MODELAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LAS CENTRALES SAN CARLOS Y TERMOCENTRO - ISAGEN

Septiembre 5 de 2012

Edgar Riaño García

Especialista Ingeniería

eriano@isagen.com.co

Agenda

1. Introducción

2. Etapas del trabajo

3. Levantamiento de Información

4. Unidad Hidráulica – San Carlos

– Información

– Modelos Teóricos

– Trabajo en campo

– Validación de modelos

5. Unidad a Gas - Termocentro

– Información

– Modelos Teóricos

– Trabajo en campo

– Validación de modelos

6. Conclusiones

1. Introducción

• Desde el año 2009, XM y las empresas del sector integradas en el

Grupo de Controles de Generación -GCG-, órgano del Consejo Nacional

de Operación -CNO- han buscado alternativas para el diagnóstico y

solución al problema de oscilaciones de muy baja frecuencia (0.05 –

0.08 Hz) presentes en el sistema de potencia colombiano.

• El Centro Nacional de Despacho -CND- debe disponer de los modelos

adecuados de los sistemas de control de los generadores del Sistema

Interconectado Nacional -SIN- para realizar las simulaciones y estudios

adecuados para conducir a la solución o control de las oscilaciones de

potencia.

• Por lo anterior, el Consejo Nacional de Operación -CNO-, estableciómediante el Acuerdo No. 552 los requerimientos para los modelos,pruebas y ajustes de los controles de excitación,velocidad/potencia de las unidades de generación del SistemaInterconectado Nacional -SIN-, que tiene como objetivo larealización de los análisis que contribuyan a una operación seguray confiable del SIN.

1. Introducción

• Al Acuerdo se integraron un grupo de plantas hidráulicas y térmicas,

entre ellas las unidades propiedad de ISAGEN correspondientes a las

plantas San Carlos y Termocentro, en las cuales se lleva a cabo una

fase inicial de pruebas de campo (pruebas piloto) que con la asesoría de

diferentes expertos, identifican las mejores prácticas en la obtención y

validación de los modelos de los controles de generación y ajuste de los

mismos en caso de ser necesario, además de posibilitar y servir para la

capacitación del sector eléctrico sobre el tema.

Central Hidroeléctrica San Carlos

• Está localizada en el departamento de Antioquia, 150 km al oriente de

Medellín, en jurisdicción del municipio de San Carlos, cerca al

corregimiento El Jordán.

• Ocho generadores de tipo sincrónico de 170 MVA a 85 °C de elevación de

temperatura, factor de potencia de 0,95, operando a 300 RPM, frecuencia

de 60 Hz y tensión de salida de 16,5 kV.

• Los generadores tienen excitación estática con base en tiristores

alimentados por transformadores conectados directamente a sus barras. A

este sistema esta asociado el PSS de tipo 2A.

• Los reguladores de velocidad de cada turbina son del tipo prealimentado y

poseen modos de control por potencia, velocidad, flujo y nivel.

• Doce transformadores monofásicos, con una potencia nominal máxima de

122 MVA cada uno. Relación de transformación de 15,8 kV a 230 kV.

Central Termocentro

• La central Termocentro está ubicada en el valle medio del río

Magdalena, en el corregimiento de Puerto Olaya, municipio de Cimitarra

(Santander) y distante aproximadamente 5 kilómetros de Puerto Berrío

(Antioquia).

• Posee una capacidad instalada de 300 MW, conformada por dos

unidades turbogeneradoras a gas de 100 MW cada una, y una unidad a

vapor de 100 MW.

Central Termocentro

• Unidades a Gas:

– Tienen una capacidad nominal de 140 MVA, un factor de potencia 0,85,

límites de absorción y generación de potencia reactiva de 20 MVAR y tensión

nominal 13,8 kV.

– El Regulador de velocidad integrado con turbina (PCU) es de marca

Westinghouse referencia 501D y tiene modos de operación por flujo,

potencia y temperatura.

– El sistema de excitación es Brushless y el control es ABB, trabaja en los

modos automático (control de tensión en terminales del generador) y manual

(control del campo del generador). Tiene asociado un PSS tipo 2B.

• Unidad a Vapor:

– tiene una capacidad nominal de 136,73 MVA, un factor de potencia 0,80,

límites de absorción y generación de potencia reactiva de 20 MVAR y tensión

nominal 13,8 kV .

– El PCU de la turbina a vapor, considera tres etapas de presión de vapor. El

fabricante de los equipos es General Electric.

– El sistema de excitación es estático, modelo EX2000 fabricado por General

Electric. Tiene asociado un PSS tipo 2A.

2. Etapas del trabajo

3. Levantamiento de Información.

• Datos de Generador.

• Transformador de alta del generador.

• Datos sistema de excitación (AVR , PSS, Protecciones).

• Turbina y Regulador de Velocidad.

• Detalles de Conducción (Hidráulica).

• Datos de conexión a la red.

4. Unidad Hidráulica – Central San Carlos

4. San Carlos: Información Conducción• El principal factor que interviene en la dinámica de una central hidroeléctrica es la

geometría de la conducción.

• Para poder determinar un modelo para sus secciones de la central, se realizó una

consulta de la documentación de la central (los planos detallados de la

conducción).

4. San Carlos : Modelo Teórico –Regulador de Velocidad

Conducción

ControlActuador

Turbina

• El modelo en el dominio de la frecuencia desarrollado en la herramienta de

simulación MATLAB Simulink

4. San Carlos: Modelos Teóricos –Regulador de Tensión y PSS

Red

Transformador

GeneradorPSS

AVR

• El modelo en el dominio de la frecuencia desarrollado en la herramienta de

simulación MATLAB Simulink

4. San Carlos: Trabajo en campo -Regulador de Velocidad

11. Potencia filtrada

12. Salida controlador lazo cerrado

13. Referencia de flujo

14. Posición actual de las agujas

15. Referencia de la servo válvula

16. Posición de la servo válvula

17. Salida del control de la servo válvula

18. Señal de frecuencia (señal simulada)

19. Flujo total de la turbina (calculado por el

regulador

1. Velocidad actual de la Turbina

2. Salida de Banda Muerta

3. Error de velocidad filtrado

4. Referencia de potencia

5. Salida del gradiente

6. Referencia real (más estatismo)

7. Presión de entrada de la Turbina

8. Cabeza

9. Referencia de posición de las agujas

10. Potencia de salida

4. San Carlos: Trabajo en campo -Regulador de Velocidad

4. San Carlos: Trabajo en campo -Regulador de Tensión y PSS

4. San Carlos: Validación de modelos -Regulador de Velocidad

4. San Carlos: Validación de modelos -Regulador de Velocidad

4. San Carlos: Validación de modelos -Regulador de Tensión y PSS

4. San Carlos: Validación de modelos -Regulador de Tensión y PSS

4. San Carlos: Validación de modelos -Regulador de Tensión y PSS

5. Unidad a Gas – Central Termocentro

5. Termocentro: Información – Válvulas

• Las unidades a gas realizan la regulación de carga por medio de tres válvulas

denominadas Válvula Piloto, Válvula A, y Válvula B.

• Cada una de estas válvulas tiene unas características de posición-flujo,

relacionadas en la documentación de planta.

5. Termocentro: Modelos Teóricos -Regulador de Velocidad

Turbina

ControlActuador

• El modelo de la unidad se preparó con la información disponible (documentación

de planta y mediciones en campo).

• El modelo desarrollado representa claramente el comportamiento de la unidad en

varias condiciones de carga.

5. Termocentro: Modelos Teóricos –Regulador de Tensión y PSS

• Las unidades a gas de Termocentro están equipadas con un sistema de

excitación que puede ser modelado como un sistema tipo ST5C.

5. Termocentro: Modelos Teóricos –Regulador de Tensión y PSS

• Los reguladores de tensión de las unidades a gas están equipados con un PSS

que puede ser representado con un tipo PSS2B.

5. Termocentro: Modelos Teóricos –Regulador de Tensión y PSS

PSS

AVR

GeneradorTransformador

Red

• El modelo en el dominio de la frecuencia desarrollado en la herramienta de

simulación MATLAB Simulink

5. Termocentro: Trabajo en campo -Regulador de Velocidad

Señales registradas:

1. Velocidad de la turbina.

2. Referencia de potencia.

3. Potencia de salida.

4. Referencia Válvula Piloto

5. Referencia Válvula “A”

6. Referencia Válvula “B”

7. Posiciones Válvula piloto

8. Posiciones Válvula “A”

9. Posiciones Válvula “B”

10. Aporte de estatismo

11. Salida de Control MW.

12. Salida de control por temperatura

13. Limitador por máximo MW

14. Limitador por máximo salto MW

15. Combustible total.

16. Presión total.

17. Temperatura de exhosto.

5. Termocentro: Trabajo en campo -Regulador de Tensión y PSS

Señales registradas:

1. Potencia Activa

2. Potencia Reactiva

3. Tensión de campo

4. Corriente de campo

5. Tensión de terminales

6. Corriente de armadura

7. Salida de control

8. Salida del PSS

5. Termocentro: Validación de modelos - Regulador de Velocidad

• Prueba de respuesta al escalón a 30 [MW]

5. Termocentro: Validación de modelos - Regulador de Velocidad

• Prueba respuesta en frecuencia periodo de 10 segundos a 85 [MW]

5. Termocentro: Validación de modelos - Regulador de Tensión y PSS

7. Conclusiones

Conclusiones

• Los modelos validados de los controles de generación asociados a las

unidades de la Central San Carlos y de la Central Termocentro

realizados hasta el momento, son estables para el modo normal de

operación.

• Los modelos se validaron con las unidades de generación

sincronizadas a la red, en diferentes condiciones operativas (máxima,

media y mínima generación).

• Al realizar el plan piloto para las unidades se cuenta con los modelos

adecuados de los sistemas de control de los generadores de las

centrales que hacen parte del mismo.

• Cuando se disponga de los modelos validados de las unidades del

Sistema Interconectado Nacional -SIN-, se podrán realizar las

simulaciones y estudios adecuados para conducir a la solución o

control de las oscilaciones de potencia.

• Con la asesoría de expertos en el tema de modelamiento, se han ido

identificado las mejores prácticas en la obtención y validación de los

modelos de los controles de generación.

• La realización del plan piloto ha permitido la capacitación del sector

eléctrico sobre el tema y la apropiación del conocimiento para

modelamientos futuros.

Gracias