Validacion Modelos Sistemas Control Generacion Salvajina ParteII

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Validación De Los Modelos De Los Sistemas De Control De Generación Para Estudios De Estabilidad De La Central Hidroeléctrica De Salvajina. Parte II: Control De Excitación

Validación De Los Modelos De LosSistemas De Control De Generación Para

Estudios De Estabilidad De La CentralHidroeléctrica De Salvajina. Parte II:

Control De Excitación

Andrés Julián Saavedra,M Sc

Ingeniero Electricista.Universidad del Valle

José Miguel Ramírez S, Ph DProfesor TitularUniversidad del Valle

Hernando Vásquez P, M ScProfesor TitularUniversidad del ValleGrupo de Investigación en

control industrial, GICI

RESUMEN

En este artículo se presenta la

validación de los modelos delsistema de excitación y delgenerador de la hidroeléctricaSalvajina, para estudios dinámicosdel sistema de potencia; sepresenta el modelado delgenerador sincrónico en vacíoincluyendo el efecto de lasaturación y con la señal decorriente de campo saturada como

una salida del modelo. Lavalidación se realiza comparandolos resultados de pruebas(oscilogramas) con los desimulación, para el generador envacío en pequeña y gran señal.Finalmente se presenta lasimulación de una prueba que

involucra toda la unidad degeneración funcionando en línea,en la que se integran los modelosdel regulador de velocidad, laturbina hidráulica con su tubería depresión y el sistema de excitación.

PALABRAS CLAVES

Validación, simulación, modelos,sistema de control de excitación.

ABSTRACT

This paper presents the validation of excitation system and generator models for power systems dynamic studies, for the hydroelectric station of Salvajina; a no load generator model is used which explicitly gives the saturated field current. The validation is made comparing no-load small and large signal response curves, with simulations results; finally on-line simulation results are presented

which include governor, hydraulic turbine and the excitation control system.

KEYWORDS

Validation, simulation, models,excitation control system



Validación De Los Modelos De Los Sistemas De Control De Generación Para Estudios De Estabilidad De La Central Hidroeléctrica De Salvajina. Parte II: Control De Excitación

1 INTRODUCCIÓN

En esta segunda parte se valida el sistema de

control de excitación. La validación se realiza denuevo comparando los oscilogramas de pruebas depuesta en marcha con la simulación de las mismas.Para la validación se escogió la unidad degeneración número 1 de Salvajina, puesto que es lacentral con mayor documentación de registros yoscilogramas reales de pruebas de puesta enmarcha.

El modelo obtenido para el sistema de excitaciónconsidera las dinámicas de amplificación yestabilización; también se consideran lasalinealidades de saturación internas de los

componentes electrónicos y del puente rectificadorcontrolado; por otro lado, el regulador de tensión esmás exigido durante la operación del generador envacío; por lo anterior, los modelos se validanutilizando pruebas de pequeña y gran señal envacío; sin embargo, en gran señal es importanteconsiderar la pérdida de ganancia del generadorpor saturación, lo que afecta el voltaje enterminales; adicionalmente, debe considerarse lasaturación para la corriente de excitación puestoque afecta el límite máximo de la tensión deexcitación. En la sección siguiente se presentará eldesarrollo del modelo del generador bajo estasconsideraciones; luego, se presentarán losresultados de validación en pequeña y gran señal.Posteriormente se simula la unidad completafuncionando en línea integrandose los modelos delregulador de velocidad, la turbina hidráulica con sutubería de presión y el sistema de excitación; lacomparación de los oscilogramas con losresultados de simulación confirman la validez de losmodelos para ser utilizados en estudios dinámicosde sistemas de potencia.La definición de variables y parámetros se presentaen el anexo.

2 MODELO DEL SISTEMA DE CONTROLDE EXCITACIÓN

2.1 Modelo del sistema de excitación

Los sistemas de excitación en la centralhidroeléctrica de Salvajina fueron fabricados porToshiba corporation y son del tipo autoexcitadodirecto [3], en el cual la potencia de excitación se

toma de los terminales del generador a través de untransformador, el cual se conecta a un puente

rectificador controlado que maneja directamente lacorriente de excitación. El modelo de los sistemasde excitación en Salvajina se presenta en la figura 1y corresponde con el modelo propuesto en el últimoestándar realizado por IEEE [2], en donde seclasifica como ST1A. La parametrización demodelo se realizó a partir de pruebas realizadas alos elementos del sistema de excitación en planta.

Figura 1. Modelo de los sistemas de excitación en la

central de Salvajina

2.2 Obtención del modelo del generador envacío

Los generadores en la central de Salvajina fueronconstruidos por Toshiba Corporation y sonmáquinas sincrónicas, trifásicas, de disposiciónvertical y rotor de polos salientes. Lascaracterísticas del generador a modelar se listan enel anexo b.

El modelo que representa un generador sincrónicofuncionando en vacío se obtiene a partir de laecuación diferencial del voltaje de campo, la cuadescribe su comportamiento dinámico en este

régimen:

dt

d I R E FDFDFD

φ += , (1)

El voltaje de salida del generador está dado por:

φ T T K V = , (2)

1

1+STR

SKF

1+STF

KA

1+STA

VTV

RMIN

VTV

RMAX-K

CIFD

EFD

VA

UEL OEL PSSVREF

VT

VF

+

+

++

-

-

VAMAX

VAMIN

Compuerta

> Valor



Validación De Los Modelos De Los Sistemas De Control De Generación Para Estudios De Estabilidad De La Central Hidroeléctrica DeSalvajina. Parte II: Control De Excitación

El voltaje en terminales también está en función nolineal a la corriente de campo debido a la saturaciónmagnética, por lo tanto esta corriente se puedeescribir en función del voltaje como sigue:

( )T E T g

T

FD V SV R

V

I += (3)

La representación de la saturación en estudiosdinámicos no está estandarizada. En este caso seselecciona la función exponencial:

( ) T BV

T E AeV S = (4)

De las cuatro ecuaciones anteriores se escribe larelación entre el voltaje en terminales del generadorV T y el voltaje de campo E FD con la máquina en

vacío; la normalización de esta ecuación se realizacon las bases establecidas para el sistema deexcitación, este sistema en por unidad se conocecomo sistema “no reciproco” [1], (la barrasuperíndice denota en por unidad):

( )[ ]dt

V d T V SV V R E

T

doT E T T FDFD '++= , (5)

El modelo del generador se construye a partir de(5). Se requiere que la señal de corriente de camposea una salida del modelo del generador, puesto

que es una de las entradas al modelo del sistemade excitación; para adicionar esta señal se utiliza laecuación diferencial del campo del generadornormalizada, en función de la corriente de campo yel voltaje en terminales:

dt

V d T R I E

T

doFDFDFD '+= . (6)

Reemplazando (6) en (5) se deduce la expresiónque define la señal de corriente de campo I FD en elmodelo del generador.

( )T E T T FD V SV V I += (7)

En la ecuación (7), la corriente de campo estáafectada por la saturación, tal y como ocurre en larealidad, por lo tanto esta característica hace almodelo mas representativo para el régimen sincarga de la máquina.

Figura 2. Modelo del generador sincrónico en vacío

En la figura anterior se presenta el modelo degenerador para funcionamiento en vacío incluyendoel efecto de saturación y la señal de corriente decampo como una salida adicional; este modelo sepropuso para validar el modelo del sistema deexcitación de Salvajina en lazo cerrado. El cálculo

de sus parámetros se presenta en [5].3 VALIDACIÓN DE LOS MODELOS

El primer paso para validar el modelo es laselección de la prueba a simular, se escoge laprueba Indicial Response Test [6.] que consiste enaplicar un escalón en la referencia del regulador detensión produciendo un cambio del voltaje enterminales con el generador sin carga. El cambio devoltaje se ajusta con un potenciómetro conectadoen serie con el potenciómetro de referencia y uncontactor que permite la entrada y salida de

potenciómetro, generando el escalón.

Para la simulación se seleccionó una prueba enpequeña señal buscando validar las dinámicas masimportantes del modelo en estado estable y otraprueba en gran señal, para validar las nolinealidades del modelo y su representación enestado transitorio.

La validación del modelo del sistema de control deexcitación consistió en comparar oscilogramasregistrados durante las pruebas de puesta enmarcha de la central, con resultados de simulación

de las mismas pruebas. La simulación se realizóutilizando el paquete Simulink de Matlab.

3.1 Validación en pequeña señal del modelo desistema de control de excitación

El escalón aplicado en pequeña señal genera uncambio del voltaje en terminales del 5%; En lasfiguras siguientes se presentan los oscilogramas y

RFD

1

STdo

+

+

+

VT

EFD

IFD

-

SE(V

T) = A e

BVT




resultados de simulación del voltaje de campo y elvoltaje en terminales.

La comparación de la figura 3, muestra que elmodelo representa adecuadamente las dinámicasdel sistema de control de excitación, validando su

uso en estudios dinámicos del sistema de potencia.

Figura 3. Voltaje de campo y en terminales del generador

frente a un escalón de pequeña señal

La mayor diferencia en la señal de voltaje de campose debe a su alta sensibilidad frente al error del lazode control, puesto que se encuentra después del

bloque del regulador de tensión, el cual típicamenteposee una alta ganancia (KA), ver figura 1.

En el transitorio de bajada del voltaje en terminalesse observa una mayor diferencia entre eloscilograma real y la simulación en comparacióncon el transitorio de subida; esto se debe a que eloscilograma real del voltaje en terminales exhibedinámicas diferentes en los transitorios; estadiferencia es producida por el fenómeno nomodelado de histéresis, el cual hace que lamagnetización del generador sea diferente a ladesmagnetización.

3.2 Validación en gran señal del modelo delsistema de control de excitación

El escalón aplicado en gran señal genera uncambio del voltaje en terminales del 20%; en lafigura siguiente se presentan los oscilogramas yresultados de simulación del voltaje de campo y elvoltaje en terminales del generador.

Figura 4. Voltaje de campo y en terminales del generador

frente a un escalón de gran señal

Las curvas de la figura 4 muestran que el modeloes una representación muy aproximada de las nolinealidades de saturación del sistema de control deexcitación, en particular la saturación del actuador ydel generador, por lo tanto este modelo puede seutilizado en análisis transitorio de sistemas depotencia

En los dos transitorios de la señal de voltaje decampo se observa que la dinámica de la simulación

es levemente mas rápida que la del oscilogramareal, es decir que el modelo no considera unadinámica rápida que si está presente en el equipofísico.

En el intervalo de 5 a 6 segundos el sistema decontrol queda en lazo abierto puesto que la salidadel regulador se satura; en este segundo, ladinámica equivalente no-lineal generador-actuadores un poco mas lenta en el modelo propuesto, loque señala una diferencia en la constante detiempo saturada del devanado de campo demodelo del generador.

Las curvas de corriente de campo, ver figura 5muestran como se logra una representaciónadecuada del campo del generador, estacomparación valida la representación del modelodel generador con la señal de corriente de campoafectada por la saturación.

Voltaje en terminales (pu)

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

0 1 2 3 4 5 6 7

Tiempo (seg)

V o l t a j e e n t e r m i n a l e s ( p u )

-3

-2

-1

0

1

2

Voltaje de campo (pu)

V o l t a j e d e c a m p o ( p u )

Oscilograma real Simulación

Voltaje en terminales (pu)

0,76

0,81

0,86

0,91

0,96

1,01

1,06

1,11

1,16

1,21

1,26

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tiempo (seg)

V o l t a j e e n t e r m i n a l e s ( p u )

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Voltaje de campo (pu)

V o l t a j e d e c a m p o ( p u )





Figura 5. Corriente de campo del generador frente a un

escalón de gran señal

4 SIMULACIÓN DE UNA UNIDAD DEGENERACIÓN EN LÍNEA

Para confirmar la validez del modelo del sistema decontrol de velocidad (regulador y turbina) y del

modelo del sistema de excitación, se seleccionóuna prueba en la que actúa toda la unidadgeneradora conectada a la red. En esta simulaciónse utilizan los modelos del regulador de velocidad,la turbina hidráulica y el sistema de excitaciónpresentados a lo largo de este artículo y losmodelos del generador, el transformador y la redeléctrica preestablecidos en el software desimulación. Esta prueba se consideró un estudio deestabilidad de la central hidroeléctrica.

La prueba seleccionada se denomina Indicial Response Tets (OCL) y consiste en aplicar unescalón en el voltaje de referencia del sistema deexcitación, generando un cambio en la potenciareactiva que está entregando la máquina; esteescalón genera una perturbación en la potenciaactiva, produciendo la oscilación que se analiza.

Figura 6. Oscilograma real de potencia activa

Figura 7. Señal de potencia activa (Simulación)

En las figuras 6 y 7 se muestra el oscilograma reay la simulación de potencia activa respectivamenteEn la señal de potencia activa se lee el modo deoscilación local de la unidad y el grado deamortiguamiento que existe sobre este modo.

En el oscilograma real de potencia activa, se lee unmodo de oscilación aproximadamente igual a 1.7Hz y en la señal de simulación se lee un modo de1.98 Hz. El modo de la simulación presenta un errodel 14% con respecto al modo real de la plantacantidad de error que se admite según sea edetalle del estudio de estabilidad a realizar.

En el oscilograma real de potencia activa seobserva como la tercera oscilación es mayor a lasegunda, lo que permite pensar en la aparición deun pequeño disturbio o la excitación de un modode los cuales se desconoce su naturaleza. Sin

embargo se observa un número similar deoscilaciones en ambas señales.

5 CONCLUSIONES

Se obtuvo un modelo del generador sincrónico parael régimen de vacío teniendo en cuenta el efecto dela saturación magnética, además se le adicionó laseñal de corriente de campo afectada por estemismo fenómeno, como una salida del modelo.

Se simularon pruebas de pequeña y gran señal quepermitieron validar la representación de lasdinámicas mas importantes y las no-linealidades demodelo del sistema de control de excitación.

Finalmente se realizó un estudio de estabilidad deuna unidad de generación en la central Salvajina asimular y analizar una prueba que involucro lossistemas de control de generación con la máquinaen línea.

6 BIBLIOGRAFÍA[1.] Kundur, Prabha Shankar. Power system stability

and control. United States : Mc Graw Hill, 19941176 p. ISBN 0-07-035958-X.

[2.] Power engineering society. Power generationcommittee. IEEE Recommended practice foexcitation system models for power system

0,80

0,901,00

1,10

1,20

1,30

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tiempo (seg) C o r r i e n t e d e c a m p o ( p u )


90720 KW

0 1 2 3 4 5 6 7

Potencia Activa Tiempo (s)




stability studies. Estados Unidos, 1992. 55p.(ANSI/IEEE std 421.5-1992).

[3.] Power engineering society. Power generationcommittee. IEEE Standar definitions forexcitation systems for synchronous machines.

Estados Unidos, 1985. 21p. (ANSI/IEEE std421.1 -1986).

[4.] Ramírez, José Miguel. Et al . Modelosmatemáticos para los reguladores de velocidady los sistemas de excitación de la plantaSalvajina: Energía y Computación. Vol IX, No.2, segundo semestre del 2000; p. 69-75.

[5.] Saavedra, A.J. Modelado para estudios deestabilidad de los sistemas de control develocidad y excitación de la central Salvajina.Tesis de maestría. Universidad del Valle. 135 p.

6 ANEXO

A Nomenclatura para el modelo del sistema decontrol de excitación (Sistema de excitacióny generador)

VT Voltaje en terminales de la máquina sincrónica.EFD Voltaje de campo del generador.IFD Corriente de campo del generador.

RFDResistencia del devanado de campo delgenerador.

RgPendiente de la línea de entrehierro de la curvade saturación con en vacío.

S E Saturación magnética.

A y BPuntos seleccionados de la operación delgenerador en vacío.

φ Flujo magnético en los polos de la máquina.

KTConstante que depende de la configuración deldevanado del estator.

T’doConstante de tiempo transitoria en circuitoabierto, en segundos.

VREF Voltaje de referencia del regulador de voltaje.

VFSalida de la red de estabilización del sistema deexcitación.

UEL Limitador de subexcitación.OEL Limitador de sobrexcitación.PSS Estabilizador del sistema de potencia.VA Voltaje interno del regulador.

Parámetros en el modelo del sistema de controde excitación para las simulaciones

TRConstante de tiempo del filtro deentrada del regulador

0.032 seg

KA Ganancia del regulador de tensión 165.15

KF Ganancia de la red deestabilización

0.0175

TA Constante de tiempo del regulador 0.16 seg

TFConstante de tiempo de la red deestabilización

0.86 seg

VA MAXLímite máximo del voltaje internodel regulador

4.78 pu

VA MINLímite mínimo del voltaje internodel regulador

4.51 pu

VR MAXFactor del límite máximo del voltajede salida del regulador

3.37 pu

VR MINFactor del límite mínimo del voltajede salida del regulador

- 2.98 pu

KC

Factor de reducción del voltaje decampo por las conmutaciones delpuente rectificador

0.123

T’d0Constante de tiempo transitoria encircuito abierto

7 seg

A Punto de la curva de saturación 0.6082×10-5

B Punto de la curva de saturación 9.83951

RFDResistencia del devanado decampo

0.9009 pu

B Características del generador de la centrahidroeléctrica de Salvajina

Potencia nominal 100000 KVAFrecuencia nominal 60 HzNúmero de polos 40Velocidad 180 rpmFactor de potencia 0.9 en atrasoVoltaje nominal 13800 VCorriente nominal 4184 AExcitación 300 VRégimen de funcionamiento ContinuoClase de aislamiento B




AUTORES

Andrés Julián Saavedra Montes.Nacido en Palmira, Colombia, 1974.Ingeniero Electricista, Universidaddel Valle (1998). Magíster en

Sistemas de Generación deEnergía Eléctrica, Universidad delValle (2002). Actualmente profesor

hora cátedra en la Universidad del Valle, Palmira.Investigador del GICI. Áreas de interés: Elmodelado, identificación y simulación de sistemaselectromecánicos. [email protected].

José Miguel Ramírez Scarpetta.Nacido en Cali, Colombia, 1961.Ingeniero Electricista (1986),

Magíster en sistemas deGeneración de Energía (1989) de laUniversidad del Valle, Cali,Colombia. Doctor (1998) en

Automática-Productica del INPG, Grenoble,Francia. Profesor titular desde 1988 de la Escuelaen Ingeniería Eléctrica y Electrónica de laUniversidad del Valle. Consultor de empresas delsector eléctrico nacional (1992-1993, 1998,1999) ensistemas de excitación para generadoressincrónicos. Sus áreas de investigación incluyen elcontrol óptimo y no-lineal, con aplicación a sistemaselectromecánicos. [email protected]

Hernando Vásquez Palacios.Ingeniero Electricista (1975) de laUniversidad del Valle, Magíster enIngeniería Eléctrica del TechnischeUniversitat Braunschweig (1982),Alemania. Profesor (actualmentetitular) de la Escuela en Ingeniería

Eléctrica y Electrónica de la Universidad del Valle.Investigador del GICI. Áreas de interés: electrónica

de potencia y regulación de voltaje en generadoressincrónicos. [email protected]

Foto de 3x4centímetrosde la caradel autor a

color

Foto de 3x4centímetrosde la caradel autor acolor

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