) obligan al
uso de sistemas automáticos para el control de la frecuencia, entre otras razones
para:
a) Incrementar la rapidez del control y por tanto disminuir las desviaciones de
frecuencia.
9
Capítulo II
_________________________________________________________________________
b) Disminuir la carga de trabajo de los operadores y por tanto evitar errores en
la operación del sistema.
c) Efectuar el control de forma económica.
d) Propiciar menos acciones de control y contribuir a disminuir el desgaste y
por tanto el mantenimiento de las unidades.
La necesidad de mantener la frecuencia del sistema con pocas variaciones
alrededor de la frecuencia nominal, propicia un trabajo más eficiente de las cargas
que dependen de la misma como es el caso de la carga motora, sobre todo de
motores de inducción, que constituye un por ciento importante de la carga de
cualquier sistema, incluso influye en la eficiencia de las propias plantas
generadoras en las que una buena parte de la carga de la planta son los motores
de inducción.
Las desviaciones de la frecuencia más allá de 0.5 Hz. produce afectaciones por
vibraciones en las turbinas de vapor que hacen imprescindible el acortamiento de
los períodos de mantenimiento. Estas afectaciones dependen del valor de la
desviación de la frecuencia y del tiempo de duración de la misma.
Las variaciones de la frecuencia producen además un funcionamiento poco
satisfactorio en la medición del tiempo realizada por los relojes eléctricos que se
alimenten del Sistema.
En los últimos años se han estado instalando cargas de magnitudes apreciables
que producen bruscas oscilaciones de la frecuencia en el Sistema, lo que ha
obligado a buscar soluciones prácticas que las reduzcan, por lo que un control de
frecuencia eficiente se ha convertido en una de las tareas más complejas en la
operación del Sistema, ya que estas acciones deben realizarse con un mínimo
gasto de combustible y mínimo desgaste de las unidades que participan en este
control por medio de la reducción del número de pasos de control a efectuar. Al
conjunto de estas acciones se les denomina Control Automático de la Generación
(AGC). Entre las formas o métodos de controlar la frecuencia se destacan dos:
•
El control de la frecuencia constante en un sistema tiene que realizarse
de forma organizada. La regulación primaria de la frecuencia se realiza por
10
Capítulo II
_________________________________________________________________________
•
los propios gobernadores de velocidad de los motores primarios de los
generadores; dicha regulación no restablece la frecuencia al valor nominal
(control primario). Para realizar esta función se utilizan los dispositivos de
control secundario.
El generador que lleva el control de la frecuencia solo suministra la
diferencia entre la demanda planificada y la real. La potencia del generador
o planta que controla la frecuencia debe ser en el orden del 5 -10% de la
capacidad total del sistema para lograr una operación efectiva.
Este modo de operación permite operar las unidades generadoras más
eficientes a plena carga; en tanto que el generador que controla la
frecuencia puede ser una instalación vieja y poco eficiente ya que solo
genera una fracción pequeña de la carga total del sistema. Otra de sus
ventajas es su sencillez y la facilidad de operación, pero en determinadas
instalaciones presenta serias dificultades; tal es el caso de en que en el
sistema existan líneas que enlazan dos áreas y cuya capacidad de
transmisión puede verse sobrepasada cuando la planta que controla la
frecuencia trate de absorber las variaciones de carga que se producen en
otra área. Este sistema de control es el que se ha usado de forma
tradicional, fundamentalmente en sistemas pequeños.
•
El control de frecuencia constante por las líneas de enlace prioriza la
transferencia de potencia por estas líneas y controla que no se sobrepase
un límite previamente establecido.
•
El control de frecuencia selectivo combina las ventajas del control de
frecuencia constante y del control de potencia constante por las líneas de
enlace. Consiste en un dispositivo que se incorpora a los gobernadores de
velocidad de las máquinas que llevan el control de la frecuencia y que
responde a las variaciones de frecuencia a la vez que es sensible a la
potencia transferida a través de la línea.
11
Capítulo II
_________________________________________________________________________
2.3 Acciones y medios para mantener la frecuencia.
1. Regulación Primaria de frecuencia (RPF): El control de frecuencia en un
primer nivel la realizan los gobernadores de velocidad de los motores primarios de
los generadores de acuerdo a su estatismo. Es la acción para mantener el balance
carga-demanda que se realiza en los primeros 30 segundos después de dicho
balance se ha roto. No restablece la frecuencia inicial.
2. Regulación Secundaria de frecuencia: Es la acción manual o automática
sobre los gobernadores de velocidad de una o más máquinas, para compensar la
desviación final de la frecuencia resultante de la RPF.
3. Regulación terciaria de frecuencia: Distribuye la generación, desde el
Despacho Nacional de Carga (DNC), en función de las características de cada
maquina, con criterios técnico económicos definidos con antelación, bajo la
premisa de operar con la frecuencia nominal.
En países de gran extensión, debido a la interconexión de diferentes sistemas de
compañías privadas, entre las cuales existen contratos que obligan a transferir
determinados valores fijos de potencia por los enlaces, el proceso de control de la
frecuencia debe asegurar que las variaciones de potencia necesarias a efectuar
para el control también mantengan constantes los intercambios por esas líneas.
Lo antes mencionado obliga a efectuar un control de frecuencia entre diferentes
zonas manteniendo constante los intercambios entre ellas, en estos casos el
control secundario debe producirse solo en aquella zona en que ocurre la
variación de la carga.
2.4 Consideraciones generales sobre la caracterización de las cargas.
Un sistema electroenergético alimenta un número apreciable de consumidores,
cuyas demandas forman la carga total del mismo. La naturaleza de esta carga es
extremadamente variada; dentro de esta compleja variedad existen algunas que
por su amplia difusión forman la mayor parte del consumo de la energía generada
y cuyas características influyen sensiblemente en la operación del sistema.
Los motores de inducción forman el 50% de la demanda total del sistema, en tanto
que la carga de iluminación y sus similares representan alrededor del 40% del
12
Capítulo II
_________________________________________________________________________
total, del mismo modo que las perdidas oscilan entre un 10-13%. En forma
general, la carga del sistema se pude dividir en dos grupos: las asincrónicas y las
de iluminación, en dependencia de la zona o área donde se estudie; ya que en
una región industrial predominan las cargas asincrónicas, en tanto que en las
ciudades son las de iluminación las de mayor proporción.
Las luminarias corrientes tienen un consumo que es independiente de la
frecuencia, aunque en las descargas gaseosas la potencia disminuye de 0.5-0.8%
si la frecuencia aumenta en un 1%. Sin embargo, la alteración de la potencia
frente a las variaciones de frecuencia esta en función casi por completo de los
componentes asincrónicos.
La caracterización de la carga del Sistema para los estudios del control de
frecuencia debe comenzar con la comprobación del carácter estacionario de las
variaciones de la potencia activa en períodos de poca variación de la carga, que
permita utilizar modelos de análisis espectral en el cálculo de las desviaciones
aleatorias y al mismo tiempo considerar despreciables los transitorios que se
produzcan, o sea que la suma de la potencia activa generada en el sistema se
corresponde con la suma potencia de la carga más las pérdidas. De igual forma
deben determinarse, además, las variaciones monótonas de la carga en diferentes
horarios del día para diferentes períodos del año. Adicionalmente debe
determinarse la influencia de las cargas no conformes en el sistema, tales como
acerías, sistemas industriales que utilizan grandes convertidores CD a CA etc.
La caracterización de la carga debe proyectarse para períodos de varios próximos
años. Si se conoce el pronóstico del gráfico diario de cargas, es posible estimar
las máximas variaciones de la carga en períodos de 5 minutos para ser cubiertas
por las unidades que efectúan el control de la frecuencia.
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Capítulo II
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2.5 Liberación de carga por baja frecuencia.
Después de un disturbio severo en el Sistema se pueden producir salidas de
unidades en cascada y el surgimiento de áreas, formándose zonas eléctricas
aisladas. Si una de estas áreas aisladas tiene deficiencia de generación,
experimentará una disminución de la frecuencia cuyo valor se verá principalmente
influenciado por las características sensitivas de las cargas con respecto a la
frecuencia En muchas situaciones, la desviación de la frecuencia puede alcanzar
niveles que podrían llevar, incluso, al disparo las protecciones de baja frecuencia
de los generadores, lo que agrava aún más la situación.
Para prevenir situaciones como la descrita, se emplean esquemas de liberación de
carga para reducirla un nivel que pueda satisfacerse de manera segura con la
generación disponible.
2.6 Bases para la selección de esquemas de liberación de carga.
Las consideraciones que se toman para seleccionar el esquema de liberación de
carga incluyen el déficit de generación máxima para la cual requiere protección, la
frecuencia mínima permisible, las áreas que podrán ser separadas del sistema, y
el rango para las constantes de inercia M y la constante de amortiguamiento de
carga D. Un esquema típico de liberación de carga en tres pasos es:
1. El 10% de carga liberada es cuando la frecuencia cae hasta 59.2 Hz.
2. El 15% de carga adicional cuando la frecuencia cae hasta 58.8 Hz.
3. El 20% de carga adicional se libera cuando la frecuencia alcanza 58.0Hz.
El tiempo típico de operación está en el rango de 0.1 a 0.2 segundos.
Un esquema basado solo en la disminución de frecuencia es generalmente
aceptable para deficiencias de generaciones mayores a 25%. Para déficit de
generación superior, un esquema que tome en cuenta tanto la disminución de
frecuencia como la razón de cambio de la misma provee una mayor selectividad
para prevenir la salida de carga innecesaria. En la figura 2.1 se muestra la lógica
de un esquema que emplea un relé de tendencia de frecuencia.
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Capítulo II
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Figura 2.1: Lógica de disparo para un relé de tendencia de frecuencia.
15
Capítulo III
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CAPITULO III
“Control de generación en sistemas eléctricos de potencia”.
3.1 Control de generación.
Un sistema eléctrico de potencia se compone de tres partes principales: las
centrales generadoras, el sistema de líneas de transmisión y las redes de
distribución. Las líneas de transmisión conectan a las centrales generadoras con
las redes de distribución. Una red de distribución conecta las cargas de una zona
determinada con las líneas de transmisión.
Las centrales generadoras suministran potencia eléctrica a las cargas conectadas
al sistema de potencia. Si existe un equilibrio entre la potencia suministrada por
las centrales generadoras y la potencia demandada por las cargas, las unidades
generadoras operan a una velocidad constante (aceleración nula) y con esto el
sistema opera a un valor de frecuencia también constante.
En un sistema ocurren diferentes tipos de disturbios, entre los que figuran los
cambios en las cargas, lo que hace que la potencia que demanda la carga esté
cambiando de forma aleatoria: otro tipo de disturbio es la salida imprevista de
unidades generadoras; lo que provoca desbalances entre la generación y la
demanda. Un desequilibrio de este tipo se refleja en un cambio de energía cinética
en las unidades generadoras, que se manifiestan como una aceleración en sus
rotores. Al cambiar la velocidad en las unidades generadoras cambia también la
frecuencia de operación del sistema, por lo que se hace necesaria la
implementación de algún tipo de control en la generación que compense tales
desequilibrios de potencia y que permita mantener la frecuencia de operación del
sistema dentro del rango establecido.
Todas las unidades que suministran potencia a la red eléctrica deben generarla a
la misma frecuencia, respetando una misma secuencia de de fases para poder
sincronizarse y constituir los grandes sistemas.
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Capítulo III
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3.2 El gobernador de velocidad en estado estable.
El motor primario de un generador carece de por sí de un sistema de control de
potencia, por lo que es necesario incorporarle un dispositivo que realice esta
función: el gobernador de velocidad, el que es sensible a los cambios de
velocidad, producto a los cambios en la potencia del sistema motor generador.
El verdadero control de carga se lleva a cabo por la acción de la válvula de
regulación de entrada de energía (vapor, agua). Esta válvula, sin embargo, a su
vez, está controlada por el regulador de velocidad.
Con el objetivo de analizar el control de frecuencia se hace imprescindible
interpretar adecuadamente la operación del gobernador de velocidad tanto en el
estado estable como en el dinámico.
El esquema básico de un gobernador de velocidad se muestra en la Figura 3.1. En
él se pueden observar sus elementos fundamentales asociados al esquema
simple del regulador centrífugo de Watt.
Las operaciones básicas del gobernador centrífugo clásico de Watt son las
siguientes:
Si la velocidad del generador se incrementa los contrapesos del regulador de Watt
se separan y el punto B desciende. Si se considera, como en realidad ocurre, que
el punto A es fijo en esta primera acción, el punto C desciende arrastrado por B.
Igualmente, inicialmente el punto E también es fijo, por lo que D de la válvula
piloto también desciende.
El movimiento de D hacia abajo permite que el aceite a presión penetre en la
válvula piloto y desplace el pistón del cilindro hacia arriba para limitar la entrada de
vapor a la turbina.
Esta acción, reduce la potencia mecánica, lo que hace que la velocidad del
sistema-turbina generador disminuya. Sin embargo, debido a la inercia en el
sistema turbina-generador, el proceso de desaceleración no es instantáneo y
puede tomar un tiempo relativamente alto, y se corre el peligro de realizar una
sobre corrección, o sea cerrar demasiado la entrada de vapor. Este proceso puede
desencadenar la inestabilidad del sistema.
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Capítulo III
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Figura: 3.1 Gobernador de velocidad servo asistido.
Para evitar que esto ocurra, tan pronto como el punto E suba, el punto D debe
subir también, para cerrar la válvula piloto.
La acción del operador sobre PC permite regular la válvula de entrada de
combustible. Por ejemplo, para aumentar la generación (el incremento debe
compensarse con una disminución de potencia similar en otra máquina), el
operador traslada el punto A hacia abajo, lo que realiza por medio de un pequeño
motor asociado al tornillo sinfín. Como en esta acción la carga no varió, la
frecuencia se mantiene constante y por tanto B permanece fijo por lo que C sube y
D baja y con ello permite incrementar la entrada de vapor a la
turbina.
18
Capítulo III
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En operación estable (carga y frecuencia constante) ambos conductos de la
válvula piloto deben permanecer cerrados, de lo contrario habría movimiento en el
punto E y por tanto no se alcanzaría el estado estable.
3.3 Modelación del gobernador de velocidad.
El modelo lineal del gobernador de velocidad en un punto dado, se realiza
considerando las posiciones que se muestran en la Figura 3.1
Las relaciones entre los incrementos ∆PC , ∆ω, ∆x A , …, ∆x E ,se establecen
teniendo en cuenta que A, B y C están en línea recta, o sea D está fijado pr las
posiciones de A y B.
Para pequeñas variaciones de se tiene que:
∆xC = k B ∆x B − k A ∆x A
(3.1)
k ∆ω − k 2 ∆PC
= 1
El factor geométrico
kB
se incorpora a
mecanismo de los contrapesos ( ∂ x B
El factor geométrico
( ∂x A
kA
/ ∂ω
k1
junto con la sensibilidad del
).
se incorpora a la constante
k 2 , junto con el factor escala
/ ∂PC ).
Dado que los puntos C, D, y E se localizan sobre la misma línea recta, la posición
del punto D depende de las posiciones de C y E. Al linealizar, se obtiene la
siguiente relación:
∆x D = k 3 ∆xC + k 4 ∆x E
donde
k3
y
(3.2)
k 4 son positivas.
19
Capítulo III
_________________________________________________________________________
En el diagrama del gobernador interesa la relación entre entrada
∆x D
y la salida
∆x E . Resulta más simple considerar que no hay conexión entre los puntos D y E.
Si se presiona ligeramente el punto D se abrirán los conductos de circulación del
aceite a presión y el pistón principal se eleva. De igual forma para simplificar se
supone que la velocidad del aceite es proporcional a
∆x E depende de ∆x D
∆x D .
Por lo tanto
y
d∆x E
= − k 5 ∆x D
dt
donde la constante positiva
k5
(3.3)
depende de la presión del aceite y de la
geometría del servomotor.
El proceso transitorio comienza en t =0 con el sistema en el punto de operación.
−
En ese caso ∆x E (0 ) = 0 . Al aplicar la Transformada de Laplace, se tiene que:
∆xˆ E = −
El circunflejo (
k5
∆xˆ D
s
(3.4)
x̂ ) indica la transformada de Laplace del incremento.
Al combinar las ecuaciones (3.1), (3.2) y (3.4) se obtiene el diagrama de la Figura
3.2. Mediante la simplificación y por medio de las relaciones del diagrama de
bloques se llega a:
20
Capítulo III
_________________________________________________________________________
Figura: 3.2 Diagrama de bloque del gobernador de velocidad.
∆xˆ E = k 3
(
− k5
− k 2 ∆ PˆC + k1∆ω̂
s + k 4 k5
k 2k3k5
=
s + k4k5
⎛ ˆ
k
⎜⎜ ∆ PC − 1 ∆ ω̂
k2
⎝
)
⎞
⎟⎟
⎠
(3.5)
KG ⎛ ˆ
1
⎞
P
∆
−
∆ ω̂ ⎟
⎜
C
=
1 + TG s ⎝
R
⎠
donde
KG =
k 2 k3
k4
,
TG = 1
k4 k5
y
R = k2
k1
. La función transferencial
de la ecuación (3.5) tiene una forma de constante de tiempo
TG con ganancia
K G , y una constante de regulación R . Un valor típico de TG es de 0.1 segundo.
21
Capítulo III
_________________________________________________________________________
Un modelo más simplificado de la turbina que relaciona los cambios en la salida
de la potencia mecánica ( ∆PM ) con los cambios de la posición de la válvula de
vapor ( ∆xE ) se muestra en la Figura 3.3. La constante de tiempo
TT
esta en el
rango de 0.2-2.0 seg.
Figura: 3.3 Diagrama de bloque del sistema generador turbina.
Este diagrama de bloques se puede integrar y aparece como se muestra en la
Figura 3.4.
Figura:
3.4
Diagrama
de
bloque
del
sistema
gobernador-turbina.
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Capítulo III
_________________________________________________________________________
Las características estáticas de velocidad contra potencia del sistema gobernadorturbina se muestran en la Figura 3.5, donde
R
(Hz/MW) es el estatismo del
sistema e indica la variación de la frecuencia en función de la variación de la
carga PM .
Como se puede deducir, esta relación se define mediante
∆PM = ∆PC −
1
∆ω
R
(3.6)
Figura 3.5: Curvas estáticas de velocidad contra potencia.
23
Capítulo III
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3.4 Control general del sistema motor – generador.
Las dos variables más importantes en el proceso de control de la generación, la
entrada de vapor a la turbina y la corriente de excitación del generador, de forma
general se analizan de forma independiente y sus lazos de regulación se
consideran que no interfieren entre sí.
El modelo de la máquina sincrónica es bien conocido por lo que su estudio se
omite en este informe, sin embargo, resulta de interés un análisis integral de
ambos, no solo por lo que representa para el sistema motor-generador, sino por su
influencia sobre la demanda
al incidir directamente sobre las cargas en los
procesos transitorios.
La figura 3.6 muestra un esquema general de los componentes que conforman el
control de un sistema motor-generador a planta. Nótese que
PC
y
Vref
son
entradas primarias al sistema, PC se establece para minimizar los costos de
combustible.
Las oscilaciones que aparecen en el Sistema Eléctrico se producen debido a las
variaciones de las cargas, salidas de generadores o contingencias en líneas de
transmisión y transformadores. Estas perturbaciones pueden aparecer en los
sistemas como oscilaciones electromagnéticas con duración de unos cuantos
milisegundos (dinámica rápida) y las oscilaciones electromecánicas (dinámica
lenta), con duración de algunos segundos. La presencia de las oscilaciones ha
sido considerada como un problema importante en la operación de los sistemas
eléctricos de potencia, para asegurar la confiabilidad del suministro.
Durante los procesos transitorios la interrelación entre los efectos de la frecuencia
y el voltaje se hacen más fuerte, por lo que resulta de gran utilidad contar con un
dispositivo que refleje esta situación en los lazos de regulación del sistema motorgenerador. Este dispositivo es el Sistema Estabilizador de Potencia (PSS).
El objetivo del PSS es proporcionar una señal que ayude a operar en forma
robusta a la máquina, a pesar de los posibles cambios en el voltaje o la carga, por
cambios en la estructura de la red y perturbaciones severas. Es un elemento que
provee una entrada adicional al regulador de voltaje para mejorar el
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Capítulo III
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comportamiento del sistema, reduciendo las oscilaciones y eliminando los efectos
del amortiguamiento negativo causado por el regulador de voltaje. Algunas de las
señales de retroalimentación utilizadas generalmente para el PSS son la
velocidad, la frecuencia y la potencia eléctrica. En este esquema la señal que
utiliza es la velocidad.
Figura 4.9: Orden físico de los elementos de control de una planta.
3.5 Las Plantas Diesel como reguladores del voltaje y la frecuencia.
El desarrollo de la tecnología alrededor de las plantas diesel, tanto en la parte
del motor como en la del generador, ha posibilitado que estas plantas se hayan
adueñado de un escenario que hace apenas 10 o 15 años no tenían.
Como plantas de emergencia se han consolidado de forma acelerada dadas
las exigencias actuales de continuidad de servicio que se ha hecho
indispensables en instalaciones industriales y del sector terciario.
Una de las características que más ha favorecido su inclusión dentro de los
sistemas eléctricos de potencia ha sido el constante incremento de su
potencia. Hoy es común encontrar grupos de una potencia de más de 30 MW
(en la actualidad se está construyendo entre la MAN y la Hitachi un grupo de
57 MW).
Esta realidad ha hecho que se considere esta opción de generación con más
fuerza, sobre todo en sistemas eléctricos pequeños, aspecto este que hace
25
Capítulo III
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sólo unos años era impensable, o sea, las plantas diesel cada día aumentan
más su presencia en el sector de la generación de los sistemas eléctricos.
Cuando las plantas diesel se destinan para dar servicio a un sistema aislado,
sus mecanismos de control son capaces de mantener de una forma muy
precisa los parámetros de voltaje y frecuencia, dentro de los valores nominales,
ya que tanto uno como el otro disponen de la más moderna tecnología con
microelectrónica de punta que los hace extremadamente seguros, eficientes y
confiables. Esta realidad hace que su servicio sea altamente valorado.
Esta forma de operación puede extenderse hasta la implementación de
baterías o conjuntos de grupos que una vez sincronizados entre sí, de forma
automática se distribuyen la carga, ajustan la frecuencia y el voltaje, producen
arranques y paradas automáticas de grupos en función de la demanda, etc.
Sin embargo, en la actualidad la tendencia más frecuente entre los
diseñadores de estos grupos, cuando se incorporan a grandes sistemas
eléctricos, es la de compartir sólo la generación sin participar en el control de
los parámetros de operación de los sistemas, o sea, aportan una potencia fija
(activa y reactiva) independientemente de los valores que tomen el voltaje y la
frecuencia, lo que en términos de operación de sistemas se identifica como
operación como nodos PQ.
La experiencia de explotación de las baterías incorporadas a las redes de
subtransmisión indica que muy frecuentemente los voltajes en sus nodos se
han elevado por encima de los valores máximos permisibles y su entrega de
potencia reactiva se ha mantenido constante.
26
Conclusiones
_________________________________________________________________________
CONCLUSIONES:
•
En la actualidad las plantas diesel han ido ganando un lugar cada vez más
firme como generadores de energía eléctrica no solo como plantas de
emergencia sino como apoyo a la generación en los sistemas eléctricos de
potencia, sobre todo en sistemas pequeños.
•
Los modernos sistemas de control de la generación de las plantas diesel
han posibilitado que las mismas mantengan los principales parámetros de
operación dentro de los valores establecidos con una elevada calidad.
•
Las plantas instaladas en el SEN sólo son adecuadas para participar en la
entrega de potencia activa y reactiva, pero no para formar parte del
sistema de control de los parámetros del SEN (voltaje y frecuencia).
Actúan como nodos PQ.
•
En la operación de los grupos instalados en baterías se ha podido
comprobar la gran ayuda que representarían los mismos para participar en
el control del voltaje, o sea, que pudieran operarse como nodos PV.
•
En una formación con potencias mayores su contribución al control de la
frecuencia representaría una ayuda apreciable al control de la carga y
generación del SEN.
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Recomendaciones
_________________________________________________________________________
RECOMENDACIONES:
A partir de los resultados obtenidos en esta investigación y de las conclusiones
expuestas se proponen las siguientes recomendaciones:
•
Hacer un estudio más profundo y detallado respecto a la operación de estas
pequeñas plantas en conjunto con las demás centrales térmicas del SEN y
continuar buscando la forma de incorporarlas al sistema de control de la
frecuencia y el voltaje.
28
Bibliografía
_________________________________________________________________________
BIBLIOGRAFIA:
1. A.J. Word, B. F. Wollenberg, “Power Generation, Operation, and Control”,
John Wiley & Sons, 1996.
2. Arthur R. Bergen, V. Vittal, “Power System Analysis”, Second Edition.
Department of Electrical Engineering and Computer Sciences. Iowa State
University, Ames. United States, 2000.
3. G. Arroyo, F. Abortes, “Análisis de redes en la Operación de Sistemas
Eléctricos Longitudinales. Parte II. Aplicaciones”, CFE Centro Nacional de
Control de Energía.
4. Leonardo
Casas
Fernández,
“Sistemas
Electroenergéticos”,
Parte
II,
Universidad Central de las Villas, Villa Clara, Cuba ,1978.
5. M. C. Esperón, “Control Jerárquico de la Frecuencia en Sistemas Eléctricos
Interconectados”. Tesis de Maestría, CINVESTAV, México, Octubre, 2004.
6. N. Cohn, “Control of Generation and Power Flow on Interconnected Systems”,
Wiley, New York, 1996.
7. P. kundur, “Power System Stability and Control”, McGraw-Hill, 1994.
8. Unión Nacional Eléctrica (UNE), Informe de Diapasones Definitivo 1: ”Algunas
consideraciones generales para el informe definitivo del calculo de diapasones
de potencia necesarios para el control de frecuencia en el año 2008”, Cuba,
2006.
29
Bibliografía
_________________________________________________________________________
ANEXO 1:
Rectificador del sistema de excitación (Modelo AC5A).
Existen varios modelos del sistema de excitación de un generador sincrónico. A
continuación se representa la figura A1 una versión simplificada de un modelo de
la firma Hyundai, este regulador es alimentado por una fuente que actúa como un
imán permanente, el regulador no se ve afectado por los disturbios del sistema.
Este modelo de regulador puede ser usado como un pequeño sistema de
excitación.
Figura A1: Representación simplificada del rectificador del sistema de excitación, (modelo
AC5A).
Los valores de las constantes de tiempo que comúnmente se utilizan en este tipo
de regulador son los que se muestran a continuación:
Unidad de referencia: (Modelo de la excitación: IEEE Std. 421.5: tipo AC5A:
adaptado por UNITROL 1000).
Constante de tiempo filtrada a la entrada del regulador (TR) [seg.] = 0.02
Constante de tiempo amplificada del regulador (TA) [seg] = 0.2
Ganancia
del
circuito
estabilizado
del
regulador
(KF)
=
0.12
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Bibliografía
_________________________________________________________________________
Constante de tiempo del circuito estabilizado del regulador (TF1) [seg.] = 1.2
Constante de tiempo del circuito estabilizado del regulador (TF2 ) [seg.] = 0.582
Constante de tiempo del circuito estabilizado del regulador (TF3) [seg.] = 0.29
Ganancia del regulador (KA) [p.u.] = 1000
Ganancia de la excitación (KE) = 1.0
Constante de tiempo de la excitación (TE) [seg.] = 0.582
Saturación de la excitación (SEMAX) [p.u.] = 0.86
Saturación de la excitación (SE.75) [p.u.] =0.5
Valor máximo de VR (VRMAX) [p.u.] = 14.14
Valor mínimo de VR (VRMIN) [p.u.] =-12.02
Razón de voltaje de excitación (EFDFL) [p.u.] = 5.60
Constante de tiempo del regulador (TA1) [seg.] = NA
Constante de tiempo del regulador (TA2) [seg.] = NA
Constante de tiempo de retardo de la señal interna (TB) [seg.] = NA
Factor de carga rectificado (KC) [p.u.] =0.00
Constante de tiempo de la señal de entrada de la carga (TC) [seg.] = NA
Valor máximo de VI (VIMAX) [p.u.] = NA
Valor mínimo de VI (VIMIN) [p.u.] = NA.
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