CENTRALES DE GENERACIÓN P r oye oyecto cto B i mestral str al Mo M odelac laci ón y Sim Si mula ulaci ón de Sist Si ste emas de C ontr ntr ol de Cent Centrr ales les Tér Tér mi cas
I nte nteg r ante ntes:
Ayala Andrés
Farinango Jonathan
Gallo Ángel
Jiménez David
F echa de de entre ntr eg a: martes 8 de agosto de 2017 201 2017 – A – A
ÍNDICE 1) Modelación a. Sistemas de Control i. Modelación de Sistemas de Control de Velocidad ii. Modelación de Sistema de Control de Voltaje 2) Simulación de los diferentes sistemas de control a. Modelación en SIMULINK y en POWERFACTORY de los modelos implementados. b. Respuesta al escalón unitario i. Governor ii. AVR c. Respuesta ante una variación de carga y a una falla en operación interconectada
al sistema.
MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS 1) Modelación a. Sistemas de Control
i. Modelación de Sistemas de Control de Velocidad IEEEX1 Este modelo se utiliza para representar excitadores de conmutador de dc controlados en campo con reguladores de tensión de acción continua (especialmente los amplificadores reostáticos de acción directa, amplificadores rotativos y amplificadores magnéticos) .5 Debido a que este modelo ha sido ampliamente implementado por la industria, a veces se utiliza para representar otros tipos De sistemas cuando los datos detallados para ellos no están disponibles o cuando se requiere un modelo simplificado. La principal entrada a este modelo es la salida, VC, del transductor de voltaje de terminal y el modelo de compensador de carga descrito anteriormente. En la unión de suma, la salida del transductor de voltaje terminal, VC, se resta Desde la referencia de consigna, VREF. La respuesta de estabilización, VF, se resta y se añade la señal de estabilización del sistema de potencia, VS, para producir un voltaje de error. En el estado estacionario, estas dos últimas señales son cero, dejando sólo la señal de error de voltaje de terminal. La señal resultante se amplifica en el regulador. La constante de tiempo mayor, TA, y la ganancia, KA, asociada con el regulador de voltaje se muestran incorporando límites no de soldadura típicos de las limitaciones de la fuente de alimentación de saturación o amplificador. En el Anexo E se presenta una discusión de los límites de enrollamiento y de noexpansión. Estos reguladores de tensión utilizan fuentes de energía que no se ven afectadas por breves transitorios en la máquina síncrona o en los buses auxiliares. Las constantes de tiempo, TB y TC, se pueden utilizar para modelar constantes de tiempo equivalentes inherentes al regulador de tensión, pero estas constantes de tiempo son a menudo lo suficientemente pequeñas como para ser desatendidas y se debe tener en cuenta datos de entrada cero. La salida del regulador de tensión, VR, se utiliza para controlar el excitador, que puede excitarse por separado o excitarse por sí mismo. Cuando se utiliza un campo de derivación autoexcitado, el valor de KE refleja el ajuste del reostato del campo de derivación. En algunos casos, el valor resultante de KE puede ser negativo y debe tenerse en cuenta para ello. La mayoría de estos excitadores utilizan campos de derivación autoexcitados con el regulador de voltaje funcionando en un modo comúnmente denominado "buck-boost". La mayoría de los operadores de la estación rastrea manualmente el regulador de voltaje recortando periódicamente el punto de ajuste del reóstato para cero la salida del regulador de voltaje. Esto puede simularse seleccionando el valor de KE de modo que las condiciones iniciales se satisfagan con VR = 0. En algunos programas, si KE se introduce como cero, automáticamente se calcula por el programa para la autoexcitación. Si se proporciona un valor distinto de cero para KE, el programa no debe recalcular KE, ya que está implícito un ajuste de reóstato fijo. Para tales sistemas, el reóstato se fija con frecuencia a un valor que produciría autoexcitación cerca de las condiciones nominales. Los sistemas con ajustes de reóstato de campo fijo están en uso generalizado en unidades que son controladas remotamente. Se usa un valor para KE = 1 para representar un excitador excitado por separado.
1
El término SE [EFD] es una función no lineal con valores definidos en dos o más valores elegidos de EFD, como se describe en el Anexo C. La salida de este bloque de saturación, VX, es el producto de la entrada, EFD y el valor de La función no lineal SE [EFD] a esta tensión de excitación. Normalmente se utiliza una señal derivada de la tensión de campo para proporcionar la estabilización del sistema de excitación, VF, a través de la realimentación de velocidad con ganancia, KF y constante de tiempo, TF. [2]
EFD Exciter output voltaje KA Voltage regulator gain KE Exciter constant related to self-excited field KF Excitation control system stabilizer gains ESC Speed change reference (Type DEC1A) SE Exciter saturation function TA, TB, TC Voltage regulator time constants TE Exciter time constant, integration rate associated with exciter control TF1 Excitation control system stabilizer time constant TR Regulator input filter time constant VF Excitation system stabilizer output VC Output of terminal voltage transducer and load compensation elements VERR Voltage error signal Type DC3A model VS Combined PSS and possibly discontinuous control output after any limits or switching, as summed with terminal voltage and reference signals (in pu equivalent of terminal voltage) VR Voltage regulator output VREF Voltage regulator reference voltage (determined to satisfy initial conditions) VRMAX, RMIN Maximum and minimum voltage regulator outputs VREF Voltage regulator reference voltage (determined to satisfy initial conditions) VS Combined PSS and possibly discontinuous control output after any limits or switching, as summed with terminal voltage and reference signals (in pu equivalent of terminal voltage) VOEL Overexcitation limiter output (Type AC1A, AC2A, ST1A) VUEL Underexcitation limiter output 2
IEEEX1- Parámetros
ii. Modelación de Sistema de Control de Voltaje Governor GGOV1 (Turbina a gas)
El modelo GGOV1 fue desarrollado como un modelo de turbina-gobernador de uso general para ser utilizado en estudios de simulación dinámica. La figura se muestra a continuación.
3
En términos de la turbina de gas, se hacen muchas de las mismas suposiciones simplificadoras como despreciar los controles IGV, asumiendo un límite de temperatura, límite de carga que es constante y que no representa explícitamente ningún efecto ambiental u otros. La potencia mecánica desarrollada en estado estacionario a partir del modelo viene dada por: ℎ = ∗ ( − )
El parámetro es el caudal de combustible a plena velocidad, sin condiciones de carga lo que permite una representación del combustible consumido sin carga para hacer funcionar el compresor axial Este modelo puede usarse para representar una variedad de motores primarios controlados por gobernadores PID. Eso Es adecuado, por ejemplo, para la representación de: - Turbinas de gas y turbinas de ciclo combinado de un solo eje. - Motores diésel con modernos reguladores electrónicos o digitales - Turbinas de vapor en las que se suministra vapor desde un tambor grande de la caldera o un colector grande Cuya presión es sustancialmente constante durante el período de estudio - Turbinas hidráulicas sencillas en configuraciones de presas donde la longitud de la columna de agua es corta y los efectos de inercia del agua son mínimos. [3]
Parámetros Típicos para el Gobernador GGOV1 Los valores típicos para el modelo GGOV1 se proporcionan a continuación. El valor para el parámetro MWCAP es la clasificación de la turbina y la base para todos los demás parámetros. No es igual al MVA del generador y típicamente es menor. El generador es típicamente sobredimensionado (es decir, MWCAP
Parámetro ()
Valores Típicos Suministro de Usuario 0.04 1 1
()
0.05
()
-0.05
10
2
0
()
1
1
0.15
()
0.5
4
Descripción Caída permanente Constante del tiempo del transductor de potencia eléctrica Valor máximo para la señal de error de velocidad. Valor mínimo para la señal de error de velocidad Ganancia proporcional del gobernador Ganancia integral del gobernador Ganancia derivada del gobernador Constante de tiempo del controlador derivado del gobernador Límite máximo de la posición de la válvula Límite mínimo de la posición de la válvula Constante actuador
de
tiempo
del
1.5
Ganancia de turbina
0.2
Flujo de combustible sin carga
()
0.1
()
0
1
()
0
Constante de tiempo de retraso de turbina Constante de tiempo de avance de turbina Interruptor para la característica de la fuente de combustible. 0 = flujo de combustible independiente de la velocidad 1 = flujo de combustible proporcional a la velocidad. Retardo de tiempo de transporte para el motor diésel
()
3
2
0.67
1
0
(/)
0.1
(/)
-0.1
Velocidad mínima de apertura de la válvula
0
Ganancia del controlador de potencia (reset)
()
N/A
Punto de ajuste del controlador de potencia
()
0.01
Punto de ajuste del limitador de aceleración
()
10
Ganancia del limitador de aceleración
()
0.1
Constante de tiempo limitador de aceleración
()
0
()
4
Constante de tiempo detección de temperatura
()
5
Constante de tiempo de retraso de detección de temperatura
Constante de tiempo del limitador de carga Ganancia proporcional del limitador de carga para el controlador PI Ganancia integral del limitador de carga para el controlador PI Valor de referencia del limitador de carga Coeficiente de sensibilidad de velocidad Velocidad máxima de apertura de la válvula
muerta del velocidad
5
del
Banda regulador de de
()
99
Tasa máxima de aumento del límite de carga (No se utiliza en NEPLAN)
()
-99
Tasa máxima de disminución del límite de carga (no utilizada en NEPLAN)
Governor TGOV5 (turbina a gas) El governor TGOV5 es un modelo dinámico de una turbina a vapor que incluye varios aspectos de una central a vapor además de que, por sus características es una simplificación de procesos bastante complejos. El comportamiento del sistema es muy distinto en puntos de operación de baja carga. Generalmente el TGOV5 está ajustado para operar a 100MW hacia el límite superior.
Además, el TGOV5 representa la acción del gobernador, calentamiento y los efectos de baja presión, incluyendo los efectos de la caldera. Los controles de la caldera manejarán prácticamente cualquier modo de control incluyendo presión coordinada, base, variable y convencional. El modo de control se selecciona mediante la elección adecuada de las constantes.
El modelo TGOV5 es idéntico al modelo IEEEG1, solo que este posee además las siguientes características: 1. Los parámetros CB, K 9, C 1 que determinan la presión actual del acelerador de vapor (PT), cuando se multiplica por la posición de la válvula produce la potencia mecánica actual disponible en la entrada de la turbina de vapor. 2. Los controles coordinados que actúan sobre la potencia eléctrica (P ELEC), error de f recuencia (Δf), y error de presión (P E) para determinar el orden de potencia Po. 3. Una emulación del controlador de presión (parámetros K I, TI, TR, TR1, CMAX y CMIN) y la dinámica del combustible, es decir, el proceso de pulverización del carbón y su combustión para calentar el tambor de la caldera (parámetros T D, TF, TW, K11 y K10).
El modelo TGOV5 se muestra en la siguiente figura:
6
En la figura siguiente se muestra los estados del gobernador TGOV5 numerados del 1 al 17 de la siguiente forma:
7
Estados: 1. Salida del governor 2. Velocidad de avance 3. Cuenco de turbina 4. Recalentador 5. Crossover 6. Doble recalentador 7. PELEC 8. PO 9. FuelDyn1 10. FuelDyn2 11. Controlador 1 12. Controlador 2 13. PD 14. Delay 1 15. Delay 2 16. Delay 3 17. Delay 4
8
Parámetros
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2) Simulación de los diferentes sistemas de control a. Modelación en SIMULINK y en POWERFACTORY de los modelos implementados.
POWERFACTORY
i. IEEEX1
Fig. IEEEX1 en POWERFACTORY ii. Governor GGOV1
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Fig. GGOV1 en POWERFACTORY iii. Governor TGOV5
11
Fig. TGOV5 en POWERFACTORY MA TL AB
b. Respuesta al escalón unitario
i. Governor
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Fig. Respuesta escalón Governor ii. AVR
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Fig. Respuesta escalón AVR c. Respuesta ante una variación de carga y a una falla en operación interconectada al sistema.
i. Variación de la carga B (30%)
Fig. Evento de carga
Fig. Sistema de 9 Barras con variación de carga
14
Fig. Voltaje de excitación
Fig. Ángulo del rotor 15
Fig. Potencia de la turbina
16
Fig. Velocidad
Fig. Potencia eléctrica
ii. Desconexión de la L/T 4-6
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Fig. Evento de Cortocircuito Trifásico Tierra
Fig. Despeje de falla después de 80ms
Fig. Sistema de 9 barras con Falla en L/T 4-6
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Fig. Voltaje de excitación
Fig. Ángulo del rotor 19
Fig. Potencia de la turbina
Fig. Velocidad 20
Fig. Potencia eléctrica Referencias [1] Apuntes de Centrales de Generación, “Dr. Ing. Nelson Granda” [2] https://www.powerworld.com/WebHelp/Content/TransientModels_HTML/Exciter%20IEEEX1.ht m [3] https://www.powerworld.com/WebHelp/Content/TransientModels_HTML/Governor%20GGOV1 .htm [4] https://www.powerworld.com/WebHelp/Content/TransientModels_HTML/Governor%20TGOV5 .htm
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