Unidad Temática 1: Operación Técnica de Sistemas Eléctricos de Potencia 4. Control Frecuencia-Carga - 4.1 Introducción. - 4.2 Modelo general - 4.3 Sistemas aislados. - 4.4 Sistemas interconectados - 4.5 Aspectos complementarios 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (I) Definición del Problema En general, la frecuencia de la tensión generada aumenta cuando disminuye la carga y vice versa --> la caída brusca de la carga del sistema tiende a aumentar la velocidad de los generadores y por ello aumenta la frecuencia. Debido a que la carga varía a través del tiempo, se tiene que la frecuencia también lo hace, pese a todos los sistemas de control existentes. Objetivo General del Control en Sistemas Eléctricos de Potencia El objetivo de la estrategia de control es el de generar y entregar en forma económica potencia en un sistema interconectado, manteniendo la tensión y la frecuencia dentro de los límites permitidos --> Control de frecuencia : mantener límites de frecuencia, dividir cargas entre generadores. 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (II) Etapas en el proceso de Control/Regulación de Frecuencia • Regulación Primaria (ejem. 30 seg) Existencia de reserva en giro. (acción de reguladores de velocidad (válvulas, álabes, deflectores, etc. )) • Regulación Secundaria (ejem. 15 min) • Regulación Terciaria potencia Regulación Primaria Regulación Secundaria Regulación Terciaria time 30 s 4. Control de frecuencia carga 15 min. 60 min. FuenteUNIDO Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (III) Características de Etapas del Control/Regulación de Frecuencia • • • Regulación Primaria Cada máquina responde de acuerdo a sus características y acción del regulador (consigna, estatismo) Individual para cada unidad de generación La respuesta tiene error permanente dependiendo del estatismo Regulación Secundaria Manual – automática (AGC) Seguimiento de la carga Control de enlaces Restitución de reservas primarias Corrección de error permanente de frecuencia del sistema Regulación Terciaria o Económica Manual – automática (AGC) Ajuste de valores de las máquinas a valores económicos (de mercado) 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (IV) Servicios Complementarios Ancillary Services Load/ Frequency Control Compensation of Losses Provision from reserve power from generators Voltage Control Voltage level between defined bounds Spinning Reserve Provided by Generators Standby quick-start Compensation Devices Standby slow-start 4. Control de frecuencia carga BlackStart Capability Network Operation Measurement, Accounting, Administration • • • • • • Potencia Reactiva Regulación de Frecuencia Reserva en Giro Reserva Operativa Reserva fría Capacidad de Almacenamiento Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (V) Automatical: Primary Regulation; Manual: Secondary Regulation (i.e. Tertiary Regulation) S Svenska Kraftnät N Statnett GB National Grid Company (NGC) E Red Eléctrica de España (REE) Automatical: Primary Regulation, Secondary Regulation A Verbund-APG TIWAG, VKW Automatical: Primary Regulation, Secondary Regulation Manual: Minute Reserve, Unplanned Exchange NL TenneT Automatical: Primary Response, Secondary Regulation Manual: Reserve, Emergency Reserve D BEWAG EnBW RWE E.On Hew VEAG Automatical: Frequency Response Manual: Secondary Regulation Automatical: Primary-, Secondary-, High Frequency Response Manual: Emergency Reserve; Regulation Reserve-NETA (daily); Standing Reserve (yearly); Fast Reserve (monthly). Manual: Tertiary Regulation, Deviation management Automatical: Primary Regulation Secondary Regulation Manual: Minutenreserve Fuente: UNIDO 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Introducción (VI) Características del análisis de Control de Frecuencia • Aprovechamiento de desacoplamiento natural entre potencia activa y módulo de tensión; y Potencia reactiva y frecuencia, • Necesidad de modelo matemático del sistema: generador, consumo, potencia mecánica, control de velocidad, • Enfasis en modelos de control automático, • Uso de modelos de simulación en línea interactuando con sistemas SCADA. 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Modelo General (I) Excitación Reg. automático de voltaje Campo Sensor de voltaje Vapor Modelo esquemático de un sistema de control Turbina Mec. Control de Válvulas Control Frec. Carga Sistema de control de velocidad Sensor de Frec. Turbina Necesidad de Modelo del Sistema Masas rotatorias y carga Desviación de frecuencia Fuente: Power System Analysis, Saadat 4. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Modelo General (II) Modelo del Generador Ecuación de oscilación de máquina sincrónica para pequeñas perturbaciones 2 H d 2 Pm( pu ) Pe ( pu ) 2 s dt Cambio de variable + Laplace 1 Pm s Pe s s 2 Hs Fuente: Power System Analysis, Saadat 8. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Modelo General (III) Modelo de Carga Representación de una carga compuesta (frecuencia-carga) Sensibilidad carga-frecuencia Pe PL D Modelo de Rotor Modelo simple: cambio en potencia mecánica en función de variación en válvula (ej. vapor) Pm ( s ) 1 GT ( s ) Pv ( s ) 1 T s Constante de tiempo Fuente: Power System Analysis, Saadat 8. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Modelo General (IV) Modelo del Controlador (controlador proporcional) Sistema de control de velocidad tradicional. 1 Pg Pref R 1 PV ( s) Pg ( s) 1 g s Fuente: Power System Analysis, Saadat 8. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Modelo General (V) Modelo resultante Sistema de Turbina control de velocidad Masas rotatorias y carga 1 g s 1 T s ( s) PL ( s) 1 s 1 s 2 Hs D 1 g T R •Respuesta a escalón •Teorema del valor final PL PL ( s ) s ss lim s(s) PL s 0 1 D 1 R Fuente: Power System Analysis, Saadat 8. Control de frecuencia carga Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Sistemas aislados (I) Diagrama funcional de un sistema de generación y control Potencia en líneas de potencia AGC Frecuencia Sistema eléctrico: - Cargas - Sistema de transmisión - Otros generadores Sistema suministrador de energía: vapor o agua Cambiador de velocidad Regulador de velocidad Turbina Válvula compuerta velocidad G AGC : control automático de generación Definiciones - Regulación permanente de velocidad, estatismo permanente o porcentaje de caída (droop) es el cambio (caída) de velocidad que experimenta la máquina al pasar desde el vacío a plena carga Valores típicos 5%. - El control de generación y frecuencia en un sistema se conoce como control frecuenciacarga (LFC). Fuente: Power System Stability, Kundur Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Sistemas aislados/interconectados Regulador de velocidad isócrono (velocidad constante) Válvula Vapor agua Pm G Turbina Y Pe r Regulador de velocidad Integrador -K r + ∑ Y : posición de válvula (+ abrir, - cerrar) Pm : potencia mecánica ωr : velocidad del rotor 0 Regulador de velocidad con característica velocidad -droop Válvula Vapor agua Pm G Turbina Y r Regulador de velocidad Integrador Fuente: Power System Stability, Kundur Pe K R r ∑ - + ∑ 0 Y : posición de válvula (+ abrir, - cerrar) Pm : potencia mecánica ωr : velocidad del rotor 1/R : ganancia de controlador proporcional Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Sistemas interconectados Repartición de carga en unidades en paralelo f ( Hz ) f ( Hz ) f0 f P2 P1 P1 P1 Entrega de potencia Unidad 1 P1 P1 P1 P2 P2 Entrega de potencia Unidad 2 f R1 P2 P2 P2 f R2 P1 R2 P2 R1 Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Fuente: Power System Stability, Kundur Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Sistemas interconectados Regulador de velocidad con característica velocidad -droop Válvula Vapor agua Pm G Turbina Y r Regulador de velocidad K Integrador Consigna de referencia de carga Pe + - ∑ R r ∑ - + ∑ 0 Y : posición de válvula (+ abrir, - cerrar) Pm : potencia mecánica ωr : velocidad del rotor 1/R : ganancia de controlador proporcional Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012 Sistemas interconectados Regulador de velocidad con característica velocidad -droop Pm1 + Pm 2 + ∑ + - Pmn PL f SS 1 2H eq s D f r PL 1 1 R R2 1 PL 1 D Req 1 D Rn Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012
