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CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.1/19 Cliente: COES - Perú Asunto: CENTRAL HIDROELECTRICA DE CHARCANI V (PERÚ) Pruebas de estabilidad permanente. Contrato COES 90/00265 Pedido: Notas: N. de páginas: 19 Fecha: N. de páginas fuera del texto: 167 01 Julio 2002 Elaborado por: B.U. RETE- P. Calabrese, V. Lotto, F. Rizzo, G. Tagliabue Verificado por: B.U. RETE- G. Demartini Aprobado por: B.U. RETE- A. Ardito CESI Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta spa Via R. Rubattino 54 20134 Milano - Italia Telefono +39 0221251 Fax +39 0221255440 http://www.cesi.it Capitale sociale 8550000 € interamente versato CCIAA di Milano n. 429222 Registro delle Imprese di Milano n. 84067 Sezióne Ordinaria Tribunale Milano P.I. IT00793580150 C.F. 00793580150 Informe CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.2/19 Indice 1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 4 2 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA ............................................................................................ 4 3 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ACTIVIDAD...................................................................................... 6 3.1 VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LA REGULACIÓN DE TENSIÓN .................................10 3.2 ESTABILIDAD ELECTROMECÁNICA "LOCAL" E "INTER-ÁREA" ...................................................................11 3.3 VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LA REGULACIÓN DE VELOCIDAD/FRECUENCIA ..........................................................................................................................11 4 CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE LA PLANTA .....................................13 4.1 REGULADOR AUTOMATICO DE TENSIÓN (AVR) ........................................................................................13 4.1.1 Estadio de control del regulador de tensión, puente rectificador de excitación ........................ 15 4.1.2 Caida compensación potencia reactiva ..................................................................................... 15 4.1.3 Limitador en sobre excitación .................................................................................................... 16 4.1.4 Limitador en sub-excitación ....................................................................................................... 17 4.2 REGULADOR DE VELOCIDAD .....................................................................................................................18 5 CONCLUSIÓNES ..........................................................................................................................................19 © Copyright 2002 by CESI. All rights reserved – Activity code : 34245G Keywords: 12035F, 201210U, 51250F, 53010Z, 61020C CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.3/19 HISTORIA DE LAS REVISIÓNES Rev. 0.0 01-07-2002 BU-RETE Edición inicial CESI Informe 1 Prot. RETE – A2/021863 Pag.4/19 INTRODUCCIÓN En el periodo comprendido entre el 6 y el 8 de junio de 2002, CESI por encargo de COES, realizó una serie de pruebas de estabilidad permanente sobre el sistema eléctrico Sur-Este, para verificar el comportamiento dinámico de las plantas más importantes en todas las posibles configuraciónes de red y en frente de las normales maniobras, con particular referencia al problema las oscilaciónes electromecánicas (locales e inter-área). Además, otro objetivo de las pruebas fué lo de ánalizar las prestaciónes de los sistemas de control de tensión y de velocidad de las unidades de generación de forma experimental y de examinar si los ajustes de los parámetros de control de los reguladores son adecuados al funciónamiento exigido. Durante las pruebas fué analizada la documentación técnica disponible en central, para recoger los datos concernientes las caracteristicas de la unidad de generacción y sus sistemas de control (en particular función de transferencia y esquema a bloque de los reguladores de tensión y velocidad). En la planta C.H. de CHARCANI V, CESI preparó una postación de medición, provista de especiales trasductores de medidas, con elevada rapidez de respuesta y resolución, con el fin de grabar el transitorio tiemporal de las cantidades elctricas más significativas. En este informe se relata cerca de las actividades realizadas en la central de CHARCANI V y se presentan los resultados des ensayos. Por la verificación del comportamiento dinámico del grupo nel funciónamiento en red acoplada, se aplicaron pequiñas perturbaciónes al sistema maquina-red, en diferentes condiciónes de trabajo (variación al escalón de referencia de tensión) y se efectuaron maniobras significativas (apertura lineas, rechazo de carga) en la red electrica. 2 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA La C.H. CHARCANI V es constituida de tres grupos hidraulicos similares de generación, de potencia nominal igual a 57 MVA, equipados con sistemas de control de turbina y de excitación de tipo analogico, subministrados respectivamente por NEYRPIC y ALSTOM. Durante los ensayos dos grupos estaban en operación, mientre el tercero estaba parado en mantenimiento. Las turbinas hidraulicas son de tipo Pelton con: Pm = 51.29 MW, n = 600 rpm, salto de agua H = 706.4 m, caudal q = 8.3 m3/s. CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.5/19 La C.H. de CHARCANI V está conectada al resto del sistema eléctrico peruano hacia el lado S.E. Socabaya mediante dos líneas de 138 kV en parallel (L 1021-L 1022 S.E. Santuario-Socabaya), y hacia el lado C.H. Machu-Picchu y C.H. San Gaban, mediante las lineas 138 kV L 1020 S.E. Santuario-S.E. Callalli y L 1008 S.E. Callalli-SE Tintaya como se puede ver en seguida. C .H . S A N G1 GABAN G2 C .T . S A N RAFAE L L -10 13 L - 1 010 C .H . M A C H U P IC C H U G1 G2 G3 L 1 009 L- 1 0 11 138 kV L - 1 002 L – 10 01 S .E . C A C H IM A Y O ELP Q U I L L A BA M B A L – 10 03 IN C A S A S .E . JU L IA C A S .E . A Y A V IR I S .E . P U N O L - 1 006 L – 10 04 L -20 30 L – 10 05 220 kV S .E . T IN T AY A S .E . C A C H IM AY O S .E . L- 1 0 12 S .E . AZANG ARO S .E . D O L O R E S P A TA Q U E N C O R O C .T . 138 kV L - 2 028 IL O 2 1 7 kV L - 2 027 L - 1 008 L - 2 026 L - 2 025 S IC N 220 kV S .E . L - 1 021 C A L L AL L I L - 1 022 C .H . CHARCANI V 138 k V S .E . JE SUS L - 1 020 L -60 5 S .E . P . I N D U S T RI A LG1 L -31 0 S .E . S A NT U A R IO 1 3 8 kV 33 k V S .E . C H I L I NA G3 CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.6/19 Los principales parámetros característicos del generador son mostrados en tabla 1. Tabla 1- Parámetros del generador An 57 MVA Vn 13.8 KV In 5746 A n 600 rpm Vfn 121 V Ifn 1024 A Xd 2.10 p.u. Contructor ALSTOM X"d 0.14 p.u. Xq 2.10 p.u. T'do 8.20 s T'd 0.85 s T"d 0.032 s Ta 0.49 s VT 13.8/100 KV/V CT 3000/1 A/A El sistema de excitación, fornido por ALSTOM, es de tipo estatico, con control de tipo analogico y puente rectificador trifasico controlado a tiristores. 3 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ACTIVIDAD Las pruebas se han realizado instrumentando el grupo en prueba con unos sistemas de medición, constituidos por adecuados transductores de cantidades eléctricas, con elevada resolución y con elevada rapidez de respuesta, así como utilizando, para la grabación de los datos, un moderno sistema de registro con microprocesador, subministrado por CESI. Informe CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.7/19 Con referencia al problema de las oscilaciónes electromecánicas y al comportamiento dinámico de los reguladores se han realizado las siguientes pruebas: Respuesta al escalón de referencia de tensión Uref; en el funciónamiento en vacio y con red acoplada y por varios valores da carga activa y reactiva Apertura y cierre de la línea L 1021, para verificar el comportamiento de la planta con diferentes valores de reactancia externa. Variación rapida de la consigna de frequencia en el funciónamiento en vacio Variación lenta de la carga activa producida Con referencia al problema de definir el modelo (función de transferencia y esquema a bloque) de los sistemas de control de tensión y de velocidad, se analizaron los esquemas a bloque sacados de los informe técnicos de los sistemas de control y también los valores de los parámetros subministrados por ALSTOM y NEYRPIC Las siguientes tablas muestran la lista completa de los ensayos efectuados en la C.H. CHARCANI V y las grabaciónes correspondientes. El significado de los simbulos de las cantidades eléctricas traìdos en los archivios es lo siguiente: Pot_Act = potencia activa grupo ( MW ) Pot_React = potencia reactiva grupo ( MVAR ) Tension = tensiòn grupo ( kV ) DeltaF = variación frequencia grupo ( Hz ) Y_defl = posición deflector turbina Pelton Y_inyect = posición inyector turbina Pelton CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.8/19 Tabla de pruebas 1 : VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LA REGULACIÓN DE TENSIÓN - ESTABILIDAD ELECTROMECANICA “LOCAL” E “INTER-AREA Prueba Fecha Ora 11.14 Tipo de prueba Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba 1 06/06/02 2 06/06/02 3 07/06/02 09.19 Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba 4 07/06/02 09.54 Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba 5 07/06/02 10.46 Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba 6 07/06/02 10.58 Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba 7 07/06/02 11.22 Cierre-Apertura linea L1021 8 07/06/02 13.14 9 07/06/02 13.20 10 07/06/02 16.37 11 07/06/02 17.44 15.55 Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba Puesta en tension del grupo en prueba (G2) Escalón (3%) de la referencia de tensión del grupo (G2) en prueba Puesta en tension del grupo en prueba (G2) Puesta en tension del grupo en prueba (G2) Condición de sistema Dos grupos de la planta acoplados con dos lineas 1021-1022 en sevicio. P2= 38 MW Q2= -5 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con dos lineas 1021-1022 en sevicio. P2= 29 MW Q2= -3 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con dos lineas 1021-1022 en sevicio. P2= 48 MW Q2= -2 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con dos lineas 1021-1022 en sevicio. P2= 48 MW, Q2= -10 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con con linea 1021abierta. P2= 48 MW, Q2= -10 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con linea 1021abierta. P2= 48 MW, Q2= -10 MVAR Dos grupos de la planta acoplados con dos lineas 1021-1022 en sevicio P2= 48 MW Q2= -1 MVAR Arranque del grupo en preuba (G2) Archivios StepV1 2L.doc StepV3 2L.doc StepV4 2L.doc StepV5 2L.doc Step G2 1L UEL.doc Step G2 1L .doc ChAp1021.doc Arranque_1.doc Grupo en preuba (G2) en StepV vacio.doc vacio Arranque del grupo en preuba (G2) Arranque del grupo en preuba (G2) Arranque_2.doc Arranque_3.doc CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.9/19 Tabla de pruebas 2 : VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LA REGULACIÓN DE VELOCIDAD Prueba 13 Fecha 07/06/02 Ora 11.42 14 07/06/02 13.19 15 07/06/02 14.13 16 07/06/02 14.22 17 07/06/02 16.55 18 07/06/02 17.16 19 07/06/02 17.58 Tipo de prueba Parada normal del grupo en prueba Estabilidad de velocidad-frequencia del grupo en vacio Subida rapida de la referencia de frequencia 60-62 Hz Bajada rapida de la referencia de frequencia 60-58 Hz Condición de sistema Archivios Grupo en prueba (G2) en operación a la carga nominal ParadaG2.doc Grupo en prueba (G2) en vacio Freq vacio.doc Grupo en prueba (G2) en vacio RampF60-62.doc Grupo en prueba (G2) en vacio RampF60-58.doc Grupo en prueba Característica aperturaacoplado, variación lenta potencia del grupo en de la carga 0-100% y prueba 100-0 % Rechazo de carga del Grupo en prueba generador en prueba acoplado : rechazo 47 (con parada del grupo) MW (100%) Rechazo de carga del Grupo en prueba generador en prueba acoplado : rechazo 23 (con parada del grupo) MW (50%) Bajada Subida G2.doc Trip G2 47.doc Trip G2 25.doc Informe CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.10/19 3.1 Verificación del comportamiento dinámico de la regulación de tensión Han sido realizadas una serie de pruebas del comportamiento dinámico del lazo principal de regulación de tensión, mediante la respuesta a la variación al escalón de la referencia de voltaje UREF, con el grupo en prueba (Gr. 2) en vacio, acoplado a la red y en diferentes configuración del sistema (1 /2 lineas de conexion Santuario-Socabaya en operaciórn) y puntos de trabajo (P2 = 2938-45 MW). El comportamiento dinámico de la regulación de voltaje resulta bueno en el functionamiento en vacio y un poco lento, pero bastante amortiguado con red acoplada, en todas las condiciónes examinadas (Ver ensayos de tabla 3.): - funciónamiento en vacio StepV vacio.doc La respuesta al escalón en vacio está bien amortiguada y el tiempo de subida resulta mejor de 0.5 segundos con un tiempo total de estabilización del orden de 2 segundos. - - funciónamiento en red acoplada con dos lineas de conexion hacia la red StepV1 2L.doc StepV3 2L.doc StepV4 2L.doc StepV5 2L.doc funciónamiento en red acoplada con una sola linea (L 1022) de conexion hacia la red Step G2 1L UEL.doc Step G2 1L .doc La respuesta al escalón en red acoplada, con 1 o 2 lineas de conexion y tambien en sub-excitación, está un poco lenta, ma muy bien amortiguada: el tiempo de subida resulta del orden de 2 segundos sin sobre-elongación - Arranque y puesta in tensión del grupo Arranque_1.doc Arranque_2.doc Arranque_3.doc CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.11/19 El tiempo de puesta in tensióndel grupo resulta del orden de 20 segundos, con una fase inicial, de subida al valor nominal, inferior a 5 s. 3.2 Estabilidad electromecánica "local" e "inter-área" Para estimar el nivel de estabilidad permanente de la central, con particular referencia a las oscilaciónes electromecanicas locales se pueden ver los ensayos de tabla 4, que muestran el comportamiento dinámico de la potencia activa y de la tensión de maquina en frente de la apertura y cierra la la linea L 1021. - Apertura-Cierre linea L 1021 ChAp1021.doc Respecto al problema de la estabilidad electromecanica local se observa un buen nivel de amortiguamiento, tambien en sub-excitación y con una sola linea de conexion hacia S.E. Socabaya. En todas las condiciónes examinadas la oscilación se amortingua bastante rapidamente (5-6 ciclos max). El periodo de la oscilación resulta del orden de 0.5-0.6 s (fosc 1.6-2 Hz). No se ha evidencia de la componente oscilatoria electromecánica "inter-área", caracterizada da una frecuencia de 0.65 Hz, presente en otros puntos de la red Sur-Este. 3.3 Verificación del comportamiento dinámico de la regulación de velocidad/frecuencia Los principales datos caracteristicos de la planta son los seguientes: H (salto de agua ) = 706 m; Q (caudal de cada Gr) = 8.3 m3/s; r = 600 rpm; Pn 51.29 MW = Debido a la dificultad de aplicar una variación a escalón de la referencia de frecuencia al regulador Neyrpic, ha sido realizada una evaluación indicativa del comportamiento dinámico del lazo de Informe CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.12/19 regulación de velocidad mediante pruebas en vacío con una variación la más rápida posible de la consigna de frecuencia fref. Estos experimentos permiten evaluar con el registro del error de la frecuencia respecto al valor nominal de 60 Hz (f), de la posición del deflector (D) y de uno de los cinco inyectores (I) la insensibilidad, la rapidez de respuesta y la estabilidad del sistema de control. Variación rápida de consigna de frequencia y estabilidad de frecuencia en vacio, ver pruebas: RampF60-62.doc RampF60-58.doc Freq vacio.doc En conclusion, en el funciónamiento en vacio se nota un transitorio oscilatorio poco amortiguado en frente de la variación rapida de consigna y la presencia de una pequeña oscilación persistente de frecuencia, de forma triangular (f = 150 mHz pico-pico), indicativa de un lasco mecanico. Rechazo de carga, ver pruebas: Trip G2 47.doc Trip G2 25.doc Por la intervención de la protección mecanica de sobre-velocidad, que ha cusò la parad del grupo, no fuè posible detectar el valor de sobre-velocidad conseguiente al rechazo de carga. El umbral de intervención de la protección mecanica tiene un ajuste demasiado bajo (63.3 Hz). Normalmente por las turbinas Pelton el valor de sobre velocidad resulta corrispondiente a 10-15% más alto del valor nominal. El ajuste del umbral de intervención de la protección mecanica por lo tanto no resulta corecto: la maniobra de apertura del interuptor de maquina no deve causar la parada de grupo, sino mantener la unidad en el funciónamiento en vacio, con maquina excitada y en rotación a la velocidad nominal, lista para una nueva sincronización. Entonces se aconseja una revision del ajuste de esta protección a un valor más adecuado, de todos modos major de la correspondiente protección electrica. Informe 4 CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.13/19 CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE LA PLANTA 4.1 Regulador automatico de tensión (AVR) El regulador automatico de tensión, de subministro ALSTOM, es de tipo analogico y incluye las sigiuentes funciónes (ver esquema a bloque de principio de fig. 1): Consigna automatica de tension de tipo estatico 80110 % (Uref0 = 5 V) Lazo principal de control de tensión de maquina de tipo PID Compensación de la caida reactiva Limidador en sub-excitación de tipo P-Q, que opera con un lazo en sobreposición respecto al lazo principal. Limidador en sobre-excitación, que opera con un lazo en sobreposición respecto al lazo principal, limitando el valor de corriente de excitación Dal esquema eléctrico resulta la presencia de un dispositivos estabilizantes (PSS), con solo canal de potencia activa, pero non se sabe se este circuito está efectivamiente provisto. CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.14/19 UM Urefo Consigna de tension CONS1 5V Isin Compensador caida reactiva Vcr Puente rectificador trifasico – Eccitatriz Estatica (RVE) If P, Q Limidador sobreexcitación Limidador subexcitación Vsob Estadio Regulador principal Vsub Q Fig. 1- Esquema de principio del regulador automatico de tensión ALSTOM APSS G1H = Al campo del Alternador CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.15/19 4.1.1 Estadio de control del regulador de tensión, puente rectificador de excitación El esquema a bloque del regulador del lazo principal de tensión es el siguiente: tensiòn de maquina UM + UREF - Ka (1+sT1) Vcon VF Kecc 1+sT2 tensiòn de campo unidad de generación Consigna de tensiòn Regulador principal Eccitatriz Estatica Fig. 2 - Esquema a bloque del regulador del lazo principal de tensión Ka Ganancia estatica del regulador T1, T2 Costantes de tiempo del regulador Kecc Ganancia de la eccitatriz estatica 4.1.2 Caida compensación potencia reactiva El estadio “caida compensación” permite de corriger la consigna de tensión según la potencia reactiva del grupo. Esta función está deshabilitada. tensiòn de maquina UM UREF + Consigna de tensiòn Corriente Reactiva + Estadio regulador principal VC tensiòn de control puente rectificador Isin Kcr Fig. 2 - Esquema a bloque del estadio de compensación potencia reactiva Kcr = 0 Factor de compensación caida reactiva CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.16/19 4.1.3 Limitador en sobre excitación Este circuito está destinado a limitar la corriente de excitación para evitar el recalientamiento de la unidad de generación. La limitación se realisa a través de un lazo en sobreposición a la regulación primaria de tension. Este estadio provee solamente una salida negativa. Iflim + - Estadio limidador If Corriente campo alternador excitación Fig. 4 - Esquema a bloque semplificado del limidador en sobre-excitación Iflim Limite de corriente de excitación Vsob CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.17/19 4.1.4 Limitador en sub-excitación Este circuito es destinado a limitar la area de funciónamiento del generador en sub-excitación para evitar un excesivo recalientamiento de las extremidades de stator. Este estadio prevee solamente una salida positiva. Icos Kia Corriente activa grupo Iqlim + + Estadio limidador en Sub-excitación Isin Corriente reactiva grupo Fig. 5 - Esquema a bloque semplificado del limidador en sub-excitación Kia Factor de corrección de corriente activa Iqlim Limite de corriente reactiva por Pe= 0 Vsub CESI Informe Prot. RETE – A2/021863 Pag.18/19 4.2 Regulador de velocidad El esquema de principio del sistema de control de frecuencia está representado en la figura siguiente: Velocidad 60 Hz n.5 D PI Inyector es y defletores 1/bp Fig. 6 - esquema de principio del sistema de control de frecuencia Por la insuficiencia de la documentacion disponible en central, no fue posible lograr los valores de ajuste de los parámetros del regulador, salvo que el valor del estatismo permanente que resulta: bp = 2%. Informe 5 CESI Prot. RETE – A2/021863 Pag.19/19 CONCLUSIÓNES Les pruebas en la C.H. CHARCANI V han puesto en evidencia que las prestaciónes dinámicas de la regulación de tension y de frecuencia estan apropriadas. La respuesta al escalón de referencia de tension resulta bien amortiguada, un poco lenta, pero bastante para asegurar una operación adecuada de la planta en la red electrica. Además el problema de la estabilidad local de tipo electromecánico (caracterizada de una frecuencia alrededor de 1.2-1.4 Hz) está bien controlado, en todas la condiciónes de red examinadas. Limitadamente a este aspecto no resulta necesario añadir el dispositivo PSS. El problema de la estabilidad electromecánica inter-area de la planta (caracterizada de una frecuencia alrededor de 0.6-0.8 Hz) no resulta evidente en C.H. CHARCANI V, en las normales condiciónes de la red. Sin embargo la central de CHARCANI V podria resultar importante para contribuir a amejorar la estabilidad de la entera red electrica Sur-Este. Para verificar este aspecto resulta necesario conducir una actividad de estudio de dinámica del sistema eléctrico, con el fin de encontrar los puntos de ubicación y el ajuste optimo de los dispositivos PSS (Elección de las plantas del sistema eléctrico Ser-Este más sensibles para amortiguar las oscilaciónes inter-area, valores apropriados de ganancia y funciónes de transferencia de los canales de potencia y frecuencia). El control de turbina nel funciónamiento en vacio del grupo, muestra una respuesta poco amortiguada y la presencia de una oscilación persistente del señal de frequencia de forma triangular, indicativa de una banda muerta mecánica nel distribudor de turbina. Se aconseja de modificar el valor del estatismo transitorio (en vacio) del regulador de velocidad, para asegurar una respuesta más amortiguada. Este aspecto no pone problemas durante el funciónamiento con red acoplada, pero puede volver más dificil la maniobra de sincronización del grupo con la red. Los ensayos de rechazo de carga muestran un limitado valor de sobre-velocidad (max 4 Hz), debido a la intervención intempestiva de la protección mecanica. Se propone de moficar el ajuste de esta protección, para permitir al grupo de permenecer en rotación en vacio, despuès la apertura del interuptor de maquina, por el rechazo de la maxima carga.