modulo 3 - estabilidad transitoria
DESCRIPTION
Modulo 3 - Estabilidad TransitoriaTRANSCRIPT
-
Septiembre de 2007
Todos los derechos reservados para XM S.A E.S.P.
Estabilidad Transitoria
-
Caracterizacin
Habilidad de un sistema de potencia de mantener el sincronismo cuando est sometido a disturbios transitorios severos.
Fallas (corto circuito) en lneas de transmisin, transformadores o barras
Desconexin sbita de generacin o de carga
Implica gran excursin de los ngulos del rotor, influenciado por la relacin no-lineal potencia-ngulo
La estabilidad depende del estado de operacin inicial y de la severidad de la contingencia
El estado de operacin post-falla usualmente difiere del estado pre-falla.
-
Tipos de respuestas del sistema
Tres casos tpicos posibles: El ngulo del rotor alcanza un mximo
e inicia su oscilacin amortiguada El ngulo continua creciendo hasta la prdida
de sincronismoInestabilidad de primera oscilacinCausado por insuficiente torque sincronizante
Estable en la primera oscilacin, pero se vuelve inestable pues resulta en oscilaciones crecientes.
Ocurre cuando el estado post-contingencia es inestable en pequea sealNo necesariamente es resultado del disturbio transitorio.En grandes sistemas de potencia, la inestabilidad transitoria puede no siempre ocurrir en la primera oscilacinSuperposicin de varios modos de oscilacin, que causan grandes excursiones del los ngulos luego de la primera oscilacin
-
Duracin de los estudios y mtodos
En estudios de estabilidad transitoria el perodo de inters de las simulaciones es usualmente limitado a 3- 5 segundos, despus del disturbio
Puede ser extendido a 10 segundos para sistemas de gran tamao con modos de oscilacin interrea dominantes.
Los mtodos ms disponibles para los anlisis son las simulaciones en el dominio del tiempo: Solucin de las ecuaciones diferenciales no-lineales Tcnicas de integracin numrica paso a paso
En el grupo ISA se ha desarrollado una aplicacin que emplea mtodos hbridos para estimar la estabilidad transitoria de un sistema de potencia: ESTYRA
-
Factores que afectan las estabilidad transitoria El comportamiento de un generador durante un disturbio transitorio depende de:
Cargabilidad del generador La salida (potencia elctrica) del generador durante la falla. Esta depende
del tipo y localizacin de la falla El tiempo de aclaramiento de la falla La reactancia del sistema de transmisin en el estado post-falla
La reactancia del generador. Una baja reactancia incrementa el pico de potencia y reduce el ngulo inicial del rotor.
La inercia del generador+turbina. A mayor inercia, ms lenta la rata de cambio del ngulo. Esto reduce la energa cintica ganada durante la falla.
La magnitud del voltaje interno del generador. Este depende del campo de excitacin.
-
Mtodos directos para anlisis de estabilidad transitoria
Determinan (diagnostican) la estabilidad del sistema de potencia sin resolver explcitamente el sistema de ecuaciones diferenciales.
Dos tipos de mtodos bsicos: Mtodos de Funcin de Energa Transitoria (TEF) Mtodo del Criterio de reas Iguales Extendido (EEAC)
Estos mtodos, adems de diagnosticar, miden el margen de estabilidad con el que est operando el sistema.
Computacionalmente muy rpidos, que los hace ideales para aplicaciones en lnea. Los mtodos directos son principalmente empleados para clasificar las
contingencias: ranking de las ms crticas. Las contingencias crticas se analizan en detalle
-
Septiembre de 2007
Todos los derechos reservados para XM S.A E.S.P.
Estimador de Seguridad TransitoriaY Redespacho Automtico
ESTYRA
-
Ambiente Competitivo.
Antecedentes
Mayor exigencia (stress) red de transmisin.
Operacin prxima a limites de estabilidad.
Topologas y Mantenimientos no considerados en el planeamiento operativo y de corto plazo.
Cambios sbitos de configuracin (atentados).
Dificultad mtodos tradicionales en el anlisis.
Seguridad comprometida sin que analista sepa.
Responsabilidad del Operador la supervisin y la seguridad del sistema
-
Supervisin en lnea de la Seguridad Dinmica
Qu se quera
Optimizar uso de las redes de transmisin
Anlisis de estabilidad en la sala de control: metodologa automtica y rpida
Toma de acciones correctivas en lnea : determinar redespacho requerido en forma automtica para mejor la seguridad dinmica del sistema.
Usar tambin en los estudios de planeamiento
-
Modelaje detallado del sistema
Simulacin Tradicional
Esfuerzo computacional elevado
Anlisis subjetivo (curvas)
Seleccin subjetiva de las contingencias
Acciones de control por ensayo y error
Imposible usar para los anlisis en lnea
La seguridad puede estar comprometida
-
Anlisis de Estabilidad
Bajo una falla trifsica a tierra en uno de los circuitos del sistema de transmisin, la cual es aclarada con tiempo de proteccin principal y asumiendo salida permanente del elemento en falla, el sistema debe conservar la estabilidad
En las mquinas, los ngulos del rotor deben oscilar de forma coherente y amortiguada.
-
Procedimiento Tradicional
Simular la salida de cada uno de los elementos (generalmente lneas de transmisin) y establecer el comportamiento dinmico del sistema con base en las curvas de oscilacin entregada por el programa.
En caso de no cumplir los criterios, se debe determinar en forma iterativa el valor al cual debe limitarse el intercambio y que generadores deben modificar el despacho
-
Plan de Desarrollo 1999: buscar en el mercado un paquete comercial para instalar en la sala de control del Centro Nacional de Despacho colombiano.
Qu se intent
Siemens ofreci programa (DSA) que operaba en plataforma SinautSpectrum americana.
Costos de adaptacin y derechos sobre el programa demasiado elevados. (> US$500.000).
Se decide explorar la viabilidad de implementar metodologa propuesta en tesis de maestra.
-
Durante el ao 2000, se desarroll y prob prototipo adaptando la propuesta de la tesis de maestra: Metodologa para el Estudio de la Seguridad Dinmica de Sistemas de Energa Elctrica Usando los Mtodos SLEP Iterativo y de las reas Iguales Extendido.
Qu se encontr
Se comprob la validez y efectividad de los resultados obtenidos en el prototipo (abril a septiembre de 2000).
No fue posible adquirir los derechos de uso del SLEP.
-
Plan de Desarrollo ao 2001, implementar (si fuera posible) la metodologa sin usar el SLEP.
Qu se decidi
Determinar s con el Criterio de reas Iguales Extendido es suficiente para implementar una metodologa propia.
En caso afirmativo, comprobar la validez y efectividad de los resultados obtenidos.
-
ESTYRA operando en la sala de control
EEEAC
DEEAC
ACUCSO
SCADA Estimador de Estado Archivo IEEE
Selector de Contingencias
Contingencias con tcr_EEEAC
-
Modelaje simplificado
Criterio de reas Iguales Extendido
Rapidez computacional
ndices de desempeo : * Tiempo crtico * Margen de seguridad
Es posible cuantificar en forma automtica acciones de control
Posibilidad de usar en los anlisis de seguridad en lnea
-
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0.0 0.2 0.5 0.7 0.9 1.2 1.4 1.6 1.9
Tiempo (s)
n
g
u
l
o
s
(
G
r
a
d
o
s
)
513
515518
203, 208
219221
216, 210
404
310313
112, 109
S
A
Dos Mquinas Equivalentes OMIB
Simplificacin del sistema de potencia
-
Dinmica sistema multi-mquinas
( )=
+=
=
=
n
ijj
ijjiijjiiiiiii
iiii
ii
YEEYEPe
PePmM
1
2 coscos
-
S : mquinas responsables por la perdida de sincronismo A : conjunto formado por las mquinas restantes
Modelo agregado de dos mquinas
=
=
=
=
Ajjjaa
aa
Siiiss
ss
PePmM
PePmM
)(
)(
-
Mquina Barra Infinita
eqPeeqPmeqM =
( )
( )
=
=
=
+=
=
+=
=
Si Ajijji
Si AjijjiTsa
Aj Akjkkjs
Si Skikkia
T
eq
assaMeq
BEED
GEEMMMCDCtan
DCPmax
GEEMGEEMM
Pc
PmaxPcPe
PmMPmMPmT
1
1
2/122
1
)()/(
1
)sen(
-
Aace=Adesc (ngulo crtico) tcr(tiempo crtico)=desace=(t) : Margen de Seguridad Absoluto
EEEAC - Margen de Seguridad
-
Ecuaciones Bsicas
Margen de Seguridad Absoluto = desace = (t)
[ ]
[ ])cos()cos())((
)cos()cos())((
dodt
otdeq
pppt
tueqp
d
p
Pmax
PcPm
Pmax
PmPc
++
=
-
En trminos de energa, la expresin del margen de seguridad para una contingencia es definida como:
Ecrit :Energa potencial crtica total del sistema
Ee :Energa total sistema en instante eliminacin defecto (tiempo de la proteccin).
Margen de Seguridad Relativo
crit
ecrite E
EE =
-
Se puede demostrar
Margen de Seguridad Relativo
cc
tte AA
AA31
12
+
=
-
Aceleracin inicial Mquinas ms aceleradas al inicio del transitorio.
Estrategias para seleccionar conjuntos crticos candidatos
Aceleracin inicial y distancia elctrica Combinar las mquinas ms aceleradas al inicio y
las ms prximas a la barra en corto circuito.
Clasificacin mquinas avanzadas en t=tu Segn grado relativo de separacin de cada mquina, obtenido en una trayectoria
prxima a la crtica (falla mantenida por un tiempo superior al tiempo crtico) y observado en el punto de equilibrio inestable del OMIB equivalente.
-
Mediante el EEEAC, aquel conjunto de mquinas candidatas que produzca el menor tiempo crtico, tcr_EEEAC, es escogido como conjunto crtico : S
Seleccin Conjunto Crtico y Clculo del Tiempo Crtico
S el tiempo crtico as calculado tcr_EEEAC
-
Criterio reas Iguales Extendido Dinmico - DEEAC
-
Conjunto mquinas crticas definido previamente
Las diferencias angulares entre las mquinas de cada "cluster" son consideradas
Parmetros OMIB recalculados paso a paso
Simulacin paso a paso del sistema con tiempo crtico estimado, tcr_EEEAC.
Corregir iterativamente el tiempo de crtico hasta satisfacer el criterio de rea iguales tcr_DEEAC
Criterio reas Iguales Extendido Dinmico - DEEAC
-
Identificacin
Acciones de Control
Considerar todas las contingencias tcr_DEEAC
-
msms Ps
eP
s
e
oer
SdPmdS
dPmd
OrdenOrden
'
21
2
2 ==
200 '2
1Taylor de serie Expansin
sPPsPPo
ee
o
e
r
e PmSPmSms
msms
ms++=+=
0
000
'
'22
ms
msmsms
P
ePPPs S
SSSPm
+=
Acciones de Control
-
Acciones de Control Utilizando Coeficientes de Sensibilidad del OMIB
Mdulo ACUCSO
Corregir solo la peor contingencia ?
Se tiene en cuenta el efecto del redespacho en todas las contingencias con tcr_DEEAC
-
Toda variacin de generacin en una mquina debe ser compensada por otra (redespacho de generacin)
Hiptesis ACUCSO simultneo
A todo redespacho esta asociado un costo y una variacin en la margen "global" del sistema, que pueden ser cuantificadas
Los mejores redespachos son los que combinan menor costo y mayor efectividad en la margen "global
Estableciendo un factor que pondere los aspectos de economa y efectividad, es posible clasificar y ordenar los ng (ng-1) redespachos tericamente posibles
-
Interfase grfica del ESTYRA
-
Interfase grfica del ESTYRA
SimulaciSimulacin en el tiempo abril 3 5:47n en el tiempo abril 3 5:47
-
ESTIMADOR DE SEGURIDAD ELCTRICA DE UN SISTEMA DE POTENCIA: ESTYRA
-
ESTIMADOR DE SEGURIDAD ELCTRICA DE UN SISTEMA DE POTENCIA: ESTYRA
-
Conclusiones
Metodologa implementada y utilizada desde el ao 2001
Resultados satisfactorios
Redespachos sugeridos coherentes
Elevada velocidad computacional Sistema colombiano: TODAS las contingencias del Sistema de
Transmisin Nacional (172) en menos de 10 segundos
Herramienta til para seguridad en lnea.
Se le adicion un mdulo para estimar sobrecargas
-
Septiembre de 2007
Todos los derechos reservados para XM S.A E.S.P.
Desempeo de las protecciones
-
Desempeo de las protecciones
Monitorear, detectar condiciones anormales y seleccionar los interruptores a abrir.
Tres requerimiento s bsicos: selectividad, velocidad y confiabilidad
Un desempeo satisfactorio de los sistemas de protecciones es de suma importancia para la estabilidad del sistema: Distinguir diferentes condiciones de falla, oscilaciones de potencia estables y
prdida de sincronismo Operar solo cuando sea necesario Operar lo suficientemente rpido Coordinar con otros rels.
-
Desempeo de las protecciones
Sistemas especiales de proteccin para separar dos sistemas inestables en una localizacin especfica
Uno de los aspectos ms importantes de los anlisis de estabilidad transitoria es la evaluacin de los sistemas de proteccin.
-
Septiembre de 2007
Todos los derechos reservados para XM S.A E.S.P.
Mejoras a la estabilidad transitoria
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaObjetivos
Reducir el efecto del disturbio minimizando la severidad y la duracin de la falla
Incrementar las fuerzas (torques) sincronizantes
Reducir el torque acelerante
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaAclaramiento de fallas a alta velocidad
La cantidad de energa cintica ganado por el generador durante la falla es directamente proporcional a la duracin de la falla. Cuanto ms rpido sea aclarada la falla, menor disturbio causar.
Interruptores de dos ciclos, junto con rels y comunicaciones de alta velocidad, son ahora utilizados en sitios en donde el despeje rpido de fallas es necesario.
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaReduccin de la reactancia de transmisin
Las reactancias inductivas en serie de las redes de transporte son determinantes en los lmites de estabilidad de un sistema de potencia.
Reduciendo la reactancia de las lneas de transmisin se mejora la estabilidad transitoria
El voltaje nominal, la configuracin de la lnea y de los conductores y el nmero de circuitos en paralelo determina en primera instancia la reactancia de la red.
La compensacin capacitiva en serie tambin es empleada para reducir la reactancia equivalente de una lnea
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaCompensacin paralelo regulada
Es posible mejorar la estabilidad transitoria de un sistema incrementando el flujo de potencia sincronizante entre los generadores interconectados, mediante el control del perfil de voltajes.
Condensadores sincrnicos o compensadores estticos de reactiva (FACTS) pueden ser usados para este propsito
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaOperacin monopolar de los interruptores
El uso de mecanismos separados para cada una de las tres fases en el circuito del interruptor, independiza la apertura y el cierre de cada una de las fases. Una falla monofsica podr no implicar la operacin de las otras dos fases. Ante una falla monofsica, se abre nicamente la fase fallada y se procede a
efectuar un recierre rpido (0l5 a 1.5 segundos). Para fallas en varias fases, el sistema debe abrir los tres polos.
Cuando se abre una fase, la potencia es transferida por las otras dos fases.
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaDesconexin de generadores
La desconexin selectiva de unidades de generacin para contingencias severas en el sistema de transmisin, ha sido utilizada por muchos aos para mejorar la estabilidad transitoria
El rechazo de generadores en un sitio apropiado del sistema, reduce la potencia transferida que exceda el valor crtico del lmite de transmisin
Unidades pueden ser disparadas rpidamente, siendo este un medio muy efectivo y poco costoso de mejorar la estabilidad transitoria.
En muchos casos este sistema suplementario del sistema de protecciones, puede ser instalado y operado en un sitio muy cercano al generador
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaSeparacin de sistemas y desconexin de carga.
Puede ser usado para prevenir que un disturbio en una parte de un sistema interconectado se propague al resto del sistema, causando mayores efectos e incluso colapso total.
Los disturbios severos son usualmente caracterizados por un cambio sbito en el flujo de potencia a travs de la lneas de interconexin
Los esquemas implementados, generalmente supervisan varia cantidades elctricas, tales como cambios en el flujo de potencia, cambios en los ngulos del voltaje, velocidad de cambio de la potencia, etc.
Una vez detectada la inestabilidad, se inicia una separacin controlada del sistema, abriendo las lneas predefinidas antes de que las salida en cascada ocurran.
En muchos casos, puede ser necesaria la desconexin de carga, para balancear la generacin y la carga de los sistemas separados.
-
Mejoras a la estabilidad transitoriaSistemas de excitacin de alta velocidad.
Una mejora significativa en la estabilidad transitoria puede ser obtenida mediante el rpido incremento temporal de la excitacin del generador.
Incrementado el voltaje de campo del generador durante un disturbio transitorio, tiene el efecto de incrementar el voltaje interno de la mquina, que a su vez incrementa la potencia sincronizante.
Durante un transitorio (usualmente un corto circuito) el voltaje en terminales del generador es bajo. El regulador automtico de voltaje (AVR) responde a esta situacin aumentando
el voltaje de campo del generador, lo cual tiene un efecto benfico a la estabilidad transitoria.
La efectividad de este tipo de control depender de la capacidad del sistema de excitacin de incrementar rpidamente el voltaje de campo al valor ms alto posible.
-
Septiembre de 2007
Todos los derechos reservados para XM S.A E.S.P.
Calle 12 Sur N18 168, PBX: 57(4) 317 2929, Medelln Colombiawww.xm.com.co