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PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA CÓDIGO: E46613

LABORATORIO Nº 01 “ESTABILIDAD TRANSITORIA”

Alumnos: Grupo : Semestre : Fecha de Entrega :

Chipana Parisuaña Brandon Cuaquira Ferro Juan Nota:

B

PROFESOR Ing. Christian Vera A.

VI 1 2

0 8

1 5

Hor a:

08:05 am

I.Objetivo:    II.

Estudiar el comportamiento de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) en régimen de estabilidad transitoria Analizar el efecto que tienen las perturbaciones en la estabilidad del sistema. Observar a partir de la simulación los eventos y acciones provocados por transientes del sistema.

Introducción teórica:

El estudio de la estabilidad de sistemas eléctricos corresponde a un área de estudios muy amplia que se relaciona directamente con disciplinas de control y máquinas eléctricas. La estabilidad corresponde a la capacidad de un sistema de desarrollar fuerzas restauradoras iguales o mayores a las fuerzas perturbadoras. Un sistema se mantiene estable en la medida que sus máquinas son capaces de mantenerse en sincronismo. En particular, Estabilidad Transitoria, se refiere a la habilidad de un sistema eléctrico de potencia de volver al sincronismo (mismo estado de partida o muy cercano) frente a perturbaciones pequeñas y lentas. En este análisis adquiere una gran importancia la curva de ángulo y potencia, como la que se muestra en la figura 1:

Fig. N°1 Por ejemplo, consideremos una falla trifásica a tierra. Previo a la falla, la curva de ángulo y potencia del sistema corresponde a la curva N°1 de la Fig. N°1, con cierta Pmax, y un ángulo delta de operación. En el momento de la falla en una de las líneas a tierra, la capacidad de transmisión de potencia disminuye, por lo que la curva para esta situación posee una potencia máxima menor curva N°3. En ese mismo instante, como la potencia eléctrica es menos que la potencia mecánica Pm, el generador comienza a acelerarse, representada por el área R1. Luego cuando la Potencia eléctrica pasa por encima de la mecánica, comienza el frenado, representada por el área R2. En el instante la línea en corto se pone fuera de operación, y se obtiene una curva de potencia restaurada representada por curva N°2 que no vuelve a ser la misma que se tenía pre-falla, debido a que el sistema ha cambiado, con una línea fuera de servicio. Por tanto, en este caso el área de frenado se considera entre la curva post-falla y la potencia mecánica, que se ha supuesto constante durante todo el proceso.

Por tanto, se debe buscar la combinación de operaciones que permitan obtener un área R2 (frenado) que sea mayor o igual que el área R1 (aceleración), para poder asegurar la estabilidad transitoria del sistema. d δ.

III.

Equipo y material a utilizar:  Software de simulación ETAP.  01 Pc personal.  01 Guía de laboratorio.

IV.

Procedimiento: A) Crear un sistema eléctrico de potencia 1. 2. 3. 4.

Abrir el programa ETAP. Generar un nuevo proyecto con el nombre Estabilidad Transitoria 01 En el modo de edición, generar el diagrama unifilar mostrado en la figura 3. Ingresar los datos mostrados en las tablas para cada uno de los elementos que ingreso en el diagrama unifilar: circuit breakers (interruptores), fusibles, transformadores, motores, generadores, cables, buses, power grid, de ser el caso ubique las características en las librerías correspondientes.

INTERRUPTORES: ELEM

MFR

MODEL

DES C

ELEM

MFR

MODEL

DES C

CBN CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6

ABB ABB GE GE ABB GE GE

38PM40 38PM40 13.8VBI25 13.8VBI25 15HKV500 13.8VBI25 13.8VBI25

HV HV HV HV HV HV HV

MFR S&C S&C

MODEL SMU-20 SMU-20

SIZE 200E 200E

CB7 CB8 CB9 CB10 CB14 CB15

WESTINHOUSE WESTINHOUSE GE ABB ABB ABB

150DVP500 150DVP500 13.8VBI25 38PM40 25HKSA100 25HKSA100

HV HV HV HV LV LV

FUSIBLES: FUSE F1 F2

TRANSFORMADORES: ELEM

KV PRI

KV SEC

MVA

MVAMAX

FLA

T1 T2 N1T1 N2T2

34.5 34.5 13.8 13.8

13.8 13.8 3.45 3.45

10 10 5 5

121212 121212 555 555

167.3 167.3 209.2 209.2

X/R, ZX/R TYPICAL TYPICAL TYPICAL TYPICAL

CONEX. DY DY DY DY

MOTORES: ELEM MC1 MI1

KV 13.2 13.2

HP 1250 1250

POLES 4 4

SYNC. SPEED 12180012 12180012

DESCRIPCIÓN M. SINCRONO M. INDUCCIÓN

CONEX Y Y

EFF 90% MODO DE OPERACIÓN V CONTROL

POLES 4 CONEX.

GENERADORES: ELEM MW G1 y G2 7.5 CONTINUOS 10058 HP

7.5 MW

KV 13.8

%PF 85 PEAK

10058 HP

7.5 MW

MVA 8.8242 %BUS KV NOM 100

Y

BUSES: ELEM

%V

MAIN BUS BUS 1 BUS 2 BUS 4

100 101.54 100 100

KV

ANGLE

34.5 14.01 13.8 3.45

0 -1.2 1.4 0

MIN % 85 80 90 85

LOAD DIVERSITY MAX % NOM. KV 125 34.5 140 13.8 125 13.8 115 3.45

POWER GRID: V 34.5

MVA 1200

X/R 45

KASC 20.82

B) Analisis de Estabilidad Transitoria. 1.

Cambie al modo Transient Stability haciendo click en el botón Transient Stability Analysis en la barra de herramientas Mode

2.

Abra el editor de estudio de caso haciendo click en el botón Edit Study Case en la barra de herramientas Study Case. Desde el editor Transient Stability Study Case usted puede agregar, modificar y borrar eventos que provocan efectos transitorios.

3. Abra la página Events haciendo click en la pestaña Events. Hay dos eventos que han serán ingresados: Event 1, se ha producido una falla en t=0.5 segundos, y Event 2, se ha despejado la falla en t=0.7 segundos.

4. Todo evento necesita al menos una acción. Usted puede modificar una acción de evento haciendo click en el botón Edit (Action). Puede elegir la cantidad de opciones que desee desde el Action Editor. Haga click en OK para guardar datos y salir de Action Editor, y haga click otra vez en OK para guardar y salir del Editor Study Case.

5. En el editor Transient Stability Study Case, usted puede seleccionar el método mediante el cual se modelan máquinas de inducción y sincrónicas en la pestaña Dyn Model. También puede seleccionar los dispositivos para graficar y mostrar en el OLD de la página Plot.

6.

Ahora corra un análisis de estabilidad transitoria en este sistema, haciendo click en el botón Run Transient Stability de la barra de herramientas Transient Stability.

Si selecciona Prompt, se le solicitará ingresar un nombre para sus informes de salida.

7. Los resultados del estudio se pueden ver en el OLD, según los elementos seleccionados. la herramienta Transient Stability Time Slider se puede utilizar para ver los resultados en cualquier momento durante el período de estudio seleccionado.

C) Discusión de los resultados. 1.

Describa y analice las variaciones de Voltaje, Flujo de Potencia, ángulo, frecuencia, etc. para la secuencia de eventos que se desarrollan durante la simulación. 2. Proponga un escenario para el cambio de la topología de red, repita la simulación y analice la estabilidad de la misma (por ejemplo: falla en Main Bus, desconexión de la misma, reconexión). 3. Proponga las conclusiones y recomendaciones que considere importantes en el desarrollo de la presente experiencia. DESARROLLO:

Network1.

EVENTOS

1. FALLA TRIFÁSICA EN MAINBUS A LOS 0.5 SEGUNDOS.

1.1.

Corrección de la falla en el MainBus a los 0.7 segundos.

1.2.

Gráfica Voltaje – Angulo vs Tiempo

INTERPRETACIÓN: Se puede observar que en la barra Main us se tiene una tensión de 34.5 kV o 100% en operación, a los 0.5 segundos, tiempo en que se da la falla trifásica en el Main

Bus, la tensión cae hasta 0% como se ve en la gráfica, a consecuencia de esto también el ángulo de voltaje varia y cae hasta un ángulo de -28° aproximadamente. A los 0.7 segundos, tiempo en que se corrige la falla se observa que el ángulo de voltaje sube e trata de estabilizarse hasta 0°, el tiempo de estabilización en el Main Bus dura 5 segundos y su valor de tensión regresan a 99.24%. 1.3.

Grafica de Frecuencia vs Tiempo

Interpretación: En el transcurso de la falla en el Main Bus se puede analizar también los efectos en la frecuencia dado que el voltaje está ligado con la frecuencia entonces su valor durante la falla en el Main Bus a los 0.5 segundos es de 0%, eso quiere decir que la frecuencia cae junto con el voltaje y después de 0.2 segundos el valor de la frecuencia se reestablece a 59.9 Hz, eso quiere decir que la estabilización de la frecuencia es más rápida y no demora 5 segundos como en el caso del voltaje. 2. FALLA EN EL FUSIBLE CB10 A LOS 0.5 SEGUNDOS.

2.1.

Corrección de la falla en el Fusible CB10 T= a los 1 segundos.

2.2.

Gráfica Voltaje – Angulo vs Tiempo

Interpretación: Al inicio existe un ligero desfasaje entre el Main bus, Bus 1 y Bus 2, el valor es de aproximadamente de 0.3°, al abrirse CB10 el angulo de voltaje cae de ambos buses, el Bus 2 de 0.2° a 0.7° mientras que el Bus 1 cae de 0.7° a 0.8°, esta pequeña variación se debe a que mientras se abre CB10 aun los generadores están conectados al Bus 1 mediante la barra de transferencia es por ello que el valor del voltaje y frecuencia no varía. La velocidad de los generadores varia mínimamente pero se corrige rápidamente. 2.3.

Gráfica Frecuencia vs Tiempo

Interpretación: Como lo mencionamos en la interpretación anterior el valor de tensión y frecuencia no se ve afectado debido a la barra de transferencia que viene a ser la del bus 1 es por ello que como observamos en la gráfica de frecuencia de los buses (todo), no

existe ninguna variación, es decir el valor de la frecuencia se mantiene en todo el sistema durante la falla en el fusible CB10. 3. FALLA EN EL FUSIBLE CB3

3.1.

Corrección de la falla en CB3 a los 0.7 segundos.

3.2.

Gráfica Voltaje – Angulo vs Tiempo

Interpretación: En esta falla del interruptor CB3, el ángulo de voltaje no varía debido a que este interruptor solo alimenta una carga, es por ello que todo el sistema se mantiene con los valores de tensión y frecuencia en condiciones iniciales. 3.3.

Gráfica Angulo de poder vs Tiempo (Generador 1)

Interpretación: Se puede observar la variación del ángulo de potencia del generador 1, se puede ver que el ángulo de potencia sufre cambios grandes, oscila entre 0.10° y -0.10° y al momento en que se corrige la falla trata de estabilizarse disminuyendo así progresivamente la oscilación hasta los 15 segundos aproximadamente, tiempo en el que ya empieza a tener su valor normal, esta grafia nos permite observar cómo es que la capacidad de transmisión de potencia del generador disminuye. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 

Para la correcta realización del sistema de potencia se tiene que colocar todos los parámetros importantes de los componentes, dado que si no se realiza esto, al evaluar saldrían errores.

     

V.

Se comprendió cómo se debe de realizar el análisis de estabilidad transitoria en un Sistema eléctrico de Potencia. Se crearon 3 eventos para poder observar y analizar cómo se comportaba el sistema para cada caso. Se tuvo acceso y se incluyó en la simulación los datos de los componentes del sistema, ya que se encontraban en la guía, por lo que no arrojo errores al momento de la evaluación. La estabilidad es una capacidad del sistema para mantener sincronismo cuando es sometido a perturbaciones o fallas. El entorno de ETAP nos permite realizar un análisis de estabilidad transitoria, en el que se puede ver las reacciones del sistema y los incidentes que pueden suceder en casos reales. Cuando un sistema está sometido a una falla o perturbaciones, este se puede ver afectado ocurriendo variación en los ángulos de potencia y oscilaciones del flujo de potencia, tensión y otras variables del sistema. CUESTIONARIO 1 ¿Cuál es la diferencia entre Estabilidad Estable e Inestable? Un sistema de potencia se dice que está funcionando en una estabilidad "estable" si: -Permanece funcionando en un estado operativo de régimen aceptable (las variables eléctricas del sistema (tensión, corriente, frecuencia etc.) se mantienen constantes al pasar el tiempo y dentro de un rango de valores aceptables). -Cuando es perturbado desde un estado operativo de régimen aceptable es capaz de retornar en un tiempo aceptable a un estado operativo de régimen aceptable. Un sistema de potencia se dice que está funcionando en una estabilidad "inestable" si:

2 ¿Cuáles son las gráficas proporcionadas por el ETAP que pueden destacar mejor el análisis de estabilidad transitoria y sus resultados? ¿Por qué? La grafica que nos destaca mejor la estabilidad transitoria es la “grafica de potencia” ya que el incremento de carga puede resultar en perturbaciones transitorias que son de importancia para el punto de estabilidad. Si:

-La carga total excede el límite de estabilidad de régimen permanente para unas condiciones de voltaje y reactancia. -La carga se incrementa produce una oscilación que causa que el sistema oscile más allá del punto crítico, por lo cual puede ser imposible recuperar la estabilidad.

3 ¿Por qué se estudia la ecuación diferencial de oscilación? Las expresiones matemáticas, ayudan a comprender el comportamiento de una oda perturbada. Estas ecuaciones nos darán información para entender un comportamiento de un evento o sucedo ya pasado o en proceso, a través de las magnitudes de corriente, voltaje, frecuencia etc. 4 Describa la diferencia entre Estabilidad de ángulo, estabilidad de tensión y cómo se relacionan con las pequeñas y grandes perturbaciones. Estabilidad de ángulo Las variables a monitorear son los ángulos (relativos a una máquina de referencia) de los rotores de las máquinas que oscilan luego de una perturbación (si el sistema es estable las máquinas interconectadas permanecen "en sincronismo") Este ángulo es función del balance entre: -La potencia mecánica aplicada al rotor (máquina primaria) y -La potencia eléctrica transferida a la red. A De pequeña señal ("inestabilidad a las pequeñas oscilaciones") Si las perturbaciones son pequeñas, es posible linealizar las ecuaciones que describen al sistema de potencia y a sus controles en torno al estado de régimen previo. Los métodos de análisis de la estabilidad a la pequeña señal son, por lo tanto, los de los sistemas lineales. Para describir cualitativamente este tipo de fenómenos, consideremos una máquina única inyectando potencia hacia una red. B Inestabilidad a las grandes perturbaciones

La inestabilidad transitoria se produce a causa de perturbaciones severas, para las cuáles dejan de ser válidos los métodos de aproximación lineal. Los métodos de análisis clásicos son las simulaciones numéricas en el tiempo, con intervalos típicos de estudio de entre 3 y 5 seg. Tipos de inestabilidad transitoria La inestabilidad transitoria “clásica” es la llamada “a la primera oscilación” ("first swing"): el ángulo de alguna de las máquinas se “escapa” en su primera oscilación a causa de una perturbación severa (en la jerga habitual se dice que la causa es la “falta de torque sincronizante”, si bien el torque sincronizante es un concepto típicamente lineal) Estabilidad de tensión Las variables a monitorear en este caso son los módulos de las tensiones de las barras de la red Ejemplo:

En el sistema radial de la figura vamos aumentando lentamente la potencia activa PR consumida por la carga, y manteniendo su factor de potencia constante. Para cada factor de potencia, la variación de la tensión con la carga (supuesto el sistema en régimen) va describiendo una curva característica en “V” (ver figura), de forma que para cada PR existen matemáticamente dos soluciones posibles de tensión.

A Inestabilidad a las pequeñas perturbaciones A medida que va aumentando la carga hay controles automáticos en el sistema que van reaccionando (automatismos de control de equipos de reactiva, conmutadores bajo carga de transformadores, etc.), la propia potencia de la carga va variando al ir bajando la tensión, etc.) La naturaleza lenta del fenómeno justifica que éste se analice habitualmente observando cómo van variando los estados de régimen del sistema. El sistema se

analiza, por lo tanto, por medio de una sucesión de flujos de carga (en rigor: por medio de las ecuaciones no lineales de régimen) No obstante, existen casos en que se considera imprescindible modelar la dinámica lenta de los distintos automatismos que van reaccionando a medida que se producen los aumentos de carga. B Inestabilidad a las grandes perturbaciones El tipo de perturbaciones es similar a los que caracterizan a la estabilidad transitoria de ángulo (cortocircuitos, salida brusca de servicio de generadores, etc.). Los métodos de análisis son similares (simulación en el tiempo), y se suele realizar un estudio conjunto de estabilidad de tensión y ángulo durante el análisis de estabilidad transitoria de ángulo: se simula la perturbación, y se observa a lo largo del tiempo la variación de los ángulos y las tensiones. En estos casos no necesariamente se produce un “colapso” de tensión en el sentido descrito más arriba, pero de cualquier forma se controla que la tensión no descienda por debajo de valores normalizados luego de la perturbación. Ejemplo Un criterio para considerar “estable” un caso desde el punto de vista de la tensión podría ser:” luego de despejado un cortocircuito en la red la tensión en todas las barras no puede descender por debajo de 0,8 p.u durante más de 700 ms” 5 ¿Cuáles son los porcentajes admisibles de restauración de un sistema eléctrico de potencia? En el caso de Perú en cuanto a la diferencia de frecuencias, los relés de sincronismo poseen ajustes que fluctúan entre +- 0.10 Hz a +- 0.15 Hz antes del cierre del interruptor, Para la restauración de un sistema eléctrico de potencia la variación de frecuencia tendría que estar por debajo de los niveles establecidos, una mayor diferencia de frecuencia genera un mayor esfuerzo torsional a las maquinas rotativas de los sistema, así como puede activar algún modo electromecánico inestable.