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.

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PROF. P. S. R. MURTY, Operation and Control in Power SystemsDuncan Glover, Mulukutla Sarma, Thomas Overbye; Power System Analysis and Design

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http://hydropowerstation.com/?tag=automatic-voltage-regulator-avr