Uso de PowerWorld Simulator para Estudios de Estabilida Transitoria Traducido y adaptado de la versión original “Quick Start for Using PowerWorld Simulator with Transient Stability” Thomas J. Overbye Jamie Weber
Objetivo • En estas pocas diapositivas se pretende introducir al alumno en el uso de la herramienta PWS para estudios de estabilidad transitoria. • Reforzar los conceptos adquiridos durante el dictado de las clases teóricas. • Comparar algunos de los modelos utilizados durante el dictado de la cátedra y aquellos utilizados en estudios reales.
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Del Flujo de Cargas a Estudios de Estabilidad Transitoria • El flujo de cargas representa el punto de partida de cualquier estudio de estabilidad transitoria; así, sólo es necesario adicionar los modelos dinámicos al modelo de flujo de cargas. • En PWS existen cientos de modelos dinámicos (al igual que en el resto de los programas comerciales), pero en el caso particular de PWS, los modelos poseen parámetros “por defecto” que permiten al estudiante armar modelos para la experimentación con mucha facilidad. 3
Un Ejemplo Simple • Abrir el archivo Ejemplo_13_4_SinModelos (que corresponde al caso estudiado en la clase práctica mediante el criterio de las áreas iguales). • Agregar un modelo dinámico al generador asociado a la barra 4: – En el modo “run mode”, abrir el cuadro de diálogo de información del generador y elegir la pestaña “Stability”. – En la pestaña “Machine models” hacer click en “Insert” y seleccionar el modelo de la lista. En este caso elegir el modelo GENCLS, el que representa el modelo más simple (fuente de tensión detrás de la impedancia transitoria). 4
Modelo GENCLS
De los parámetros por defecto modificar Xdp para que su valor sea igual a 0,3 pu.
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Modulo de Estabilidad Transitoria • Para acceder al módulo seleccionar en la “menú de cinta” el menú “Add Ons” y presionar el botón “Transient Stability” • Aquí nos centraremos en el uso de las páginas – Simulation page: Utilizada para establecer los tiempos de simulación, paso de cálculo y eventos. – Options: Opciones asociadas a los estudios de estabilidad. – Result Storage: Utilizada para especificar las variables que van a guardarse durante la simulación. – Plots: Utilizada para graficar variables. – Results: Utilizada para ver los resultados (valores numéricos).
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Módulo de Estabilidad Transitoria
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Modelo de Barra Infinita • Una barra infinita mantiene su modulo de tensión y fase constantes, por lo tanto su frecuencia también es fija. – PWS puede tratar las barras slack (barra de compensación) como barras infinitas. – Para esto se debe ir a la página de opciones, seleccionar la pestaña “Power System Model” y tildar “Infinite Bus Modeling” en el recuadro “Model the power flow slack bus(es) as infinite buses”.
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Página de Opciones Pestaña de Modelos el Sistema Modelo de Barra Infinita
Aquí se puede especificar la frecuencia del sistema (cambiar a 50 Hz) 9
Creación de un Evento (Contingencia) • Los eventos se especifican en la página “Simulation” y haga click en el botón “Insert Elements”. Así, aparecerá el cuadro de dialogo de eventos. • En este caso se simulará una falla trifásica en la barra 1 al segundo de simulación (starting at time = 1.00 seconds), y se simulará la eliminación de la misma 50 ms después (clearing at time = 1.05 seconds).
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Creación de un Evento (Contingencia) Presionar para insertar un nuevo evento
Resumen de los eventos
Los tipos de evento dependen del objeto seleccionado
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Selección de los Resultados a Guardar • En algunos modelos los estudios transitorios pueden generar una cantidad de información muy grande. Por ello, PWS permite seleccionar de manera sencilla la información que el usuario desea guardar (página “Result Storage”). • Por ejemplo, se puede guardar el ángulo de par, velocidad, MW y MVAr del generador asociado a la barra 4. • Para ello en la página “Result Storage”, seleccionar la pestaña “Generator” y hacer doble click en el campo específico. 12
“Result Storage” Almacenamiento de resultados Pestaña “Genetator”
Cambiar a “YES” para almacenar la variable
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Primer Simulación • Antes de correr la simulación se debe establecer el tiempo de simulación y el paso de cálculo. • Ir a la página “Simulation”, establecer el tiempo de simulación en 5 segundos y el paso de cálculo en 0.5 ciclos. – PWS permite establecer el paso de cálculo en ciclos o segundos. Se recomienda un paso de cálculo de 0.5 ciclos.
• Salvar el modelo como Ejemplo_13_4_ModeloClasico • Presionar el botón “Run Transient Stability” para comenzar la simulación. 14
Primer Simulación
Correr Simulación
Una vez corrida la simulación se puede abrir la página “Results” 15
Resultados • La página “Results” provee valores máximos/mínimos, y los valores para cada paso de cálculo, de las variables seleccionadas. • Todos los valores, como ocurre con otros módulos de PWS, pueden ser transferidos con mucha facilidad a excel (Copy&Paste).
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Resultados
Valores Máximos y Mínimos
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Resultados
Existen muchas opciones para filtrar y mostara resultados.
Por defecto los resultados se muestran para cada paso de cálculo. Pero pueden ser guardados cada n pasos de cálculo.
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Ploteo de los Resultados • Los resultados en el tiempo pueden graficarse con mucha facilidad. – Presionar el botón derecho del ratón sobre la columna deseada. – Seleccionar “Plot Columns”. – Usar la ventana de diálogo “Column Plot” para personalizar el gráfico. – Presionar el botón derecho del ratón sobre la gráfica para guardarla.
• Para tener mayor versatilidad de ploteo se debe utilizar la página “Plots” (lo que se verá más adelante). 19
Ploteo de los Resultados
Cambiar el color y presionar el botón “Plot”
Establecer el primer evento al segundo de la simulación permite verificar que el punto de partida es estable. 20
Modificando un Caso • Para simular el mismo caso que se analizó mediante el criterio de las áreas iguales se deben modificar los eventos. • Cambiar la falla de la barra 1 a la barra 3, liberar la falla, y abrir las líneas 1-3 y 2-3, 340 ms después de transcurrida la falla.
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Apertura de una Línea
Seleccionar la línea y cambiar el tipo de evento a “Open”
Eventos
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Ploteo del ángulo de par
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Modelos de Generador más realistas • Aún cuando el modelo clásico es utilizado, con fines académicos, por su simplicidad, no es recomendable su uso para análisis de estabilidad en sistemas reales. • PWS incluye un gran número de modelos de generadores que pueden usarse con gran facilidad. • Para reemplazar el modelo clásico por uno detallado a nivel sub-transitorio, se debe abrir el cuadro de diálogo del generador, eliminar el modelo existente e insertar, por caso, el modelo GENROU. • Guardar el caso como Ejemplo_13_4_GEROU 25
GENROU
El modelo GENROU provee una muy buena aproximación del comportamiento de un generador sincrónico de rotor liso con devanados de amortiguamiento.
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Nuevos Resultados
El amortiguamiento se debe, principalmente, a la existencia de devanados amortiguadores.
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Ploteo de la tensión en la barra 4 • Cambiar el tiempo de simulación a 10 segundos, seleccionar la tensión de la barra 4 como variable a almacenar, y correr la simulación. Notar que la tensión no retorna a su valor original de pre-falla. Esto se debe a que no se encuentra implementado ningún mecanismo de control de excitación. 28
Control de Excitación • El propósito del control de excitación, principalmente, es mantener constante la tensión en bornes del generador. • PWS contiene un gran número de excitadores. En este caso se utilizará IEEET1 (Type 1). Para insertar el modelo en el cuadro de dialogo del generador, seleccionar la pestaña “Stability”, y la página “Exciters”. Insertar, usando los valores de defecto, el modelo. • La IEEE ha estandarizado 12 modelos para representar la gran variedad de sistemas de excitación que existen.
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IEEET1 • Puede verse el diagrama de bloques presionando el botón “Show Diagram”.
La variable de entrada del excitador, Ec, es la tensión terminal; y la variable de salida, EFD, la tensión de campo. 30
Respuesta de la tensión con el excitador • Correr nuevamente el caso. Notar que la tensión retorna a su valor de pre-falla.
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Ploteo de Variables • Como la manera más común de observar los resultados de una simulación dinámica es a través de gráficas, se pueden definir aquellas variables que por defecto se graficarán al terminar la simulación para verificar la estabilidad. – Las definiciones de ploteo se guardan y los resultados se muestran automáticamente una vez corrida la simulación.
• Para definir las variables a plotear ir a la página “Plots”. – Seleccionar el tipo de equipamiento y campo a plotear. Luego presionar el botón “Add”. La pestaña “Plot Series” permite controlar la apariencia del gráfico. 32
Plots “Plots Page”
Página de Diseño
Pestaña “Plot Series”
Personalización del Gráfico
Tipo Equipamiento Campo
Varios campos pueden ser seleccionados de manera simultánea 33
Ejes Múltiples • Para poder comparar el desempeño de varias variables en el tiempo de manera simultanea PWS ofrece la posibilidad de utilizar múltiples ejes y en una misma gráfica. 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10
1.1
1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6
0
1
2
3
b c d e f g
4
V (pu)_Bus '4'
5
6
b c d e f g
7
8
9
10
Rotor Angle_Gen '4' '1'
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Selección del Angulo de Referencia • Las barras infinitas no existen, y no deben utilizarse salvo en casos académicos. – Una BI mantiene fija su frecuencia, siendo un marco de referencia conveniente para los ángulos de otras máquinas.
• Sin BI la frecuencia del sistema se desvía de su valor nominal en todas las barras del sistema, por lo que se debe elegir un marco de referencia apropiado para los ángulos. – Ir a “Options”, página “Power System Model”. Cambiar el modelo de la barra slack a “No Infinite Buses”. Luego, en “Options, Result Options”, seleccionar como ángulo de referencia “Average of Generator Angles.” 35
Modelos para el Generador 2 • Seleccionar un modelo GENROU y IEEET1 para el generador 2. – A los valores por defecto cambiarles la inercia a 30 (para modelar una gran máquina). – Modificar el tiempo de despeje de falla a 100 ms, pues sin BI el sistema es inestable para 340 ms. 50 45 40 35
1.1
1.05
1
0.95
30 25 20 15
0.9
0.85
0.8
10
5
0.75
0
0.7
-5
0.65
-10 -15 -20 -25 -30 -35
0.6 0.55 0.5 0.45
-40
0.4
-45
0.35
-50
0.3
-55 1
b c d e f g
2 V (pu)_Bus '1'
3
4
b c d e f g
5
6
Rotor Angle_Gen '4' '1' g b c d e f
7
8
9
10
Rotor Angle_Gen '2' '1'
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Gobernadores de Velocidad • Para evaluar el efecto de los reguladores de velocidad, modificar el caso agregando una demanda de 150+j75 MVA en la barra 2. Transient Stability Tim e Step Results Variables
Values
– Simular una reducción de la demanda en un 50%. – Correr la simulación. – Agregar sendos gobernadores de velocidad (utilizar el modelo IEEEG1). – Correr la simulación y comparar resultados.
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5 5.5 Time
Gen Bus 2 #1 MW Terminal
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
Gen Bus 4 #1 MW Terminal
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