ENSAYOS PARA VALIDACIÓN DE MODELOS DINÁMICOS DE CENTRALES DE GENERACION SEGÚN NORMA TECNICA (NTSyCS)

Ing. Martín Castro

Departamento de Ensayos & Ingeniería

Introducción – El presente artículo detalla los ensayos llevados a cabo para el proceso de validación de los modelos dinámicos de unidades generadoras sincrónicas en Chile de acuerdo a la Norma Técnica de Calidad y Seguridad de Servicio (NTSyCS) y su anexo técnico: Habilitación de Instalaciones para Control de Frecuencia, Control de Tensión, EDAC, Sistemas de Protección Multitarea y PRS, definidos por Comisión Nacional de Energía, perteneciente al Ministerio de Energía chileno. Los ensayos se ejecutan sobre los Reguladores de Tensión y velocidad instalados en las maquinas propiamente dichas.

1. Introducción

Los organismos reguladores del mercado eléctrico de todo el mundo utilizan software específico para llevar a cabo estudios de los sistemas eléctricos de potencia que administran. Estos programas requieren de la utilización de modelos matemáticos que representen – tanto en forma estática como dinámica – los elementos que conforman la red eléctrica (generadores sincrónicos, transformadores, líneas de transmisión, cargas, etc.) y sus sistemas de control.

El proceso de validación dinámico consiste en la parametrización de un cierto modelo matemático que ante la aplicación de una cierta perturbación responde en forma idéntica al elemento real que representa. Así, es de esperar que el modelo dinámico cargado en el software se comporte de la misma manera que el elemento representado en el Sistema Eléctrico.

Algunos beneficios de contar con una base de datos del sistema eléctrico correctamente validada pueden citarse a continuación:

• Programación y operación diaria en estado normal y con elementos de la red no disponibles.
• Planificación del sistema.
• Evaluación de la respuesta de la red ante contingencias.

La anterior lista de beneficios ha originado que los entes reguladores cada vez estén más pendientes de la correcta validación de los elementos que forman parte del Sistema Eléctrico.

1. Norma Técnica de Calidad y Seguridad de Servicio (NTSyCS)

Titulo 3-3: Instalaciones de Generación

Las instalaciones de Generación deberán cumplir con los Artículos correspondientes según tipo de máquina y generación de tal modo que se destacan entre ellos

Figura 1: Respuesta típica a un escalón aplicado en la entrada

• Artículo 3-11 Exigencias mínimas que debe cumplir el sistema de excitación:

Con la unidad girando a full speed no-load (FSNL) se espera que acorde a la Figura 1 considerando:

• Output: Tensión en terminales del generador
• Step en la referencia de tensión del 5%

Deben obtenerse los siguientes resultados:

• Sobrevalor (overshoot): SV < 15 %
• Tiempo de crecimiento (rising time): tcrec < 400 ms
• Tiempo de establecimiento (settling time) dentro de la banda de ±5 %: test < 1.5 seg

• Artículo 3-16: Exigencias mínimas que debe cumplir el controlador de carga/velocidad

Si la unidad dispone de los elementos para realizar control primario de frecuencia, podrán hacerlo cumpliendo con los siguientes requisitos:

• Estatismo (droop) R:
  • Hidráulicas: 0% < R < 8%
  • Térmicas: 4% < R < 8%
• Banda muerta (dead band): db  < 0.1 % = ±25 mHz
• Tiempo máximo de establecimiento (acorde a Figura 1):
  • Hidráulicas: test < 120 seg
  • Térmicas: test < 30 seg

• Ensayos realizados

Con el objetivo de verificar el cumplimento de los artículos de la NTSyCS nombrados anteriormente y para recabar la información necesaria para la elaboración del modelo en software de potencia: se realizan en terreno ensayos al regulador automático de tensión (AVR) y al regulador de velocidad (GOV).

• Ensayos en Vacio: Unidad girando a velocidad nominal (FSNL):

• Relevamiento de la curva de saturación (AVR en modo manual) obsérvese Figura 2:

Figura 2: Curva de vacío de generador

• Escalones en la referencia de tensión (AVR en modo automático)
• Comprobación de limitador V/Hz
• Comprobación de los techos de excitación.

• Ensayos en carga: Unidad conectada al sistema eléctrico interconectado (SIC), se procede a despachar la maquina en 3 niveles de potencia activa (P1, P2, P3) como se observa en la Figura 3:

Figura 3: Despachos requeridos para los ensayos

 En cada nivel de potencia activa se probará mediante la inyección de escalones de tensión en la referencia de tensión del AVR:.

• Respuesta temporal del AVR: Q = 0 MVar
• Funcionamiento de UEL: Q = -Qmax
• Funcionamiento del OEL: Q = +Qmax

De manera análoga se verificará el correcto funcionamiento del regulador de velocidad GOV mediante registros de red y escalones de referencia en la frecuencia vista:

• Comprobación regulación primaria de frecuencia.
• Respuesta dinámica del regulador de velocidad.
• Correcta actuación del control por temperatura.

Finalmente se realizará la apertura del interruptor de maquina principal con objetivo de determinar la constante de inercia H del conjunto maquina generador, bajo un despacho de potencia del alrededor del 30 % de P3.

1. Ensayos en campo

A continuación, veremos los resultados obtenidos en campo que permitirán el ajuste de los controladores para cumplir con los requerimientos de la NTSySC.

En la Figura 5 observamos la respuesta del AVR en condiciones de FSNL ante una perturbación del 5 % en su referencia de tensión. Vemos que los parámetros de performance indicados cumplen con los mínimos impuestos para regulación de tensión ya que:

• SV = 14.82 < 15 %
• Tcrec_10%-90% = 300 ms< 400 ms
• Test_±5% = 0.98 seg < 1.5 seg

Figura 4: Respuesta del AVR en FSNL – Determinación de parámetros de performance

En la Figura 6 se observa la respuesta de la potencia electrica de la maquina como resultado de un escalon de la frecuencia vista de 0.2 Hz. Mediante este ensayo verificamos que cumpla los requerimientos impuestos por la NTSySC, siendo el cas que estamos estudiando el de una central térmica, ya que:

• Test_±5% = 19.47 seg < 30 seg

Figura 5: Oscilaciones naturales de la red – GOV haciendo RPF

En la Figura 7 podemos ver que se han determinado los parámetros de banda muerta y estatismo. De esta manera:

• R = 5 % < 8%
• db = 20 mHz < 0.1 % = ±25 mHz

Figura 6: Estatismo y banda muerta

1. Modelos dinámicos

La Figura 4 muestra el modelo utilizado para la representación equivalente de la unidad. Se destaca la presencia de una impedancia, Z, cuyo objetivo es representar – en forma concentrada – la impedancia de la línea junto con la del transformador de salida hacia el sistema interconectado, considerando a este último considerándolo como una barra de potencia infinita.

Figura 7: Modelo equivalente para la representación dinámica de la unidad

Los valores nominales de la unidad serán definidos acorde a Unom, Snom y Znom. Los distintos escenarios de ensayos recreados a partir de la correcta parametrización de Ug, Pg, Qg, Pl, Ql y Z (varios de estos calculados automáticamente por el software de potencia utilizado en cuestión).

1. Resultados obtenidos

La presente sección presenta los resultados obtenidos durante los ensayos en terreno y, al mismo tiempo, las compara con la respuesta del modelo dinámico presentado ante una perturbación idéntica.

La Figura 5 muestra la respuesta de un generador individual ante un incremento en su referencia de tensión de referencia de 0.02 pu. Como se observa, el modelo representa satisfactoriamente la respuesta obtenida.

Figura 8: Respuesta del modelo dinámico (azul) y del generador ensayado (verde) ante un cambio de +2% en la tensión de referencia.

La Figura 4 muestra la respuesta del modelo dinámico equivalente (ya presentado en la Figura 7) y la del parque eólico ante un cambio en la tensión de referencia del control conjunto de voltaje.

Figura 9: Respuesta del modelo dinámico (azul) el regulador de velocidad ensayado (verde)

En la Figura 9 se observa la respuesta del modelo equivalente del regulador de velocidad a lazo abierto, es decir ingresando al mismo con las variaciones normales de la red registradas.

1. Conclusiones

Se presenta el proceso de validación de una unidad térmica en Chile: principales ensayos realizados en campo, la determinación del cumplimiento de los títulos correspondientes de la NTSySC y finalmente los resultados del modelado validados con los ensayos realizados.

Como se observa, los resultados obtenidos son satisfactorios.