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Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
César Aguilar Mariam Cabrera
Miriam LuceroJonathan Riera
P R O Y E C T O s e g u n d o P A R C I A L
ContenidoINTRODUCCIÓN...........................................................................................................................................3
OBJETIVOS...................................................................................................................................................4
MARCO TEÓRICO.........................................................................................................................................5
REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE.................................................................................................5
SISTEMAS DE EXCITACION.......................................................................................................................6
SISTEMA DE EXCITACIÓN CONMUTADOR ROTANTE DC......................................................................6
EL SISTEMA DE EXCITACIÓN ALTERNADOR AC.....................................................................................7
SISTEMA DE EXCITACIÓN ESTÁTICO.....................................................................................................7
REQUISITOS PARA AJUSTE ADECUADO DE LOS AVR................................................................................8
ESTABILIZADORES DEL SISTEMA DE POTENCIA (PSS)...............................................................................9
MEJORA DE LA ESTABILIDAD DINÁMICA..............................................................................................9
MODELACIÓN TÍPICA MATEMÁTICA......................................................................................................11
MODELO DEL REGULADOR O AMPLIFICADOR...................................................................................12
MODELO DE LA EXCITATRIZ...............................................................................................................12
MODELO DEL GENERADOR................................................................................................................13
MODELO DEL RETRO ALIMENTADOR-SENSOR...................................................................................13
MODELO DEL ESTABILIZADOR...........................................................................................................13
RESUMEN DE LAS PARTES DEL DIAGRAMA DE CONTROL......................................................................14
OTROS MODELOS DE LA IEEE.................................................................................................................15
SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DE CORRIENTE DIRECTA – MODELO DC1A..........................15
SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA- MODELO AC1A.........................16
SISTEMAS DE CONTROL DE EXCITACIÓN ESTÁTICOS -MODELO ST1A................................................18
SISTEMA DE EXCITACIÓN CON CONTROLADORES PID...........................................................................19
CONCLUSIONES.........................................................................................................................................20
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................20
INTRODUCCIÓN
Cuando varios subsistemas de potencia se comenzaron a interconectar mediante extensas
líneas de transmisión formando amplias redes, surgió la necesidad de transferir gran cantidad
de potencia por largas distancias, y junto con ello hubo también que adicionar controles
suplementarios en el sistema de excitación de los generadores sincrónicos. De esta manera, la
incorporación de Reguladores Automáticos de Voltaje (AVR’s), junto con Estabilizadores de
Sistemas de Potencia (PSS: Power System Stabilizers) o con un PID (Control Proporcional
Integral Derivativo) adquiere un rol fundamental.
El AVR (Automatic Voltage Regulador) o regulador automático de voltaje, de forma muy
general, tiene por objeto realizar un control de la tensión en los terminales del generador,
actuando sobre la barra o la corriente, para así mantener el voltaje de la red en niveles que
garanticen su operación estable.
Las distintas perturbaciones a las que puede ser sometido un sistema van desde un cambio
súbito de carga, reconexión de líneas de transmisión hasta perturbaciones atmosféricas o
ataques con material explosivo. Y, el sistema de excitación debe ser capaz de responder antes
dichos problemas en la mejor medida posible.
Los reguladores automáticos de tensión aportan a la estabilidad transitoria del sistema,
mediante el control efectivo de voltaje o potencia reactiva, pero así mismo, de estar mal
regulados pueden causar problemas de estabilidad de pequeña señal.
Los PSS controlan variables mecánicas como la potencia, potencia acelerante, velocidad angular
y frecuencia, permitiendo amortiguar las oscilaciones y minimizar el tiempo de estabilización.
Mientras que al trabajar el AVR junto con un control PID, se logra, así mismo, amortiguar los
transitorios y además llegar al voltaje de operación inicial.
OBJETIVOS
Comprender las características de la estabilidad dinámica de un sistema de potencia.
Modelar los elementos de generación para el estudio de la estabilidad dinámica utilizando modelos matemáticos y variables de estado.
Realizar el análisis dinamico y trayectoria de las raíces del sistema de control de EXCITACIÓN
MARCO TEÓRICO
REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE
Como su nombre lo indica la Regulación Automática de Voltaje (AVR), está destinada a controlar la tensión en los terminales del generador de forma automática, es decir que ante cambios transitorios tenga una respuesta estable, y mantenga el voltaje dentro de lo deseado.
Esto se logra mediante la manipulación del voltaje de campo. A manera de ejemplo, se muestra el siguiente diagrama.
Figura.- 1. a) Esquema de Control AVR. b) Diagrama de bloques del Sistema de Control de Excitación
Este control tiene una retroalimentación automática que tiene como función primordial mantener un voltaje terminal predeterminado, mediante la modificación de la corriente de campo del generador sincrónico basado en cambios en los terminales de voltaje.
Sin el control de excitación, el voltaje terminal fluctuaría como resultado de los cambios en Pg o en condiciones externas de la red.
Se considera una retroalimentación negativa ya que cuando el voltaje terminal se incrementa, la corriente de campo es disminuida, y cuando el voltaje disminuye, la corriente se incrementa.
SISTEMAS DE EXCITACION
Existen tres componentes fundamentales de todo sistema de excitación. La excitatriz principal, o simplemente la excitatriz, el dispositivo que provee la corriente de campo para el generador sincrónico. El AVR acopla el voltaje terminal a la excitatriz. El amplificador incrementa la potencia de la señal regulada a la requerida por la excitatriz. Si el amplificador es electromecánico, es llamada excitatriz piloto o amplificador rotativo. Si el amplificador es de estado sólido, es considerado parte del AVR.
Existen tres tipos básicos de sistemas de excitación. Estos son:
Conmutador rotante DC Alternador rotante AC Estático
SISTEMA DE EXCITACIÓN CONMUTADOR ROTANTE DC
Figura.- 2 Sistemas de Excitación Conmutador Rotante DC
El sistema de excitación alternador rotante DC utiliza un generador DC montado en el eje del generador síncrono para suministrar la corriente de campo. Este tipo de sistema ya no es utilizado en las nuevas instalaciones, ya que es lento en la respuesta, y debido a que requiere un alto mantenimiento de los anillos colectores y escobillas para acoplar la salida de la excitatriz a las bobinas de campo.
EL SISTEMA DE EXCITACIÓN ALTERNADOR AC
El sistema de excitación alternador AC utiliza una corriente alterna con rectificación de AC a DC para alimentar el devanado de campo del generador sincrónico.
Una ventaja importante sobre los sistemas de conmutador DC es que los sistemas de alternador AC pueden ser sin escobillas, es decir, no utilizan los anillos colectores para acoplar la excitatriz al devanado de campo del rotor.
Figura.- 3 Sistema de Excitación Alternador AC
La rectificación a DC, requerida por el campo generador síncrono, se lleva a cabo mediante la alimentación de la salida del alternador trifásico a un puente de tiristores controlados. El tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR) es similar a un diodo, excepto que sigue siendo "off" hasta que una señal de control se aplica a la puerta (gate). El dispositivo conducirá entonces hasta que la corriente caiga por debajo de un valor determinado o hasta que la tensión se invierta.
SISTEMA DE EXCITACIÓN ESTÁTICO
El tercer tipo de sistema de excitación se llama sistema estático, ya que se compone enteramente de circuitos de estado sólido, es decir, no contiene ningún dispositivo de rotación.
La fuente de energía para este tipo de sistema es un transformador de potencia y/o de corriente suministrada por los terminales del generador síncrono. Potencia trifásica es alimentada a un rectificador, y la salida DC rectificada se aplica al campo generador síncrono a través de los anillos colectores y escobillas. Los sistemas estáticos de excitación son generalmente menos costosas que otros tipos de alternador AC, y el mantenimiento adicional
requerido por los anillos colectores y escobillas se ve compensado por el hecho de que los sistemas de excitación estáticos no tienen rotación del dispositivo.
Figura.- 4 Sistema de Excitación Estático
REQUISITOS PARA AJUSTE ADECUADO DE LOS AVR
Figura.- 5 Resumen Grafico de surgimiento del AVR, problema que trajo y surgimiento de los PSS
El ajuste de los reguladores automáticos de tensión para tener un buen comportamiento debe cumplir con tres requisitos fundamentales:
Proporcionar una buena regulación de tensión en operación permanente.Tener un buen comportamiento transitorio durante grandes disturbios. Esto significa, debe poseer una velocidad de respuesta adecuada para disminuir las caídas de tensión durante fallas ocurridas en líneas conectadas directamente a las centrales de generación.Presentar un buen comportamiento durante pequeñas perturbaciones.
Para cumplir el primer requisito es necesario que el regulador posea una elevada ganancia, con la finalidad de reducir el error de régimen permanente.
En el caso del segundo requisito es conveniente que el regulador de tensión posee una elevada ganancia transitoria, siendo esta característica esencial para la primera oscilación post-disturbio. Por otro lado una elevada ganancia transitoria del regulador de tensión compromete la estabilidad permanente degradando el amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas.
Los reguladores automáticos de tensión de acción rápida y de elevados límites pueden perjudicar el buen comportamiento del sistema eléctrico con ciertas configuraciones topológicas y situaciones operativas, dando origen a las oscilaciones electromecánicas.1
Para mejorar el amortiguamiento de las oscilaciones de baja frecuencia se introducen en el sistema de potencia los PSS.
ESTABILIZADORES DEL SISTEMA DE POTENCIA (PSS)
MEJORA DE LA ESTABILIDAD DINÁMICA.
Figura.- 6 Mejora de estabilidad dinámica
1 De ser requerida una explicación mayor para las condiciones en que un AVR puede contribuir negativamente en el amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas se recomienda DEMELLO F. P., CONCORDIA\ C., «Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control», IEEE
Aunque los AVR mejoran la estabilidad transitoria del sistema eléctrico a través de un aumento del momento sincronizante, los efectos de estos dispositivos sobre el momento de amortiguamiento, no son tan significativos. Bajo ciertas condiciones de operación, el AVR agrava la situación aumentando aún más el amortiguamiento negativo en el sistema.
El PSS es un elemento cuya función es el amortiguamiento de las oscilaciones en el sistema de potencia. Este dispositivo genera una señal adicional que contrarresta el efecto negativo del AVR.
El objetivo del estabilizador entregar un amortiguamiento adicional de las oscilaciones de los rotores de las máquinas sincrónicas relativas a las otras máquinas, a través del sistema de excitación del generador.
Este amortiguamiento se proporciona por medio de un momento eléctrico aplicado al rotor, que está en fase con las variaciones de velocidad del rotor (Δω), para lograr que la acción del sistema de control de la tensión, contribuya efectivamente las reducción de las oscilaciones de baja frecuencia.
Mediante la figura se muestra la relación entre el generador, el sistema de control de la tensión de excitación y el dispositivo PSS, donde podemos notar las señales de entrada del PSS, estas pueden ser:
Desviación de la velocidad del eje de la turbina (Δω). Desviación de frecuencia (Δf) Desviación de la potencia eléctrica (ΔPe). Desviación de la potencia acelerante (ΔPa).
Figura.- 7 Esquema de vinculación entre el generador, el AVR y el dispositivo PSS.
Como se dijo anteriormente, se puede mejorar el amortiguamiento del sistema al proveer una componente de momento eléctrico en fase con las desviaciones de velocidad.
Para esto el estabilizador debe producir un adelanto de fase que elimine los atrasos producidos por el AVR y el generador, a las frecuencias de interés.
Esto se puede lograr mediante redes de compensación, al diseñar el PSS de tal forma que actué solamente cuando ocurre una oscilación, debido a que si actúa en estado estable podría modificar la tensión de referencia de la máquina.
MODELACIÓN TÍPICA MATEMÁTICA
La efectividad de un sistema de excitación en el mejoramiento de la estabilidad de los sistemas de potencia está determinada por sus características en cada una de sus etapas. Aquí se identifican las variables que determinan estas características y sirven como base de la evaluación y especificación del funcionamiento de los sistemas de excitación.
Un incremento en la potencia reactiva de la carga de un generador produce una caída en la magnitud del voltaje terminal:
1. La magnitud del voltaje es sensada a través de un trasformador de potencial en una de las fases.
2. Este voltaje es rectificado y comparado a una señal de referencia DC.3. La señal de error amplificada controla el campo de la excitación e incrementa el
voltaje terminal de la excitatriz.4. La corriente de campo del generador es incrementada lo que resulta en un
incremento en la fem generada.5. La generación de la potencia reactiva es incrementada a un nuevo pinto de
equilibrio, subiendo el voltaje terminal al valor deseado.
Los modelos matemáticos para los sistemas de control son primordiales en los análisis y requerimientos de operación, para el diseño y coordinación de circuitos suplementarios de control y protección, y esencialmente para estudios de estabilidad.
Figura.- 8 Diagrama de bloques del sistema de control de excitación
MODELO DEL REGULADOR O AMPLIFICADOR
El regulador del sistema de excitación puede ser un amplificador magnético, amplificador rotante, o un rectificador electrónico moderno o el amplificador es representado por una ganancia KA y una constante de tiempo TA y la función de transferencia es:
VR(S )Ve (s)
= KA1+ST A
Valores típicos de KA están en el rango de 10 a 400. La constante de tiempo del amplificador es muy pequeña, en el rango de 0.02 a 0.1 segundo, y a menudo es despreciada.
MODELO DE LA EXCITATRIZ
Hay una variedad de diferentes tipos de excitaciones como los vistos anteriormente. Sin embargo, los sistemas mordernos de excitación usan rectificadores controlados de estado sólido.
El voltaje de salida de la excitatriz es una función no lineal del voltaje de campo debido al efecto de la saturación en el circuito magnético. Esto es, la relación entre el voltaje terminal y el voltaje de campo de la excitatriz.
Se han desarrollado varios modelos con diferentes grados de sofisticación que están disponibles en publicaciones de la IEEE.
Un modelo básico de la función de transferencia de un excitador moderno puede ser representada por una sencilla constate de tiempo TE y una ganancia KE.
VF(S)VR(s)
= KE1+T ES
La constante de tiempo de las excitatrices modernas es muy pequeña.
MODELO DEL GENERADOR
La fem generada por la maquina sincrónica es una función de la curva de magnetización de la máquina, y su voltaje terminal es dependiente de la carga del generador. En el modelo lineal, la función de transferencia que relaciona el voltaje terminal del generador a su voltaje de campo puede ser representado por una ganancia KG y una constante de tiempo TG, siendo su función de transferencia:
Vt (S)VF(s)
= KG1+T GS
Estas constantes son dependientes de la carga, KG puede variar entre 0.7 y 1.0, y TG entre 1.0 y 2.0 segundos desde plena carga a no carga.
MODELO DEL RETRO ALIMENTADOR-SENSOR
El voltaje es sensado a través de un transformador de potencial, y es rectificado a través de un puente rectificador.
El sensor es modelado por una función de transferencia de primer orden dado por:
VS(S)Vt (s)
= KR1+ST R
TR es muy pequeña, y podríamos asumir un rango de 0.01 a 0.06 segundos.
MODELO DEL ESTABILIZADOR
En este sistema de control, altos valores de ganancia significan una aproximación a la inestabilidad Una alta ganancia pudiera ser útil para compensar el retraso del rotor (entre 2 y 10 segundos), por lo que, para reducir el riesgo de inestabilidad, se utiliza un transformador estabilizador a la salida de la excitatriz (realimentación derivativa) que agrega un “cero” a la función de transferencia, haciéndolo más estable, aunque el error en estado estacionario aumenta.
Gte= S Kte1+ST te
RESUMEN DE LAS PARTES DEL DIAGRAMA DE CONTROL
Sensor de voltaje conectado a la salida del generador. La señal entra en un comparador, en donde se genera el error e(s) entre el valor de referencia y el real en bornes. Este sensor pudiese incluirse con un retraso Tr que está entre 0.01 y 0,06 segundos. La señal va a unamplificador.
Acondiciona la señal para introducirla en la excitatriz (sistema que controla la corriente de excitación del rotor). El valor de Ta típicamente está entre 0,02 y 0,1 segundos. KA están en el rango de 10 a 400.
Genera la corriente continua que alimenta el devanado del rotor,excitador y productor del campo rotatorio. Puede ser un generador CC, un rectificador de tiristores o diodos rectificadores de un generador alterno. La salida va hacia el arrollado del rotor. El valor de Te típicamente pequeña
Arrollado con el que se produce el campo rotatorio. El valor típico de Tg oscila entre 1 y 2 segundos. Este gran retraso se debe a la enorme inductancia de los arrollados. KG puede variar entre 0.7 y 1.0
En este sistema de control, altos valores de ganancia significan una aproximación a la inestabilidad Para reducir el riesgo de inestabilidad, se utiliza un transformador estabilizador a la salida de la excitatriz (realimentación derivativa) que agrega un “cero” a la función de transferencia
Fig. 9 Sistema de Excitación
OTROS MODELOS DE LA IEEE
SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DE CORRIENTE DIRECTA – MODELO DC1A
Representa el control de campo del conmutador del excitador. El excitador puede ser
independiente o autoexcitado. Cuando es autoexcitado KE es elegido tal que VR=0.
Si se toma en cuenta el porcentaje decreciente de este tipo de unidades en servicio y la
importancia de las unidades equipadas con estos, el concepto desarrollado anteriormente de
tomar en cuenta los efectos de la carga sobre el excitador utilizando la curva de saturación se
consideran adecuados
Figura.- 10 Modelo DC1A
Este modelo es utilizado para representar excitadores de corriente directa conmutables
controlados por el devanado de campo con reguladores de voltaje de acción continua;
especialmente, los amplificadores tipo reostáticos, rotativos y magnéticos (amplidinas).
SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA- MODELO AC1A
Este controla el alternador del campo del SCE con rectificación no controlado. La fuente del
excitador del campo es por un excitador “Pilot”, y la fuente del regulador de voltaje no está
afectada por transientes externos.
Estos sistemas de excitación usan un alternador de corriente alterna o rectificadores
estacionarios rotativos para producir la corriente directa requerida por el devanado de campo
del generador. Los efectos de la carga sobre estos excitadores son significativos, y el uso de la
corriente de campo como entrada a los modelos permite que estos efectos sean representados
con precisión. Estos sistemas no permiten el suministro de una corriente negativa de campo (a
excepción del modelo IEEE AC4A)
Figura.- 11 Modelo AC1A
Este modelo representa a los sistemas de control de excitación de campo controlado por
rectificadores no controlador – y alternadores. El excitador no emplea autoexcitación, y la
potencia del regulador de voltaje proviene de una fuente que no está afectada por transitorios
externos. Este modelo es aplicable para la simulación de sistemas sin escobillas Westinghouse y
para estudios de estabilidad de gran escala.
Las características de puente de diodos en la salida del excitador imponen un límite inferior a
cero en el voltaje de salida del excitador.
SISTEMAS DE CONTROL DE EXCITACIÓN ESTÁTICOS -MODELO ST1A
Este modelo representa una fuente de potencial con rectificación controlada. La excitación es
abastecida desde un transformador desde los terminales del generador, entonces el voltaje
pico es directamente proporcional al voltaje en los terminales del generador. Este efecto se
representa por KC.
Representa a los sistemas de control de excitación de fuente de potencial y rectificadores
controlados. El voltaje máximo del excitador de estos sistemas está directamente relacionado
con el voltaje nominal del generador.
Figura.- 12 -Modelo ST1A
SISTEMA DE EXCITACIÓN CON CONTROLADORES PID
El controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo) es uno de los más comúnmente utilizados para mejorar la respuesta dinámica, así como para reducir o eliminar el error de estado estable, es decir la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida del sistema.
El control derivativo agrega un cero finito a la función de transferencia de lazo abierto y mejora la respuesta transiente.
El controlador integral agrega un polo en el origen y aumenta el tipo del sistema en un orden, reduciendo el error de estado estable, debido a una función de paso en cero.
La función de transferencia del controlador PID está dada por:
GPID (s )=K P+K I
S+K D S
Figura.- 13 Control de Tensión con controlador PID
CONCLUSIONES Mediante la realización del presente trabajo hemos aprendido los diferentes tipos de sistemas
de control de excitación. Podemos concluir que uno de los sistemas más eficaces y más usados en la actualidad son los AC controlados y los estáticos, pero el que tiene una respuesta rápida a desviaciones debido a constantes de tiempo pequeñas y alta capacidad de esfuerzo son los sistemas estáticos de fuente compuesta.
Los modelos matemáticos descritos son una clara representación de los sistemas de control de excitación para simular lo que ocurre con el voltaje terminal de los generadores al existir una sobrecarga.
En los modelos matemáticos se puede variar los valores de las ganancias k y constantes de tiempo de los diversos componentes que conforman el regulador automático de voltaje.
Existen diversos estabilizadores que eliminan oscilaciones de voltaje y disminuyen el tiempo de estabilización, pero con el que se logro mejores resultados fue con el estabilizador con controlador PID. Además este controlador elimina el error de estado estable de voltaje.
En la actualidad los sistemas de excitación y reguladores automáticos de voltaje tiene complejos modelos matemáticos que solo puede ser simulados en computadores, estos sistemas se encuentran en grandes habitaciones y los paneles de control y de conexiones están automatizados y tienen interconexión con los centros de control y el mundo exterior
BIBLIOGRAFÍA
HUGH RUDNICK, EUGENIO GÓMEZ, SEBASTIÁN RÍOS- Universidad Católica de Chile. EDUARDO LUCERO, Empresa Nacional de Electricidad EDESA, Chile, Model Identification of Automatic Voltage Regulators.
JULIO MONTENEGRO, Universidad Simón Bolívar. Caracas, Nov. 2009- Apuntes
FRANCISCO P. DEMELLO and CHARLES CONCORDIA, IEEE , Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control.
LUIGGI VANFRETTI FUMAGALLI, Modelación y simulación de la máquina síncrona y su operación en sistemas de potencia.
PROF. P. S. R. MURTY, Operation and Control in Power SystemsDuncan Glover, Mulukutla Sarma, Thomas Overbye; Power System Analysis and Design
Richard C. Dorf, Robert H. Bishop; Modern Control Systems
SimPowerSystems, for use of Simulink
http://hydropowerstation.com/?tag=automatic-voltage-regulator-avr
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