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Evolución de los Sistemas de Excitación para Generadores Sincrónicos Edgardo Porras Estudiante Programa Maestría Escuela de Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica Resumen—Se describe la evolución que han experimentado los los sist sistem emas as de excit excitaci ación ón para para las las unid unidade adess gene generad radora orass síncronas, para lo cual se resumen los diferentes sistemas de excitación existentes; distinguiendo las características ventajas y desventajas particulares de cada uno. Además se especifican los rangos de ajuste establecidos establecidos de los parámetros parámetros de control y su respuesta para los reguladores automáticos de voltaje según la IEEE.
Índice de términos —Frecuenci —Frecuencia, a, voltaje, potencia potencia reactiva, reactiva, estabilidad estabilidad transitoria, transitoria, estabilidad estabilidad de pequeña señal, excitatriz, excitatriz, regulad regulador or automáti automático co de voltaje voltaje,, sistema sistema estabil estabilizad izador or de potencia
I. NOMENCLATURA AVR Efd Ifd Ka K F T A T E T F V Rmax V Rmin V REF PID K P K I K D
Regulador automático de voltaje Voltaje de salida de la excitatriz Corriente de campo del generador Ganancia del regulador de voltaje Ganancia del circuito de estabilización del AVR Contante de tiempo del AVR Constante de tiempo de la excitatriz Constante de tiempo del estabilizador del AVR Voltaje máximo de salida del AVR Voltaje mínimo de salida del AVR Voltaje de referencia para el AVR Proporcional-Integral-derivativo Ganancia proporcional Ganancia integral Ganancia derivativa II. I NTRODUCCIÓN
En los sistemas de potencia es de gran importancia conocer el comportamiento dinámico de la red, para ello se realizan estudios estudios de estabilidad estabilidad de pequeña señal señal y de estabilidad estabilidad transitoria los cuales constituyen un método necesario para el planeamiento, planeamiento, funcionamiento, funcionamiento, optimización optimización y análisis análisis del comp compor orta tamie miento nto de los los sist sistem emas as ante ante pert pertur urba baci cione oness eléctricas.
del del comp compor orta tamie miento nto de ellos ellos ante ante pert pertur urba bacio ciones nes en el sistema. Para realizar estos estudios es necesario disponer de model modelos os mate matemá mátic ticos os de los los dife difere rent ntes es eleme elemento ntoss que int interac eractú túan an con el funci uncion onam amie ient ntoo del del gene genera rado dor, r, gene general ralme mente nte dich dichos os mo mode delos los está estánn en func funció iónn de los los parám parámet etro ross de la máqu máquin ina, a, que que pued pueden en ser ser dado dadoss por por el fabricante u obtenerse mediante pruebas para determinar el valor de los mismos. Una vez obtenidos los parámetros se ppue uede denn mo mode dela larr los dife difere rent ntes es sist sisteemas mas y real realiz izar ar simulaciones como técnica de investigación operativa para verificar el comportamiento de todo el sistema (generador, sistemas sistemas de regulación, regulación, sistemas de protección protección etc.). Otro aspecto importante a considerar en los sistemas de potencia es gara garant ntiza izarr la cali calidad dad de la ener energí gíaa entr entrega egada da por por las las Cent Centra rale less de Gene Genera raci ción ón,, razó razónn por por la cual cual tant tantoo las las característica característicass de los generadores como la de los sistemas sistemas de regu regula laci ción ón asoc asocia iado doss tien tienen en una una part partic icip ipac ació iónn mu muyy importante en este aspecto. El obj objeti etivo vo de los sistema sistemass de regula regulación ción en un siste sistema ma Eléctrico Eléctrico de Potencia, Potencia, es proveer proveer en forma forma fiable la potencia demandada manteniendo la frecuencia y la tensión con los criter criterios ios de despac despacho ho económi económico co adecuad adecuados. os. El cliente cliente o usua usuari rioo fina finall debe debe cont contar ar idea idealm lmen ente te con con un sist sistem emaa balanceado de tensiones, con calidad en la forma de onda, nivel de tensión y frecuencia, no obstante estos parámetros no se manti mantiene enenn cons consta tante ntess en el tiem tiempo po debi debido do a las las variaciones de la energía demanda por los usuarios de la red, averías etc. El control de nivel de voltaje y su suministro es un problema a resolver en forma local en la barra en que esté conectado, por el contrario la frecuencia es un asunto conjunto de todo el sistema que esta interconectado.
La regulación del nivel voltaje es realizada en el sistema de excitación del generador por medio del regulador automático de voltaje (AVR). Este controla la corriente de campo del generador manteniendo un nivel de voltaje de salida en sus barras. Los reguladores de voltaje, además de ser utilizados para controlar el voltaje terminal de la maquina, también sirven para controlar el nivel de reactivo en las barras del La estabilidad de los sistemas de potencia ha sido sujeto de sistema que están cercanas a la Central Generadora. intensos estudios en los Estados Unidos y Canadá desde los años 1920 y 1930 cuando se instalaron instalaron grandes Centrales de Dentro de los equipos de regulación existen diferentes tipos sistem emas as de exci excitac tación ión de las las unid unidad ades es gene genera rado dora ras, s, Generación Hidroeléctricas [1]. Parte de estos estudios se de sist alguno noss de ello elloss util utiliz izan an un disp dispos osit itiv ivoo rota rotati tivo vo que que dedican al funcionamiento de los generadores y al análisis algu sumi sumini nist stra ra la pote potenc ncia ia de cam campo reque equeri rido do por por los generadores sincrónicos, en otros el sistema de excitación
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alimenta directamente el devanado principal de campo. Es así como se han desarrollado desde excitatrices rotativas de corriente directa, excitatrices rotativas de corriente alterna utilizando rectificadores montados en el rotor, así como sistemas estáticos el cual utilizan puentes de thyristores para generar el voltaje de campo directamente de los terminales de salida del generador. Los sistemas de excitación están compuestos por dispositivos de sensado de: voltaje, potencia reactiva, frecuencia, potencia activa, señales de campo del generador, consignas del regulador, lazo de regulación y de compensación, actuadores de tiristores, etc. En la Figura N° 1, se muestra un diagrama de bloques con los principales componentes de regulador de voltaje [2].
Para garantizar un adecuado desempeño, para condiciones de estado estable, oscilaciones de pequeña señal y durante contingencias en la barra del sistema cercana a la unidad generadora, esta debe contar con un regulador de voltaje capaz de: •
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Figura N° 1. Diagrama de bloques de un generador síncrono con el sistema de excitación.
(1) Excitatriz : Provee la potencia en corriente directa al devanado de campo de la maquina síncrona. (2) Regulador: Procesa y amplifica las señales de control a un nivel y forma apropiada para el control de la excitatriz.
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(3) Transductor de voltaje terminal y compensador de carga: Sensa el voltaje terminal del generador, rectifica y filtra este a un nivel de voltaje dc y lo compara con una referencia que representa el voltaje de terminal deseado. (4) Sistema estabilizador de potencia : Provee una entrada adicional al regulador para amortiguar las oscilaciones de potencia del sistema.
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(5) Limitadores y circuitos de protección: Estos dispositivos son un arreglo de funciones de control y protección el cual resguardan que los límites de capacidad del generador no sean excedidos.
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III.
SISTEMAS DE REGULACIÓN DE VOLTAJE
A. Funciones del sistema de regulación de voltaje
Mantener el voltaje terminal de la máquina en el valor de referencia y la relación de este con la carga reactiva en toda la región de operación. En caso de rechazos de carga y otros disturbios severos mantener el voltaje dentro de los límites aceptables de trabajo. Llevar a cabo una rápida excitación durante la puesta en operación del grupo sin sobrepaso en el voltaje terminal y tiempo de asentamiento adecuado. Presentar un desempeño adecuado a los comandos del operador o del sincronizador durante el periodo de conexión al sistema. Poseer una elevada velocidad de respuesta inicial ante variaciones de voltaje impuestas por la variación de carga, generación o conmutaciones dadas en el sistema. Aplicar niveles de voltaje positivos y negativos en el campo en valores superiores al básico de excitación para influenciar el torque de aceleración y mantener el sincronismo con el sistema de potencia incluso durante contingencias severas. Ser capaz de compensar parte de la caída de voltaje en la reactancia del transformador elevador y poseer la característica de compensación de reactivo adecuada cuando se comparte el transformador de salida con otras unidades. Limitar dinámicamente la corriente de excitación de acuerdo a la capacidad del sistema de excitación en regiones próximas a los límites de la curva de capabilidad, mínimo y máximo, el límite de estabilidad y el límite de sobreflujo (V/Hz) independientemente de las necesidades interpuestas por el lazo de regulación de voltaje. Evitar la sobrecarga térmica del devanado de campo del generador por medio de un limitador de máxima corriente de campo. Evitar la falla de sincronización en el generador, por medio del limitador de corriente de excitación mínima, el cual deberá estar sintonizado al límite de la estabilidad del generador. Proteger al generador de sobreflujos. El compensador de sobre-flujos debe estar programado como una relación lineal entre el voltaje de generador y la frecuencia del mismo (V/Hz).
Los ajustes del regulador de voltaje deberán garantizar que las máquinas operen establemente con un sistema
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eléctrico barra infinita y en régimen de carga aislada, la velocidad de respuesta debe ser alta de manera que regulen por medio de cambios en la consigna del regulador ejecutados por el operador y ante variaciones del voltaje generado y de la potencia reactiva. Deberá tener un controlador PID o similar sintonizable en función de las constantes de tiempo dominantes del proceso a controlar, de manera que proporcione una operación estable con márgenes satisfactorios. La IEEE [3], ha definido los siguientes rangos de ajuste de los parámetros de control y su respuesta para los reguladores automáticos de voltaje: •
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Ajuste del Regulador Automático de Voltaje 95 a 105% del voltaje nominal.
Figura N° 2. Sistema de excitación DC con regulador de voltaje tipo amplidino
Rango de ajuste del Regulador Manual de 20% a 120% de la corriente campo nominal. Ganancia global del Sistema de Excitación: 50 a 800 p.u.
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Margen de Ganancia:
2 a 20 dB.
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Margen de fase:
20 a 80 grados
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Ancho de banda:
0.3 a 12 Hz
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Sobreelongación:
0 a 30%
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Ganancia proporcional “Kp”:
0 a 100%
Figura N° 3. Diagrama de bloques de un generador síncrono con sistema de excitación DC.
- Sistemas de excitación tipo AC : Conforme la electrónica se fue desarrollando y los rectificadores ampliaron su capacidad de corriente, surge otro tipo de sistema de Ganancia derivativa “Kd”: 0 a 30 segundos • excitación que utiliza generadores AC como fuente de potencia para la excitación del generador primario. Donde el excitador esta en el mismo eje del primotor, la salida AC se B. Tipos de sistemas de excitación rectifica para obtener la corriente DC necesaria para la excitación. Los rectificadores de estos sistemas pueden ser La IEEE clasifica tres tipos de sistemas de excitación de estacionarios o rotativos y pueden tener diversas acuerdo a la fuente de poder que utilizan para proporcionar el configuraciones dependiendo de la forma en que se voltaje DC que controla el campo de los generadores [4] : dispongan los rectificadores. La IEEE [6] ha clasificado 6 modelos de sistemas de excitación tipo AC identificados - Sistemas de excitación tipo DC : El cual utilizan un como: AC1A, AC2A, AC3A, AC4A, AC5A y AC6A. generador de corriente directa como fuentes de potencia de excitación y proveen corriente al rotor a través de anillos La figura N° 4 muestra uno de los sistemas de excitación rasantes. El excitador puede ser manejado por un motor o por tipo AC [5], el cual utiliza puente estacionario de diodos en el eje del generador y puede ser auto excitado o con la salida del excitador, la Figura N° 5 representa el modelo excitación matemático de la IEEE [6] para este tipo de regulador. independiente, el sistema de regulación de voltaje es conocido como regulador tipo amplidino. En la actualidad son pocos los excitadores DC que se producen, ya que han sido reemplazados por sistemas de corriente alterna o tipo AC y sistemas de excitación estáticos o ST. La Figura N° 2 representa un sistema de excitación Tipo DC [5] y la Figura N° 3 representa el modelo matemático de la IEEE [6] para dicho sistema. •
Ganancia integral “Ki”:
0 a 1/50 de Segundo
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Figura N° 4. Sistema de excitación AC, con puente estacionario de diodos
estacionarios, la potencia se provee desde el generador principal por medio de transformadores o desde las barras auxiliares de la subestación. El voltaje y la corriente son transformados a niveles apropiados por medio de rectificadores controlados o no controlados. Para muchos de estos sistemas el voltaje del excitador es muy alto, por lo que poseen un limitador de corriente adicional para proteger los devanados del campo del generador. Los sistemas de excitación estáticos se caracterizan por tener constantes de tiempo muy pequeñas, respuestas casi instantáneas, son poco costosos y de fácil mantenimiento. La IEEE [6] ha clasificado 3 modelos de sistemas de excitación estáticos identificados como: ST1A, ST2A y ST3A. La figura N° 8 muestra uno de los sistemas de excitación tipo ST [5] en el cual la fuente de potencia de excitación es suplida por medio de un transformador desde los terminales del generador y es regulada por un rectificador controlado, la Figura N° 9 representa el modelo matemático de la IEEE [6] para este tipo de regulador.
Figura N° 5. Diagrama de bloques de un generador síncrono con sistema de excitación AC y puente estacionario de diodos.
La Figura N° 6 muestra un sistema de excitación tipo AC con rectificadores rotativos [5], en este caso el puente de diodos rectificadores se ubica directamente en el rotor de la excitatriz AC, por lo tanto gira con el campo del generador principal. Para controlar la excitación del generador primario basta con controlar el campo de la excitatriz AC, con lo cual se regula el voltaje rectificado que alimenta el campo del generador principal. La Figura N° 7 representa el modelo matemático que la IEEE [6] define para este tipo de regulador.
Figura N° 8. Sistema de excitación tipo ST
Figura N° 9. Diagrama de bloques de un generador síncrono con sistema de excitación tipo ST
- Sistemas de excitación con regulador digital : hasta ahora
Figura N° 6. Sistema de excitación AC, con rectificadores rotativos
Figura N° 7. Diagrama de bloques de un generador síncrono con sistema de excitación con rectificadores rotativos. - Sistemas de excitación estáticos o Tipo ST : En estos
sistemas de excitación todos los componentes son totalmente
hemos descrito los sistemas de excitación relacionados con reguladores automáticos de voltaje que utilizan tecnología de electrónica analógica. Estos sistemas requieren de mucho tiempo para sintonizarlos y brindarles mantenimiento, realizar cambios a las constantes de tiempo y ganancias obligan a adicionar capacitores o resistores en el circuito controlador. Con los avances tecnológicos en dispositivos electrónicos; tales como circuitos altamente integrados, ha hecho posible la aplicación de controladores digitales. Los lazos de control y protección y las lógicas funcionales de los reguladores automáticos de voltaje han sido implementados digitalmente, con lo que adicionalmente se han duplicado las funciones previamente provistas por circuitos análogos el
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cual actúan como respaldo en caso de falla de uno de ellos. Anteriormente potenciómetros, desatornilladores y voltímetros fueron las herramientas comunes para calibrar y brindar mantenimiento a los reguladores análogos, hoy día con la aplicación de controladores digitales la sintonización se realiza muy rápido y de una forma muy precisa con la ayuda de una computadora portátil y un sistema de adquisición de datos [7] Las ventajas de los reguladores automáticos de voltaje digitales sobre los análogos son numerosas, entre otras podemos mencionar: •
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Comportamiento ajustable: puede ser ajustado para optimizar la interacción con el generador donde esté instalado sin tener que realizar cambios de componentes.
Figura N° 10. Diagrama de bloques de un generador síncrono con sistema de excitación con regulador de voltaje digital.
- Regulador para sistemas de excitación con control adaptivo: El regulador automático de voltaje en los
Precisión en la medición: Todas las mediciones turbogeneradores además de controlar la tensión en bornes dependen de algoritmos digitales que pueden ser debe garantizar repartir adecuadamente la potencia reactiva ajustados por software. entre generadores conectados en paralelo. El diseño del regulador debe considerar un funcionamiento seguro en todo Mas funciones sin costo extra: Debido a la naturaleza el rango de capacidad de carga del generador así como de diseño digital se pueden adicionar más funciones responder adecuadamente ante perturbaciones del sistema, como características de protección, limitación de una respuesta inadecuada en los reguladores puede producir parámetros, mediciones etc., sin incurrir en costos considerables cambios en la dinámica del sistema. adicionales. Los reguladores automáticos convencionales están Comunicaciones: Los sistemas digitales pueden diseñados para responder rápidamente ante una perturbación comunicarse e interactuar fácilmente con otros en el sistema de potencia, además, debería estar en sistemas, por ejemplo sincronizadores, sistemas condiciones de contribuir en la mejora de la estabilidad de SCADA, pantallas para despliegue de información etc. pequeña señal del sistema [8]. Para lograr estas respuestas rápidas, los AVR tienen ganancias altas, pero ganancias altas Confiabilidad: Un sistema análogo con todas las en el AVR a menudo vienen en detrimento en la estabilidad funciones que integra un sistema digital seria un de pequeña señal. Dependiendo de la magnitud de las sistema muy complejo que requiere cantidad de perturbaciones; el AVR convencional puede introducir pruebas y componentes especiales con un costo amortiguamientos negativos, poniendo en riesgo la razonable para lograr una confiabilidad alta. estabilidad del sistema. Para superar estos problemas se han desarrollado filosofías de control que permiten adecuar los Reducción de espacio: Los sistemas digitales al parámetros de control como son ganancias y constantes de contener la mayoría de las funciones necesarias para tiempo en forma automática según el punto de operación de realizar el control de excitación en forma integrada, la unidad generadora [9]. Este tipo de regulador es el de reducen sustancialmente el espacio; hasta un 50 % control adaptivo. comparado con los reguladores de voltaje convencionales. En un regulador de voltaje con control adaptivo, la
La Figura N° 10 muestra un esquema de un sistema de excitación utilizando un regulador de voltaje digital
diferencia entre el comportamiento deseado obtenido y el comportamiento real del generador, se utiliza para re-calcular en línea y en forma continua los parámetros requeridos del regulador hasta lograr el comportamiento deseado, aun cuando las características dinámicas del sistema estén cambiando [10]. El regulador de voltaje con control adaptivo básicamente se compone de tres partes [11]: -
Identificador de parámetros Cálculo de ganancias de retroalimentación Controlador
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La Figura N° 11 muestra el diagrama de bloques de un regulador de voltaje con control adaptivo.
VREF
+
Generador
VT
+ Identificador de Parámetros
Cálculo Ganancias Retroalimentación Controlador
AVR
Figura N° 11. Diagrama de bloques de un AVR con control adaptivo
IV. References [1] IEEE Committee Report “Computer Representation of Excitation Systems”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. Pas-87, N° 6 June 1968. [2] Kundur, P. Power System Stability and Control , McGraw-Hill, pp. 317-318. 1994. [3] “IEEE “Guide for Indentification, Testing and Evaluation of Dinamic Performance of Excitation Control Systems”, USA, ANSI/IEEE Standard 421.2-1990. [4] IEEE Committee Report “Excitation System Models For Power System Stability Studies”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. Pas-100, N° 2, February 1981. [5] Kundur, P. “ Power System Stability and Control ”, McGraw-Hill, pp. 319. 1994. [6] “IEEE Recommended practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies”, IEEE Standard 421.5-1992 [7]
“Tuning a PID Controller for a Digital Excitation Control System”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004
[8] Mitra, P. “Anfis Based Automatic Voltage Regulator With Hybrid Learning Algorithm” IEEE Xplore 2007 [9] Finch, J.W. “ Turbogenerator Self-Tuning Automatic Voltage Regulator”, University of Newcastle , 1992. [10] Alfaro, V.M. “Evolución y tendencias en el desarrollo de los métodos de sintonización de controladores PID”, Universidad de Costa Rica , 2003. [11] IEEE “An Adaptive Generator Excitation Controller Based On Linear Optimal Control” , IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 5, No. 4 December 1990.
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