Digsilent 2016_estabilidad M2 - Tension.pdf

Curso DIgSILENT Power Factory v.2016 Estabilidad en SISTEMAS DE POTENCIA MÓDULO 2 – Estabilidad en tensión

SANTIAGO, julio de 2016 David E. Perrone [email protected]

www.estudios-electricos.com

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Temas / Objetivos Objetivos  Describir los fenómenos involucrados  Presentar las exigencias normativas  Presentar las soluciones utilizadas para el control de la inestabilidad

Temas  Conceptos → Definiciones para el estudio de la estabilidad en tensión  Métodos de Análisis → Herramientas para el estudio  Control de la Inestabilidad → Equipos y métodos de control existentes en los SEP: Funcionamiento y Operación 2

Conceptos generales de la estabilidad en tensión

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades Definiciones  La estabilidad en tensión resulta la habilidad del sistema de potencia para mantener tensiones aceptables en todas las barras del sistema bajo condiciones operativas normales y luego de ser sometido a una perturbación.  El sistema entra en un estado de inestabilidad en tensión cuando una perturbación, modificación en la demanda, o cambio en las condiciones del sistema causa un progresivo e incontrolable decaimiento de la tensión.

El principal factor que provoca la inestabilidad resulta la insuficiencia del sistema para satisfacer la demanda de potencia reactiva.

La inestabilidad de tensión es esencialmente un fenómeno local, sin embargo sus consecuencias pueden tener un impacto global sobre el sistema.

BLACKOUT

4

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades SISTEMA RADIAL PAPOSO

Sistema Real

TALTAL

DIEGO DE ALMAGRO

Representación

CARRERA PINTO CARDONES

GUACOLDA MAITENCILLO

PUNTA COLORADA

PAN DE AZÚCAR

LAS PALMAS LOS VILOS NOGALES

5

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades SISTEMA RADIAL  𝐼=

𝐸𝑆 (𝑍𝐿𝑁 cos 𝜃+𝑍𝐿𝐷 cos ∅)2 +(𝑍𝐿𝑁 sen 𝜃+𝑍𝐿𝐷 sen ∅)2

 𝑉𝑅 = 𝑍𝐿𝐷 𝐼

 𝑃𝑅 = 𝑉𝑅 𝐼 cos ∅ =

𝑍𝐿𝐷 𝐸𝑆 2 cos ∅ 𝐹 𝑍𝐿𝑁

;𝐹 =1+

𝑍𝐿𝐷 2 𝑍𝐿𝑁

+2

𝑍𝐿𝐷 𝑍𝐿𝑁

cos(𝜃 − ∅)

o Z constante → estable en un valor inferior de U Inviable

Valor crítico

Operación normal

Para una condición de carga superior al límite la estabilidad estará supeditada a su dependencia con la tensión:

o P constante → inestable

6

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades NORMA TÉCNICA DE SEGURIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO

Control de tensión  Conjunto de acciones destinadas a mantener la tensión de operación dentro de los niveles admisibles.

Estado Normal - Alerta o 0,97 (0,95) y 1,03 (1,05) por unidad, para instalaciones del ST con Un ≥ 500 kV. o 0,95 (0,93) y 1,05 (1,07) por unidad, para instalaciones del ST con 200 kV ≤ Un < 500kV. o 0,93 (0,90) y 1,07 (1,10) por unidad, para instalaciones del ST con Un < 200 kV.

 En Estado Normal, el control de las tensiones del SI dentro de la banda de regulación permitida deberá efectuarse manteniendo la potencia reactiva de las unidades generadoras dentro del Diagrama P-Q.  En Estado de Alerta, la potencia reactiva aportada por cada unidad generadora sincrónica deberá poder alcanzar el 100% de la capacidad máxima definida en el diagrama P-Q de cada unidad, por un tiempo no superior a 30 minutos, siempre que la tensión en los terminales de la unidad esté comprendida en los rangos admisibles. 7

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades NORMA TÉCNICA DE SEGURIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO

EJEMPLO – PERFILES DE TENSIÓN (N-1  EMERGENCIA) 1,10

[p.u.]

1,06 EMERGENCY & ALERT U=1.05pu

NORMAL U=1.03pu 1,02 U = 1.00pu

0,98 NORMAL U=0.97pu

ALERT U=0.95

0,94

EMERGENCY U=0.93pu

NCARD_C1

600, T(3)

[km] T(2)

T(1)

T

480, CUMB_C1B(2)

T(8)

T(7)

360, T(6)

T(5)

T(4)

240, T(3)

T(2)

T(1)

120, T

0,00

SE LOS CHANG..

0,90

Voltage, Magnitude

P 8

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades CURVAS DE CAPACIDAD PQ

Curvas de Capacidad

Generador Sincrónico ↓ Bornes de la unidad

Parque Eólico (NTSyCS 01/2016) → Aerogenerador → Punto de conexión

Parque Fotovoltaico (NTSyCS 01/2016) → Inversor → Punto de conexión

9

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Generalidades RECUPERACIÓN DINÁMICA (NTSyCS)

Recuperación Dinámica  Encontrándose en Estado Normal al ocurrir una Contingencia hasta severidad 7, la tensión no deberá descender transitoriamente por debajo de 0,70 por unidad luego de 50 [ms] de despejada la contingencia, en ninguna barra del ST.  La tensión tampoco podrá permanecer por debajo de 0,80 por unidad, por un tiempo superior a 1 segundo. La magnitud de la tensión en todas las barras del SI deberá converger a su valor final, ingresando dentro de una banda de tolerancia de ±10% en torno al mismo, en un tiempo no superior a 20 segundos, medido desde el instante de ocurrencia de la contingencia.

0,8pu

1seg

0,7pu 50mseg

10

Métodos de análisis para la estabilidad en tensión

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV

Curvas PV  Las curvas PV relacionan la potencia transportada hacia un nodo en función de la tensión del nodo.

VR

 Se construyen mediante sucesivos flujos de potencia, incrementando levemente en cada uno de ellos la potencia activa de la demanda del nodo.

PR

 Sin embargo, a medida que la tensión se acerca al valor crítico, normalmente el método de resolución numérica del flujo “NO CONVERGE”.

 Para analizar la inestabilidad en tensión se requiere conocer:

VR

 Límites de sobreexcitación de generadores  Composición de la carga  Cambiadores de taps de transformadores

PR 12

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV

Vr / Es

Zona ESTABLE Aumento de carga → Aumento PR

Tensión crítica

Zona INESTABLE

Pr / Prmax; Prmáx es la potencia máxima transportada para cosφ = 1

13

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV El valor mínimo (tensión crítica) de la curva PV resulta habitualmente de interés teórico o de estimación, pero no práctico para un Sistema de Potencia. Normalmente los criterios de desempeño estáticos operativos exigen tensiones mínimas que superan con holgura a la crítica. Este límite “teórico” resulta de gran interés para identificar o cuantificar el margen de seguridad operativa del SEP frente a contingencias tales como: → Incrementos abruptos de carga → Desconexión de líneas → Desconexión de generadores → Desconexión de compensación

14

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV

Influencia del Factor de Potencia Er/Es

Pr/Pmax

A medida que la compensación capacitiva crece, la tensión crítica (punto de colapso) se acerca a la tensión operativa 15

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV

Caso de Estudio

LAT 220kV <<7>> 210,00 km

ET #1/J1 ET #1/J2

ET #2/J1 ET #2/J2

¿Las curvas dependen del punto donde se realice el incremento de carga?

CT4/J1

LAT 220kV <<6>> 120,00 km

 Características del sistema o Sistema Radial y Extenso o Grandes Consumos o Sin Aporte de Reactivo

LAT 220kV <<5>> 120,00 km

XLPE 220 kV 10,00 km

Shunt/Fil..

G ~ G_PV

16

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS PV DIgS ILE NT

Se requiere una rutina Tensión ET #1 220kV en función de la potencia de la carga ➔ ROJO: Incremento de la carga en ET #1, la carga en ET #2 para su creación

1,20

(módulo opcional en v2016)

➔

1,10

es constante. VERDE: Incremento de las cargas manteniendo la relación de potencia entre ellas. Valor Valor máximo máximo de de Carga Carga #1 #1 Carga #2 = 104MW Carga #2 = 104MW

1,00

Y = 0,950 p.u.

Valor Valor máximo máximo de de Carga #1 “Y” Carga Carga #1 “Y” Carga #2 #2

0,90

 Puntos a considerar en el análisis:  Distancia al punto de colapso  70% operación normal  80% operación en N-1  Cumplimiento de estándares SyCS  Pendiente de la curva 0,80

0,70 0,00

x-Axis:

30,00

60,00

90,00

120,00

150,00

U_P-Curve: Potencia de T ransferencia Lineas LAT 220kV <<7>> in M W ET #1\J1: Voltage, M agnitude in p.u. ET #1\J1: Voltage, M agnitude in p.u.

17

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS QV Qi

Características de interés  Las curvas QV indican cómo la variación de potencia reactiva afecta la tensión de un nodo.

VR

 Se construyen mediante sucesivos flujos de potencia, incrementando/disminuyendo levemente en cada uno de ellos la potencia reactiva de la demanda del nodo.  Permite detectar los puntos de operación que se encuentran cercanos a la inestabilidad por consumo de potencia reactiva.  Para analizar la inestabilidad en tensión se requiere conocer:

Qi

→ límites de sobreexcitación de generadores → composición de la carga → cambiadores de taps de transformadores

VR 18

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS QV

Qi

Zona INESTABLE

Zona ESTABLE

VR dQ/dV = 0 19

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis CURVAS QV

Se requiere una rutina para su creación (módulo opcional en v2016)

Q@Un

LÍMITE Diferentes Condiciones

Umin

Un

Umax 20

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ

Niveles de sensibilidad  Permite evaluar el punto de operación, calculando las variaciones en tensión que provoca un leve incremento de potencia activa o reactiva en la red.  Pendiente de la curva PV (QV) en el punto de operación  Se especifica en %/MW (%/MVAr) o pu/MW (pu/MVAr)  Métodos de cálculo: 1. Manual 2. Power Factory (Load Flow Sensitivities) Resulta útil para evaluar la condición en la que permanece el sistema luego de producida una contingencia 21

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ

Método manual Variaciones de 1MW (0MVAr) en distintos consumos de la red, y análisis de las variaciones de tensión

ESTUDIOS DE SENSIBILIDAD

Tensiones

Carga 09 (ET #2) +1 MW

kV

pu

kV

pu

ΔV

kV

pu

ΔV

ET #1

219,20

0,996

218,90

0,995

0,14%

219,10

0,996

0,05%

ET #2

226,60

1,030

226,50

1,030

0,05%

226,50

1,030

0,05%

ET #3

224,60

1,021

224,60

1,021

0,00%

224,60

1,021

0,00%

MW

MVAr

MW

MVAr

ΔQ

MW

MVAr

ΔQ

ET #3 - 500/220kV

158,43

12,65

159,39

13,25

0,60

159,35

13,10

0,45

ET #3 - 132/220kV

30,64

-28,79

30,74

-28,81

-0,02

30,74

-28,82

-0,03

ET #3 - ET #2 220kV

99,00

-46,12

100,06

-45,52

0,60

100,02

-45,68

0,44

ET #2 - ET #1 220kV

74,13

-2,35

75,17

-1,49

0,86

74,13

-2,31

0,04

MW

MVAr

MW

MVAr

ΔQ

MW

MVAr

ΔQ

80,00

33,98

80,00

34,41

0,43

80,00

34,30

0,32

Equipos de CompensaciónMW

MVAr

MW

MVAr

ΔQ

MW

MVAr

ΔQ

SVS

-

13,72

-

13,66

-0,06

-

13,67

-0,05

MW

MVAr

MVAr

ΔQ

MVAr

ΔQ

-

-64,61

-62,57

2,04

-63,71

0,90

Transferencias

Punto más critico

Carga 14 (ET #1) +1 MW

Caso Base

Centrales Parque Eólico

Totales -

-

-

22

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ

Power Factory → Load Flow Sensitivities

Linealiza las ecuaciones del sistema sobre el punto de operación, y sobre la base de la matriz Jacobiana determina las relaciones dv/dP y dv/dQ.

Aplicación

Visualización de resultados 23

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SENSIBILIDAD dV/dP ; dV/dQ

X = 74,150 MW

X = 74,150 MW

0,008

1,10

DIgSILENT

1,20

DIgSILENT

Curvas de sensibilidad dv/dP Son muy útiles para analizar el punto de operación, la distancia al punto de colapso, y estimar límites de transmisión, sin embargo no resultan indicadores restrictivos (no existen parámetros normativos), y necesariamente deben ser complementados con análisis dinámicos 0,006

1,00

74.146 MW 0.990 p.u.

0,90

0,004

112.961 MW 0.900 p.u.

0,002

74.146 MW 0.001 p.u./MW

0,80

0.001 p.u./MW 135.832 MW 0.780 p.u.

0,70 0,00 x-Axis:

30,00 60,00 U_P-Curve: Potencia de Transferencia Lineas LAT 220kV <<7>> in MW ET #1\J1: Voltage, Magnitude in p.u. ET #2\J2: Voltage, Magnitude in p.u.

90,00

120,00

0.000 p.u./MW 0,000

150,00

-0,002 0,00 x-Axis:

30,00 60,00 U_P-Curve: Potencia de Transferencia Lineas LAT 220kV <<7>> in MW ET #1\J1: dv/dP Sensitivity in p.u./MW ET #2\J2: dv/dP Sensitivity in p.u./MW

90,00

120,00

Son muy útiles para analizar el punto de operación, la distancia al punto de colapso, y estimar límites de transmisión, sin embargo no resultan indicadores restrictivos (no existen parámetros normativos), y necesariamente deben ser complementados con análisis dinámicos

150,00

24

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 Abrir: Ejercicio M21.pfd LAT 220kV <<7>>. LAT 220 kV

1. Curvas PV  Graficar la curva PV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE.

ET NIOBE.. ET NIOBE..

3. Sensibilidad  Calcular y comparar la sensibilidad dv/dP para los escenarios de demanda alta y baja en barras de NIOBE 220kV

LAT 220kV <<6>>.

Curvas PQ  Graficar la curva QV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE.

ET ORACU..

LAT 220kV <<5>>.

2.

ET ORACU.. Static Generator QV

Shunt/Fil..

SG ~ Gen. Gene..

General L..

25

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 1. Curvas PV

DIgSILENT

Graficar la curva PV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE. 1,10

a. Ejecutar la DPL “PV Curves” en el escenario de Demanda Alta. 1,00

b. Guardar los “Results” dentro de la carpeta “Storage”. Nombrarlos “Dda_Alta”. c. Ejecutar nuevamente la DPL con el escenario de Demanda Baja activo. d. Graficar ambas curvas en un mismo gráfico.

Demanda Baja 0,90

Demanda Alta 0,80

0,70

0,60 0,00 x-Axis:

20,00 PV Curves: Total Load of selected loads in MW ET NIOBE\J1 ET NIOBE\J1: Voltage, Magnitude in p.u.

40,00

60,00

80,00

100,00

26

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis EJERCICIO M2.1 2. Curvas QV

DIgSILENT

Graficar la curva QV para condiciones de demanda Alta y Baja sobre la Barra de 220kV de la ET NIOBE. 150,00

a. Poner en Servicio el Static Generator b. Ejecutar la DPL “QV Curves” en el escenario de Demanda Alta. c. Guardar el archivo “.ElmRes” resultantes dentro de la carpeta “Fold” dentro de la carpeta “Storage”. Nombrarlos “Dda_Alta”. d. Ejecutar nuevamente la DPL con el escenario de Demanda Baja activo. (Recordar prender Static Generator). e. Graficar ambas curvas en un mismo gráfico.

100,00

Demanda Alta 50,00

Demanda Baja 0,00

-50,00

-100,00 0,40 x-Axis:

0,60 Static Generator QV: Voltage in p.u. Static Generator QV: 0 MW Static Generator QV: 0 MW

0,80

1,00

1,20

1,40

27

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis EJERCICIO M2.1

3. Sensibilidad Calcular y comparar la sensibilidad dv/dP para los escenarios de demanda alta y baja en barras de NIOBE 220kV. a. Utilizar la herramienta “Load Flow Sensitivities” y seleccionar la barra deseada b. Seleccionar variable dV/dP para mostrar en Flexible Data c. Comparar los resultados entre los escenarios de demanda alta y baja

Sensibilidad

Demanda Alta

Demanda Baja

dV/dP

0,00177926

0,00110202

28

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SIMULACIONES DINÁMICAS El análisis de estabilidad transitoria del sistema consiste en evaluar la evolución temporal de variables claves durante los primeros 20 a 30 segundos, luego de que el sistema es sometido a una gran perturbación (falla de diseño).

29

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis SIMULACIONES DINÁMICAS

EJEMPLO – RESULTADOS TENSIONES POST-CONTINGENCIA Evento: Pérdida de generación Tensión de Partida (N)

Tensión de Post-Cont (N-1)

Back-Swing

A B C

Muchas veces interrelacionado con la estabilidad angular

Aumento Reserva Q 30

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de análisis RESUMEN

Análisis

Pequeña Señal • Variaciones normales de demanda • Cambio taps • Cambios de setpoint en reguladores

Largo Plazo

• • • •

Corto Plazo

 Modelos dinámicos de Corto Plazo (AVR, modelo de la demanda, etc)

Gran Señal • Cortocircuitos en el Sistema • Pérdida de Generación • Pérdida de Demanda

Curvas PV • Curvas PV (escenario postCurvas PQ falla) Sensibilidad • Modelos dinámicos de largo Modelos dinámicos de largo Plazo Plazo (cambiadores de taps, (cambiadores de taps, limitadores de limitadores de excitación, excitación, controles VAR, etc) controles VAR, etc) • Modelos dinámicos de Corto Plazo (AVR, modelo de la demanda, etc)

31

Control de la estabilidad en tensión

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control GENERALIDADES

Controles de tensión en los SEP Sistemas de Excitación

Equipos estáticos Capacitores Shunt

Control sobre los generadores

Dispositivos FACTS

Esquemas Especiales

Dependencia de la demanda con la tensión

Esquemas Automáticos de Desconexión de Carga por Subtensión

Compensador Estático de Reactivos (CER)

Reactores Shunt

Capacitores Serie

Modelo de la demanda

STATCOM

33

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN

Los AVR resultan los elementos de control de tensión más importantes en los sistemas de potencia.

Control Elemental

34

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN

 En general los sistemas de excitación cuentan con las siguientes funciones de limitación: → OEL: Limita la corriente de campo a valores seguros para la máquina → UEL: Limita el ángulo δ – mantiene la estabilidad

→ V/Hz: Limita el flujo magnético dentro de la máquina

Ejemplo OEL La salida VOEL modifica la referencia de tensión del AVR.

35

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN

Curvas de capacidad

¿Por qué resultan importantes los controles OEL y UEL? 36

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN

Modelo Matemático

37

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN DIgSILENT

Representación en Digsilent – AC1A avr_EXAC1A: IEEE Modified Type AC1 Excitation System

vuel

0

avr_EXAC1A: IEEE Modified Type AC1 Excitation System

voel

Vbias

Vs

1

Vrmax

avrref 1/(1+sT) Tr

Vc-

-

(1+sTb)/(1+sTa) Tb,Tc

{K/(1+sT)} Ka,Ta 1

Vr

voel {1/sT Te

yi2

-

Vrmin

upss

Ve

uerrs

0

0.0

Vbias

K Ke

vf

K Kd

Fex

Vs

4

u

Vfe

3

vuel

0

usetp

2

usetp

Se

5

Se(Efd) E1,Se1,E2,Se2,0

avrref

2

curex

3

u

1/(1+sT) Tr

0

Fex Kc 1

Vc-

-

(1+sTb)/(1+sTa) Tb,Tc

sK/(1+sT) Kf,Tf

4

upss 1

38

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control SISTEMA DE EXCITACIÓN

El Artículo 3-11 de la NTSyCS especifica las exigencias mínimas que deben cumplir las unidades sincrónicas vinculadas al SI

DIgSILENT

Parámetros de desempeño 1,08

1.888 s 1.065 p.u.

1,06

Y = 1,058 p.u. Y = 1,053 p.u.

Y = 1,048 p.u. Y = 1,045 p.u. 1,04

3.200 s 1.047 p.u.

1.504 s 1.045 p.u.

1,02

Cumplimiento de NTSyCS: Y = 1,005 p.u.

1.140 s 1,00

0,98 0,000

2,000 G1: Terminal Voltage in p.u.

4,000

6,000

• Sobrevalor < 15% • Tiempo de Crecimiento < 400ms (entre 10% y 90%) • Tiempo de establecimiento < 1,5s (±5%) 8,000

[s]

10,00

39

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control CCEE Los Capacitores Shunt suministran potencia reactiva e incrementan las tensiones locales corrigiendo el factor de potencia de puntos específicos.

Ventajas  Bajo costo  Flexibilidad de instalación y operación.

Desventajas ↘ La potencia reactiva de salida es proporcional al cuadrado de la tensión ↘ La regulación de los sistemas con fuerte compensación shunt tiende a ser deficiente ↘ En ciertos casos la compensación shunt por si sola no resulta suficiente para evitar problemas de inestabilidad ↘ Tiempos de maniobra 40

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control REACTORES (LÍNEA / BARRA)  Los Reactores Shunt se utilizan generalmente para evitar sobretensiones por efecto de líneas en vacío o con baja condición de carga.  Los mismos pueden ser de conexión permanente o maniobrables

Sistema Débil

Reactores de Barra (maniobrables)

Sistema Fuerte

Reactor de línea (no maniobrable) 41

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control CCSS

 Los Capacitores serie se conectan en serie con las líneas de transmisión para compensar el efecto reactivo de las mismas.  Aumenta la capacidad de transmisión  Reduce las pérdidas en la línea

42

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control CCSS

43

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control CCSS

Estabilidad y Capacidad de Transmisión

44

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control CCSS

45

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA  Los Compensadores Estáticos de Reactivo (CER) son dispositivos shunt estáticos que vinculados al sistema permiten la absorción/entrega de potencia reactiva para el control de variables eléctricas. Red

 Tipos (o combinaciones de tipos) → Reactor Saturable (SR) → Reactor controlado por tiristores (TSR) → Todos los CER en Chile → Capacitor controlado por tiristores (TSC) → Transformador controlado por tiristores (TCT) → Capacitor maniobrable mecánicamente (MSC) → Los CCEE de los CER antiguos del Norte y de Puerto Montt → El CCEE del SVC Plus de DdA

Mechanically Thyristor Switched Controlled Reactor Reactor (TCR) (MSR)

Thyristor Switched Capacitor (TSR)

Harmonic Filter

Mechanically Switched Capacitor (MSC)

 Existen numerosas combinaciones de CER, las cuales contemplan dispositivos controlables y capacitores fijos muchas veces utilizados como filtros armónicos. 46

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC

Característica del CER Ic

V

Max L Min L

V

V

+

Ks

IL

Ks

Is

Ic

Característica del SISTEMA

A

A – Sistema Débil B – Sistema Fuerte

V

B ~ Cap.

Ind. I

47

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC

Característica del CER Sistema Operación Normal Cambio Topológico (i.e. pérdida de línea)

V

Pto. Operación Normal sin CER Pto. Operación Normal con CER Pto. Operación Postcontingencia sin CER Pto. Operación Postcontingencia con CER Analizar casos con distintas características del sistema y CER • Sistema Fuerte; Ks → 0° • Sistema Débil; Ks → 90°

Cap.

Ind.

Is 48

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC

Modelo DIgSILENT – CER POLPAICO CCEE fijo, sin posibilidad de maniobra TCR

CER +110/-69MVAr

49

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; SVC

DIgSILENT

Modelo DIgSILENT – CER POLPAICO

typ_Control: Control CER

Bl

Const Bcap

0

-

Tabla array_gate

(1/(1+sT)) Ttir

gatea

usetp Bmax

1

-

u

K/s G

Bmin

K Kp

Bref

Control ESTÁTICO y DINÁMICO sobre 220kV 50

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM

 Los Compensadores Estáticos (STATCOM) son dispositivos de regulación de la tensión basados en una fuente de tensión controlada mediante electrónica de potencia.

 Características  Buen desempeño ante condiciones de baja tensión  Respuesta dinámica rápida.  Colaboración en fenómenos de inestabilidad transitoria  Rango de operación amplio  Limitación (bloqueo) ante condiciones de muy baja tensión en la red

51

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM vs. SVC

Comparación STATCOM – SVC convencional Característica de operación

52

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM

Modelo DIgSILENT – SVC + DdA SIC (Diego de Almagro)

SVCPlus Plus, consiste , consistede dedos dosmódulos módulosde de ElElSVC ±50MVAr MVAryyun unbanco bancode decondensadores condensadores ±50 (MSC)de de533,5μF 533,5μFen enelelnivel nivelde de13,9kV, 13,9kV, (MSC) totalizandouna unacapacidad capacidadde de totalizando inyección/absorciónde de+140 +140MVAr/MVAr/inyección/absorción 100MVAr, MVAr,disponible disponiblede demanera maneracontinua continua 100 entodo todoelelrango rangode decontrol. control. en

Trafo_SVC

HV_Bus

1

Reactor 2

Reactor Current must not exceed 2078 Amps

Reactor 1

LV_Bus Reactor Current must not exceed 2078 Amps

MSC SVC1_internal

SVC Unit 1

SVC2_internal

SVC Unit 2

53

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM

Modelo DIgSILENT – SVC + DdA SIC (Diego de Almagro)

SVCPlus Plus, consiste , consistede dedos dosmódulos módulosde de ElElSVC ±50MVAr MVAryyun unbanco bancode decondensadores condensadores ±50 (MSC)de de533,5μF 533,5μFen enelelnivel nivelde de13,9kV, 13,9kV, (MSC) totalizandouna unacapacidad capacidadde de totalizando inyección/absorciónde de+140 +140MVAr/MVAr/inyección/absorción 100MVAr, MVAr,disponible disponiblede demanera maneracontinua continua 100 entodo todoelelrango rangode decontrol. control. en

INOM = 2,07kA

Trafo_SVC

HV_Bus

1

Reactor 2

Reactor Current must not exceed 2078 Amps

Reactor 1

LV_Bus Reactor Current must not exceed 2078 Amps

MSC SVC1_internal

SVC Unit 1

SVC2_internal

SVC Unit 2

El banco de condensadores no cumple la función de filtro, lo que permite maniobrarlo en función de los requerimientos del sistema, para un adecuado control de tensión. 54

Métodos de control

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

0,00 70,66 2,08 1,00

VSC 1 Diego de Almagro

19,63 1,412

1,18 -140,00 0,37 1,40

16,23 1,168

1,000

1

0,00 -46,61 1,66 1,17

-0,00 163,49 5,82 1,40

EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM

19,63 1,412

Máxima inyección de potencia reactiva Capacidad disponible SVC Plus (+140MVAr)

0,00 70,66 2,08 1,00

VSC 2 Diego de Almagro

→ La tensión en el nodo de

Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]

control (Diego de Almagro 220kV) es 1pu, para ambos Diego de Almagro casos

Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]

8,84 0,636 1

0,00 0,00 0,00 0,00

19,63 1,412

220kV resultan de +140/100MVAr. SVC Plus

0,00 70,66 2,08 1,00

Máxima absorción →Las Laspotencias potenciasde reactivas,registradas en el → reactivas, VSC 2 Diego de Almagro potencia reactiva registradas en el lado lado(-100MVAr) de 220kV resultan dede +140/-100MVAr. SVC Plus

VSC 2 Diego de Almagro

8,84 0,636

19,63 1,412

1

0,00 -46,61 1,66 1,17

-0,000,00 -88,01 70,66 4,152,08 1,001,00

VSC 1 Diego de Almagro

0,00 -31,81 2,08 1,00

es 1pu (70,66MVAr en un caso, y -31,81MVAr en otro) -0,00 163,49 5,82 1,40

VSC 1 Diego de Almagro

0,00 -31,81 2,08 1,00

→ La corriente en cada módulo 16,23 1,168

1,18 -140,00 0,37 1,40

0,60 100,00 0,26 1,00

12,23 0,880

go de Almagro

220,00 1,000

Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]

Load Flow Balanced Nodes Branches Ul, Magnitude [kV] Active Power [MW] u, Magnitude [p.u.] Reactive Power [Mvar]

Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]

Current, Magnitude [kA] Positive-Sequence Current, Magnitude [p.u.]

55

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EQUIPOS DE COMPENSACIÓN ESTÁTICA ; STATCOM

Operación → Se espera que en condiciones normales de operación, estos equipos se encuentren controlando tensión con un reducido intercambio de potencia reactiva (medido sobre el transformador), siendo su objetivo principal colaborar con el control transitorio de la tensión, brindando un soporte rápido de potencia reactiva.

→ En estos equipos, los convertidores están equipados con una protección de

!

sub-tensión (i.e. 0,3pu), lo que provoca su bloqueo ante fallas. El desbloqueo se produce cuando la tensión supera un umbral determinado (i.e. 0,5pu)

→ Para el control de barras de alta tensión, el droop es un parámetro altamente necesario.

56

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22 Abrir: Ejercicio M22.pfd

G3 ~ G

A

0

Linea_AB

Analizar en control de tensión para problemáticas ocurridas en la red

1

B

B_G2

E

2

1) Efecto de los controles de los generadores

Linea_EF_1

Load_E1

Cap_E

Load_F1 Load_F2

Cap_F

Linea_EF_2

Load_E2

Linea_AC

~ G

G2

3

TR_G2

Linea_BC

3

3) Comportamiento de bancos de CCEE

TR_G4

CER BT

Linea_CD_2

D

0

0

SVS

CER

1

Cap CER

~ G

3

TR_G1

G1

3

C

B_G1

4) Comportamiento de CER

Trf_CER

F

TR_C2

2) Efecto del ajuste de controles

Linea_CD_1

Evaluar

0

TR_G3

TR_A1

Problemática

TR_A2

B_G3

B_G4 G ~

G4

57

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 1: Generadores de la red SIN Controles Simular - EVENTO • Falla trifásica franca al 10% de la línea de 220kV vinculante de las SS/EE A y C; extremo A • Despeje en 120mseg por apertura de línea • Tiempo de simulación: 10 segundos Variables a Monitorear - RESULTADOS • Definir variables para la simulación • Generar gráficas

Proponer Recursos Estabilizantes - ANÁLISIS • • • •

¿Despacho de Generadores? ¿CCEE F/S? ¿Adición de nuevo equipamiento? ¿Reajuste de Parámetros? 58

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

1,082

DIgSILENT

Problemática: La falla y pérdida del vínculo genera el decaimiento de las tensiones 2,119

Y =

1,07 p.u.

Y =

0,93 p.u.

0,878 1,939

0,674

1,758

0,469

0,265

Tensiones en BARRA ↓ Inestables

1,578

Tensiones de Campo Generadores ↓ FIJAS

1,397 0,060 0,000

1,998

3,997

5,995

A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.

7,993

[s]

9,992

1,217 0,000

1,998

G1: G2: G3: G4:

Excitation Excitation Excitation Excitation

3,997

Voltage Voltage Voltage Voltage

5,995

in in in in

p.u. p.u. p.u. p.u.

7,993

[s]

9,992

59

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 2: Generadores de la red CON Controles

Simular

1,200

DIgSILENT

• Repetir falla de Parte 1 • Observar Resultados 12,14

1.87 s 1.30 s

0,972

Y =

1,07 p.u.

Y =

0,93 p.u.

9,704

0,744

7,267

0,516

Tensiones en BARRA ↓ Estables

4,830

Tensiones de Campo Generadores ↓ VARIABLES (control)

0,288

2,393 0,060 0,627

¿Sistema Estable?

1,655

2,683

3,711

A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.

4,739

[s]

5,768

-0,045 0,627

1,655

G1: G2: G3: G4:

Excitation Excitation Excitation Excitation

2,683

Voltage Voltage Voltage Voltage

3,711

in in in in

p.u. p.u. p.u. p.u.

4,739

[s]

5,768

60

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 2: Generadores de la red CON Controles

Simular

1,319

DIgSILENT

• Apertura Intempestiva transformador TR_C2 • Observar Resultados Tensiones de Campo Generadores ↓ VARIABLES (control) 12,70

1,120

9,216

Y =

1,07 p.u.

Y =

0,93 p.u.

0,920

5,731

0,720

Tensiones en BARRA ↓ Inestables

0,520

0,320 0,000

¿Problemática? ¿Soluciones?

1,998

3,997

5,995

A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.

7,993

[s]

2,246

-1,238

9,992

-4,723 0,000

1,998

G1: G2: G3: G4:

Excitation Excitation Excitation Excitation

3,997

Voltage Voltage Voltage Voltage

5,995

in in in in

p.u. p.u. p.u. p.u.

7,993

[s]

9,992

61

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 2: Generadores de la red CON Controles

Evaluar

DIgSILENT

• Tiempo de respuesta de los controles 1,08

1,06

Y = 1,053 p.u.

Y = 1,048 p.u.

1.402 s

1,04

Sobrevalor  Tiempo de Respuesta  Tiempo de Crecimiento 

1,02

Y = 1,005 p.u.

0.089 s

1,00

0,98 0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

[s]

5,00

G1: Positive-Sequence-Voltage, Magnitude in p.u.

62

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 3: Reajuste de controles

Simular DIgSILENT

• Resimular ajustando la ganancia del regulador (GRV1) a 10 veces su valor • Comparar resultados 1,08

0.253 s 1.054 p.u. 1,06

Y = 1,053 p.u.

0.186 s 0.385 s

0.142 s

Y = 1,048 p.u.

1.402 s

1,04

Sobrevalor  Tiempo de Respuesta  Tiempo de Crecimiento 

1,02

0.089 s 0.012 s

Y = 1,005 p.u.

1,00

0,98 0,00

1,00 G1: Ajuste Original G1: Reajuste

2,00

3,00

4,00

[s]

5,00

63

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 3: Reajuste de controles

Simular

1,319

DIgSILENT

• Apertura Intempestiva transformador TR_C2 • Observar Resultados 12,70

1,120 9,216

Y =

1,07 p.u.

Y =

0,93 p.u.

0,920

5,731

0,720

Tensiones Estable  Valor Final 

0,520

2,246

-1,238 0,320 0,000

¿Problemática? ¿Soluciones?

2,000

4,000

6,000

A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.

8,000

[s]

10,00

-4,723 0,000

2,000

G1: G2: G3: G4:

Excitation Excitation Excitation Excitation

4,000

Voltage Voltage Voltage Voltage

6,000

in in in in

p.u. p.u. p.u. p.u.

8,000

[s]

10,00

64

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 4: Banco de CCEE

Simular

1,319

DIgSILENT

• Capacitor Cap_F en Servicio • Apertura Intempestiva transformador TR_C2 12,70

1,156 9,216

Y =

1,07 p.u.

Y =

0,93 p.u.

0,992

5,731

0,828

Tensiones Estable  Valor Final 

0,664

0,500 0,000

¿Problemática?

2,000

4,000

6,000

A: Voltage, Magnitude in p.u. B: Voltage, Magnitude in p.u. B_G1: Voltage, Magnitude in p.u. B_G2: Voltage, Magnitude in p.u. B_G3: Voltage, Magnitude in p.u. B_G4: Voltage, Magnitude in p.u. C: Voltage, Magnitude in p.u. D: Voltage, Magnitude in p.u. E: Voltage, Magnitude in p.u. F: Voltage, Magnitude in p.u.

8,000

[s]

2,246

-1,238

10,00

-4,723 0,000

2,000

G1: G2: G3: G4:

Excitation Excitation Excitation Excitation

4,000

Voltage Voltage Voltage Voltage

6,000

in in in in

p.u. p.u. p.u. p.u.

8,000

[s]

10,00

65

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

Parte 4: Banco de CCEE 160,0

CCEE NOMINAL 150MVAr 148,9

137,8

127.41 MVAr

126,8

CCEE Rendimiento menor por baja tensión

115,7

104,6 0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

[s]

10,00

[s]

10,00

Cap_F: Total Reactive Power in p.u. (base: -1,00 Mvar) 0,990

0,959

0.92 p.u. 0,928

0,897

0,866

¿Problemática?

0,836 0,000

2,000

F: Voltage, Magnitude in p.u.

4,000

6,000

8,000

66

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

DIgSILENT

Parte 5: Compensador estático de reactivo 160,0

CCEE NOMINAL 150MVAr 148,9

137,8

9.52 s 146.63 p.u. 126,8

CER Comportamiento similar al CCEE (dependencia con la tensión)

115,7

104,6 0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

[s]

10,00

Trf_CER: Total Reactive Power/HV- Side in p.u. (base: -1,00 Mvar) 0,986

0,960

9.76 s 0.93 p.u. 0,934

0,908

0,881

¿Ventajas del CER respecto a los CCEE?

0,855 0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

[s]

10,00

F: Voltage, Magnitude in p.u.

67

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Métodos de control EJERCICIO M22

DIgSILENT

Parte 6: Statcom 160,1

STATCOM NOMINAL 150MVAr 147,6

135,1

STATCOM El aporte de reactivo no depende de la tensión de la barra

122,6

110,1

97,60 0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

[s]

10,00

6,000

8,000

[s]

10,00

Trf_STATCOM: Total Reactive Power/HV-Side in p.u. (base: - 1,00 Mvar) 0,975

0,953

0,931

0,910

¿Ventajas? ¿Utilización?

0,888

0,866 0,000

2,000

4,000

F: Voltage, Magnitude in p.u.

68

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Comportamiento de la carga - Representación

→ Comprende un conjunto de ecuaciones algebraicas y diferenciales que evidencian la dependencia de consumo de potencia activa y reactiva con respecto a las magnitudes de tensión y frecuencia.

→ Por lo general, las características de la demanda resulta de difícil estimación Las componentes de potencia activa y reactiva en cada instante son funciones de los valores de tensión y frecuencia de la barra en el pasado y en ese instante

u [kV] ; f [hz]

P [MW] Q [MVAr]

Expresa una característica de la carga en cada instante de tiempo como una función algebraica de las magnitudes de tensión y frecuencia en ese instante

Modelo Dinámico

Modelo Estático

debido a la variabilidad de tipos de carga.

69

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Comportamiento de la carga - Ejemplos reales

EJEMPLOS: DEPENDENCIA DE LA POTENCIA CON LA TENSIÓN

XVI ERIAC (2015) - CAMMESA “COLAPSOS RÁPIDOS DE TENSIÓN EN SISTEMAS CON ALTA PROPORCIÓN DE AIRES ACONDICIONADOS”

REGISTROS OBTENIDOS EN YACIMIENTO PETROLERO – SALIDAS A BOMBAS

70

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Representación de la carga - Modelos típicos

Modelo ZIP  Expresa la dependencia estática de la carga respecto a la tensión y la frecuencia. El nombre deriva de los tres términos que conforman la potencia activa y la reactiva.

P Q

2 P 0 p1 V pu 2 Q 0 q1 V pu

p 2 V pu p 3 1 K pf q 2 V pu q 3 1 K qf

p1, p2 y p3 definen la participación de cada término en P q1, q2 y q3 definen la participación de cada término en Q Kpf y Kqf representan la dependencia con la frecuencia

f f

Exponente

Magnitud constante

0

Potencia

1

Corriente

2

Impedancia 71

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Representación de la carga - Modelo Power Factory

Modelo Estático

Modelo Dinámico

72

M2 → ESTABILIDAD EN TENSIÓN

Esquemas especiales - Desconexión por sobre/sub tensión

→ Para casos especiales se utilizan esquemas automáticos para el control de la inestabilidad → Dado que algunos fenómenos de inestabilidad en tensión ocurren en tiempos mínimos, resulta incapaz la solución mediante la respuesta humana.

→ Por este motivo se diseñan Esquemas de Desconexión Automática de Carga (EDAC) ajustados en valores de tensión y tiempo de actuación determinados mediante estudios.

EDAC:

u

urel_subT Utrig_BT,t_BT

outBT

0

fa ultt tswitch

o ut

1

urel_SobreT Utrig_ST,t_ST

outST

73

FIN DEL MÓDULO 2

Gracias