IF_DEL AGUILA VELA_FIEE - Universidad Nacional del Callao.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
Título:
“PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN DEL ESTATISMO Y
BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA”
Autor:
Edgar del Aguila Vela
(Periodo de ejecución: 01-09-2010 al 31-08-2011
Resolución: R.R. N°1021-2010-R, del 21-09-2010)
I.-INDICE
I.-INDICE
Pag.2
II.-RESUMEN
Pag.4
III.-INTRODUCCIÓN
Pag.6
IV.-ANTECEDENTES
Pag.8
4.1.-MARCO HISTÓRICO Y FILOSÓFICO
Pag.8
4.2.-OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Pag.9
4.2.1.-GENERALES
Pag.9
4.2.2.-ESPECÍFICOS
Pag.9
4.3.-ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN
Pag.9
4.4.-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Pag.11
4.5.-HIPÓTESIS
Pag.13
4.6.-OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
Pag.14
V.-MARCO TEÓRICO
Pag.15
5.1.-CONCEPTOS GENERALES (FV)
Pag.15
5.1.1.-PROTOCOLOS
Pag.15
5.1.2.-ABREVIATURAS
Pag.16
5.1.3.-MODELOS Y DISEÑOS
Pag.17
5.1.3.1.-GENERADOR SÍNCRONO
Pag.17
5.1.3.2.-CONSTITUCIÓN DE UN GRUPO GENERADOR
Pag.22
5.1.3.3.-REGULADORES AUTOMÁTICOS
Pag.22
5.1.4.-CASUÍSTICAS
Pag.25
5.1.4.1.-GENERADOR OPERANDO EN BASE
Pag.27
5.1.4.2.-GENERADOR OPERANDO EN MEDIA BASE
Pag.27
5.1.4.3.-GENERADOR OPERANDO EN PUNTA
Pag.27
5.1.5.-INSTITUCIONES
Pag.28
5.1.5.1.-SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL (SEIN)
Pag.29
5.1.5.2.-COES
Pag.30
5.1.5.3.-OSINERG
Pag.32
5.2.-CONCEPTOS ESPECÍFICOS (DV)
Pag.33
5.2.1.-CONSTRUCTOS
Pag.33
5.2.1.1.-MODELAMIENTO DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA
Pag.33
A.-DEL ESTATISMO
Pag.35
B.-DE LA BANDA MUERTA
Pag.37
C.-MODELAMIENTO SIMPLIFICADO
Pag.37
5.2.1.2.-TERMINOLOGÍAS
5.2.2.-NORMATIVIDAD
Pag.44
Pag.47
2
“PROTOCOLOS PARA LA MEDIC IÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA”
Resolución: R.R. N°1021-2010-R,del 21-09-2010,CALLAO AGOSTO DEL 2011.ING. EDGAR DEL AGUILA VELA
5.2.2.1.- ANTECEDENTES
Pag.48
5.2.2.2.- CONSECUENTES
Pag.49
5.2.3.-CUMPLIMIENTO NORMATIVO
Pag.50
5.2.3.1.-ENSAYOS PARA HABILITACIÓN DE UNIDADES GENERADORAS Pag.50
5.2.3.2.-GRID CODE
Pag.51
5.2.4.-DE LOS ACUERDOS, PROCEDIMIENTOS Y MÉTODOS (PROTOCOLOS)
Pag.51
5.2.4.1.-CASO TÍPICO DE PROTOCOLO DE PRUEBA DEL ESTATISMO
Pag.51
(REGULADORES DE VELOCIDAD)
5.2.5.-SELECTIVIDAD DE REGULADORES AVR-RAF
Pag.53
VI.-MATERIALES Y MÉTODOS
Pag.54
VII.-RESULTADOS
Pag.57
7.1.-DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENER EL ESTATISMO Y BANDA MUERTA Pag.57
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, DURANTE UN EVENTO REAL,
DENTRO DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL (SEIN).
7.2.-DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENER EL ESTATISMO Y BANDA MUERTA
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, DURANTE UN EVENTO REAL,
FUERA DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL (SEIN).
Pag.61
7.3.-ESPECIFICACIÓN DE LOS REGULADORES AUTOMÁTICOS DE TENSIÓN
(AVR) Y FRECUENCIA (RAF), EN FUNCIÓN DEL ESTATISMO DETERMINADO
PARA LA UNIDAD DE GENERACIÓN SÍNCRONA.
Pag.64
VIII.-DISCUSIÓN
Pag.66
IX.-REFERENCIALES
Pag.68
X.-APÉNDICE
Pag.69
XI.-ANEXOS
Pag.74
ANEXO 1:CASOS TÍPICOS 1 Y 2 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
Pag.75
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
ANEXO 2:CASOS TÍPICOS 3 Y 4 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
Pag.76
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
ANEXO 3:FRECUENCIA DE ANÁLISIS DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
Pag.77
ANEXO 4:POTENCIA PRODUCIDA POR EL SEIN el 20-08-2011
Pag.78
ANEXO 5:GENERACIÓN DEL SEIN DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
Pag.79
ANEXO 6:INTERCONEXIÓN TÍPICA DEL AVR
Pag.80
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II.-RESUMEN
El presente informe corresponde a los procesos y resultados que han devenido
del proyecto de investigación titulado “PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN
DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN
SÍNCRONA”. Siendo el objetivo principal Implementar procedimientos para
obtener
el
ESTATISMO
Y
BANDA
MUERTA
EN
UNIDADES
DE
GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento real, de respuesta a una
variación de carga (conexión y desconexión de carga), que para su concreción
es necesario desmembrarlo en acciones de tipos como: Implementar
procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN
UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento real, para
unidades dentro y fuera del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN),
para poder especificar los Reguladores Automáticos de Tensión (RAV) y
Frecuencia (RAF), en función del ESTATISMO determinado para la UNIDAD
DE GENERACIÓN SINCRONA, que en términos de operatividad responden a
aportes de potencia BASE, MEDIA BASE Y PUNTA. LOS PROTOCOLOS, son
muy importantes, toda vez que responden a pasos ordenados y coordinados a
seguir, relacionado con LA NORMATIVIDAD del SECTOR.
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II.-SUMMARY
This report covers the processes and results that have become the research project
entitled "PROTOCOL FOR MEASURING THE STATIC AND DEAD BAND IN
SYNCHRONOUS
GENERATION
UNITS."
As
the
main
objective
Implement
procedures for static and dead band in SYNCHRONOUS GENERATION UNITS,
during a real event, in response to a variation of charge (connection and disconnection
of load), which is necessary for its realization into action types dismember How to:
Implement procedures for static and dead band in SYNCHRONOUS GENERATION
UNITS, during a real event for units inside and outside the National Interconnected
System (SEIN), to specify the automatic voltage regulator (AVR) and frequency (RAS)
statically determined based on the generation unit for Synchronous operation in terms
of responding to BASIC, AVERAGE BASE and TIP. PROTOCOLS, are very important,
since they respond to orderly and coordinated steps to follow, related industry
standards.
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Resolución: R.R. N°1021-2010-R,del 21-09-2010,CALLAO AGOSTO DEL 2011.ING. EDGAR DEL AGUILA VELA
III.-INTRODUCCIÓN
La
presente
Investigación
titulada
“PROTOCOLOS
DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA
PARA
EN UNIDADES
DE
LA
MEDICIÓN
GENERACIÓN
SÍNCRONA”, se da en el ámbito de la técnica experimental aplicada en materia de la
sistematización y validación de los protocolos, referidas a LA MEDICIÓN DEL
ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA,
considerando a la PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA como el lugar eficiente y
productiva de la estabilidad del Sistema de Potencia, que recae directamente en la
Máquina Rotativa de Comportamiento Síncrono y no en la Máquina de Conducta
Asíncrona. Asimismo es el Ingeniero como futuro operador de estas máquinas el que
debe asociar cada uno de las técnicas de medición como un medio sistematizado.
Aporte Científico y Tecnológico: La validación de los procedimientos que modelan la
obtención del ESTATISMO de la máquina síncrona, para utilizarlos en los estudios de
estabilidad de los sistemas de potencia, es una necesidad intrínseca como parte del
proceso científico, esta validez depende en gran medida de una adecuada
representación de los elementos reguladores de velocidad y los sistemas de excitación
asociados al ESTATISMO de las unidades de generación. La validación se hará
comparando oscilogramas de pruebas de un evento real con sus simulaciones
respectivas. Lo que Incluye la validación de los modelos de los reguladores, para
proponer un nuevo modelo del regulador y un método para la identificación de sus
parámetros de especificaciones.
Valor de la Investigación: Urge incorporar en la formación del operador de máquinas
rotativas, los modelos que representan las dinámicas más importantes de dichas
máquinas y sus PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN DEL ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, lo que implica conocer su
comportamiento general y específica frente a pequeños y grandes disturbios,
validando su utilización en estudios de estabilidad del sistema de potencia, como una
necesidad y deber concreto, por quienes estamos a cargo de dichos sistemas, pues
ello requiere la sistematización de los protocolos, que es en esencia el valor propio de
la investigación propuesta.¿Cómo no plantear a los ingenieros de planta,
la
sistematización de los protocolos y su aplicación? En los países como el nuestro
donde los recursos energéticos cada vez se reducen, más y más, no es ajeno pensar,
que la capacidad de crecer y producir tecnologías, parte por sistematizar cada una de
las herramientas, en este caso como son los protocolos, para al final aplicarlo como
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tecnología propia. La presente investigación se justifica por su Naturaleza: La
investigación es aplicada y experimental en materia de la sistematización y validación
de los protocolos, referidas a la MEDICIÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN
UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, que se aplica en las PLANTAS de
GENERACIÓN; su naturaleza implica directamente a los operadores prácticos, como
son los Ingenieros y Técnicos. Dichos Operadores Prácticos son los indicados para
que vinculen la práctica con la teoría, es decir, deben conocer y aplicar los protocolos
de una manera sistematizada. Asimismo, se justifica por su Aporte Tecnológico:
Parte por Sistematizar e implementar los procedimientos para obtener el ESTATISMO
Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un
evento real, para unidades dentro y fuera del Sistema Interconectado Nacional (SEIN).
La especificación de los Reguladores Automáticos de Tensión (AVR) y Frecuencia
(RAF), en función del ESTATISMO determinado para la UNIDAD DE GENERACIÓN
SÍNCRONA, es un avance tecnológico de aplicación.
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IV.-ANTECEDENTES
4.1.-Marco Histórico y Filosófico
4.1.1.-Historia: El presente estudio relacionado a LA MEDICIÓN DEL
ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA,
se sustenta en los principios que los gobiernan, refrendadas por los conocimientos
que posibilitan el uso de las tecnologías modernas como son: la protección del
medio ambiente y su relación con la estabilidad y el control de los sistemas de
potencia. Las experiencias prácticas y sus resultados, obtenidos durante el dictado
de la Cátedra de Máquinas Eléctricas, es una fortaleza que aporta grandemente
para plantear el desarrollo de esta presente investigación, que considero un
antecedente previo al desarrollo del mismo. Cabe resaltar que los acuerdos
tomados en países vecinos y en nuestro país, aportarán en la sistematización de
LOS PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA. La información que se detalla, son
soporte de la presente investigación.
Según, BONUS HOLGUER. “Protección de Medio Ambiente”, 1999. Texto fundamental
que evalúa proyectos ambientales en base a modelos.
Según, DEL AGUILA VELA, EDGAR.“Estatismo en Máquinas Eléctricas Síncronas”, 2009.
Dictado de la cátedra de Máquinas Eléctricas, donde se aborda las herramientas
teóricas y prácticas del comportamiento de las máquinas síncronas y su relación
con el estatismo.
Según, GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CONTROL INDUSTRIAL, GICI “Validación de
Los Modelos de los Sistemas de Control de Generación para Estudios de Estabilidad de la
Central Hidroeléctrica de Salvajina”, 2007. Texto fundamental para la validación de
modelos de los sistemas de control de generación de la hidroeléctrica Salvajina,
para utilizarlos en estudios de estabilidad del sistema de potencia.
Según, KUNDUR, P. S. “Power System Stability and control”. United States: Mc Graw Hill,
1994.Texto fundamental que evalúa la estabilidad y control de los sistemas de
potencia.
Según, OSINERG-GART “Costos Eficientes de Inversión, de Operación y Mantenimiento
para la Coordinación de la Operación en Tiempo Real del SEIN”.2005. El presente
informe detalla la coordinación de la operación en tiempo real del Sistema Eléctrico
Interconectado Nacional (en adelante “SEIN”), tomando en cuenta el equipamiento
con que se debe contar y los requerimientos de personal.
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4.2.-Objetivos de la Investigación
Los beneficiarios directos corresponden a los Ingenieros de Planta, y
Operadores de Máquinas quienes realizan tareas relacionadas con la
estabilidad del sistema, a fin de tener una energía limpia de calidad, sin que
ello colapse como producto de las variaciones de carga.
4.2.1.-General
Implementar procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento real, de
respuesta a una variación de carga (conexión y desconexión de carga).
4.2.2.-Específicos
a).-Implementar procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento
real, para unidades fuera del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN).
b).-Implementar procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento
real, para unidades dentro del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN)
c).-Especificar los Reguladores Automáticos de Tensión (AVR) y Frecuencia
(RAF), en función del ESTATISMO determinado para la UNIDAD DE
GENERACIÓN SÍNCRONA.
4.3.-Alcances de la Investigación
La
investigación
es
de
tipo
aplicada.
Su
objetivo
es
implementar
procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN
UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento real, y con ello,
especificar los elementos de control reguladores, que van a capacitar a la
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máquina de una estabilidad de respuesta frente a las variaciones de carga. La
disponibilidad de materiales, equipos e instrumentos, en la FIEE, con respecto
a las máquinas eléctricas, van a ser de gran ayuda para desarrollar y concretar
el presente proyecto de investigación. Para implementar los procedimientos
que permitan obtener el ESTATISMO, se ha visto por conveniente, establecer
previamente con buen criterio, la metodología para cada caso concreto, sea
para unidades fuera del Sistema Interconectado Nacional (SEIN), como
unidades dentro del Sistema Interconectado Nacional (SEIN). A fin de
establecer las ventajas comparativas frente a las variaciones de carga. La
naturaleza de la investigación, implica además, la aplicación operativa del valor
determinado del ESTATISMO, lo que permitirá especificar a cada uno de los
reguladores AUTOMÁTICOS (AVR, RAF), para su posterior contrastación, con
parámetros de planta (las especificadas para cada una de las UNIDADES DE
GENERACIÓN, BAJO ESTUDIO). La determinación del
ESTATISMO, y la
especificación de sus elementos de control, técnica y metodológicamente es
factible, y debe hacerse con la finalidad no solo de mejorar la productividad
tecnológica, sino
sustentarse en la aplicación de criterios para mejorar la
disposición de uso, manejo y control de los recursos con que cuenta el taller o
laboratorio de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Los
beneficiarios directos serán los Ingenieros de planta, que realizan tareas
relacionadas con la estabilidad del sistema, a fin de tener una energía limpia y
de calidad, sin que ello colapse como producto de las variaciones de carga.
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4.4.-Planteamiento del Problema
4.4.1.- Descripción y Análisis del Tema
En un país de gran potencial energético, como la nuestra, donde las políticas e
iniciativas para hacer de ella una energía de calidad, depende mucho de la
estabilidad del sistema energético (eléctrico), ello implica contar con una
política energética bien definida. Un parámetro importante que define la
estabilidad de un sistema energético como el eléctrico, depende grandemente
del ESTATISMO DE FRECUENCIA y el ESTATISMO DE TENSIÓN, que se
relaciona directamente con la producción de potencia ACTIVA y REACTIVA
respectivamente, es decir, hay que actuar para el control de los mismos, sobre
la máquina rotativa que lo genera, sabiendo que solo puede ser una máquina
síncrona, entonces hay una gobernación y control de dichos parámetros
(frecuencia y tensión)
en el eje de la máquina y en la excitatríz (circuito de
campo) respectivamente.
En términos de la máquina de generación eléctrica, es el Estatismo el
parámetro que va a determinar la estabilidad de la máquina y del sistema, en
donde había que diferenciar, que la Máquina de Generación, puede operar en
Centrales de generación como CENTRAL BASE, CENTRAL DE MEDIA BASE
Y CENTRAL DE PUNTA, siendo la DIMENSIÓN DE LA POTENCIA QUE
APORTA LA QUE LA DEFINE. En nuestro país, centrales como MANTARO,
HUINCO, CENTRAL TÉRMICA DE SANTA ROSA, CENTRAL TÉRMICA DE
VENTANILLA, etc. Todas ellas operan con un estatismo definido, desde luego
el operador de dichos sistemas desde el punto de vista operacional y funcional,
como INGENIERO, debe contar con herramientas, instrumentos operativos y
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funcionales, para establecer, determinar y controlar, la estabilidad del sistema
energético. Desde el enfoque propuesto en el presente proyecto de
Investigación como un aporte para poder llevar a cabo dicha tarea, se parte por
desarrollar LOS PROTOCOLOS PARA LA MEDICIÓN DEL ESTATISMO Y
BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA.
4.4.2.- Planteamiento del Problema Enmarcado dentro de la Realidad
El Sistema de Operación en uso de sus facultades legales y reglamentarias, es
la entidad que acuerda aprobar los protocolos de medida del estatismo de las
plantas de generación, lo que implica el procedimiento. Sin embargo, poco
conocido por parte de la gran mayoría de los ingenieros electricistas, salvo
aquellos que están relacionados con las plantas de generación eléctrica, que
normalmente son pocos, quienes conocen y aplican estos procedimientos, que
son necesarios, y claro que lo son, desde el punto de vista, de la estabilidad
operativa de la máquina y del sistema eléctrico, que como sistema se protege,
por el costo de las mismas, que justifican técnica y económicamente su
inversión. El Ingeniero Electricista, puede contar desde aquí con un instrumento
valioso, para conocer, aplicar y obtener: 1.-Seguridad y estabilidad en el
sistema de generación, transmisión, distribución y utilización. 2.-Calidad
de la energía otorgada a la carga.
4.4.3.- Planteamiento del Problema
Las herramientas que permitirán obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA en los Laboratorios de
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Máquinas de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, sugiere plantear
las siguientes preguntas:
¿Existe disponibilidad de equipos, instrumentos y materiales en los laboratorios
y talleres de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, para obtener el
ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN
SÍNCRONA, a fin de poner en marcha los sistemas eléctricos?
¿Se puede obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE
GENERACIÓN SÍNCRONA, mediante la aplicación de PROCEDIMIENTOS DE
REGISTROS DURANTE UN EVENTO REAL?
¿Existe alguna Entidad en el País que aplican NORMAS y procedimientos
PROTOCOLARES en este régimen?
¿En el PERÚ, como se lleva a cabo la determinación del ESTATISMO de las
plantas de generación eléctrica, y que normas aplican sus protocolos?
¿Los laboratorios y talleres de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica,
están capacitadas en disponibilidad de equipos, materiales y herramientas para
realizar procedimientos que permitan obtener el ESTATISMO de una
MÁQUINA SÍNCRONA?
4.5.-Hipótesis
Formulación de la Hipótesis Principal
La tendencia de formular la Hipótesis General y sus Implicancias, obedece a la
naturaleza que requiere la investigación, para coordinar y aspirar a una posible
patente, si la naturaleza de los resultados lo justifican como creativo, con nivel
inventivo y sea de aplicación industrial.
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Hipótesis Principal:
HP: “El ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN
SÍNCRONA, puede ser obtenido mediante la aplicación de PROCEDIMIENTOS DE
REGISTROS SISTEMATIZADO DURANTE UN EVENTO REAL”
Implicancias: Los procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA
EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, durante un evento real, son aplicables
para unidades fuera del Sistema Interconectado Nacional (SEIN). Los procedimientos
para obtener el ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN
SÍNCRONA, durante un evento real, son aplicables para unidades dentro del Sistema
Interconectado Nacional (SEIN). Los Reguladores Automáticos de Generación (RAG),
para la UNIDAD DE GENERACIÓN SÍNCRONA podrán ser especificados en función
del ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA,
durante un evento real.
4.6.-Operacionalización de Variables
4.6.1.- Variable Dependiente
Y1: PROTOCOLO PARA OBTENER EL ESTATISMO DURANTE UN EVENTO REAL
Y2: PROTOCOLO PARA OBTENER LA BANDA MUERTA DURANTE UN EVENTO REAL
4.6.2.- Variable Independiente
X: MEDICIÓN DE TENSIÓN Y FRECUENCIA PARA OBTENER ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA.
4.6.3.- Variable Interviniente
Z: OPERACIÓN DEL GENERADOR SÍNCRONO COMO: GENERADOR BASE,
GENERADOR DE MEDIA BASE Y GENERADOR DE PUNTA.
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V.-MARCO TEÓRICO
El siguiente marco teórico está basado en Conceptos y Constructos,
relacionados con el ESTATISMO Y BANDA MUERTA en UNIDADES DE
GENERACIÓN SÍNCRONA, su normativad y procedimientos, se desarrollan a
continuación.
5.1.- CONCEPTOS Y DEFICIONES GENERALES
A continuación se expresan los conceptos, definiciones y abreviaturas usuales
para comprender el estado de la técnica que implican los tomacorrientes:
5.1.1.-PROTOCOLOS
Conjunto de normas y procedimientos útiles para la medición del estatismo y
banda muerta, conocido por el emisor y el receptor. Adaptada por el autor,
según referencia 15. La norma que se aplica para garantizar la calidad de la
energía, está relacionado intrínsecamente con el ESTATISMO, por eso cabe
considerar lo que en esencia sostiene. La norma en mención es la Norma
Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos NTCSE (1997-10-11), según
D.S.Nº 020-97-EM, en su TÍTULO QUINTO: CALIDAD DE PRODUCTO
especifica: que la Calidad de Producto suministrado al Cliente se evalúa por las
transgresiones de las tolerancias en los niveles de tensión, frecuencia y
perturbaciones en los puntos de entrega. El control de la Calidad de Producto
se lleva a cabo en períodos mensuales, denominados “Períodos de Control”.
Tolerancias para la frecuencia.- Las tolerancias admitidas para variaciones
sobre la frecuencia nominal, en todo nivel de tensión, son:
·
·
Variaciones Sostenidas Δf’k (%) : ± 0.6 %.
Variaciones Súbitas
VSF’ : ± 1.0 Hz.
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Tolerancias para la tensión.- Las tolerancias admitidas sobre las tensiones
nominales de los puntos de entrega de energía, en todas las Etapas y en todos
los niveles de tensión, es de hasta el ±5.0% de las tensiones nominales de
tales puntos. Tratándose de redes secundarias en servicios calificados como
Urbano-Rurales y/o Rurales, dichas tolerancias son de hasta el ±7.5%. Se
considera que la energía eléctrica es de mala calidad, si la tensión se
encuentra fuera del rango de tolerancias establecidas en este literal, por un
tiempo superior al tres por ciento (3%)
del período de medición, según
referencia 6.
5.1.2.-ABREVIATURAS
A continuación mencionamos los Entes de Normalización, Instituciones Civiles
y Organismos de Control referenciales para este Informe:
·
Código Nacional de Electricidad (CNE) – Perú
·
Asociación para la Prevención de Accidentes Laborales (APA) – España
·
International Electrotechnical Commission (IEC) – Internacional
·
Norma Técnica Peruana IEC (NTP IEC) – Perú
·
Gerencia Adjunta de Regulación Tarifaria del Organismo Supervisor de la
Inversión en Energía (OSINERG-GART) – Perú
·
Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) – Perú
·
Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional
COES SINAC– Perú
·
Dirección General de Electricidad (DGE) – Perú
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5.1.3.-MODELOS Y DISEÑOS
El estado de la técnica, en generadores síncronos, están definidas en diseños
y modelos, relacionados con los costos, tan es así, que un parámetro como la
RELACIÓN DE CORTOCIRCUITO, corresponde a un indicador del coste
económico de los mismos. Cabe destacar que los generadores de pequeñas
potencias, tienen otro tratamiento de disposición de la excitaríz, con respecto a
los generadores de campo de grandes potencias, relacionados con la SG
potencia de generación.
5.1.3.1.-GENERADOR SÍNCRONO
Aquella, máquina donde la velocidad síncrona del estator es igual a la
velocidad del rotor, para lograr ello, se provee de : 1) un motor primo que
entrega en el eje del generador una velocidad mecánica constante, y 2) una
excitación de campo, alimentada por corriente continua, esta fuente es la
responsable de que ello ocurra, permitiendo controlar los parámetros de
generación (P=f(Hz), Q=f(V)) a través de reguladores RAF(RAS) y RAV(AVR),
sosteniendo una energía de calidad.
Todo generador síncrono está gobernado, por dos ecuaciones eléctricas (para
el circuito de campo y circuito de armadura) y una mecánica, justificada por la
ley de BIOT SAVART.
Veamos :
Condición de GENERADOR :
E > vφ
Γ>0
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Ecuaciones Eléctricas :
Ecuación de Campo (Corriente Continua)
Vf = If ( Rf + Lfρ)………………………………..(1)
Ecuación de Armadura (Corriente Alterna)
E=Ia Za + vφ ..……….…………………………(2)
E=Gaf If Wm + Erem…………….……………….(3)
E=E∟Γ …………………………………………(4)
Donde :
Γ : Ángulo de potencia
Vf : Tensión de campo (VDC)
If : Intensidad de corriente de campo (IDC)
Rf :Resistencia del devando de campo(Ω)
Lf : Inductancia del devando de campo(H)
ρ : Operador derivada
E : Tensión rotacional interna del generador (VAC)
Vφ : Tensión de fase externa del generador (VAC)
Za : Impedancia del devanado de armadura (Ω)
Gaf : Inductancia rotacional del campo con respecto a la armadura (H)
Erem : Tensión remanente (V)
Condición de GENERADOR :
TL > Te
Ecuación Mecánica :
TL – Te = JT ρ Wm + DT Wm ………………………(5)
Te= Gaf If Ia …………………………………………(6)
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Donde :
Wm : Velocidad mecánica en el eje del generador (Rpm)
T L : Torque en la carga (N m)
T e : Torque eléctrico (N m)
JT : Momento de inercia total (N/m2)
DT : Coeficiente de rozamiento total (N m / S)
Quedando definida el generador en la siguiente estructura:
Mp
: Motor primo
Rotor : Circuito de campo (Excitatríz o inductor), opera en Corriente continua.
Estator : Circuito de armadura(Inducido), opera en Corriente alterna.
M
p
Quedando de manifiesto, que la potencia generada es:
SG(VA) = PG(WATT) +JQG(VAR)
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Dicha potencia, es la que será posible suministrar a las cargas que las
consumen sean estas discretas como elementos de circuitos, R, L, C o
integradas en una máquina, artefacto, equipo, como impedancias. Como tal
estas cargas que consumen energía, harán que el generador reaccione, según
la
naturaleza
de
los
mismos
(sean
predominantemente
resistivos
o
predominantemente reactivos).
A.-DISEÑOS:
Su aspecto constructivo, está orientado a :
A1.-ROTOR DE POLO LISO
Aquellos cuyos devanados son distribuidos.
A2.-ROTOR DE POLO SALIENTE
Aquellos cuyos devanados son concentrados.
Fig.2: Aspectos Constructivos.
Fuente : Referencia 2
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B.-MODELOS :
Las especificaciones típicas corresponden a :
B1.-DISPUESTOS PARA CAMPO
Aquellos que se encuentran en servicio y utilización a niveles de generación,
industrial y comercial.
B1.1.-GRUPO GENERADOR
Características :
· Usan como Mp : Motor de combustión interna
· Wm < 1500 rpm
· Pequeña potencia nominal (≈ 20 MVA)
B1.2.-UNIDAD DE GENERACIÓN
Usadas en centrales hidroeléctricas
Las características dependen del salto de agua:
·
·
·
Salto grande: Turbina Pelton, eje horizontal (750-375 rpm)
Salto medio: Turbina Francis, eje vertical (150 rpm)
Salto pequeño: Turbina Kaplan, eje vertical (< 100 rpm)
Tipos según la máquina motriz Hidrogeneradores
·
·
Rotor de polos salientes (20-40 polos, 100 polos máximo)
Gran diámetro (5-7 m), pequeña longitud (2-3m)
Usadas en centrales térmicas
Tipos según la máquina motriz Turbogeneradores
•↑ rendimiento a ↑ velocidad
• Rotor cilíndrico
• Centrales térmicas ⇒ Bipolar= 3000 rpm (n)
•Centrales nucleares (temperatura y presión ↓)⇒ Tetrapolar (n = 1500 rpm)
• Eje turbina-alternador horizontal
• Diámetro pequeño (1-2 m), gran longitud (10-12 m)
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B2.-DISPUESTOS PARA LABORATORIO
Equipos Leybold y
Eléctricas de la FIEE
otros,
Dependencia :Laboratorio
de
Máquinas
Generador GMBN TRIFÁSICO TIPO 732-37
· Doble eje
· Norma VDE
· Régimen de servicio S1
· Grado de protección IP23
· Aislamiento IKL: K
· 1500 rpm (50 Hz)
Nota :
Existen diseños,donde la aseveración del punto 5.1.3, con respecto a la ubicación de la excitatríz
está relacionado con la potencia de generación: 1) 10KVA≤SG ≤1500MVA), la excitatríz (inductor) está
ubicada en el Rotor, 2) SG < 10KVA, la excitatríz (inductor) está ubicada en el Estator ; Sin embargo, los
modelos analizados tanto de campo como de laboratorio, para nuestro caso,poseen la excitatríz en el
Rotor, según referencia 2.
5.1.3.2.-CONSTITUCIÓN DE UN GRUPO GENERADOR
Un grupo generador, está constituido por un Mp: Motor primario, un alternador,
una excitatríz y reguladores automáticos.
Mp
ALTERNADOR
RAF
EXCITATRIZ
RAV
Va
Fig.3 : Grupo generador
Fuente : Propia del autor
5.1.3.3.-REGULADORES AUTOMÁTICOS
A.-RAV (Regulador Automático de Tensión)
Relacionado con la excitatríz, desde luego con la potencia reactiva de
generación Q(VAR).
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V (v)
Línea de
Estaticidad
Vn
Q(MVAR)
Vacío
Plena carga
Fig.4 : relación V(v) /Carga Reactiva
Fuente : Propia del autor
B.-RAF (Regulador Automático de Frecuencia)
Relacionado con la velocidad mecánica (Wm) provista por el motor primo,
desde luego con la potencia activa de generación P(WATT).
f (Hz)
Línea de
Estaticidad
fn
P(Mw)
Vacío
Plena carga
Fig.5 : Relación f /Carga activa
Fuente : Propia del autor
REGULACIÓN :
La regulación en un generador se expresa como :
r%=( E(carga) – Vφ(vacío) )/ Vφ(vacío) ………………………(7)
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Donde :
r% > 0, si la carga de consumo es predominantemente resistivo o inductivo.
r% < 0, si la carga de consumo es predominantemente capacitivo.
CARGAS PREDOMINANTES :
Los efectos de las cargas predominantes, sobre un generador síncronos son:
Predominantemente Resistivo, predominantemente Inductivo y predominantemente
capacitivo (según figura 6, figura 7, figura 8, respectivamente).
Fig.6: Reacción del inducido por efecto de caragas resistivas
Fuente : Referencia 2
Fig.7: Reacción del inducido por efecto de cargas inductivas
Fuente : Referencia 2
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Fig.8: Reacción del inducido por efecto de cargas capacitivas
Fuente : Referencia 2
5.1.4.-CASUÍSTICAS
En términos de la máquina de generación eléctrica, es el estatismo el
parámetro que determina la estabilidad de la máquina y del sistema, desde
luego, había que diferenciar que la máquina de generación, puede operar en
centrales de generación como CENTRAL BASE, CENTRAL DE MEDIA BASE
Y CENTRAL DE PUNTA, SIENDO LA DIMENSIÓN DE LA POTENCIA QUE
APORTA LA QUE LA DEFINE. En nuestro país, centrales como MANTARO,
HUINCO, CENTRAL TÉRMICA DE SANTA ROSA, CENTRAL TÉRMICA DE
VENTANILLA, etc. Todas ellas operan con un estatismo definido.
Considerando las estructuras de costes de tecnología, éstas se pueden
clasificar en: Tecnologías de base, tecnologías intermedias y tecnologías de
punta.
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Considerando que hubiera únicamente una tecnología correspondiente a cada
una de las tres categorías anteriores, el coste total de 1 MW de potencia
instalada en función del número de horas de funcionamiento al año de cada
una de ellas se podría representar según figura 6.
Fig.9: Coste total en función del número de horas de funcionamiento al año
Fuente : Referencia 14
Nota: el coste variable de una tecnología (CVi) viene dado por la pendiente de
su curva de coste total.
A la vista de estas curvas, resulta evidente que cada tecnología es óptima
(mínimo coste total) para un determinado número de horas de funcionamiento
esperado al año:
Fig.10 : Tecnologías óptimas en función de las horas de funcionamiento al año
Fuente : Referencia 14
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5.1.4.1.-GENERADOR OPERANDO EN central BASE
Tecnologías de base (nucleares, algunas de las centrales de carbón y ciclos
combinados existentes), con costes fijos relativamente elevados y variables
relativamente bajos.
5.1.4.2.-GENERADOR OPERANDO EN central de MEDIA BASE
Tecnologías intermedias (algunas centrales de carbón y ciclos combinados existentes,
centrales hidráulicas regulables), con costes fijos y variables intermedios respecto a
los de las centrales de base y punta.
5.1.4.3.-GENERADOR OPERANDO EN central de PUNTA
Tecnologías de punta (centrales de fuelóleo, turbinas de gas), con costes fijos
bajos y variables altos.
Nota:
Se observa que para satisfacer la demanda de forma óptima (al mínimo coste)
es necesario que en determinados instantes haya más de una tecnología
generando electricidad. Es necesario considerar que:
En los momentos en los que la demanda varía de forma brusca
(incrementándose o reduciéndose), no todas las tecnologías son capaces de
variar su producción con la necesaria rapidez. Recordar que, al no ser la
electricidad almacenable, la producción debe igualar a la demanda en todo
momento, según referencia 14.
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Fig.11: Cobertura de la curva monótona de demanda a mínimo coste y potencia
instalada óptima de cada tipo de tecnología
Fuente : Referencia 14
5.1.5.-INSTITUCIONES
La estructura energética del País, desde el marco institucional se desarrolla a través del
MEM, SEIN, COES, OSINERG, INDECOPI y CLIENTE.
.
Fig.12:Sector Eléctrico en el Perú.
Fuente : COES-César Butrón.
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5.1.5.1.-SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NACIONAL SEIN
Fig.13:SEIN
Fuente: COES
OBSERVACIÓN :
Ciertos paises vecinos al sur del PERÚ, históricamente operan su sistema
eléctrico a una frecuencia de 50 Hz, y los paises al norte del PERÚ, operan a
60 Hz.
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Consulta al COES :
Realizada el 18-08-2011, horas 8 :30pm, referido a la GENERACIÓN de Fecha:
13-08-2011, dicha información es valiosa, para especificar los aportes
energéticos de las centrales de generación, que conforman el SEIN. Se
desprende que en el País, con la llegada del GAS de CAMISEA, se está explotando
arraigadamente la generación TÉRMICA, sin embargo, asociando al problema de
estudio traido por el ESTATISMO de estas máquinas (generadores síncronos), y de la
BANDA MUERTA, en el proceso de regulación (reguladores automáticos); hay
generadores síncronos de centrales térmicas que están operando para entregar
potencia base.Desde luego existen también las que están operando en media base y
punta.
Fig.14: Estadística de Generación Eléctrica en el Perú, fecha 18-08-2011
Fuente : Sistema de información del COES (SICOES)
5.1.5.2.-COES
El COES es una entidad privada, sin fines de lucro y con personería de
Derecho Público. Está conformado por todos los Agentes del SEIN
(Generadores, Transmisores, Distribuidores y Usuarios Libres) y sus decisiones
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son de cumplimiento obligatorio por los Agentes. Su finalidad es coordinar la
operación de corto, mediano y largo plazo del SEIN al mínimo costo,
preservando la seguridad del sistema, el mejor aprovechamiento de los
recursos energéticos, así como planificar el desarrollo de la transmisión del
SEIN y administrar el Mercado de Corto Plazo
Papel: Emitir procedimientos para:
a).- Establecer los criterios técnicos y económicos, y la metodología para la
Programación de la Operación de Corto Plazo de las unidades de generación
del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN), que garantice la
operación segura y económica del sistema, considerando la gestión eficiente
de las mismas para el mejor aprovechamiento de los recursos energéticos y el
cumplimiento de la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos.
b).- Determinar la metodología para efectuar la Programación de la Operación
Diaria del SINAC, minimizando los costos de operación y racionamiento para el
conjunto de instalaciones de los integrantes del Sistema, preservando la
seguridad y calidad de servicio del SINAC.
c).- Determinar el procedimiento a seguir para la programación de la operación
de unidades de generación en prueba, nuevas o luego de un trabajo de
mantenimiento; determinar las previsiones a considerar en caso de falla de
estas unidades, el reconocimiento de la energía inyectada al sistema y las
compensaciones que se puedan dar a otros generadores.
El ensayo de potencia efectiva se considera una prueba, la cual es requerida
por los procedimientos del COES.
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Entre otros, cuenta con el Comité Técnico de Análisis de Fallas (CTAF) es un
grupo asesor de la Dirección Ejecutiva del COES, conformado por el personal que
éste designe y por los representantes designados por los Integrantes para este
Comité. El objetivo del CTAF es establecer el proceso para el análisis de los
Eventos que ocasionan transgresiones a los indicadores de calidad del producto
y/o suministro de acuerdo a la Norma Técnica de Calidad de los Servicios
Eléctricos (NTCSE), a fin de identificar el origen y/o causa del Evento y
recomendar las medidas correctivas pertinentes a las empresas del SEIN,
propietarias de los equipos involucrados. Los integrantes del Comité de Análisis de
Fallas son todos los agentes del SEIN.
5.1.5.3.-OSINERGMIN
Papel: La misión del OSINERGMIN es regular, supervisar y fiscalizar, en el ámbito
nacional, el cumplimiento de las disposiciones legales y técnicas relacionadas con
las actividades de los subsectores de electricidad, hidrocarburos y minería, así
como el cumplimiento de las normas legales y técnicas referidas a la
conservación y protección del medio ambiente en el desarrollo de dichas
actividades. En el sector eléctrico, le corresponde: realizar 1)Supervisión Regular
como aquella que se realiza a instalaciones ó unidades que se encuentran
autorizadas a operar y a concesionarias para determinar si conservan las
características que les permiten una operación de acuerdo a lo dispuesto por la
normatividad vigente del sub sector electricidad.2)Supervisión Especial es aquella
que se realiza con fines específicos o circunstanciales, determinados a comprobar
si
ciertas
características
de
la
operación,
instalación,
equipamiento
o
comercialización de la energía eléctrica tienen las condiciones requeridas por las
normas o a supervisar que las acciones efectuadas se han realizado
correctamente.
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5.2.-CONCEPTOS ESPECÍFICOS
Los conceptos que se han construido en el ámbito de la estabilidad de la
máquina generadora de energía eléctrica, responde al argot del ESTATISMO y
BANDA MUERTA,sus acuerdos, sus método y procedimientos forman parte de
una estructura finamente desarrollada como tecnología.
5.2.1.-CONSTRUCTOS
Anderson
y
Gerbing,
(1988);
Bagozzi,
(1981),
establecen
que
los
investigadores son conscientes de la importancia de la validez del constructo
como condición necesaria para el desarrollo de la teoría, argumento que
justifica la distinción entre el modelo de medida, como paso previo de cualquier
análisis, y el modelo estructural (Jarvis, Mackenzie y Podsakoff, 2003). En este
sentido, en un modelo teórico se identifican constructos (variable latentes o no
observables), que por su naturaleza no pueden ser observados empíricamente,
y variables observables (indicadores, medidas o variables manifiestas), que
pueden ser definidas a través de una medida y que son diseñadas para
capturar el dominio de contenido de un constructo, según referencia 3.
5.2.1.1.-MODELAMIENTO DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA
El modelamiento del “Estatismo y la Banda Muerta”, en un sistema de
generación eléctrica, puede analizarse aisladamente o en grupo, pudiendo
darse dentro y fuera de un sistema interconectado, para ello es oportuno
conocer el ESTADO SITUACIONAL siguiente:
Estado situacional:
A: Estado situacional del establecimiento del estatismo:
B: Estado situacional de operatividad
C: Estado situacional de configuración
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El establecimiento de los parámetros S% y BM, en los reguladores automáticos
coordina con:
¿El tipo de central donde opera el generador?(C.T, C.H).
¿La repartición de carga? flujo de potencia, estabilidad.
¿La geometría del generador? (polos lisos, polos salientes).
¿La potencia suministrada en demanda horararia? (Potencia punta, potencia
intermedia, potencia base).
La medición de los parámetros S%(R, E) y BM, responde a acuerdosmétodos-procedimientos, para habiltar una unidad de generación y brindar
energía de calidad.
C
B
A
EL ESTATISMO “S%” y BANDA
MUERTA “BM”, SE ESTABLECE
EN LOS REGULADORES
AUTOMÁTICOS RAF y RAV.
AMBITOS DE
OPERATIVIDAD :
1.-DENTRO DEL SEIN
2.-FUERA DEL SEIN
EN:
1) SE CONFIGURA EN PARALELO CON OTROS
GENERADORES (existe reparticón de carga)
2) SE CONFIGURA INDEPENDIENTEMENTE (No
existe repartición de carga) O EN PARALELO CON
OTROS GENERADORES (Existe repartición de carga)
Fig.15: Estado situacional para el modelamiento del “Estatismo y Banda muerta”
Fuente : Propia del autor
S GT = SG1 + SGn
S Gn
S G1
G
1
S1f% ,S1v%
BM1
G
n
L
O
A
D
Snf% ,Snv%
BMn
Fig.16: Configuración paralelo de generadores y repartición de carga
Fuente : Propia del autor
S GT = SG1
S G1
G
1
L
O
A
D
S1f% ,S1v%
BM1
Fig.17: Configuración independiente del generadores y no repartición de carga
Fuente : Propia del autor
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REPARTICIÓN DE CARGA ACTIVA
La repartición de carga activa, ocurre entre generadores que están en paralelo,
desde luego, esto ya es un problema cuando se trata de repartir en forma
estable entre dos alternadores la demanda que existe. La velocidad de las
máquinas desciende desde vacío a plena carga, aquí la pendiente que lo
caracteriza constituye el “estatismo” del regulador.
Casos típicos de de repartición de carga:
Caso 1: Repartición de la carga entre dos alternadores con igual frecuencia en
vacío e igual estatismo (ANEXO 1).
Caso 2: Repartición de la carga entre dos alternadores con distinta frecuencia
en vacío e igual estatismo (ANEXO 1).
Caso 3: Repartición de la carga AB entre dos alternadores de igual potencia P,
estatismos diferentes e igual frecuencia en vacío (ANEXO 2).
Caso 4: Repartición de la carga AB entre dos alternadores de igual potencia P,
estatismos diferentes y diferentes frecuencias en vacío (ANEXO 2).
A.-DEL ESTATISMO
Se define ESTATISMO: como la pendiente de recta de estabilidad de un
generador síncrono, se aplica como método de solución “la semejanza de
triángulos” con lo cual puede ser determinado cuantitativamente. Cualitativamente
ESTATISMO, es la respuesta operativa del generador que surge como efecto de
variación de carga (conecta o desconecta) en los bornes del generador, que puede
ser medido entre una condición de plena carga y vacío). Normalmente en bucle
abierto (sin dispostivos de regulación) ocurre, que a más carga conectada los
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parámetros de generación (f(Hz), V(v)) tienden a caer, por el contrario, al
desconectar (liberar) carga, los parámetros de generación tienden a aumentar; si
no queremos que nuestro generador colapse, y que nuestras cargas que se
alimentan de ella, no se averíen,
se requiere de elementos de regulación
RAF(RAS) y RAV(AVR), que realimenten y controlen estas variaciones, para
sostener los parámetros de generación en valores de calidad. El estatismo, puede
ser determinado válidamente considerando la dependencia que existe en la
generación de la potencia
SG =PG + JQG , esto es:
PG = f [f(Hz)] y QG = f[V(v)]
i)
PG = f [f(Hz)]
Sf = [f0 – fp]/ [(f0 + fp)/2]……………………………….(8)
ii)
QG = f[V(v)]
Sv = [V0 – Vp]/ [(V0 + Vp)/2]……………………………(9)
Donde:
Sf : Estatismo de frecuencia
f0 : frecuencia en vacío
fp : frecuencia en plena carga
Sv: Estatismo de tensión
V0 : Tensiónen vacío
Vp : Tensión en plena carga
OBSERVACIÓN:
El estatismo de un generador síncrono, puede ser determinado como Sf = Sv ………………(10)
V (v), f(Hz)
Línea de
Estaticidad
V0 , f 0
Vn , f n
Vp , fp
Vacío
Q(MVAR), P(MW)
Plena carga
Fig.15: Estatismo de frecuencia y estatismo de tensión.
Fuente : Propia del autor
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Nota:
Entiéndase DENTRO DEL SISTEMA: Cuando se ponen en paralelo dos o más
generadores en el SEIN, y FUERA DEL SISTEMA: Cuando opera el generador
independientemente o en paralelo con otro generador, fuera del SEIN.
B.-DE LA BANDA MUERTA
Es la banda de variación de frecuencia alrededor de FREF que no produce
cambios en la potencia mecánica de la unidad. La misma puede ser
programada para evitar oscilaciones de las válvulas de control o estar
presentes en los actuadores, según sea el caso de hidráulicas o térmicas.
C.-MODELAMIENTO SIMPLIFICADO
La disposición de generadores y sus reguladores automaticos para su
modelamiento dentro y fuera de un sistema, desde el punto de vista conceptual
el lazo de regulación de velocidad de un generador esta conformado como se
detalla a continuación:
Fig.15: Lazo de Regulación de Velocidad
Fuente : Referencia 1
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Donde:
RPF
: Regulación primaria de frecuencia
F
: Frecuencia real del sistema
P
: Potencia generada a la frecuencia F
FREF
: Frecuencia de referencia del sistema
PREF
: Potencia generada a la frecuencia FREF
TRATE : Potencia Nominal de la Turbina
R
: Estatismo
TEST
: Tiempo de establecimiento
BM
: Banda muerta
TSOST
: Tiempo de sostenimiento
Según, A. M. Capalbo - D. A. Alegrechi, referencia 1, especifican que si bien
el modelo detallado cambia en cada generador y en general será mucho más
complejo que el expuesto anteriormente es posible utilizar las definiciones
previas para modelar la respuesta a lazo cerrado de un sistema de regulación
de frecuencia en forma simplificada como sigue:
Fig.16: Modelo simplificado
Fuente : Referencia 1
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Donde los parámetros del modelo son justamente los indicadores de
performance que se desea monitorear.Para llegar a este modelo se realizaron
las siguientes simplificaciones:
1).-Las variaciones de la frecuencia y de la potencia mecánica son
suficientemente lentas como para poder decir que la potencia acelerante es
aproximadamente nula (Pa=0). De esta forma puede reemplazarse la potencia
mecániica de la turbina que es una magnitud no medible por la potencia
eléctrica del generador.
2).-Toda la ganancia estáica que relaciona el cambio en la producción de
potencia mecánica con la variación de frecuencia se representa por 1/R, donde
R representa al estatismo de la unidad.
3).-Si bien el sistema completo es de orden elevado, se aproxima por un
sistema de primer orden de constante de tiempo TEST.
4).- Todos los efectos no lineales que producen que la potencia de la unidad no
se altere mientras las frecuencia varía se engloban en una sola banda muerta
en la medición de frecuencia. El parámetro BM representa el ancho total de la
banda muerta.
Este modelo simplificado representa adecuadamente la mayoría de los
generadores y
sistemas
de
control.
Siendo
además
útil
para
realizar
simulaciones para el análiisis de transitorios electromecánicos.
El ámbito de la regulación, correspondiente se centra en la regulación primaria, y
se define como la regulación rápida de la generación destinada a equilibrar los
apartamientos de la frecuencia respecto del setpoint previsto y compensar los
requerimientos variables de la demanda, cuando el sistema eléctrico se encuentra
en regimen de operación normal. Se realiza a traves de los sistemas de control
instalados en los generadores que permiten modificar en forma automática su
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producción de potencia. De manera tal que la calidad energética, del SEIN, en
nuestro páis, es medible desde el punto de vista operacional, considerando los
parámetros de estudio, y corresponde a los indicadores: Estatismo, Tiempo de
establecimiento, Banda muerta y tiempo de sostenimiento. Para ello, los países a
través de los organismos relacionados con el sistema eléctrico, establecen
acuerdos (protocolos), métodos y procedimientos, para asegurar que elo sistema
eléctrico, no colapse.
INDICADORES:
ESTATISMO:
R=−ΔF
pu /
ΔPpu ×100
Siendo:
ΔF
pu
=(FREF−F)/FREF y ΔP
pu
=(PREF−P)/T
RATE
BANDA MUERTA:
Según, Edgar del Aguila Vela, banda muerta es el ancho de banda determinada
por una frecuencia superior FS y una frecuencia inferior FI, tomada en una
ocurrencia donde la potencia P del sistema se mantiene casi constante, es decir
casi no cambia ( variaciones despreciables).
P
BM=FS - FI
Pconstante
t
F
FS
FI
t
t0
t1
t2
Fig.17: Banda Muerta
Fuente : Propia del autor
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NOTA : Caso análogo, se hace el modelamiento, para el estatismo de tensión.Vale
remarcar, que la regulación, no solamente se da en el ámbito de control primario, sino
además, existe el ámbito de control secundario y el ámbito de control terciario, todos ellos
organizados dentro de un marco regulatorio.
Según, Pablo Ledesma, pagina 5, referencia 10, remarca que :
1).- El control primario es el más rápido, operando en un margen de tiempo de
entre 2 y 20 segundos. Actúa de forma local en cada generador síncrono,
atendiendo a la velocidad de giro del eje. La rapidez de este control está limitada
por la propia inercia de los generadores.
2).- El control secundario opera en un margen de tiempo de entre 20 segundos y
2 minutos. Actúa en el ámbito del área de control, atendiendo a la frecuencia y al
intercambio de potencia con las áreas vecinas.
3).- El control terciario opera en un margen de tiempo superior a 10 minutos.
Actúa en el ámbito de un sistema eléctrico extenso, buscando un reparto de cargas
optimizado que asegure suficientes reservas de energía.
OBSERVACIÓN:
DONDE Y COMO OPERA EL CONTROL AUTOMÁTICO DE GENERACIÓN
(AGC) EN EL PERÚ
Las cargas del sistema eléctrico de potencia son sensibles a la frecuencia y
a las desviaciones de frecuencia del sistema. Cuando una unidad generadora se
desconecta del sistema o se agrega carga adicional al mismo, el desequilibrio de
potencia es compensado por una extracción forzada de la energía cinética
almacenada por la inercia del sistema (grandes masas rotantes) pero este hecho
origina una caída de la frecuencia del sistema. Como la frecuencia decrece, la
potencia consumida por las cargas también disminuye. En estas condiciones el
equilibrio para el sistema puede ser obtenido con una reducción sensible de la
frecuencia que permite el balance de la carga respecto a la potencia
desconectada. Este efecto podría detener el descenso de la frecuencia en menos
de un par de segundos. Sin embargo, si el desequilibrio causa que la frecuencia se
desvíe más allá de la banda muerta del regulador de velocidad de las unidades
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generadoras, su potencia de salida tenderá a ser incrementada por la acción del
regulador. Para tales desequilibrios, el balance es obtenido cuando la reducción de
la potencia consumida por las cargas más la generación aumentada debido a la
acción del regulador de velocidad compensa este desbalance. Tal equilibrio es
usualmente obtenido en el rango de una docena de segundos de acontecido el
incidente.Asimismo, el estatismo del regulador es el cambio de porcentaje en la
frecuencia que causaría a la unidad de generación variar al 100 % de su
capacidad.
La velocidad típica del estatismo para los reguladores está en el rango
de aproximadamente 4%. Con este nivel de sensibilidad de frecuencia y a
expensas de alguna desviación de frecuencia, el ajuste de generación hecho por
los reguladores provee una oportunidad amplia para seguir con el control manual
de unidades. Este ajuste automático de generación por la acción libre del
gobernador es conocido como la regulación primaria de frecuencia.Los objetivos
del seguimiento del control, especialmente bajo los cambios normales de carga,
son para devolver la frecuencia al valor programado,minimizar costo de
producción, y operar el sistema con un nivel adecuado de seguridad.
La función de control automático de generación AGC (también conocida
como la regulación secundaria de frecuencia) es un sistema de control de circuito
cerrado que reemplaza parcialmente al control manual mencionado anteriormente.
Esta forma de control de generación ha llegado a ser esencial en la operación y el
control en tiempo real de sistemas interconectados de potencia y opera en
ambientes
de
control
de
sistemas
de
potencia
ampliamente
variados,
extendiéndose desde autónomos hasta sistemas fuertemente interconectados con
jerarquía de nivel múltiple de control.
El programa de Control Automático de Generación (AGC) clásico ajusta la
salida de potencia de los generadores para controlar la frecuencia del sistema, los
intercambios de energía, y los errores acumulados de tiempo. Tradicionalmente el
AGC está basado en el control de desviación de área, donde cada área tiende a
reducir el error de control de área a cero.
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En el nivel más alto, la frecuencia del área del sistema y el intercambio neto
del sistema se monitorean. Las señales adicionales pueden emplearse para
propósitos de control que complementan la información de estado del sistema. El
control, es decir la señal de AGC que se envía a todas las unidades, se modifica
en forma sencilla sea por los factores de participación o distribución y en una forma
más avanzada por el programa de despacho económico. Desde el punto de
confiabilidad, este sistema de control por niveles posee características favorables,
es decir, si falla un nivel de control el sistema estará todavía operativo, según
referencia 12.
COMO OPERA LA REGULACIÓN PRIMARIA:
La regulacion primaria de frecuencia es realizada por el gobernador en cada
unidad generadora por si solo, esto quiere decir que su reaccion no depende de
intervención humana ni del centro de despacho, el gobernador debe contar con un
dispositivo de sensado de la frecuencia del sistema, un cerebro que tome el mando
a seguir y un mecanismo que actue sobre la admision de la turbina. Con el fin de
permitir la operacion en paralelo de generadores la caracteristica que gobierna la
relacion frecuencia-potencia de salida de cada maquina tiene una pendiente
negativa (accion reversa), o sea un aumento en la carga produce un decremento
en la velocidad o frecuencia y se llama caracteristica de estatismo.
Los gobernadores cuentan con ajustes de estatismo o caida de velocidad
que ajustan la rigidez o flexibilidad que va a tener esa unidad para cooperar ante
un evento en el sistema, de manera que cada unidad aporte potencia activa. Al
haber variado la frecuencia debido a la perdida de generacion, se da una reacción
de regulacion primaria de los gobernadores como resultado del cambio en la
velocidad angular dependiendo del ajuste de estatismo permanente o caida de
velocidad de cada gobernador cuya respuesta final logra la recuperacion de parte
de la frecuencia al estabilizarse, no obstante queda un error de estado estable por
tratarse de un control proporcional y cuyo valor es proporcional al ajuste de
estatismo global del sistema. Aunque algunos gobernadores tienen una respuesta
mas rapida siempre se tendra un error de estado estable proporcional al estatismo
de ajuste, lograndose un equilibrio entre Pe y Pm en una frecuencia diferente de la
nominal, según referencia 11.
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Fig.18: Gráfico de tendencia de la regulacion de frecuencia en un sistema de potencia.
Fuente : Referencia 11.
5.2.1.2.-TERMINOLOGÍAS
Glosario y Definición de Términos Básicos Utilizados:
Variaciones de Frecuencia en la Red: La frecuencia de la red en PERÚ es de
60 ciclos. En condiciones normales de operación esta frecuencia es estable y
no presenta variaciones importantes, aproximadamente de 0.1-0.2 Hz durante
variaciones normales de carga. Para que la frecuencia de la red permanezca
estable, se requiere un equilibrio entre la potencia eléctrica generada y la
consumida. Cuando se producen grandes desconexiones de cargas o
generadores, las variaciones en la frecuencia son mayores, por ejemplo
1.0 – 2.0 Hz o más, dependiendo de la gravedad del evento.
Regulación Primaria: Servicio en línea que corresponde a la variación
automática, mediante el gobernador de velocidad, de la potencia entregada por
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la unidad de generación como respuesta a cambios de frecuencia en el
sistema. Los tiempos característicos de respuesta están entre 0 y 10 segundos.
La variación de carga del generador debe ser sostenible al menos durante los
siguientes 30 segundos.
Regulación Secundaria: Redespacho que puede ser automático o manual.
Cuando es automático, de manera remota se interviene el regulador de
velocidad para incrementar o reducir la potencia de los generadores. De
manera manual, se envía un re despacho para modificar la potencia a generar.
Estas acciones que no son inmediatas al evento transitorio y que cambian los
ajustes de potencia generada se denomina Regulación Secundaria.
Banda Muerta de Operación: Rango de frecuencia, dentro del cual las
unidades de generación no varían automáticamente su potencia. Es un valor de
frecuencia donde no se hace corrección de la potencia generada, es decir, las
variaciones de potencia en ese rango no activan la regulación primaria de los
generadores.
Estatismo: Característica técnica de una planta y/o unidad de generación, que
determina la variación porcentual de la frecuencia y de la tensión por cada
unidad de variación porcentual de la carga. El estatismo es la relación entre la
variación de frecuencia o tensión con la potencia corregida en la unidad de
generación. Entre mayor sea la desviación de frecuencia o tensión, mayor debe
ser la potencia corregida en la unidad de generación.
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Estatismo permanente: Se define como la variación de velocidad entre una
condición de plena carga y vacío, para el mismo ajuste del regulador de carga.
Si existe una relación lineal entre las variaciones de frecuencia y la potencia,
resultará este estatismo igual al efectivo en la banda de regulación.
Estatismo transitorio: Se define como la variación de velocidad entre una
condición de plena carga y vacío al momento de cambiar el ajuste del regulador
de carga.
Regulación de frecuencia: Acciones necesarias para mantener la frecuencia
dentro de las tolerancias permisibles definidas para el sistema. El OC establece
los parámetros de regulación y las empresas generadoras son responsables a
través de sus CC, de efectuar la regulación de la misma, siguiendo las
disposiciones del OC. El control de frecuencia en un primer nivel es realizado
por todas las centrales de generación de acuerdo a su estatismo, y en un
segundo nivel, por las centrales de regulación.
Regulación primaria de frecuencia (RPF): Es la regulación rápida de
frecuencia, con un tiempo de respuesta inferior a 30 segundos, destinada a
equilibrar instantáneamente la generación con la demanda, con el mínimo de
desviación en la frecuencia. Esta regulación se realiza a través de equipos
instalados en las máquinas que permiten modificar en forma automática su
producción.
Regulación secundaria de frecuencia (RSF): Es la acción manual o
automática sobre los variadores de carga de una o más máquinas, que
compensa la desviación final de la frecuencia resultante de la RPF. Su función
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principal es responder frente a las desviaciones de demanda de modo de
mantener el equilibrio generación – demanda en todo momento. En primera
instancia las variaciones de demanda serán absorbidas por las máquinas que
participan en la RPF. La RSF permite llevar nuevamente dichas máquinas a los
valores asignados en el despacho, anulando las desviaciones de frecuencia.
Su tiempo de respuesta es de varios minutos, tiempo necesario para que se
reasignen de manera óptima los recursos de generación para satisfacer la
demanda.
5.2.2.- NORMATIVIDAD
Históricamente existen dos bloques bien marcados en cuanto a la forma de
obtener el estatismo, que en la actualidad se reflejan. Dichos bloques
corresponden al :
1.-Bloque de la cultura occidental considera D
2.-Bloque de la cultura soviética , considera 1/D
Donde:
D: Coeficiente de amortiguamiento de la carga
El coeficiente de amortiguamiento de la carga de un sistema eléctrico, es
imprescindible para el control de la frecuencia, permitiendo conocer para una
determinada variación de la frecuencia a partir de 60 Hz cual debe ser la
variación de la generación, para restablecer la frecuencia de nuevo a su valor
nominal (aquí actúan los reguladores o gobernadores), según referencia 9. En
cuanto, son válidos cualquiera de las dos apreciaciones, el PERÚ, forma parte
del bloque occidental. Cada país, de acuerdo al sistema eléctrico que posee,
incorpora las normativas correspondientes a fin de no colapsarlo.Las Normas
Técnicas establecen los niveles de calidad y seguridad, los procedimientos y
métodos los que lo posibilitan.
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5.2.2.1.- ANTECEDENTES :
1.-Segun la norma IEEE 421: Los sistemas de excitacion deberan proporcionar
en forma continua una corriente de excitacion en el campo principal de al
menos el 20% sobre la corriente de excitacion actual con carga máxima del
generador, factor de potencia nominal y sobrevoltaje dentro el rango de
frecuencia 59 a 61 Hz.
2.-La COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD DE MEXICO. Para el caso de
los gobernadores se utilizan las normas IEC 308, ASME PTC-29 y la IEEE 125.
Con esto se pretende normalizar las pruebas de desempeno dinamico,
evaluando el comportamiento de los equipos de regulación ante diversas
situaciones que se pueden presentar en el sistema electrico, asi como sus
componentes para determinar y optimizar las condiciones de operacion y
desempeno de los sistemas de control de excitacion y gobernadores de
manera que su respuesta dinamica sea satisfactoria en cuanto a la estabilidad
y a los intereses primeramente del sistema electrico interconectado SEN y de
cada planta en particular, ya sea esta hidroelectrica, termoeléctrica,
geotermica, etc. Con este fin se presentaran definiciones relacionadas, se
enuncian
los
documentos
normativos
internacionales
aplicables,
recomendaciones de equipo de prueba. Será necesario contar ademas con la
informacion de caracteristicas fisicas, curvas diagramas y parámetros tanto de
los generadores como del regulador de voltaje AVR y del estabilizador de
potencia PSS, asi como de los gobernadores.
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5.2.2.2.- CONSECUENTES :
Los estándares para el ESTATISMO Y BANDA MUERTA, responden a la
naturaleza del sistema, a continuación se muestran valores típicos asociados
con estos parámetros :
a).-Según Referencia 1:
Se especifican los requerimientos para este tipo de unidades.
R : entre 4% y 7%.
TEST : menor 30 segundos para maquinas termicas y 60 segundos para las hidraulicas.
BM : menor +/- 0.05%.
TSOST: mayor 2 minutos.
b).-Según Referencia 9:
En la bibliografía internacional se dan valores típicos de estatismo de la carga y
se dice que deben estar entre 1 y 2%, por lo que habría que determinar con la
mayor precisión posible los valores reales del estatismo de la carga en
diferentes tiempos(horarios y meses del año).
c).-Según Referencia 12:
La velocidad típica del estatismo para los reguladores está en el rango de
aproximadamente 4%. Con este nivel de sensibilidad de frecuencia y a
expensas de alguna desviación de frecuencia, el ajuste de generación hecho
por los reguladores provee una oportunidad amplia para seguir con el control
manual de unidades. Este ajuste automático de generación por la acción libre
del gobernador es conocido como la regulación primaria de frecuencia.
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5.2.3.-CUMPLIMIENTO NORMATIVO
5.2.3.1.-ENSAYOS PARA HABILITACIÓN DE UNIDADES GENERADORAS
Se hace la diferenciación entre Estatismo Global y Estatismo Permanente, el
requerimiento
de
estatismo
del
lazo
de
control
potencia-frecuencia
comprendido entre 4 al 10%, se refiere al estatismo efectivo en la banda de
regulación y no al global. Asimismo, para la habilitación de una unidad
generadora, se requiere ademas una banda muerta menor que el 0.1%
(+/- 25 mHz).
Mediante mediciones en campo, se requiere verificar el desempeño del
controlador de velocidad de la unidad generadora frente a pequeñas
perturbaciones en la consigna de velocidad o potencia.
Para la habilitación de cada unidad generadora, se requiere como mínimo:
a) Medir el “estatismo permanente” del lazo automático de control de velocidad.
b) Medir la máxima “Banda muerta” del controlador de velocidad.
c) Medir el Tiempo de establecimiento del lazo de Control de frecuencia frente
a un pequeño escalón en la consigna de frecuencia o potencia.
d) Evaluar el amortiguamiento del lazo de control de velocidad en todos los
modos posibles de operación.
e) Mostrar la capacidad de tomar o reducir carga, en forma automática, por
acción del Controlador de Velocidad de su máquina motriz ante una variación
de frecuencia en el SEIN.
f) Para el caso de unidades generadoras impulsadas por turbinas de gas:
Evaluar la respuesta del sistema de control velocidad-potencia de la máquina
motriz y del lazo de control de temperatura, frente a una señal en la consigna
de frecuencia que simule un importante y abrupto descenso de la frecuencia .
g) Identificar y registrar las magnitudes y parámetros principales que permiten
“homologar” el modelo del Controlador de velocidad.
Estos ensayos deberán realizarse en la oportunidad que se autorice, previa
solicitud y coordinación que corresponda.
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5.2.3.2.-GRID CODE
Cuando las variaciones de frecuencia son pequeñas, todos los generadores grandes
deben ser capaces de contribuir al control de frecuencia. Esta obligación es requerida
por el Grid Code y es condición para la conexión a la red de la transmisión. Se pide
que cada unidad generadora tenga una característica de 4% de estatismo de su
gobernador y debe ser capaz de proporcionar una respuesta de potencia continua
para mantener los valores nominales ante los cambios de frecuencia.
5.2.4.-DE LOS ACUERDOS, PROCEDIMIENTOS Y MÉTODOS (PROTOCOLOS)
Los acuerdos lo determina el CONSEJO NACIONAL DE OPERACIÓN, en cada
país, por lo cual aprueban los protocolos para la medición de las unidades de
generación. En dicho protocolo se especifican el procedimiento y el método a
usar. Se debe evitar que ello implique ser destructiva, El estatismo en una
unidad se fija, y se mide para habilitar la unidad. El estatismo global del sistema
(SEIN) integrada por muchas unidades en paralelo, puede obtenerse mediante
el registro de tiempo real proporcionado por el COES-SINAC.
5.2.4.1.-CASO TÍPICO DE PROTOCOLO DE PRUEBA DEL ESTATISMO
(REGULADORES DE VELOCIDAD)
El protocolo consigna:
A).-PARÁMETROS DE LA UNIDAD
Potencia activa nominal
Velocidad nominal
B).-PARÁMETROS DECLARADOS
Estatismo
Banda muerta
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C).-EQUIPOS A UTILIZAR
Registrador de señal
Regulador de velocidad
Fuente de alimentación
Multímetro digital
Software a utilizar
D).-PROCEDIMIENTO:
1).-Unidad conectada al SEIN
2).-Se verifica que el ajuste del estatismo esté en el valor declarado
3).-Con el multímetro se verifica que el valor de referencia de la frecuencia
(SET POINT), esté en su valor establecido, si no lo está se procede a ajustarlo.
4).-Se instala el registrador para lectura de: velocidad de la turbina (señal
simulada como frecuencia del sistema(60 Hz) y potencia real generada).
5).-Se conecta la Fuente de alimentación [con el SET POINT en (Voltios) para
60Hz, normalmente SETPOINT=5.0V] a la entrada de la tarjeta de
ESTATISMO, para simular la velocidad de la turbina (frecuencia del
sistema).Se ingresa el SET POINT para verificar que la UNIDAD no realiza
regulación primaria, porque el ΔF es 0.
6).-Se varía la señal de velocidad de la turbina ( en +/-1% del SETPOINT) para
simular conexión y desconexión de carga, y esperar en cada uno de ellos una
respuesta.Esto es:
SETPOINT + 1%SETPOINT = 60.1Hz,
SETPOINT - 1%SETPOINT = 59.9Hz.
Realizar varias inyecciones de voltaje.
7).- La unidad debe hacer regulación primaria. La ΔF y ΔP, se deben extraer
de los registros.
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E).-CÁLCULOS:
El estatismo real de la unidad se determina por:
R : Estatismo
R= (ΔF/Fn) / (ΔP/Pn) *100
Fn: Frecuencia nominal de la unidad
ΔF = F1 - F2
Pn: Potencia nominal de la unidad
F1 : Velocidad de la unidad (frecuencia del sistema=60Hz) antes de variarla.
F2 : Velocidad de la unidad (en frecuencia) después de variarla.
ΔP = P1- P2
P1 : Potencia de la unidad en el mismo instante t, en que se tomaron los valores
F1 y F2.
P2 : Valos hasta el cual llega la potencia de la unidad por corrección, dado en
el mismo instante t+1.
5.2.5.-SELECTIVIDAD DE REGULADORES AVR-RAF
Algunos reguladores velocidad ofrecen la posibilidad de incluir una banda
muerta ajustable en la medición de frecuencia o velocidad, es conocido que
pueden presentarse bandas muertas o ciclos de histéresis en el regulador,
debido a desgastes mecánicas en regulador o servoválvulas, lo cual formarían
parte del equivalente, en la medición de la frecuencia.
AVR (RAV) El regulador de voltaje detecta el voltaje del generador, compara
una muestra rectificada de ese voltaje con el voltaje de referencia y provee la
corriente del campo requerida para mantener el cociente predeterminado entre
el voltaje del generador y el voltaje de referencia, su conexionado corresponde
a la estructura referenciada en el anexo 6.
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VI.-MATERIALES Y MÉTODOS
Los materiales y métodos usados para la consecución de nuestros objetivos,
son los que corresponden al presente proyecto de investigación, por un lado los
MATERIALES, que se han usado, han sido coordinados con
Máquinas Eléctricas de la FIEE. El
el Taller de
MÉTODO usado, dado los materiales
disponibles, es aquel que persigue el modelamiento indicado en el presente
informe.
6.1.-MATERIALES Y EQUIPOS
a).-Equipos y materiales provistos por el Taller de Electricidad y Electrónica de
la FIEE, Instrumentos de medidas, maquinas rotativas.
b).-PC implementada con Hoja de cálculo, Software Estadístico y Electrónico
c).-Procedimiento para prueba de estatismo, en base a normativas local y
Paises amigos.
d).-Información del COES: Estadistica y en tiempo real sobre el SEIN.
6.2.- METODOLOGÍA PARA CONTRASTACIÓN Y DEMOSTRACIÓN DE LA
HIPÓTESIS
6.2.1.- Técnicas Descriptivas para la Demostración de la Hipótesis
a.-Técnica de Tabulación de Resultados de las Pruebas para el
ESTATISMO.
Analizadas para cada caso, sea para Prueba de Regulación Primaria de
Tensión y Frecuencia (Transitorio) y Prueba de Regulación Secundaria de
Tensión y Frecuencia (Despacho).
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b.- Técnica de Tabulación de Resultados de Evaluaciones, para la BANDA
MUERTA
Analizadas para cada caso, sea para Prueba de Regulación Primaria de
Tensión y Frecuencia (Transitorio) y Prueba de Regulación Secundaria de
Tensión y Frecuencia (Despacho).
6.2.2.- Unidades de Análisis
Para el desarrollo de esta investigación, son
tomadas como unidades de
Análisis las cuatro presentaciones configuradas de las máquinas rotativas,
detalladas como: Generador Síncrono Fuera del Sistema Interconectado,
Generador Síncrono Dentro del Sistema Interconectado, Generador de Grupo
Fuera del Sistema Interconectado y Generador de Grupo Dentro del Sistema
Interconectado.
6.2.3.-Diseño Muestral
Prueba piloto
Con
buen criterio
tomamos
las
configuraciones
de
GENERADORES
SÍNCRONOS, de quienes se obtuvieron como resultado su disponibilidad
dentro y fuera del sistema (considerado la información del SEIN, proporcionado
en tiempo real el COES-SINAC.
6.2.4.- Técnica de CONTRASTACIÓN con la NORMA, con valores válidos.
Para
la
Validación
de
los
Procedimientos
de
los
instrumentos
Protocolares, se ha sometido a prueba, generadores SÍNCRONOS bajo carga,
cuyos parámetros de respuesta, han dado la validez y aplicabilidad del
procedimiento, del ESTADO DE LA TÉCNICA.
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6.2.5.-Técnicas Conceptuales
Se evaluaron cada uno de los PARÁMETROS asociado con la normativa de
Medición del ESTATISMO Y BANDA MUERTA, bajo un marco de Ensayos y
mediciones en campo y laboratorio.
Se evaluaron ESTATISMO y BANDA MUERTA bajo un marco de:
Ensayos para Habilitación de Unidades Generadoras en un Sistema
Interconectado. Mediante mediciones en campo, se requiere verificar el
desempeño del controlador de velocidad de la unidad generadora frente a
pequeñas perturbaciones en la consigna de velocidad o potencia.
Para la habilitación de cada unidad generadora, se requiere como mínimo:
a).-Medir el “estatismo permanente” del lazo automático de control de
velocidad.
b).-Medir la máxima “Banda muerta” del controlador de velocidad.
En general las relaciones entre los parámetros de eje directo y cuadratura de
las máquinas síncronas según el tipo de unidad (polos saliente y rotor
cilíndrico), varían poco entre diversos fabricantes y pueden referirse a la
reactancia síncronas de eje directo.
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VII.-RESULTADOS
Los resultados obtenidos corresponden a los procedimientos para la obtención
del estatismo y banda muerta, sustentado en el modelo y procedimiento, según
punto 5.2.1.1, 5.2.4 del presente informe, en coordinación con los objetivos se
Implementó los procedimientos para obtener el ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACION SINCRONA, durante un evento
real, de respuesta a una variación de carga (conexión y desconexión de carga).
7.1.-DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENER EL ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, DURANTE UN
EVENTO REAL, PARA UNIDADES DENTRO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
INTERCONECTADO NACIONAL (SEIN).
OBTENCIÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA DEL SEIN.
Fuente : Información en tiempo real proporcionada por el COES.
Mediante el procesamiento de la información proporcionada, por los registros
en tiempo real y estadísticos del SEIN, de fecha : 20-08-2011, se obtuvo los
siguientes valores de los indicadores Estatismo y Banda muerta, es oportuno
mencionar que el procesamiento de dicha información, vertida por el COES
(En ON LINE de portal, es limitada), por ello para la consecución de estos
indicadores se ha estructurado el proceso siguiente :
Paso1 : Se busca en el gráfico de frecuencia versus tiempo un instante donde
la frecuencia se mantenga lo más cercanamente posible a 60Hz, entre dos
mediciones sucesivas (cada 8 segundos), para suponer que el sistema está en
equilibrio es decir, la potencia generada es igual a la potencia de la carga.
Paso2 : A continuación identificar una una variación brusca de frecuencia
(se mide el salto de frecuencia, entre el instante inicial y el momento en que la
frecuencia se estabiliza al menos entre dos mediciones sucesivas).
Paso3 : De la producción sumaria de potencia del sistema, las potencias que
corresponden a las variaciones de frecuencias (ocurrida en la misma fecha y a
la misma hora.
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Paso4 : De la generación energética sumaria del sistema, se obtiene el TRATE
Paso5 : Con la información obtenida en los pasos anteriores, se obtienen los
indicadores para el ESTATISMO y BANDA MUERTA del sistema.
Los resultados obtenidos para ser validados, se contrastaran con los valores
según NORMA, asimismo con la información situacional del SEIN,
correspondiente a la prueba.
Los resultados obtenidos son :
PASO 1:
Referenciado con el anexo 3 y apéndice 1
BM
FS
FI
=
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PASO 2
Referenciado con el anexo 3 y apéndice 2
Salto brusco para luego estabilizarse a la FREF=60Hz
PASO 3
Referenciado con el anexo 4 y apéndice 3.
P=3492.1875 MW entre
F=60.224 – 60.215Hz
PREF = 3500 MW a FREF = 60 Hz,
después del salto
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Paso 4
Referencia ANEXO 5
TRATE=182.324735
MW
Paso 5
Cálculos pertinentes usando Hoja de Cálculo Excel
F
(Hz)
FREF
(Hz
PREF
(MW)
FI=60.215
60
3500
P
(MW)
TRATE
(MW)
Fpu
Ppu
R (%)
BM(%)
3492.187 182.324735 0.00365833 0.04285211 8.53711322 0.9
FS=60.224
El Estatismo obtenido corresponde a 8.537% con una Banda Muerta de
0.9%, la que será motivo de DISCUSIÓN.
Nomenclatura:
FS : Frecuencia Superior
FI : Frecuencia Inferior
BM : Banda Muerta
PREF : Potencia de Referencia
P : Potencia en Evento Real
TRATE : Potencia de Turbina
Fpu : Frecuencia en valores unitarios
Ppu : Potencia en valores unitarios
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7.2.-DEL PROCEDIMIENTO PARA OBTENER EL ESTATISMO Y BANDA
MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA, DURANTE UN
EVENTO REAL, PARA UNIDADES FUERA DEL SISTEMA ELÉCTRICO
INTERCONECTADO NACIONAL (SEIN).
OBTENCIÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA DE GENERADOR
SÍNCRONO DE ANILLOS ROZANTES.
Fuente: Información obtenida en Laboratorio de Máquinas Eléctricas FIEE- UNAC.
Para el siguiente Sistema de Generación :
Valores de Placa
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Se ha obtenido los resultados siguientes para efectos de carga resistiva,
inductiva y capacitiva.
Valores obtenidos en Vacío
VG=220V, f =60Hz Wm=1800rpm
f = Np Wm /120 = 4*1800/120 = 60 Hz
Valores obtenidos con Carga Resistiva
Motor Primo
Punto 1
ICAMPO=0.26 A, VG=220V, IG=0.12A, P=45.72W, f =59.16Hz, Wm=1775rpm
f = Np Wm /120 = 4*1775/120 = 59.16Hz
Punto 2
ICAMPO=0.26 A, VG=210V, IG=0.21A, P=76.38W, f =57.66Hz, Wm=1730rpm
f = Np Wm /120 = 4*1775/120 = 57.66Hz
Valores obtenidos con Carga Inductiva
Se observa que a más carga cae la tensión y la frecuencia, por consiguiente,
había que regular la velocidad(aumentar) del motor primo para corregir la
frecuencia, y asu vez habría que corregir la caida de tensión con la excitación
de la corriente de campo (aumentando).Este papel de corregir lo hacemos en
nuestros laboratorios manualmente, que en el control moderno son los
reguladores automáticos RAS y AVR quienes realizan esta operación.
Valores obtenidos con Carga Capacitiva
Se observa que a más carga capacitiva, la tensión aumenta y la frecuencia cae,
por consiguiente había que hacer las regulaciones pertinentes en los
reguladores respectivos (la conducta de las cargas capacitivas es opuesta al
de las inductivas y resistivas desde el punto de vista de la variación de tensión,
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en los bornes del generador, lo cual evidentemente si no se corrige, puede ser
muy perjudicial).
El Estatismo del generador resulta en el siguiente modelo:
Un grupo generador de 0.3KW de potencia instalada, está trabajando con
76.38W y los valores de la línea de estaticidad para esta carga son de 57.66Hz,
con una variación de frecuencia 4.
1.-¿Cual es el estatismo y la línea de estaticidad ?
2.-¿Si se produce una descarga brusca de 30.66W, hasta que valor variará
instantáneamente la frecuencia y cuales serán los nuevos valores de la línea
de estaticidad ?
Concretamente a ello se reduce, el modelamiento del Generador Síncrono,
como unidad de análisis fuera del sistema(SEIN).
Los indicadores son :
R = (61.66-57.66) / [(61.66 + 57.66)/2]*100 = 6.7%
La línea de estaticidad correspondiente son : 61.66Hz y 57.66Hz. Si se realiza
una descarga de 30.66W, la frecuencia variará elevándose, y es donde entra
a actuar el RAF, para llevarlo a la frecuencia nominal, y asi establecer una
nueva linea de estaticidad correspondiente. Referenciado con tabla de
apéndice 4.
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7.3.-ESPECIFICACIÓN DE LOS REGULADORES AUTOMÁTICOS DE
TENSIÓN (AVR) Y FRECUENCIA (RAF), EN FUNCIÓN DEL ESTATISMO
DETERMINADO PARA LA UNIDAD DE GENERACIÓN SÍNCRONA.
Según, RUSSO, RAMÓN, referencia 16. La función básica de un regulador
automático de tensión (AVR) es la de alimentar al circuito de excitación de tal
manera de mantener constante la tensión de salida del generador dentro de
ciertos rangos de frecuencia y carga. Hay una serie de parámetros a tener en
cuenta a la hora de seleccionar un AVR.
a).-Arranque en frío: El AVR en el momento de arranque de la maquina,
deberá excitarla a partir de las pequeñas tensiones generadas por el
magnetismo remanente, con frecuencias inferiores a la nominal y además
variable debido a la aceleración del motor impulsor.
b).-Tensión de Medición: El AVR debe poder sensar tensiones flotantes y
bifásicas.
c).-Protección por baja frecuencia: Para evitar daños por sobre excitación en
los bobinados y diodos rotativos, en los momentos de arranque, parada o falla
del motor impulsor, se debe mantener baja la tensión de salida mientras la
frecuencia este por debajo del valor nominal.
d).-Compensación de frecuencia V/F: En el caso de una sobrecarga
transitoria que le haga perder velocidad al motor impulsor mas allá de un limite
seteado. Este deberá disminuir la tensión de salida proporcional a la perdida de
velocidad. Así de este modo se disminuye la potencia generada dando la
posibilidad al motor impulsor de recuperarse más rápidamente. Esto le permite
al generador soportar impactos de carga mayores.
d).-Límite de corriente: Permite parametrízar al AVR con distintas potencias
de generadores protegiendo de esta manera bobinados, semiconductores y
limitando la potencia reactiva que este puede generar cuando trabaja en
paralelo.
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e).-Parada por sobre-excitación: En caso de producirse una elevación de la
tensión de excitación por un tiempo prolongado se debe des-excitar la
maquina. Este tiempo es inversamente proporcional al valor de la sobre tensión
y para resetear la falla se debe parar por completo el generador y arrancarlo
nuevamente. Esta función debe tener la posibilidad de desactivarse ya que no
es posible usarla en maquinas que trabajan en paralelo ya que la desexcitación de una de ellas causaría el colapso del sistema.
f).-Ajuste remoto: Permite al operador igualar las tensiones en el momento de
sincronización para la entrada en paralelo con otras maquinas y efectuado este
permite modificar la potencia reactiva que aporta este al sistema.
g).-Transformador de cuadratura: Produce una caída de tensión proporcional
a la potencia reactiva generada permitiendo de este modo un reparto de cargas
estable durante la operación en paralelo.
h).-Entradas de control especiales: Es cada vez más frecuente encontrar
sistemas de generación automáticos que deben operar in atendidos donde dos
o más generadores funcionan a demanda, efectuándose las maniobras de
arranque,
paralelo
y
distribución
de
cargas
controladas
por
un
PLCdedicado.Para estas situaciones el AVR debe contar con una entrada
opotoaislada que le permite al PLC modificar la tensión de salida por medio de
una señal controlada por ancho de pulso (PWM).
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VIII.-DISCUSIÓN
La Implementación de la presente investigación ha tenido en los protocolos su
metodología y procedimientos, como herramienta primordial para obtener el
ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN
SÍNCRONA, durante un evento real, para unidades dentro y fuera del Sistema
Eléctrico Interconectado Nacional SEIN. Y se han establecido las siguientes
CONCLUSIÓNES:
1.-Que los procedimientos favorecen grandemente desde el punto de vista de
la habilitación de los generadores para integrar el SEIN, con las condiciones
normativas de garantizar una energía de calidad, no solo en servicio, sino como
recurso geopolítico energético y estratégico en el desarrollo tecnológico como
NACIÓN.
2.-Que estratégicamente en el tiempo, la tecnología eléctrica no está aislada
de los bloques de la cultura occidental y soviética, al margen de ello, es que se
puede observar, que los países amigos, y vecinos del PERÚ, sostienen esa
herencia de los bloques, tan igual como el PERÚ, tan es así, que operan a
frecuencias y niveles de tensión diferentes o parecidas a la nuestra.
3.-La especifcación de los Reguladores Automáticos de Tensión (AVR) y
Frecuencia (RAF), en función del ESTATISMO para una UNIDAD DE
GENERACIÓN SÍNCRONA, se lleva a cabo de acuerdo a la repartición de
potencia, que asume el generador(como máquina), en una puesta en paralelo
con otros generadores, sin embargo, existe todo un complejo sistema de
control y automatización, para hacer de los sistemas interconectados un
sistema ESTABLE.
4.-De los resultados obtenidos, como producto de la investigación
concretamente va a permitir no solo obtener estos indicadores (ESTATISMO Y
BANDA MUERTA), sino que se descentraliza el conocimiento, para aquellos
que establecen élites nada saludables, con respecto al área relacionado con
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los generadores síncronos, sino que se abre una tendencia de apostar por esta
línea de investigación con resultados concretos y aprovechables.
5.-De los valores obtenidos con los procedimientos para el ESTATISMO y
BANDA MUERTA, dentro y fuera del sistema eléctrico nacional (SEIN),
podemos afirmar concretamente que dichos valores, están comprendidos
dentro de los estándares y normativas establecidos para el sistema, lo que
permite validar los procedimientos.
6.-De gran importancia, sugerir y difundir, estos procedimientos, por lo valioso
de las máquinas síncronas, pues son las que nos proveen la energía, y como
tal estas incorporan todo un conocimiento, como es el ESTATISMO, BANDA
MUERTA, Tiempo de sostenimiento entre otros.La normativa y estándares, son
aquellos que se adoptan en base a la naturaleza del sistema, Las mediciones
en tiempo real y el despacho de cargas, aportan información para aplicarse los
procedimientos y extraer de ellos la información intrínseca real del sistema.
7.-De acuerdo a los resultados obtenidos, el estatismo del SEIN, corresponde a
un ESTATISMO del 6.7% fuera del sistema y 8.537% dentro del sistema,
con una Banda Muerta de 0.9%, normativamente comprendido entre 4 al 10%.
Estos valores PUEDEN MEJORAR, tomando con la mayor precisión posible los
valores reales del estatismo de la carga en diferentes tiempos (horarios y
meses del año).
8.-Para la habilitación de una unidad generadora, se requiere como mínimo:
medir el “estatismo permanente” del lazo automático de control de velocidad,
medir la máxima “Banda muerta” del controlador de velocidad, medir el Tiempo
de establecimiento del lazo de control de frecuencia frente a un pequeño
escalón en la consigna de frecuencia o potencia, evaluar el amortiguamiento
del lazo de control de velocidad en todos los modos posibles de operación y
mostrar la capacidad de tomar o reducir carga, en forma automática, por acción
del Controlador de Velocidad de su máquina motriz ante una variación de
frecuencia en el SEIN. Estos ensayos se realizan en la oportunidad que se
autorice, previa solicitud y coordinación, ante la autoridad competente.
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IX.-REFERENCIALES
1.-A.M.CAPALBO-D.A. ALEGRECHI “Auditoría y Control de la Regulación de
Frecuencia en Sistemas de Potencia, Instrumento para su Verificación On-Line”.
Argentina, 2007.
2.-ARROYO SÁNCHEZ, JOSÉ MANUEL. “Máquina Síncrona”, España:Universidad de
Castilla, 2007.
3.-BARROSO CASTRO, CARMEN.“Constructos Latentes y Agregados en la
Economía de la Empresa”.España:Universidad de Sevilla,2011.
4.-BONUS HOLGUER. “Protección de Medio Ambiente”, Alemania, 1999.
5.-DEL AGUILA VELA, EDGAR. “Estatismo en Máquinas Eléctricas Síncronas”,
Callao: Cátedra UNAC, 2009.
6.-DIRECCIÓN GENERAL DE ELECTRICIDAD.“Normas Técnicas de los Servicios
Eléctricos” MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS, Perú,1997.
7.-GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CONTROL INDUSTRIAL, GICI “Validación de
Los Modelos de los Sistemas de Control de Generación para Estudios de Estabilidad
de la Central Hidroeléctrica de Salvajina”,Colombia, 2007.
8.-KUNDUR, P. S. “Power System Stability and control”. United States: Mc Graw Hill,
1994.
9.-LÁZARO GUERRA–ANTONIO A. MARTINEZ. “Determinación del Estatismo del
Sistema Electromagnético Nacional de Cuba”. Energética Vol. XXVIII,N°1,Cuba,2007.
10.-LEDESMA, PABLO “Regulación de Frecuencia y Potencia”,España, 2008.
11.-MAURICIO ARAYA-COGHI FERNANDEZ,ADRIAN “Metodologia para la
Evaluacion de Sistemas de Regulacion y Protecciones para Centrales de Generacion
Hidroelectricas”.Costa Rica, 2008.
12.-OSINERG-GART “Costos Eficientes de Inversión, de Operación y Mantenimiento
para la Coordinación de la Operación en Tiempo Real del SEIN”.Perú, 2005.
13.-Portal www.coes.org.pe/wcoes/coes/estadistica/.Perú, 2011.
14.-Portal Energía y Sociedad.”El funcionamiento
Eléctrico”.España:Intermoney Energía, S.A.,2011.
Físico
del
Sistema
15.-Portal www.wordreference.com.España, 2011.
16.-RUSSO, RAMÓN. “Nota Técnica AVR”, Argentina, 2002.
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“PROTOCOLOS PARA LA MEDIC IÓN DEL ESTATISMO Y BANDA MUERTA EN UNIDADES DE GENERACIÓN SÍNCRONA”
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X.-APÉNDICE
APÉNDICE 1:
Valores de frecuencia y tiempo en el
frecuencia se mantiene constante y cerca a 60Hz.
instante
donde
la
APÉNDICE 2:
Variación brusca de frecuencia o salto de frecuencia.
APÉNDICE 3:
Producción sumaria de potencia del sistema.
APÉNDICE 4:
Comportamiento del generador síncrono trifásico de anillos rozantes, frente a
cargas resistivas.
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Resolución: R.R. N°1021-2010-R,del 21-09-2010,CALLAO AGOSTO DEL 2011.ING. EDGAR DEL AGUILA VELA
APÉNDICE 1:
Valores de frecuencia y tiempo en el instante donde la frecuencia se
mantiene constante y cerca a 60Hz, entre dos mediciones sucesivas (cada 8
segundos), cuando el sistema (SEIN) está en equilibrio es decir, la potencia
generada es igual a la potencia de la carga.
BM
FS
FI
=
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APÉNDICE 2:
Variación brusca de frecuencia o salto de frecuencia, entre el instante inicial y
el momento en que la frecuencia se estabiliza al menos entre dos mediciones
sucesivas.
Salto brusco para luego estabilizarse a la FREF=60Hz
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Resolución: R.R. N°1021-2010-R,del 21-09-2010,CALLAO AGOSTO DEL 2011.ING. EDGAR DEL AGUILA VELA
APÉNDICE 3:
Producción sumaria de potencia del sistema, las potencias que corresponden a
las variaciones de frecuencias ocurrida en la misma fecha y a la misma hora
del evento.
P=3492.1875 MW entre
F=60.224 – 60.215Hz
PREF = 3500 MW a FREF = 60 Hz,
después del salto
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APÉNDICE 4:
Comportamiento del generador síncrono trifásico de anillos rozantes, GMBN
TRIFÁSICO TIPO 732-37, frente a cargas resistivas.
Motor Primo
EXPERIENCIA REALIZADA EN EL LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS-FIEE-UNAC-2011
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XI.-ANEXOS
ANEXO 1:
CASOS TÍPICOS 1 Y 2 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
ANEXO 2:
CASOS TÍPICOS 3 Y 4 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
ANEXO 3:
FRECUENCIA DE ANÁLISIS DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
ANEXO 4:
POTENCIA PRODUCIDA POR EL SEIN el 20-08-2011
ANEXO 5:
GENERACIÓN DEL SEIN DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
ANEXO 6:
INTERCONEXIÓN TÍPICA DEL AVR
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ANEXO 1:
CASOS TÍPICOS 1 Y 2 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
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ANEXO 2:
CASOS TÍPICOS 3 Y 4 DE REPARTICIÓN DE CARGAS ENTRE
GENERADORES PUESTOS EN PARALELO.
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ANEXO 3:
FRECUENCIA DE ANÁLISIS DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
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ANEXO 4:
POTENCIA PRODUCIDA POR EL SEIN EL DIA 20-08-2011
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ANEXO 5:
GENERACIÓN DEL SEIN DE FECHA 20 DE AGOSTO DEL 2011
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ANEXO 6:
INTERCONEXIÓN TÍPICA DEL AVR
Fuente: Manual de Instrucciones, kato Engineering, USA, 1995.
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