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
Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
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. Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
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
15 min.
60 min.
FuenteUNIDO Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Introducción (III) Características de Etapas del Control/Regulación Control/Reg ulación 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) –
•
–
Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Introducción (IV)
Servicios Complementarios Ancillary Services
Load/ Frequency Control
Provision from reserve power from generators
Spinning Reserve
Compensation of Losses
Voltage Control
BlackStart Capability
Voltage level between defined bounds
Measurement, Accounting, Administration
Provided by Generators •
Standby quick-start Standby slow-start
Compensation Devices
Network Operation
•
•
•
•
•
Potencia Reactiva Regulación de Frecuencia Reserva en Giro Reserva Operativa Reserva fría Capacidad de Almacenamiento Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Introducción (V) Automatical :
Primary Regulation; Regulation;
Manual:
Secondary Regulation (i.e. Tertiary Regulation)
Automatical :
Frequency Response
Manual:
Secondary Regulation
Automatical :
Primary-, Secondary-, High Frequency Response
Manual:
Emergency Reserve; Reserve; Regulation Reserve-NETA (daily); Standing Reserve (yearly); Fast Reserve (monthly).
S
Svenska Kraftnät
N
Statnett
GB
National Grid Company (NGC)
E
Red Eléctrica de España (REE)
Automatical :
Primary Regulation, Secondary Regulation
Manual:
Tertiary Regulation, Deviation manageme management nt
A
Verbund-APG TIWAG, VKW
Automatical :
Primary Regulation, Secondary Regulation
Manual:
Minute Reserve, Unplanned Exchange
TenneT
Automatical :
NL
Primary Response, Secondary Regulation Reserve, Emergency Reserve
D
BEWAG EnBW RWE
E.On Hew VEAG
Manual:
Automatical :
Primary Regulation Secondary Regulation
Manual:
Minutenreserve Fuente: UNIDO Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
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.
Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
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
Turbina
Sensor de Frec.
Necesidad de Modelo del Sistema
Masas rotatorias y carga
Desviación de frecuencia Fuente: Power System Analysis, Saadat Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Modelo General (II)
Modelo del Generador Ecuación de oscilación de máquina sincrónica para pequeñas perturbaciones
2 H d 2 s
2
d t
P m ( pu ) P e ( pu )
Cambio de variable + Laplace
s
1 2 Hs Hs
P s P s m
e
Fuente: Power System Analysis, Saadat Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Modelo General (III)
Modelo de Carga Representación de una carga compuesta (frecuencia-carga) Sensibilidad carga-frecuencia
P e P D L
Modelo de Rotor Modelo simple: cambio en potencia mecánica en función de variación en válvula (ej. vapor) GT ( s)
P m ( s ) P v ( s )
1
Constante de tiempo
1 T s
Fuente: Power System Analysis, Saadat Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Modelo General (IV)
Modelo del Controlador (controlador proporcional) Sistema de control de velocidad tradicional.
P g P ref
1
R
P V ( s)
1 1 g s
P g ( s)
Fuente: Power System Analysis, Saadat Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Modelo General (V)
Modelo resultante
Sistema de Turbina control de velocidad
( s ) P L ( s )
1 g s 1 T s
1 s 1 s 2 Hs D
g
T
P L ( s )
Respuesta a escalón Teorema del valor final
•
•
Masas rotatorias y carga
1 R
P L s
ss
lim s(s) P
1
L
s 0
D
1 R
Fuente: Power System Analysis, Saadat Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
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 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
Sistemas aislados/interconectados Regulador de velocidad isócrono (velocidad constante) Válvula
Vapor agua
P m
P e
G
Turbina Y
r
Regulador de velocidad
Integrador
r
-K
+
∑
Y
-
0
Pm ω
r
: posición de válvula (+ abrir, - cerrar) : potencia mecánica : velocidad del rotor
Regulador de velocidad con característica característica velocidad -droop Válvula
Vapor agua
P m
P e
G
Turbina Y
r
Regulador de velocidad
Integrador
K
∑ -
Fuente: Power System Stability, Kundur
R
r
+
∑
Y
-
0
: posición de válvula (+ abrir, - cerrar) Pm : potencia mecánica ω r : velocidad del rotor 1/R : ganancia de controlador proporcional Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Sistemas interconectados Repartición de carga en unidades en paralelo f ( Hz )
f ( Hz )
f 0
f
P 2
P 1
P 1
P 1
P 2
Entrega de potencia
Unidad 1 P1
Entrega de potencia
Unidad 2
P1 P 1
P2
P 2
P2 P 2
f
R1
f
P1 P2
R2 R1
R2 Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Sistemas interconectados Regulador de velocidad con característica característica velocidad -droop
Válvula
Vapor agua
P m
P e
G
Turbina Y
r
Regulador de velocidad
K
Integrador
Consigna de referencia de carga
+ -
∑ -
r
+
∑
-
0
-
∑
R
Y : posición de válvula (+ abrir, abrir, - cerrar) Pm : potencia mecánica ω r : velocidad del rotor 1/R : ganancia de controlador proporcional
Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Sistemas interconectados Regulador de velocidad con característica característica velocidad -droop
P m1
+ P m 2
+
1
∑ +
2 H eq s D
-
f r
P mn
P L
f SS
P L
1 R P L
1
1
1
Req
R2
1
D Rn
D Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
