control de voltaje automaÇÃo e controle rodovia sc 401 km 1 - parque tecnológico alfa - 88030-000...

REIVAX AUTOMAÇÃO E CONTROLERodovia SC 401 Km 1 - Parque Tecnológico Alfa - 88030-000 Florianópolis, SC - Brasil

Tel./Fax (+55-48) 3027-3700 - http://www.reivax.com.br - [email protected]

Control de Voltaje

Control de Voltaje

REIVAX AUTOMAÇAÕ E CONTROLE Página 1 de 76

SUMARIO

1 - INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 3

1.1 CONSIDERACIONES INICIALES .................................................................................................................. 31.2 - ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO................................................................................................................ 3

2 - LA MÁQUINA SINCRÓNICA.............................................................................................................. 5

2.1 - MODELADO............................................................................................................................................... 52.1.1 - Consideraciones sobre la Complejidad de los Modelos ............................................... 52.1.2 - Generadores de Polos Salientes........................................................................................... 52.1.3 - Generadores de Polos Lisos ................................................................................................... 8

2.2 - IDENTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 112.2.1 - Características Estáticas ....................................................................................................... 112.2.2 - Métodos de Identificación..................................................................................................... 112.2.3 - Ensayos de campo................................................................................................................... 152.2.4 - Influencia de la Temperatura.............................................................................................. 20

2.3 - CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 21

3 - SISTEMAS DE EXCITACIÓN ........................................................................................................... 23

3.1 - FUNCIONES EJECUTADAS...................................................................................................................... 233.2 - MODELADO............................................................................................................................................. 243.3 - IDENTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 32

3.3.1 - Metodología................................................................................................................................ 323.3.2 - Características Estáticas ....................................................................................................... 333.3.3 - Características Dinámicas .................................................................................................... 343.3.4 - Ensayo de confrontación....................................................................................................... 36

3.4 - CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 38

4 - ESTABILIZADOR DE SISTEMAS DE POTENCIA................................................................... 40

4.1 - HISTÓRICO ............................................................................................................................................ 404.2 - ESTRUCTURA.......................................................................................................................................... 404.3 - CARACTERÍSTICAS LINEALES................................................................................................................ 414.4 - CARACTERÍSTICAS NO LINEALES.......................................................................................................... 42

5 - AJUSTES.................................................................................................................................................... 44

5.1 - INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................... 445.2 - MODOS DE OPERACIÓN ........................................................................................................................ 44

5.2.1 - Operación en Vacío ................................................................................................................. 445.2.2 - Operación bajo carga ............................................................................................................. 45

5.3 - AJUSTES DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN .............................................................................................. 455.3.1 - Regulador de Voltaje .............................................................................................................. 455.3.2 - Compensador de Corriente Reactiva................................................................................ 465.3.3 - Limitador de Subexcitación.................................................................................................. 465.3.4 - Limitador de Corriente de Campo ..................................................................................... 475.3.5 - Limitador Volts/Hertz ............................................................................................................. 48

5.4 – AJUSTES DEL ESTABILIZADOR DE SISTEMA DE POTENCIA................................................................ 485.4.1 - Consideraciones Iniciales...................................................................................................... 485.4.2 - Estabilizador Derivado de la Potencia de Aceleración ............................................... 505.4.3 - Ajuste de la Parte Lineal ....................................................................................................... 52

Control de Voltaje


5.4.4 - Ajuste de la Parte no Lineal................................................................................................. 535.5 - CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 55

6 - CONCLUSIONES.................................................................................................................................... 57

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................................... 59

ANEXO A - SIGLAS ADOPTADAS ........................................................................................................ 65

ANEXO B - DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN ...................... 66

B.1 - CONVERTIDOR DE POTENCIA ............................................................................................................... 66B.2 - ETAPA DE MEDICIÓN DE VOLTAJE ....................................................................................................... 69B.3 - TRANSDUCTORES DE CORRIENTE ACTIVA Y REACTIVA...................................................................... 70B.4 - FILTROS, SUMADORES Y COMPENSADORES ....................................................................................... 72B.5 - DISPOSITIVOS NO LINEALES ................................................................................................................ 72B.6 - TRANSDUCCIÓN DE LA CORRIENTE DE CAMPO ................................................................................... 73B.7 - ESTABILIZADOR DE SISTEMA DE POTENCIA ....................................................................................... 74

Control de Voltaje


1 - INTRODUCCIÓN

1.1 Consideraciones Iniciales

Este trabajo versa sobre el control de la excitación de generadores sincrónicosutilizando sistemas de excitación estática. Considera varios asuntos relacionadosal tema, tales como: los aspectos del modelado y de la identificación paramétricade generadores; representación, para estudios, de los sistemas de excitación; elproblema de los ajustes de tales sistemas y el uso de "software" de simulación.

Por lo general se observa, en las empresas, cierto distanciamento entre elpersonal de campo y el personal de oficina. Entre el personal de campo se nota eldesconocimiento de los beneficios agregados al equipo de control y undesconocimiento parcial del funcionamiento del sistema eléctrico de potencia.Entre el personal de oficina se nota la falta de conocimiento del equipo en sí y desus limitaciones. De esta forma, el personal de campo puede, inadvertidamente,tomar decisiones sobre la operación que no son las más adecuadas, y de lamisma manera, el personal de oficina puede estar trabajando con modelosmatemáticos que no se aproximan a la descripción del comportamiento físico delos sistemas de control y del proceso al cual ellos están agregados.

Este trabajo pretende contribuir para el esclarecimiento de varios aspectosrelacionados al control de excitación mostrando una visión bastante práctica delproblema.

1.2 - Organización del Trabajo

El capítulo 2, que versa sobre el modelado e identificación del proceso, presentamodelos para estudio. El modelado de un generador sincrónico envuelve unnúmero razonablemente grande de no linealidades. Los modelos utilizadosobedecen al trabajo de Young [54], con la inclusión de algunas ecuacionesadicionales buscando obtener variables necesarias para la inclusión de algunosdispositivos componentes del sistema de excitación. En la identificación degeneradores sincrónicos a través de ensayos de campo, se da énfasis a losmétodos que se muestran de fácil implantación y que ofrecen riqueza deinformación, y, dentro de este aspecto, el trabajo de De Mello [9], [12], esbastante detallado. También se discute el grado de incertidumbre en losparámetros obtenidos, teniéndose en cuenta las observaciones realizadas enensayos.

En el capítulo 3, se definen las funciones que un sistema de excitación ejecuta.Se ofrece un modelo global, que servirá para estudios presentados en el capítulo5. El modelo se basa en el sistema de excitación estática más común: el campoes alimentado por el propio barramiento del generador a través de untransformador y de un puente rectificador a seis pulsos.

Control de Voltaje


En el capítulo 4 se estudia el estabilizador de sistema de potencia, ESP,enfocando básicamente la estructura dinámica del dispositivo.Los ajustes del sistema de excitación son el tema del capítulo 5. Sobre esteparticular se enfatiza sobre el problema del estabilizador de sistema de potencia.Varios trabajos sirvieron de base, siendo relevantes los trabajos de De Mello [7],Soares [48] y Larsen [27]. La experiencia de REIVAX [49], [50], en la concepcióny ajuste de tales dispositivos también se describe en dicho capítulo.

Control de Voltaje


2 - LA MÁQUINA SINCRÓNICA

2.1 - Modelado

2.1.1 - Consideraciones sobre la Complejidad de los Modelos

Dependiendo del estudio que se realizará, el generador será modelado con mayoro menor complejidad. Por ejemplo, para definir el límite estático de generaciónde potencia reactiva con factor de potencia nulo, en la voltaje nominal, no esnecesario conocer la reactancia subtransitoria del eje derecho; sin embargo, paraevaluar la corriente de pico en un cortocicuito en los terminales de la máquina esnecesario conocer tal reactancia

Resulta común la división de los modelos de máquina, de acuerdo con lacomplejidad, en modelos I, II y IV sugeridos por Young [54]. Los modelos I y IIno serán enfocados. A partir del modelo IV se establecerá la base para losfuturos estudios y desarrollos, pues representa, de forma fiel, el comportamientode la máquina sincrónica en una banda de frecuencia relativamente ancha.

En líneas generales, el modelo debe representar, de la manera más fiel posible,lo que físicamente ocurre en el proceso, teniendo los grados de libertadnecesarios para representar los fenómenos de interés y tratando de que sea,todavía, la representación más simple posible.

En los modelos que se utilizarán, se realizaron algunas simplificaciones querestringen un poco sus aplicaciones [10]. Las simplificaciones principales son lassiguientes: el sistema trifásico se considera balanceado; las variaciones develocidad de la máquina son relativamente pequeñas permitiendo que se igualela potencia mecánica al torque mecánico en el sistema pu., la saturación será"concentrada" o definida apenas por el voltaje proporcional al enlace del flujo delcampo (E'q); la permeabilidad magnética del núcleo y la conductividad eléctricade los conductores del rotor y estator no dependen del punto de operación(influencia de la temperatura); no será considerado el magnetismo remanente,también se dejará de lado el lazo de histéresis; no se considerará la presencia dearmónicas que no sean la fundamental en las ecuaciones fasoriales; no seráconsiderada la saliencia subtransitoria (X”d = X”q).

2.1.2 - Generadores de Polos Salientes

Se deberá considerar el sistema representado por una barra infinita y reactanciapura. En esta situación, con el acoplamiento de la máquina al sistema, apareceráun número razonable de ecuaciones no lineales, debido, básicamente, al carácterfasorial de las ecuaciones de la red. La figura 2.1 muestra el diagrama fasorial dela actual situación, con la máquina representada por el modelo IV.

Control de Voltaje


FIGURA 2.1 - Diagrama fasorial con la máquinade polos salientes representada por el modelo IV

A partir del diagrama fasorial expuesto en la figura 2.1, es posible obtener eldiagrama de bloques de la figura 2.2, donde las variables de entrada son: Pm yEfd y las variables de salida son Pe, Vt, Ir, Ix, ∆w y EI. En el modelo se puedenutilizar las corrientes activa, reactiva y de campo por el hecho de que la mayorparte de los sistemas de excitación necesita de estas grandezas para ejecutardeterminadas tareas.

Control de Voltaje


Figura 2.2 - Diagrama de bloques con la máquinade polos salientes representada por el modelo IV

Control de Voltaje


2.1.3 - Generadores de Polos Lisos

El procedimiento es el mismo que el que se adopta para generadores de poloslisos. El diagrama fasorial para la máquina es el mismo que el de la figura 2.1,con la máquina representada por el modelo IV.

A partir del diagrama fasorial expuesto en la figura 2.1, y con las ecuacionesbásicas del modelo IV para los generadores de polos lisos, se puede obtener eldiagrama de bloques de la figura 2.3, similar al desarrollado para la máquina depolos salientes.

Control de Voltaje


T 'qo

s1

+

I" I

-+

+X q

-X'q

( Xd-

X)

( Xq-

X)

" q

E I

+ " d

I" I+

X d-X

'd

2( X

'q-X

l)

-+

T "qo

s1

X "q-

X

X 'q-

X

X 'q-

X

X 'q-

X"d

+" q

+-

+

Es e

n

i qX "

d+Xe

1X "

d

I" I

X ad

Ifd

X 'q-

X( X

q-X"

d)

-+

S ATU

RAÇ

ÃOX 'd-

X

++

( X'd

-X"d

)

( X'd

-X)2

Ec o

s

+-

T 'do

s

1E '

q+

k d

--

T "do

s

1

X 'd-

X

X 'd-

X"d

X 'd-

X+

X "d-

X

d+

+-

i d

X "d+

Xe

1X "

d

-+

MO

D-

+

V t

Control de Voltaje


-

" dX

Es e

n " dX

Es e

n

++

V t

X "d+

Xe

1

P m

P e

-+

E

I rP e

X

" q

X "d

P e

X

" dX

2f o

1 Ms

s

S EN

-++

-

V t

+X "

d1

XE

s en

D

CO

SX

Ec o

s

I x

Figura 2.3 - Diagrama de bloque con la máquinade polos lisos representada por el modelo IV.

Control de Voltaje


2.2 - Identificación

2.2.1 - Características Estáticas

Generalmente, el proceso de identificación consiste en estimular el sistema queestá siendo ensayado, recogiendo informaciones sobre entrada y salida,normalmente bajo la forma de registros gráficos. Se utiliza, entonces, unalgoritmo que permite obtener un modelo dinámico del proceso, usualmente unafunción de transferencia. Esta función se debe refinar hasta que aparezca comola representación matemática más fiel del proceso.

Estos modelos de generadores que se exponen aquí, deben ser entendidos, en loque se refiere a identificación, como topológicamente definidos con parámetrospara determinar. El esfuerzo de identificación, entonces, debe realizarse tratandode obtener las constantes de tiempo y reactancias.

El proceso de identificación de un generador sincrónico debe comenzarnecesariamente por la definición de sus características estáticas. Para esto, serealizan los ensayos para obtención de las curvas de saturación en vacío y encortocircuito. Tales curvas permiten obtener la reactancia sincrónica del ejederecho (saturada y no saturada) así como las constantes de tiempo Ag y Bg quemodelan la saturación. Tales curvas se observan en la figura 2.4.

Vt, It (pu)

1,0

EI (pu)

FIGURA 2.4 - Curvas de saturación en vacío y en cortocircuito

2.2.2 - Métodos de Identificación

Los ensayos de norma [22], [20], [1], [23] de cortocircuito brusco y derecuperación de voltaje eran aquellos tradicionalmente más utilizados en períodode revisión, aprobación y aceptación de plantas. Sin embargo se constató que elensayo de cortocircuito brusco raramente se utiliza por el alto riesgo quedetermina. Ambos suministran información apenas sobre los parámetros del ejederecho. Para una identificación completa del generador será necesario realizarotros ensayos como complemento. Este es uno de los motivos por el cual elmétodo de recuperación de voltaje se utiliza poco.

Control de Voltaje


Los ensayos de rechazo de carga [9], que permiten obtener los parámetros deeje directo y en cuadratura, son fáciles de ser ejecutados y no implican laabertura del barramiento blindado, como en los ensayos de norma.

Sea cual sea el método empleado, el procedimiento inicial debe comenzar por losdatos estadísticos de las curvas de saturación en vacío y en cortocicuito.

El período más conveniente para la ejecución de los ensayos será en la revisión,aprobación y aceptación. La realización de los ensayos es dispendiosa ydetermina que se disponga de las máquinas por considerables espacios detiempo, algo que ni siempre es posible. Por lo tanto el método de rechazo decarga, por no necesitar modificaciones en la casa de máquinas - excepto de laalimentación externa para el transformador de excitación, lo que es fácil deimplantar - surge como una alternativa atractiva, siendo de fácil y rápidaejecución, y permitiendo la identificación, no solamente del eje derecho, comotambién del eje en cuadratura.

Por estos motivos se analizará con mayores detalles el ensayo de rechazo decarga. Este ensayo fue propuesto como una alternativa para la identificación degeneradores, buscando eliminar los problemas de orden práctica inherentes a losotros ensayos [9], [12], [60], [61], [37], [39], [41].

El ensayo se realiza en dos etapas: en la primera se busca identificar losparámetros según el eje derecho, ya en la segunda, los parámetros del eje encuadratura. En el primer caso la máquina se conecta al sistema de potencia y sesubexcita de manera de que absorba una considerable carga reactiva. En estacondición solamente existe corriente según el eje derecho pues la potencia activagenerada es nula. Se anotan los valores de la voltaje terminal, corriente y voltajede campo y corriente de armadura, inmediatamente se abre el disyuntor degrupo. La figura 2.9 muestra el comportamiento del voltaje terminal y de lacorriente de campo en este ensayo.

La voltaje de campo debe ser mantenida constante, lo que implica que,tratándose de sistemas de excitación alimentados por la propia barra terminaldebe utilizarse otra fuente de energía (para alimentar el campo) que no sea elpropio generador. Bajo este aspecto aquellos sistemas de excitación que tenganel convertidor de potencia con polarización cosenoidal [35], [2], poseen ventajaspues son autoregulados.

Control de Voltaje


FIGURA 2.9 - Voltaje terminal y corriente de campo en elensayo de rechazo de carga puramente reactiva

Ante la necesidad de alimentar el campo con otra fuente, el ensayo es fácilmenteaplicable pues no son necesarias soluciones trabajosas como en los ensayos decortocircuito brusco y de recuperación de voltaje. El mayor problema reside en lainstrumentación. Los transductores necesitan ser bastante rápidos, siendo queeste problema se agrava cuando se piensa en el registro del voltaje terminal. Esnecesario un convertidor AC/CC, para que los instantes inmediatamenteposteriores al rechazo no tengan la información degradada. Se puede utilizar eneste caso un rectificador dodecafásico, sin filtrado en la salida.

La segunda etapa del ensayo consiste en rechazar una determinada carga tal queno exista componente de corriente según el eje derecho. La figura 2.10 muestrael diagrama fasorial de la máquina en esta condición. El rechazo de tal carga noprovocará alteración en el eje derecho, apenas en el eje en cuadratura. Lacorriente de campo, no sufrirá ninguna alteración con el rechazo ya que sólo haycorriente sobre el eje en cuadratura. La figura 2.11 muestra el perfil típico delvoltaje terminal en este ensayo. En la figura 2.11 fue suprimido el efecto de lavariación de la velocidad sobre la voltaje.

El ensayo, inicialmente, es de fácil ejecución. El primer problema reside en lacarga que será rechazada. Para colocar la corriente sobre el eje en cuadratura esnecesario conocer Xq de antemano. Como Xq es resultado de la identificación, esnecesario establecer un procedimiento del tipo tentativa y error, rechazandovarias cargas hasta que no se verifique ninguna alteración en la corriente decampo.

Control de Voltaje


FIGURA 2.10 - Diagrama fasorial para el ensayo de rechazode carga de acuerdo al eje en cuadratura

FIGURA 2.11 - Voltaje terminal en el ensayo de rechazode carga de acuerdo al eje en cuadratura.

La variación inicial que se observa en la corriente de campo es proporcional a lacorriente del eje derecho rechazada. Se dibuja un gráfico en el cual las abscisasrepresentan Q/It

2 y las ordenadas la variación de la corriente de campo. Luego desucesivos rechazos, se aproxima la curva por una recta, de donde se deriva elvalor de Xq en el cruce con cero de las ordenadas.

Control de Voltaje


xqQ

It= 2 2.1

A pesar de que el procedimiento resulta trabajoso, cuando no se tiene unaestimativa inicial de Xq, conduce a buenos resultados.

Otro problema que debe considerarse es el de la fijación del voltaje de campo.Para esto será necesario utilizar otra fuente. Mismo dentro de los sistemas conpolarización cosenoidal, la variación de la frecuencia provoca variaciones en lastensiones de sincronismo del puente rectificador controlado, debido a lautilización de filtros para rechazar ruidos de la conmutación de los tiristores y,consecuentemente provoca variación del voltaje de campo. Será necesariocomponer una malla de control con ganancia alta, para mantener constante elvoltaje del campo o utilizar una fuente externa estabilizada y regulable. Enmáquinas con excitatriz rotativa esto resulta todavía más problemático pues elaumento de velocidad provoca aumento de la voltaje de armadura y el control deeste voltaje necesita, todavía, compensar los atrasos inherentes a losgeneradores CC en la regulación de voltaje.

La sobrefrecuencia causada por el rechazo de carga activa es proporcional a lacarga. En los instantes iniciales, la variación de frecuencia es poco significativa yno produce mayores inconvenientes. En máquinas de polos salientes, donde hayapenas T"qo, prácticamente se procesa todo el régimen subtransitorio sin quehaya una variación apreciable de la frecuencia. En máquinas de polos lisos, esteproblema aumenta, causando dificultades en la determinación de X'q y T'qo.

Los ensayos se ejecutan con control manual de voltaje. REIVAX ha ejecutadoidentificaciones con el AVR en modo de control de corriente y control automáticode voltaje también.

Un ensayo adicional de rechazo de carga con la máquina sobreexcitada, factor depotencia nulo y con regulador automático de voltaje, puede ser realizado parapermitir una evaluación de los parámetros con un determinado nivel desaturación, además de propiciar una verificación global del modelo del sistemade excitación cuando éste sea motivo de la identificación.

Se puede realizar también, un ensayo según un eje arbitrario con la máquinasubexcitada y con control manual del voltaje. Este ensayo se presta paraidentificación y para análisis.

El ajuste de los parámetros debe seguir un determinado procedimiento, de formaque se llegue a resultados satisfactorios sin un número excesivo de simulaciones.

2.2.3 - Ensayos de campo

Los ensayos que aquí se muestran fueron realizados recientemente en las plantasde William Arjona (2x63MW, 2x46MW y 41MW, turbogeneradores con turbinas a

Control de Voltaje


gas/diesel) [37], Dona Francisca (2x63MW, Francis) [39] y El Paso Manaus(1x50MW, turbogenerador twin-pack; 2x68MW, turbogeneradores; 2x57MW,turbogeneradores con turbinas aeroderivadas LM6000 y 10x17MW, generadoraccionado por motor diesel Wärtsilä), [41] donde las maquinas son alimentadas adiesel, utilizando el método del rechazo de carga.

La figura 2.13 muestra el registro de rechazo de carga en William Arjona con lamaquina 4 (46MW) operando en control automático de voltaje en 30,2MW, -8,0MVAr e alrededor de 13,6kV. La Figura 2.14 presenta un rechazo de carga enla unidad 1 (63MW), con la maquina operando en 12,8kV, 0,7MW y -20,0MVAr

FIGURA 2.13 – Rechazo en William Arjona # 4: ensayo y simulación (rojo)

FIGURA 2.14 - Rechazo en William Arjona # 1: ensayo y simulación

Control de Voltaje


En la central Dona Francisca han sido realizados ensayos según el eje directo yen cuadratura. La Figura 2.15 presenta el rechazo según el eje directo, con lamaquina operando en 12,83kV, 1,5MW y –30,6MVAr. En la Figura 2.16 espresentado el rechazo de carga según un eje arbitrario, para identificación de losparámetros de eje en cuadratura, con la máquina operando en 12,79kV, 19,8MWy –30,3MVAr.

FIGURA 2.15 – Rechazo en Dona Francisca (eje directo): simulación en rojo

FIGURA 2.16 – Rechazo en Dona Francisca (eje arbitrario): simulación en rojo

Control de Voltaje


La Figura 2.17 es presentado un ensayo de rechazo de carga según un ejearbitrario en la Planta A (El Paso Manaus, 50MW). La maquina operava en13,5kV, 5,9MW y -11MVAr con una sola turbina.

FIGURA 2.17 – Rechazo en la Planta A (simulación en rojo)

La Figura 2.18 presenta el rechazo de carga en la Planta B (El Paso Manaus,68MW) con la maquina operando en 0,01MW, -15MVAr y 13,40kV.

FIGURA 2.18 – Rechazo en la Planta B, (simulación en morado)

El rechazo de carga en la Planta D (El Paso Manaus, 57MW) es presentado en laFigura 2.19, con la maquina operando en 0,6MW, -11,2MVAr y 13,67kV.

Control de Voltaje


FIGURA 2.19 – Rechazo de carga en la Planta D (simulación en azul)

En la Figura 2.20 es presentada la repuesta de Voltaje terminal de la máquina 1de la Planta W (El Paso Manaus, 17MW) para un rechazo de carga practicamentesobre el eje directo (0,3MW, -7,18MVAr y 14,10kV).

FIGURA 2.20 - Rechazo en la Planta W (simulación en azul)

Control de Voltaje


2.2.4 - Influencia de la Temperatura

Para analizar la influencia de la temperatura en los parámetros de losgeneradores, es necesario evaluar las propiedades físicas de la resistividad ypermeabilidad en los materiales que componen el núcleo y bobinas.

Tanto el bobinado de campo como las barras amortiguadoras y los bobinados dearmadura, son construidos, de preferencia, en cobre, cuya resistividad esextremamente dependiente de la temperatura. Para un determinado bobinado decobre, de resistencia R a 25°C, se puede escribir - sabiendo del problema de ladistribución no homogénea de la temperatura en todo el cuerpo de la máquina -[22]:

R(T) R( oC)( , T)

,=

+25

234 5259 5

2.2

Donde T es la temperatura de bobinado expresada en grados Celsius.

Se puede concluir que para una variación apenas de 20°C en el cobre, seconstata una variación en torno de 7,7% en la resistencia efectiva del bobinado.Para el campo del generador las pérdidas por el efecto Joule son muy variables.La variación de la potencia remanente del régimen mínimo de excitación, porejemplo 10% de corriente de campo, al régimen continuo máximo, por ejemplo200%, resulta en un factor de 400. No obstante la regulación térmicasuministrada por el sistema de enfriamiento y por la poca variación de potenciadisipada en la armadura (en este ejemplo), se puede constatar que latemperatura en el bobinado de campo no permanecerá constante. El aumento delas corrientes de campo y armadura provocará un aumento, también, en la masadel núcleo, resultando así un aumento en la temperatura de las barrasamortiguadoras con la consecuente variación de la resistividad, y una variación, apesar de pequeña, en las pérdidas en el hierro (material sensible también a latemperatura).

No fue posible encontrar en la literatura, material sobre la variación depermeabilidad con la temperatura. Se piensa que tal variación no es muysignificativa, ya que no existe ningún comentario sobre tal dependencia en laliteratura pertinente al asunto. Materiales ferrosos, como el ferrite, por ejemplo,muestran una curva de magnetización bastante sensible a la temperatura [52].Falta investigar la influencia de la temperatura en hierro silicio de granoorientado. Sin embargo, es necesario destacar que la temperatura provocarácambios dimensionales en la máquina, de las cuales, el más significativo será elentrehierro. Las alteraciones en el entrehierro provocadas por la temperaturapueden determinar cambios significativos en las reactancias y constantes detiempo. Existe un campo de investigaciones para ser explotado.

Obsérvese, sin embargo, que la variación de temperatura, alterandosignificativamente las resistencias de todos los bobinados de la máquina,

Control de Voltaje


provocará cambios apreciables en las constantes de tiempo y en el valor delvoltaje básico de campo (que depende de la resistencia de campo).

Como la temperatura de los bobinados de la máquina depende de la cargasuplida por el generador, de la temperatura ambiente, del sistema deenfriamiento y de su propio comportamiento dinámico, resulta impracticableincluir su efecto en los modelos. El grado de incertidumbre que se tendría en losparámetros sería muy grande. El procedimiento que se muestra más realista esel de referir todos los parámetros a una misma temperatura y utilizarlos así [22].La propia saturación que afecta todas las reactancias y constantes de tiempo, yapresenta, al analista, un razonable grado de incertidumbre en lo que atañe a losparámetros.

Se sugiere, finalmente, que las temperaturas de los bobinados - en el momentode los ensayos y, siempre que sea posible - sea anotada. De esta forma seráposible referenciar todos los parámetros a una misma temperatura.

2.3 - Conclusiones

Se aconseja usar el modelo IV pues permite una solución directa de la red ymodela con buena precisión el comportamiento dinámico de la máquina.

Como metodología general de identificación, se entiende la perturbación delsistema y la observación de estímulos y respuestas. En el cómo, y en el dónde,estimular es que se encuentran las diferencias entre los métodos. Lo importantees que los ensayos suministren la cantidad suficiente de informaciones para elmodelado. Sobre este aspecto los ensayos de rechazo de carga muestranresultados excelentes pues permiten obtener los parámetros del eje derecho y encuadratura para puntos de trabajo donde la máquina efectivamente trabaja.

La implantación del ensayo es también de suma importancia. Cierto tipo deensayo como el de cortocircuito brusco sólo es posible de realización durante elperíodo en que se realizan la revisión, la aprobación y la aceptación de la planta,debido a las dificultades que existen en la instalación del interruptor entre elgenerador y el transformador y, todavía, otras dificultades como la posibilidad deque la máquina ya no se encuentre en el período de garantía, etc. Las pruebas derechazo de carga no presentan inconvenientes de este tipo.

Otro dato importante es sobre la instrumentación utilizada en los ensayos.Ensayos como el de respuesta frecuencial en reposo, necesitan de fuentes deseñal de alta potencia, ni siempre disponibles. Los transductores también soncomponentes vitales de la instrumentación, pues en ensayos de rechazo decarga, donde el voltaje terminal presenta componentes de frecuencia máselevada, existe la necesidad de una reproducción adecuada de la señal.Rectificadores polifásicos son una solución simple y eficiente para este problema.

La saturación, que afecta todos los parámetros eléctricos, debe ser bien evaluadaal realizar el análisis de los resultados. En pruebas como la de rechazo según un

Control de Voltaje


eje arbitrario, donde se busca obtener los parámetros del eje en cuadratura, y esnecesario modelar el eje derecho, se deben corregir las reactancias y constantesde tiempo de acuerdo al nivel de saturación mostrado en el ensayo.

La influencia que la temperatura ejerce sobre la resistividad, con la consecuentevariación de las constantes de tiempo y valores base, debe ser considerada. Seaconseja medir la temperatura en varios puntos del generador en cada pruebarealizada. Se aconseja, también, tener en cuenta la temperatura durante lassimulaciones, con la corrección de las constantes de tiempo y valores base.

Control de Voltaje


3 - SISTEMAS DE EXCITACIÓN

3.1 - Funciones Ejecutadas

Un SE debe ser capaz de ejecutar las siguientes tareas [30], [60]:

a) Mantener el voltaje terminal de la máquina en el valor definido por eloperador, o debe ser capaz de mantener una determinada relación entrevoltaje y carga reactiva en toda la región de la operación;

b) Mantener el voltaje terminal dentro de los límites aceptables de trabajo,mismo en rechazos de carga plena y otros severos disturbios en el sistemade potencia (se consideran como una excepción los instantesinmediatamente posteriores al disturbio, debido a la imposibilidad deobtener una respuesta instantánea del SE);

c) Ser capaz de propiciar una excitación rápida en la partida del grupo sinsobrelevación de la voltaje terminal;

d) Ser capaz de responder con desempeño adecuado, a los comandos deloperador o sincronizador automático en el momento de la sincronizaciónde la unidad con el sistema;

e) Poseer elevada velocidad de respuesta de manera que sea posible corregirlas variaciones de voltaje impuestas por variación de carga, generación opor cierres (por llaves) en el sistema;

f) Poder mantener valores de voltaje de campo superiores al valor nominalde la plena carga, mismo al existir cortocircuito trifásico en el barramientode alto voltaje de la unidad;

g) Ser capaz de aplicar tensiones positivas y negativas al campo, en valoresrealmente superiores al valor básico de excitación, buscando influenciar eltorque de aceleración de manera que se mantenga la máquina ensincronismo con el sistema de potencia, inclusive, frente a severosdisturbios en el mismo;

h) En el caso de paralelo de unidades en la barra de alto voltaje, el SE debeser capaz de compensar parte de la caída de voltaje en la reactancia deltransformador elevador, o deberá ser provisto de una característicaadecuada del voltaje en función de la carga reactiva, a fin de propiciar elparalelo de otros generadores en la propia barra terminal;

i) Ser capaz de limitar dinámicamente la corriente de excitación, de acuerdocon la característica de capacidad del propio campo, independientementede la eventual necesidad de aumento de excitación que la malla de controldel voltaje terminal imponga;

Control de Voltaje


j) Ser capaz de limitar dinámicamente la operación de la máquina enregiones próximas al limite de estabilidad, independientemente de lanecesidad de decrecimiento de la excitación que la malla de control delvoltaje terminal imponga;

k) Ser capaz de contribuir de manera efectiva para la amortiguación deoscilaciones electromecánicas que aparezcan en el sistema de potencia oen la propia unidad;

l) Ser capaz de limitar dinámicamente la operación de la máquina encondiciones de sobreflujo, limitando la relación Volts/Hertz;

m) Opcionalmente ser capaz de limitar la corriente de armadura, referente ala carga reactiva, independientemente de la necesidad de aumento odecrecimiento de excitación que el control de voltaje imponga;

n) Todavía, como requisito opcional, se puede exigir que el SE sea capaz demantener el voltaje en la barra de alto voltaje dentro de una fajaespecificada, ofreciendo, todavía, una división equitativa de la cargareactiva de las unidades en paralelo.

Estas funciones son las más importantes. Otras funciones con las cuales el SEdebe ser dotado, como protección, alarma y señalización se encuentran fuera delobjetivo de este trabajo.

3.2 - Modelado

Para ejecutar las tareas anteriormente mencionadas, el SE posee un conjunto defunciones. En los sistemas de excitación analógicos tales funciones son enrealidad, sintetizadas por dispositivos. En los sistemas de excitación digitales,SED, las funciones son ejecutadas en "software". En los SEDs el problema delmodelado e identificación se encuentra ya resuelto a priori. Esta sección habrá deencargarse de los sistemas analógicos ya que existe en ellos una necesidad deidentificación y de verificación de los modelos. Serán descritas sucintamente lasfunciones del SE con comentarios sobre sus modos de acción.

Otros dispositivos asociados al SE no son utilizados generalmente, por estemotivo no serán detallados aquí.

El modelado de un SE [21] se ejecuta a partir de los datos obtenidos delfabricante o por ensayos de campo a través de pruebas de identificaciónparamétrica. Tales procedimientos pasaron a ser más precisos en las dos últimasdécadas. Esto fue posible a la creciente utilización de circuitos integrados, comoamplificadores operacionales, que mostraban desempeño muy próximo al teórico,previsto en la síntesis. En los controles de voltaje actuales, como por ejemplo elRTX300, las funciones de control y limitación se realizan en "software",facilitando inmensamente el modelado pues las funciones de transferencia están

Control de Voltaje


inequívocamente definidas. Esto no sucede, por ejemplo, con amplificadoresmagnéticos, en los cuales las funciones de transferencia varían en operación,como resultado de variaciones de temperatura, alimentación, etc. [17].

Mayores detalles referentes al funcionamiento de los dispositivos, pueden serencontrados en el Anexo B.

El ESP, por su importancia, tendrá un capítulo a parte, enfocando su modeladocon mayor profundidad.

a) Malla principal de control de voltaje (RT)

La figura 3.1 presenta la malla principal de control de voltaje. Se define "Vref"como la voltaje de referencia comandada por el operador o sincronizadorautomático; "Error" representa la diferencia entre la referencia y la medida devoltaje terminal; "Vreg" representa el voltaje de regulación que comandará elpuente rectificador; Gfl(s) representa la función de transferencia del transductorde voltaje; Gcl(s) representa el compensador de la malla de control, y Gp

representa la función de transferencia del puente rectificador controlado. Laganancia de la malla de regulación de voltaje es ajustable en KA.

-+

-+ KA

1+sTA

Gc1(s)

Gf1(s)

++

+GP

Vref Verro + +

ESP LCC

LV/HzLSE

Efd

Vt

+Vreg+

CCR

FIGURA 3.1 - Malla principal de control de voltaje

Para que el regulador de voltaje (RT) presente una buena regulación estática devoltaje, es necesario que tenga una ganancia elevada en el canal directo,permitiendo que el error de regulación sea minimizado. La velocidad de respuestaelevada se obtiene con el bloque de potencia Gp, del tipo estático y el transductorde voltaje con una banda de pasaje ancha. Los otros dispositivos que intervienensobre el diagrama de bloques son:

ESP : Estabilizador de Sistemas de Potencia;LSE : Limitador de Subexcitación;LCC : Limitador de Corriente de Campo;

Control de Voltaje


LV/Hz : Limitador de la relación Volts/Hertz.CCR : Compensador de Corriente Reactiva

a-1) Puente rectificador controlado

El puente rectificador controlado compone el bloque de potencia del SEE.Suponiendo un sistema trifásico, del tipo "bus-fed", con polarización cosenoidal aseis pulsos [35], [2], se puede escribir que:

E fd k Vt (a)=3 2

1πcos 3.1

Donde (Kl Vt) es la voltaje del secundario del transformador de rectificación y αes el ángulo de atraso de conducción de los tiristores.

El ángulo de atraso de conducción α, se establece por la comparación entre elvoltaje de regulación Vreg, y un voltaje alternado, (k2 Vt), obtenido del voltaje delsecundario del transformador de rectificación y filtrada. Tal voltaje CA guarda unarelación de fase específica con el voltaje secundario del transformador derectificación de tal forma que se obtiene la siguiente relación para el ángulo α(ver Apéndice B para mayores detalles):

Vreg (k Vt ) ( )− =2 0cos α 3.2

O,

α = −cos [ / ( )]12Vreg k Vt 3.3

El ángulo presenta limites superior e inferior establecidos por los tiempos dedisparo ("turn-on") y corte ("turn-of") de los tiristores.

Colocando las ecuaciones (3.1) y (3.3) en la forma de diagrama de bloquesresulta la Figura 3.2 en que la ganancia Kp se da por:

Kpkk

= 12

3 2π

3.4

KpXcos maxα

Vref cos minα

Efd

VtFIGURA 3.2 - Diagrama de bloque del puente rectificador controlado

Control de Voltaje


Para señales de regulación tales que los límites de disparo y corte no seanalcanzados, el puente es lineal e insensible a las variaciones de Vt.

Llamando de Vregb el cociente Efdo/Kp, se obtiene el valor base de voltaje deregulación y el puente pasa a presentar una ganancia de 1pu/pu.

Los techos de voltaje se obtienen por las relaciones:

VmaxVreg tonVregb

k Vtb tonVregb

VminVreg toffVregb

k Vtb toffVregb

= =

= =

( ) cos( )

( ) cos( )

α α

α α

2

23.5

Donde Vtb representa el voltaje nominal del generador, αton representa el ángulomínimo de atraso de conducción, αtoff representa el ángulo máximo de atraso deconducción y Vreg(αti) representa el voltaje de regulación necesaria para provocarαti. Como ton<toff, el techo negativo, en valor absoluto es inferior al techopositivo. El análisis vale para tensiones positivas y negativas con la corrientesiempre positiva.

Como el puente consigue variar la voltaje de salida, actualizando el ángulo α acada 1/6 de ciclo de red, no será representada su característica dinámica. Otrasformas de polarización se utilizan, como la llamada rampa-pedestal cuyacaracterística de ángulo de atraso de conducción versus voltaje de regulación eslineal.

a-2) Transductor de voltaje

Por lo general, el voltaje terminal se obtiene por la rectificación del voltaje de lostransformadores de potencial con posterior filtrado. Para que las constantes detiempo del filtro no influencien de manera intensa el desempeño transitorio delSE, es común que la rectificación sea tomada de varias fases, como eltransductor presentado en el capítulo anterior. De esta forma, como la primeraarmónica es de frecuencia elevada (360, 720Hz), se pueden utilizar filtros conelevada frecuencia de corte (80 rad/s). Se utilizan, por lo general, filtros desegundo o tercer orden.

En valores en el sistema pu, la ganancia del transductor de voltaje se consideraunitario, lo que significa que el voltaje básico en el sumador de RT es la de lasalida del filtro cuando la máquina se encuentra en el voltaje nominal.

a-3) Compensador de la malla principal

El compensador utilizado en la malla principal de control de voltaje va desde unsimple proporcional hasta un compensador del tipo avance-atraso.

Control de Voltaje


Compensadores del tipo PID también son utilizados, entendidos, aquí, como uncaso en particular de avance-atraso. El compensador presentado en la figura 3.1es del tipo derivativo en la realimentación, que, combinado con una ganancia KA

elevada, presenta una característica similar a la de un compensador de atraso.Los valores base necesarios para la conversión de la ganancia del compensadoral sistema pu son el voltaje básico del filtro, Vfb, y el voltaje básico de regulación,Vregb.

b) Compensador de corriente reactiva

Para que sea posible la colocación de varias unidades en paralelo en la barra debajo voltaje del transformador elevador, o para que se pueda compensar la caídade voltaje en el mismo, en el caso de plantas con paralelo en alto voltaje, elsistema de excitación debe ser dotado de un compensador de corriente [43]. Elcompensador puede ser derivado de la corriente activa y reactiva, a pesar de quelo usual es que se utilice apenas la corriente reactiva [56]. El compensador decorriente reactiva (CCR) consiste, básicamente, en un transductor de corrientereactiva que llega a influenciar la referencia del regulador de voltaje de manerasubstractiva (paralelo en bajo voltaje) o aditiva (paralelo en alto voltaje). Lafigura 3.3 presenta la característica estática de un sistema de excitación dotadode CCR (positivo o negativo).

Vt

CCR>Ø

CCR<Ø

Ix (ind)cap

FIGURA 3.3 - Característica estática suministrada por el CCR

El CCR está constituido, usualmente, de un transductor lineal independiente,cuya salida se filtre y se sume (o substrae) en el sumador de RT, o de undispositivo trifásico que, a través de potenciómetros y transformadores decorriente auxiliares, se adicione al voltaje de los transformadores de potencialnormalmente en cuadratura, o sea: el voltaje entre las fases 3 y 1 se suma a lacorriente de la fase 2.

La Figura 3.4 presenta un modelo para el CCR, en el que IX es la corrientereactiva, VC es la salida del compensador, GF2(s) es la función de transferenciadel filtro del transductor y KC es la ganancia del dispositivo

Control de Voltaje


Gf2(s) Kc VcIx

FIGURA 3.4 - Diagrama de bloques del CCR

La ganancia Kc tiene por base, en el sistema pu, la corriente nominal de lamáquina y el voltaje básico de la salida del filtro del transductor de voltaje. Así, sipor ejemplo, el transductor de voltaje suministra 10V en el voltaje nominal y elCCR suministra 0,5V en la corriente nominal, siendo ésta puramente reactiva,tenemos:

Kc pu= =0 51 0

1 010 0

0 05,,

,,

, 3.6

El CCR no necesita de una malla del tipo avance-atraso para garantía deestabilidad. El compensador de la malla de control principal posee recursos paratal.

c) Limitador de corriente de campo

El limitador de corriente de campo (LCC) se construye, usualmente, a través deun regulador no lineal de corriente. Tal regulador consiste, básicamente, de untransductor de corriente, de un comparador lineal de la corriente con lareferencia de máxima corriente, de un dispositivo no lineal que amplifica apenasseñales de error de comparación negativos, de una etapa de compensación y deun sumador con la señal de regulación. La Figura 3.5 presenta el diagrama debloques del LCC. La función Gf3(s) representa la dinámica del transductor decorriente, siendo GC2(s) la función de transferencia del compensador utilizadopara estabilizar la malla y NL1, un bloque de característica no lineal que amplificaapenas señales negativas. La referencia de máxima corriente puede ser del tipotiempo inverso, permitiendo ultrapasajes transitorias de la corriente máxima decampo en régimen permanente.

Gf3(s)EI Gc2(s) NL1

EImax

-+

FIGURA 3.5 - Diagrama de bloques del LCC

El LCC actúa en oposición a la señal de regulación, con una ganancia muchomayor que el propio canal de regulación de forma tal que se pueda trabajar conun bajo error de limitación.

Control de Voltaje


Los valores base para conversión de la malla de excitación al sistema pu son lacorriente de excitación para el voltaje nominal en vacío en la línea delentrehierro, EI0, y el voltaje de regulación básica.

d) Limitador de subexcitación

El limitador de subexcitación (LSE) se construye, usualmente, de la mezclaponderada de las señales de tres transductores: de voltaje terminal, corrientereactiva y corriente activa. La variante resultante de la suma se filtra, y estimulaun bloque no lineal que amplifica apenas señales positivas. La señal resultantepasa por un compensador y actúa para aumentar el voltaje, siendo sumada a lareferencia de RT.

La Figura 3.6 presenta una curva de capacidad ilustrando la línea de actuacióndel dispositivo. La Figura 3.7 presenta el diagrama de bloques del LSE.

FIGURA 3.6 - Curva de capacidad mostrando la línea de actuación del LSE

KrIr Gf4(s) Gc3(s)+-

Ix Kx

KvVt

NL2-

FIGURA 3.7 - Diagrama de bloques del LSE

La función Gf4(s) representa la dinámica de los transductores de corriente activa,reactiva y voltaje, siendo Gc3(s) la función de transferencia del compensadorutilizado para la estabilización de la malla y NL2, un bloque de característica no

Control de Voltaje


lineal que amplifica apenas señales positivas. Aquí está siendo utilizado un filtroúnico para los tres transductores, usualmente de segundo orden.

Por el diagrama presentado se puede concluir que el LSE estará activo para:

− − + ≥kvVt k x I x kr Ir 0 3.7

Para un determinado voltaje terminal, se puede construir una función Ir=f(IX) quedefina la línea inicial de actuación del dispositivo, de acuerdo a la figura 3.6.

Por el ajuste adecuado de los coeficientes kv, kx y kr se puede situar tal línea detal manera que evite la operación del generador próxima al límite de estabilidady, eventualmente, evitar, también, la operación con la armadura en sobrecarga.

Para definir los valores de las ganancias del LSE en el sistema pu se utiliza comobase el voltaje y corriente nominales del generador, el voltaje básico de salidadel filtro de transducción de voltaje, Vfb, y un voltaje intermediario, en elsumador de los transductores, que puede ser cualquier valor de fácilmanipulación.

e) Limitador Volts/Hertz

El limitador V/Hz (LV/Hz) se construye, usualmente, a través de un regulador nolineal del cociente voltaje por frecuencia. Tal regulador consiste, básicamente, detransductores de voltaje y frecuencia, de un dispositivo que divide el voltajeentre la frecuencia, de un comparador lineal de esta variable con una referenciade valor máximo, de un dispositivo no lineal que amplifica apenas señales deerror de comparación negativas, de una etapa de compensación y de un sumadorcon la señal de regulación. La Figura 3.8 presenta el diagrama del LV/Hz.

Gf1(s)VtGc4(s)-

Gf5(s)f

NL3+

Vt máx.f

FIGURA 3.8 - Diagrama de bloques de LV/Hz

La función Gf5(s) representa la dinámica del transductor de frecuencia, siendoGc4(s) la función de transferencia del compensador utilizado para estabilizar lamalla, y NL3, un bloque de característica no lineal que amplifica apenas señalesnegativas. El LV/Hz actúa en oposición a la señal de regulación, con una gananciamucho mayor que la del propio canal de regulación de forma que se puedatrabajar con un bajo error de limitación.

Control de Voltaje


Los valores base para la conversión de la malla de excitación al sistema pu son:el voltaje nominal, la frecuencia nominal y el voltaje de regulación básica.Los filtros utilizados en las transducciones son, normalmente, de segundo orden,estando incorporados a los propios transductores.

f) Estabilizador de Sistema de Potencia

Otro dispositivo que actúa sobre el sistema de excitación es el estabilizador desistema de potencia (ESP). Para la implantación de tal dispositivo se utiliza unagrandeza eléctrica que se encuentre asociada a la parte mecánica del conjuntogenerador-turbina, usualmente Pe, ∆f, ∆w, Pa, δ, o bien una combinación de estasseñales [7], [11], [24], [28], [45], [59], [63]. La señal se procesa por uncompensador de característica derivativa y sumada a la referencia de RT,modulando la voltaje terminal con la intención de provocar torque eléctrico enfase con el desvío de velocidad, en una determinada faja de frecuencias. Eltorque en fase con el desvío de velocidad es un torque de amortiguación. De estaforma se garante la amortiguación de oscilaciones electromecánicas [7]. La salidadel estabilizador se limita para evitar una sobremodulación del voltaje terminal.Es usualmente necesario utilizar un esquema de bloqueo y reconexión para evitarla actuación del dispositivo en ciertas condiciones operacionales. La Figura 3.9presenta el diagrama básico del ESP.

Gc5(s) NL4G1(s)

LÓGICA DEBLOQUEIO E

REC.

FIGURA 3.9 - Diagrama de bloques del ESP

La función Gl(s) representa la síntesis de la señal utilizada para la estabilización,incluyendo los filtros de los transductores. La función Gc5(s) representa la funciónde transferencia del compensador utilizado para la estabilización de la malla yNL4 el limitador de salida. También se prevé para el dispositivo una lógica debloqueo y reconexión automáticos. En el capítulo siguiente el ESP será expuestocon más detalles. La síntesis utilizada por la REIVAX comprende otrasfuncionalidades usualmente no previstas en otros ESPs.

3.3 - Identificación

3.3.1 - Metodología

Las consideraciones a continuación son el resultado de la experiencia adquiridapor REIVAX en la realización de diversos ensayos de identificación [37], [38],

Control de Voltaje


[39], [40], [41], [42]. El objetivo es el de sugerir procedimientos para larealización de ensayos en sistemas de excitación.

Los ensayos de campo, para identificación paramétrica de SE, pueden serdivididos en tres grupos: ensayos de determinación de características estáticas;para determinación de características dinámicas y para la evaluación global de lasmallas de control para posterior confrontación a través de simulaciones.

Existiendo disponibilidad y confiabilidad de diagramas electrónicos y estandoéstos correctamente detallados, gran parte del trabajo de identificación puede serrealizado en la oficina. En centrales más antiguas, con documentación precaria,con los controladores tratados como "caja negra", el trabajo de identificación,normalmente es lento y caro.

Los ensayos tienen, por lo general, la descomposición en bloques de la maneramás detallada posible, del dispositivo a prueba. Los bloques deben ser posiblesde separación sin modificación de las funciones de transferencia individuales. Enlos circuitos eléctricos, básicamente, los bloques se separan en puntos donde larelación de impedancias de entrada por impedancias de salida es alta, o sea, siun bloque de baja impedancia de salida estimula un bloque de elevadaimpedancia de entrada, será posible la separación. Si se efectúa la identificaciónde esta forma, el modelado global del sistema resulta más fácil. Bloques demenor porte son más fáciles de modelar debido a la baja orden de las funcionesde transferencia y a las pocas relaciones no lineales que presentan.

En los SEDs la etapa de identificación se restringe a las definiciones de lasescalas de los transductores y características de los actuadores de salida. Estagran ventaja se debe tener en cuenta cuando se realiza la especificación de uncontrolador pues, al optar por un controlador digital, se tendrá el modeladopreciso y actualizado sin la necesidad de dispendiosos ensayos de identificación.

Infelizmente, conforme demuestra la experiencia del autor, ni siempre es posiblesensibilizar algunos fabricantes para que suministren una información detalladade sus equipos. De esta forma un tiempo precioso acaba siendo consumido en larealización de ensayos de campo. La REIVAX posee una política en la quesuministra los modelos de sus SEs de la forma más detallada posible.

3.3.2 - Características Estáticas

La primera etapa para identificación de un proceso - o la parte desacoplable deun proceso - es la de la obtención de sus características estáticas. Talescaracterísticas son, por ejemplo, relación entrada-salida, límites, característicasde ganancia en función de diales de potenciómetros, etc..

Es conveniente que las características estáticas de los circuitos sean biendefinidas pues, de esta manera será posible determinar las fajas de trabajo enlas cuales deberán ser realizados los ensayos de obtención de las característicasdinámicas.

Control de Voltaje


En la figura 3.10 se observa la curva de ganancia en función de la posición delpotenciómetro que ajusta la ganancia del RT de la planta hidroeléctrica de Itaúba[57].

FIGURA 3.10 - Ganancia Ka versus posición del potenciómetro de ajuste

3.3.3 - Características Dinámicas

Las características dinámicas de cada bloque se pueden obtener de diversasformas. La que fue utilizada con suceso por la REIVAX consiste en obtener larespuesta frecuencial a partir de la respuesta al escalón utilizando el algoritmo deLevy [4] con el refinamiento propuesto por Sanathanan [44]. La Figura 3.11presenta la respuesta al escalón de un filtro del transductor, el diagrama de Bodecorrespondiente y la respuesta al escalón obtenida.

Control de Voltaje


FIGURA 3.11 - Identificación de un filtro

a)

b)

FIGURA 3.11 - Diagrama de Bode:a) módulob) fase

Control de Voltaje


FIGURA 3.11 - Simulación del filtro ya identificado3.3.4 - Ensayo de confrontación

El armado del modelo global se traduce por la composición topológica de losvarios bloques individuales. Dentro de este modelo global se simulan los ensayosrealizados en el campo pudiendo, así, realizar verificaciones del modeladocorrigiendo imperfecciones que por ventura aparezcan debido a ensayos malejecutados o incorrecciones en los análisis individuales de los bloques.

Un ensayo del RT con la simulación efectuada para confrontación con el ensayose exhibe en la figura 3.12, para el SE de la planta de Angra do Reis (1x650MW,Nuclear) [38] que es analógico y basado en una excitatriz brushless. Se nota unabuena correlación entre las curvas, validando el modelo.

El modelo obtenido para el RT es presentado en la Figura 3.13. No estánpresentados los limitadores de sobre y subexcitación.

Control de Voltaje


FIGURA 3.12 - Ensayo de respuesta al escalón (4,84%) del RT de Angra 1.Simulaciones en rojo. Variables ploteadas: Salida del RT,

Voltaje de Excitación, Corriente de Excitación y Voltaje Terminal

Control de Voltaje


+-

+--

-+

++

+-

-+

++

FIGURA 3.13 – Modelo del RT de Angra 13.4 - Conclusiones

Control de Voltaje


Se presentaron las funciones que un SE debe ejecutar y los dispositivosnecesarios para tanto. Los modelos matemáticos de estos dispositivos fueronigualmente objeto de este capítulo. En el capítulo siguiente serán motivo deanálisis buscando el ajuste adecuado de sus parámetros. Se consiguió así, unmodelo global, que ilustra las funciones mínimas con las cuales un SEE debe serdotado.

Existieron comentarios sobre el problema de la identificación de los dispositivosque componen el SEE. Sobre este particular, la conclusión más importante quees posible deducir, al par de los criterios utilizados para los ensayos, es de que,en los sistemas modernos, gran parte del trabajo es posible ser realizado en laoficina, utilizándose técnicas comunes de análisis de circuitos eléctricos. En elcaso particular de los SEDs la etapa de identificación se simplifica bastante y talaspecto debe tenerse en cuenta por el usuario en el momento de elegir latecnología para el SE.

Control de Voltaje


4 - ESTABILIZADOR DE SISTEMAS DE POTENCIA

4.1 - Histórico

Gaden, en un artículo de 1947 [16], sugería el uso de los reguladores de voltajeen vez de los reguladores de velocidad para amortiguar oscilaciones en lossistemas interconnectados. El concepto de variar el voltaje terminal en fase conlos desvíos de frecuencia es la base de acción de los ESPs. Hay diferentes tiposde estabilizador en función de la variable de entrada [53].

En los años 60 y 70 el uso de los ESPs fue difundido. Al final de los años 70 DeMello [11] y la Ontario Hydro [28] desarrollaron el ESP basado en la potenciaacelerante siendo que ésta era derivada de la potencia eléctrica y velocidad (ofrecuencia).

La primera aplicación de este tipo de estabilizador en una planta hidroeléctrica serealizó en la Planta de Salto Osorio en 1983 [46]. Posteriormente fue introducidoel concepto de filtro rastreador de rampa [48] que pasó a ser adoptado por laOntario Hydro [29], [26]. A partir de 1989, donde se colocó en operación enEmborcão, São Simão e Itaúba, comienza el cambio generalizado de los ESPspara ESPs derivados de la potencia acelerante en las principales plantas delsistema brasileño, como el descrito en [15], [19], y [34]. En el año 1994 laREIVAX instaló los primeros ESPs basados en la potencia acelerante en Colombiaen la planta Chivor [50]. En el año 1996 en un proyecto ambicioso y biensucedido de la CAMMESA, se instalaron ESPs REIVAX en todas las principalesplantas del sistema argentino [33], [63].

El ESP derivado de la potencia acelerante es mundialmente aceptado como laestructura capaz de propiciar amortiguación en una ancha faja de frecuencias sinprovocar efectos colaterales como los ESPs derivados de la potencia o frecuencia[25], [26], [28], [46], [50], [53].

4.2 - Estructura

La potencia acelerante se obtiene de la combinación dinámica de la potenciaeléctrica y de la velocidad (o frecuencia). Partiendo de la ecuación básica:

∆wHs(Pm Pe)= −

12

4.1

Resolviendo para la potencia mecánica tenemos:

12Hs

12Hs

wPm Pe= + ∆ 4.2

Control de Voltaje


Como la función integración provocaría "overflow" en el cálculo de la expresión,se multiplican los dos miembros de la ecuación por una función de tipo "reset".

TPm

TPe

sT1 1 12H(1 + sT1) 2H(1 + sT1) (1 + sT1)

w= + ∆ 4.3

Restringiendo la banda frecuencial por la inclusión de un filtro pasa-baja concapacidad de rastreamiento de rampas, tenemos:

(T

H( +sT )Pm)F (s) (

T

H( +sT )Pe

sT

( +sT )Dw)F (s)

G f (s)( s Trr )

( sTrr )

12 1 1

11

2 1 1

11 1

1

1 4

1 4

= +

=+

+

4.4

El término a la izquierda puede ser entendido como siendo la integral de lapotencia mecánica dividida entre 2H y limitada frecuencialmente por un filtropasa-alta (el "reset") y un pasa-baja (F1(s)). Así, si de esta señal se substrae laintegral de la potencia eléctrica también dividida entre 2H y limitadafrecuencialmente por el mismo "reset", se tendrá una señal proporcional a laintegral de la potencia acelerante. Como la potencia mecánica ya posee unalimitación natural en alta frecuencia, el hecho de agregarse un filtro pasa-baja aeste canal no modificará substancialmente la información. El diagrama debloques de la figura 4.1 presenta la derivación de la señal [28]. Están incluidos,en la figura 4.1, las funciones de transferencia de los transductores de frecuencia(o velocidad) y potencia.

Pe

1+sT1

T1/2H

1+sT1

sT1

++

-+GfW (s)

GfP (s)

1+4Trrs(1+Trrs)

4

FIGURA 4.1 - Derivación de la señal para ESP.

4.3 - Características Lineales

La figura 4.2 presenta el diagrama de bloques de la parte lineal del ESP, queprocesa la información de la integral de la potencia acelerante. La estructura esbastante simple y consiste en dos filtros del tipo avance, un del tipo atraso, unafunción de "reset" y una ganancia ajustable.

Control de Voltaje


1+sT3

1+sT4

1+sT5

1+sT6 1+sT8

1+sT71+sT2

K sT2ESP

FIGURA 4.2 - Compensadores del ESP

4.4 - Características no Lineales

La Figura 4.3 presenta las estructuras no lineales presentes en el ESP: el bloqueoy reconexión automáticos, conmutación de ganancia por nivel de potencia y"reset" no lineal.

→

→

→

→

FIGURA 4.3 - Bloques no lineales: bloqueo y reconexión;conmutación de ganancia y "reset" no lineal

Control de Voltaje


La salida del Estabilizador aún tiene un limitador para evitar excursionesexcesivas del Voltaje Terminal.

Control de Voltaje


5 - AJUSTES

5.1 - Introducción

Este capítulo busca presentar una metodología para el ajuste de las diversasfunciones que actúan en el SE.

La actuación de los dispositivos que componen el SE no se produce de formaconcomitante. Ciertos dispositivos tienen una actuación mutuamente exclusivacomo, por ejemplo, los limitadores de corriente y subexcitación. De esta forma,llevándose en cuenta, todavía, los modos de operación del conjunto generador-turbina-transformador, es posible caracterizar varias situaciones topológicamentedistintas, en las cuales la intervención de un u otro dispositivo implica mallas decontrol o limitación virtualmente diferentes.

Los modos de operación pueden ser agrupados, estableciéndose así, unasecuencia natural para encarar el problema de ajuste de los dispositivos.

Se utilizan los modelos de generador presentados en el capítulo 2 y el sistema deexcitación expuesto en el capítulo 3.

5.2 - Modos de Operación

Existe la necesidad de ajustar el SE de modo tal que él pueda realizar un óptimodesempeño estático y dinámico en cuanto la máquina opera en vacío (partida ysincronismo), y bajo carga (compensación de caída en el transformador elevador,amortiguación de oscilaciones electromecánicas, operación en límite de corrienteo subexitación).

En las dos situaciones, existen cambios substanciales tanto en el modelado delgenerador y sistema de potencia, cuanto en el modelado del SE, debido a laacción no lineal de los limitadores, a la no operación del ESP y del CCR en vacío,etc..

Varios modos de acción quedan caracterizados, correspondiendo, por lo tanto,definirlos topológicamente.

5.2.1 - Operación en Vacío

En esta condición el análisis es necesario para garantir una buena respuesta delSE tanto en la partida cuanto para los comandos del operador o sincronizadorautomático, buscando la colocación de la máquina en paralelo con el sistema depotencia.

Para tal condición, el modelado es el de SE apenas con el RT y el generadorrepresentado sólo por el eje directo [7].

Control de Voltaje


5.2.2 - Operación bajo carga

a) Operación normal

En esta condición el SE presenta, además del RT, el CCR y el ESP (si es quelas condiciones de carga no implican que sea desconectado).

b) Operación en límite de subexcitación

En relación a la situación del ítem (a), se modela, adicionalmente, el LSE.

c) Operación en límite en corriente de campo

En relación a la situación del ítem (a), se modela adicionalmente, el LCC.

5.3 - Ajustes del Sistema de Excitación

5.3.1 - Regulador de Voltaje

En la operación en vacío, son necesarios los siguientes requisitos [30].

a) Que en la partida de sobreelevación (overshoot) verificada no ultrapase eltope de la máxima voltaje permitida en el generador;

b) Que la respuesta a los comandos del operador o sincronizador automático searápida y con baja sobreelevación;

c) Que el error estático a los comandos en la referencia sea mínimo.

Los ajustes que serán efectuados aquí, son el de la ganancia transitoria y de laganancia estática del RT. Existe un problema de control clásico en el que sedesea maximizar la ganancia con poca sobreelevación.

En el capítulo 3, Figura 3.1, Gcl(s) es la función de transferencia del compensadorde la malla principal de control de voltaje. Si suponemos que Gcl(s) es uncompensador de atraso [8], [31] en el camino directo de la malla tendremos:

Gc (s)KA( sT )

( s T )11 1

1 1=

+

+ β5.1

Donde β es el factor que atenúa la ganancia estática, KA es la ganancia estática yT1 la constante de tiempo asociada al compensador. La ganancia transitoria es:

KtKA=β

5.2

Control de Voltaje


El compensador de atraso generalmente introduce un modo lento (de elevadaconstante de tiempo) en la respuesta de malla cerrada [6], [32] de tal formaque, la respuesta al escalón de la malla cerrada, pasa a mostrar elevado tiempode estabilización. Para minimizar la amplitud de tal modo, se debe tener unaconstante de tiempo, T1, elevada.

La forma más simple de efectuar el ajuste, es a través de la simulación. LaREIVAX utiliza el "software" SSD para realizar tales estudios. El objetivo es el demaximizar la ganancia estacionaria - para obtener un error estacionario bajo -con una respuesta al escalón que presente baja sobreelevación y tiempo deestabilización.

Es conveniente efectuar un modelado completo del RT y del generador, y simularla partida del conjunto, considerando que la excitación se aplica en la velocidadnominal. El refinamiento de los ajustes se debe efectuar a través de ensayos decampo.

5.3.2 - Compensador de Corriente Reactiva

El ajuste del CCR se efectúa de forma que se compense una parte de la caída devoltaje en el transformador elevador, ya que, en grandes plantas, el paralelo delos grupos se realiza en alto voltaje [60]. En plantas pequeñas, donde dos o másmáquinas pueden compartir el transformador elevador, el CCR provee unacaracterística voltaje versus corriente reactiva descendente, de forma que seaposible un paralelo estable en bajo voltaje [56].

Usualmente se ajusta el CCR en la faja de 1/2 a 2/3 de la reactancia deltransformador elevador [43]. Se utiliza el criterio de proveer la misma regulaciónen bajo voltaje (aditiva, Xt/2) y alto voltaje (substractiva, Xt/2), como lo que fuepresentado en la figura 3.3. No existen ajustes dinámicos para efectuar.

5.3.3 - Limitador de Subexcitación

Para el LSE es necesario efectuar dos tipos de ajustes: el de la línea inicial deactuación del dispositivo y el ajuste de la malla de compensación y ganancia.

El ajuste de la línea de actuación es más simple. Utilizando la simbologíaadoptada en el diagrama de bloques expuesto en el capítulo 3, la línea deactuación se define por:

k r I r k xI x k vVt 0− − ≥ 5.3

O (en el inicio de la actuación):

I rk xIx k vVt

k r=

+5.4

Control de Voltaje


Para la curva de capacidad en voltaje nominal se puede substituir Pe y Q por Ir y -Ix respectivamente. Se definen dos puntos de la curva por los cuales deberápasar la recta de definición del límite de actuación del dispositivo.

Uno de los parámetros, Kx, Kv, o Kr, se fija mientras que los otros dos se ajustande modo que se obtenga la recta deseada.

I rk xIx k vVt

k r=

+5.5

La figura 3.6, ya presentada, ilustra la recta de actuación del dispositivo.

Para el ajuste dinámico es necesario efectuar un estudio de simulación máquinacontra barra infinita, buscando evaluar la actuación dinámica del dispositivo. Esconveniente que tal estudio se realice para, por lo menos, dos cargas: en lamáxima potencia activa y reactiva, que localice el punto de operación casi sobrela recta de actuación del dispositivo, y con carga activa nula, también casi sobrela recta de actuación del dispositivo.

El criterio sugerido para el ajuste, es el de la maximización de la ganancia, a finde minimizar el error de ultrapasaje de la recta de actuación, con un buendesempeño transitorio.

El RT debe ser estimulado con escalón en la referencia en el sentido de reducir lavoltaje y provocar la actuación del dispositivo. Las constantes de tiempo yganancia se pueden ajustar a través de simulaciones sucesivas. El refinamientofinal de los parámetros se obtiene a través de ensayos de campo.

5.3.4 - Limitador de Corriente de Campo

A ejemplo del LSE, el ajuste del LCC no es muy comentado en la literatura. Poreste motivo, los procedimientos aquí sugeridos para ajuste, se fundamentan enla experiencia de la REIVAX.

El tope de corriente para actuación del LCC es un dato suministrado por elfabricante del generador. El SE siempre posee mayor capacidad de corriente queaquella admisible como la de operación continua del generador.

Una vez definido el tope de actuación del dispositivo, se debe ajustar su malla decompensación. El criterio sugerido para tal ajuste es, nuevamente, el demaximizar la ganancia del dispositivo para limitar el error de sobrecorriente conuna garantía de buen desempeño transitorio.

Se sugiere la realización de estudios de simulación para dos condiciones dedespacho: con la potencia activa nominal y máxima potencia reactiva y conpotencia activa nula y máxima potencia reactiva, ambas de acuerdo con la curvade capacidad del generador.

Control de Voltaje


El procedimiento para ajuste del compensador de atraso es similar al que fueexpuesto para el LSE. Se simulan en las dos condiciones de carga propuestas,escalones positivos en la referencia del RT de forma de provocar la actuación deldispositivo. Por un proceso de tentativa y error, a través de simulacionessucesivas, se refinan los ajustes.

Los ajustes finales se obtienen a través de ensayos de campo.

5.3.5 - Limitador Volts/Hertz

El ajuste de este dispositivo tampoco es muy comentado en la literatura. De estamanera, los procedimientos aquí sugeridos para el ajuste, se fundamentan en laexperiencia de la REIVAX.

El tope de la relación Volts/Hertz para actuación del limitador debe respetar lacurva de saturación del transformador elevador.

Definido el tope de actuación del dispositivo, se debe ajustar su malla decompensación. El criterio sugerido para el ajuste es, nuevamente, el demaximizar la ganancia del dispositivo para limitar el error de sobrecorriente conla garantía de un buen desempeño de transitorio.

Se sugiere la realización de estudios de simulación para dos condiciones:máquina girando en vacío en el voltaje nominal donde el dispositivo intervienecuando se provoca subvelocidad del grupo actuando sobre el regulador develocidad y, con la máquina en la velocidad nominal, aplicándose escalones en lareferencia del RT de forma de provocar la actuación del limitador.

El procedimiento para ajuste del compensador de atraso es similar al que fueexpuesto para el LSE. Por un proceso de tentativa y error, a través desimulaciones sucesivas, se refinan los ajustes.

Los ajustes finales se obtienen a través de ensayos de campo.

5.4 – Ajustes del Estabilizador de Sistema de Potencia

5.4.1 - Consideraciones Iniciales

El ESP es un dispositivo que necesita de varios ajustes: ganancia, constantes detiempo, fajas y niveles de bloqueo y reconexión automáticos. La acción del ESPexiste para proveer la amortiguación de oscilaciones electromecánicas locales,intermáquinas e interáreas [48].

Como se sabe [7], los SEE, por poseer elevada velocidad de respuesta, degradanel torque de amortiguación inherente al modo de oscilación local. El ESP actúa,entonces, en el sentido de garantizar una amortiguación, preservando así, lascaracterísticas benéficas de los SEE. El ESP puede ser dividido, en términos

Control de Voltaje


estructurales, en tres grandes bloques: el de la síntesis de la grandeza que seráutilizada para la estabilización; el bloque que conforma la grandeza deestabilización a través de filtros y compensadores, de forma que se obtenga unacaracterística de ganancia y fase adecuadas para la modulación del voltajeterminal; finalmente, un bloque no lineal, de bloqueo y reconexión automáticos,cuya función es inhibir o habilitar la acción del limitador de acuerdo a variascondiciones lógicas [48], [63]. Recientemente la REIVAX agregó una función: el"reset" no lineal [49], que mejoró substancialmente la acción del dispositivo encondiciones operativas de subexcitación. Se aconseja una red adicional,responsable por la supervisión del dispositivo.

La utilización adecuada del ESP, se debe fundamentar en los siguientes estudios:definición de la variable que será utilizada para la estabilización; la estructura decompensadores de avance-atraso y filtros más adecuados y, todavía, la selecciónde las condiciones lógicas para bloqueo e reconexión.

La señales que se utilizan más comúnmente para estabilización suplementaria,son las siguientes: velocidad del eje de la máquina [5]; frecuencia en losterminales de la máquina [24]; potencia eléctrica [59]; potencia de aceleración,siendo ésta obtenida o de la potencia eléctrica y velocidad [28] o de la potenciaeléctrica y frecuencia [11] o de la potencia eléctrica y apertura del distribuidor[59].

Es inevitable el surgimiento de algunos problemas de carácter operacional odinámico [31], [45], [48], cuando se está utilizando el ESP. Entre los másrelevantes podemos citar:

P1) Amplificación de las oscilaciones de presión/potencia provenientesde la cavitación principalmente en turbinas Francis [45];

P2) Variación acentuada de la potencia reactiva en las tomadas decarga activa, por acción de reguladores de velocidad pobrementeamortiguados, por la acción del operador o del control de carga yfrecuencia, CCF [48];

P3) Interacción con modos lentos del regulador de velocidad, debido aciclos límites provenientes de descansos o zonas muertas en las válvulasde comando de los servomotores [45], [48];

P4) Refuerzo de sobretensiones en situaciones de subfrecuencia ante elalivio de grandes bloques de carga [13], [59];

P5) Disminución de la amortiguación de modos con frecuencia muchomás elevada que el modo local, debido a las singularidades existentesen las propias mallas de control de voltaje [46].

La elección de la grandeza que será utilizada para la estabilización debe tener encuenta alguno de estos problemas.

Control de Voltaje


El problema P1, por ejemplo, restringe el uso de señales derivadas puramente dela potencia eléctrica. Será necesario la adopción de un filtro corta-faja pararechazar los modos de oscilación de la cavitación. Sin embargo, como talesmodos se encuentran próximos de los modos de oscilación interaéreas (0,5Hz), elESP resulta ineficaz en esta faja de frecuencias si llega a estar dotado de filtrocorta-faja.

El problema P2 también se agrava con el uso de ESP derivados de la potenciaeléctrica, ya que esta grandeza reproduce casi que fielmente la potenciamecánica en bajas frecuencias (la malla que describe el comportamientoelectromecánico del conjunto generador-turbina-sistema de potencia actúa comoun filtro pasa-baja en la función Pe/Pm), estimulando, de forma muy intensa, elSE en las tomadas de carga. El uso de filtros de "reset" atenúa el problema perono lo resuelve.

La señal de potencia eléctrica, presenta mayores facilidades de ajuste puespermite la compensación de grandes atrasos de fase en el SE [47].

El problema P3 implica nuevamente la utilización de señales con gran rechazo ybajas frecuencias. En el caso de que la variable que será utilizada paraestabilización no presente tales características, surge la necesidad de dotar alESP con pesados filtros pasa-alta con la finalidad de provocar una granatenuación en bajas frecuencias [48].

El problema P4 implica una selección de criterios, de variables y niveles debloqueo y reconexión.

El problema P5 depende mucho del SE y de la atenuación de altas frecuenciasque el ESP posee [48], [58].

5.4.2 - Estabilizador Derivado de la Potencia de Aceleración

El uso de ESPs derivados de la potencia acelerante, basados en la potenciaeléctrica y velocidad o frecuencia, se encuentra mundialmente difundido. Existeun caso, el del sistema eléctrico argentino, en el cual todos los ESPs, defabricación de la REIVAX, son derivados de la potencia acelerante [33], [63].

La construcción básica de la señal de potencia acelerante fue presentada en laFigura 4.1 [28].

De acuerdo a ensayos comparativos entre varios tipos de estabilizador se puedeobservar lo siguiente:

a) La presencia de modos de alta frecuencia (superiores a 10Hz)inestable para ESPs derivado de la frecuencia y velocidad, y el modo dela excitatriz (2,5-4Hz) pudieron ser amortiguados

Control de Voltaje


b) Existió acción efectiva de amortiguación sobre los modos intra-planta(1,5Hz), local (1,0Hz) e inter-área (0,5Hz);

c) No se observó variación de la potencia reactiva en las tomadas decarga activa, ya sea sobre los comandos del operador sobre elregulador de velocidad, ya sea sobre la actuación del controlautomático de la generación;

d) Se constató un ajuste robusto, con ajuste no críticos, y con posibilidadde la utilización de ganancias mucho mayores de las que el ESPderivado del desvío de frecuencia;

Resultados excelentes en la insensibilización de las tomadas de carga, seobtienen utilizando un filtro, Gf(s), con capacidad de rastreamiento de rampa[48]. Tal tipo de filtro es capaz de minimizar (aproximadamente) unas 10 vecesla máxima fluctuación transitoria de voltaje durante variaciones de la potenciamecánica.

En altas frecuencias, el filtro se comporta como un filtro pasa-baja de tercerorden, permitiendo la atenuación de modos poco amortiguados que podrían ser,eventualmente, estimulados por el canal de frecuencia.

Otro aspecto que merece estudios es el de la robustez del ESP, o sea, esnecesario que la acción del estabilizador sea adecuada en las varias condicionesde despacho, mismo, frente a la presencia de variaciones topológicas en elsistema de potencia.

La robustez es una característica observada en los ESPs derivados de la potenciaeléctrica o de aceleración [48]. Con estas variables, los ajustes se vuelven menoscríticos pudiendo obtenerse buenas respuestas en condiciones muy variadas dedespacho.

La función primordial del ESP - la amortiguación de oscilaciones - se debe cumpliren una ancha banda de frecuencias a fin de conseguir una acción efectiva tantoen oscilaciones inter-área como en el modo intra-planta [27]. Normalmente seprevé una banda que comprende frecuencias de 0,1Hz a 2Hz [27]. De esta formala función de transferencia del dispositivo debe ser profundamente estudiada ydotada de gran flexibilidad de ajustes.

Los estudios realizados en los órganos de planificación, a pesar de que sonrealizados para nuevas instalaciones con una fuerte carencia de informaciones,tales como reactancias, constante de tiempo del generador, estructuras de lossistemas de control, etc., deben suministrar, a los departamentos de proyecto delas empresas, informaciones útiles para la especificación de tales equipos, bajopena de que sea inviabilizada la operación del ESP, a partir de la entrada de laprimera máquina de la planta en operación, como ya ocurrió en Brasil [36].

Control de Voltaje


La elección del tipo de señal, es de fundamental importancia para la correctaoperación del sistema de excitación.

5.4.3 - Ajuste de la Parte Lineal

Los estudios inicialmente realizados, comprenden: análisis lineal del sistemamulti-máquinas, utilizando técnicas de autovalores y autovectores, y, estudios deestabilidad transitoria. Tales estudios buscan evaluar la acción de amortiguaciónde los ESPs en las varias máquinas del sistema.

Ante la imposibilidad de poseer las herramientas adecuadas para la realización detales tipos de estudios es posible realizar estudios más simples de simulación dela máquina contra barra infinita, que permitan una buena ante-visión de lostrabajos de campo.

El ajuste del ESP se ejecuta en dos etapas [14]. En la primera etapa, se ajusta lafase del dispositivo de tal manera que queden alineados los desvíos de voltajecon los desvíos de velocidad, dentro de una ancha faja de frecuencias,provocando, así, esfuerzo de amortiguación [7]. En una segunda etapa, se ajustala ganancia a fin de garantizar una razón de amortiguación positiva y suficientepara la buena amortiguación de las oscilaciones locales. Se busca obtener uncomportamiento robusto, tanto para las variaciones de carga cuanto para lasvariaciones de reactancia externa [18].

Inicialmente, se obtiene la reactancia equivalente del sistema de potencia parauna determinada configuración y despacho, de preferencia para aquellaconfiguración, que los estudios rutinarios de estabilidad hayan determinado comosiendo la más crítica. Para la determinación de reactancia equivalente se utiliza,usualmente, un programa computacional de cortocircuito. Con un cortocircuitotrifásico en la barra de alto voltaje de la planta, por la contribución del sistema alcortocircuito, se define la reactancia equivalente en alto voltaje. Para la barra debajo voltaje, se efectúa el paralelo de esta reactancia con las reactancias de lostransformadores elevadores de las otras unidades de la planta. Así, estandodisponibles los parámetros del generador y el modelo del sistema de excitación,será posible crear un archivo de simulación para efectuar los estudios de ajustedel ESP.

Para el ajuste de las constantes de tiempo de "reset" se utilizan valores en la fajade 2 a 3s.

Cuanto mayor sea la constante de tiempo más ancha será la banda defrecuencias en la cual el ESP podrá ser eficiente. Sin embargo, en sistemas conregulación de frecuencia precaria, resulta inviable utilizar valores muy elevadosde constante de tiempo debido a la excesiva modulación del voltaje terminal. Porejemplo, en sistemas como el argentino, la REIVAX utilizó "resets" de 2s y en elsistema brasileño, "resets"de 3s.

Control de Voltaje


Con la máquina operando en las condiciones nominales, sin ESP, se aplica unescalón en la referencia del RT, en el mismo punto de ingreso de la señal delESP. Con la respuesta obtenida del voltaje terminal se puede obtener el diagramade respuesta frecuencial del conjunto. Tal diagrama definirá los avances de fasenecesarios para alinear los desvíos de voltaje con los desvíos de frecuencia enuna faja ancha de frecuencias de oscilación.

Con la frecuencia observada en el modo de oscilación intra-planta se define unvalor inicial para la constante de tiempo del filtro rastreador de rampa.

La ganancia se ajustará para garantizar una buena amortiguación de los modoselectromecánicos de oscilación sin que la amortiguación del modo de la excitatrizse degrade.

Los ajustes se refinarán a través de ensayos de campo, siendo sin embargo,importante que los estudios suministren la máxima información posible.

5.4.4 - Ajuste de la Parte no Lineal

Definidos los ajustes de las ganancias y constantes de tiempo, que se refinaránmediante los ensayos de campo, resta evaluar la parcela no lineal del dispositivo.Tal parcela corresponde al limitador de salida y al esquema de bloqueo yreconexión automáticos.

La salida del ESP debe ser limitada para garantir que la modulación de voltaje nose procese muy intensamente durante severos disturbios en el sistema depotencia, evitando así, la posible actuación de dispositivos de protección. Sinembargo, restringir exageradamente la salida del ESP lo volverá ineficiente [3].

El esquema de bloqueo y reconexión, evita, a partir de condiciones lógicas,actuaciones indeseables del dispositivo tales como refuerzos y sobretensionesdebidas a variaciones bruscas de potencia eléctrica después de la actuación delas etapas de los esquemas de conservación de cargas [13], [62].

La evaluación de los ajustes del limitador de salida y del esquema de bloqueo yreconexión, sólo se podrá realizar mediante simulaciones.

El ajuste del limitador de salida (muy poco considerado en la literatura), es,normalmente, simétrico en la faja de ±5% a ±10% [3], [62]. Una formaconveniente de ajustarlo es tomarlo el máximo posible para que el ESP resultebastante efectivo y tomarlo el mínimo posible por problemas de seguridad.

Es interesante evaluar los ajustes a través de simulaciones de casos críticos enestudios de estabilidad, donde la acción del ESP se muestra fundamental para lagarantía de la estabilidad. Mediante simulaciones sucesivas se van disminuyendogradativamente los límites del ESP hasta que se sienta la degradación del torquede amortiguación. Definido tal límite, se eligen valores para ajustar, entre 1 vez1/2 y dos veces el valor definido como crítico [48], [55], [62].

Control de Voltaje


El bloqueo del ESP se justifica en dos circunstancias: cuando él no resultaefectivo, o cuando su contribución a la corrección de la situación anormal delsistema de potencia no se muestra positiva. Estas condiciones son [48], [62]:

a) Sobre o subvoltaje seguida por fuerte acción del ESP al tratar de reforzarel problema durante un tiempo excesivo;

b) Operación del generador como compensador sincrónico o baja carga o,todavía, cuando la turbina está pasando en una tomada de carga, por lazona de cavitación (en este caso, el PWX500 permite que se reduzca laganancia en función de la potencia);

c) ESP defectuoso;

d) Durante ensayos de campo, por el hecho de que es posible (al ajustarganancias y constantes de tiempo) pasar por combinaciones inestables.

La reconexión debe ser efectuada lo más rápidamente posible enseguida de ladesaparición de las condiciones de bloqueo y solamente luego de ser alcanzadauna condición en la cual la salida del ESP presente baja intensidad para noprovocar variaciones excesivas de voltaje. Tal procedimiento garantiza unahistéresis natural, previniendo, así, ciclos límites de bloqueo y reconexión.

En la Figura 4.3 se presentó el esquema de bloqueo y reconexión actualmenteutilizado por la REIVAX.

En tal esquema el ESP se desconecta cuando:

a) Existe sobrevoltaje y la salida del ESP es positiva por un tiempopredeterminado;

b) Existe subvoltaje y la salida del ESP es negativa por un tiempopredeterminado;

c) El estabilizador está defectuoso;

d) El disyuntor de grupo está abierto;

e) Existe comando local para bloqueo.

Para la reconexión es necesario que la salida del estabilizador seasuficientemente baja (en valor absoluto) para ni provocar el retorno de lasobrevoltaje (o subvoltaje).

La ganancia puede ser reducida por nivel de potencia.

Control de Voltaje


La constante de tiempo del "reset2" puede ser transitoriamente reducida encondiciones de subvoltaje (o sobrevoltaje) acompañada de una salidaexcesivamente negativa (o positiva) por un tiempo predefinido. Estacaracterística es particularmente importante en transitorios en los cuales lamáquina puede alcanzar la región de actuación del relé 40 (pérdida deexcitación) [49].

De acuerdo con la experiencia de la REIVAX, un buen punto de partida para losestudios de ajuste, consiste en tomar los siguientes valores:

a) Nivel de sobrevoltaje compatible con el ajuste del relé de sobrevoltaje (entorno de 10%);

b) Nivel se subvoltaje en torno de 10%

c) Salida elevada del ESP tomada en la mitad del ajuste del limitador desalida (con una faja de histéresis hasta cero);

d) Nivel de potencia mecánica, o eléctrica, de acuerdo con las peculiaridadesdel local (zona de cavitación y faja inefectiva de operación del ESP).

El PWX500 también se desconecta en las siguientes condiciones: actuación de"watch-dog", falla de fuente y falla de "read-back".

5.5 - Conclusiones

Se expuso una forma de enfocar el problema de ajustes del sistema deexcitación.

El ajuste de los diversos dispositivos se efectúa con base en simulacionessucesivas. Tal procedimiento establece una base segura para los ensayos decampo que van dictar los ajustes finales. No se establece un procedimientodirecto de ajustes. Existe la necesidad de refinamientos en un proceso detentativa y error.

La finalidad es la de explotar al máximo las potencialidades del equipo.Restricciones de orden operacional deben ser analizadas como hechos de lamayor importancia. En la etapa de planificación se deben profundizar los estudiospara la especificación del equipo más adecuado para cada instalación.

El uso de ESP es la opción más barata y efectiva para mejorar las condicionesdinámicas del sistema eléctrico de potencia. Se debe realizar un esfuerzo paraadecuarlo a cada instalación. Se aconseja poseer estructuras que posibilitenconfigurar la función de transferencia del ESP, así como fajas de ajuste anchas demanera que puedan soportar las diversas necesidades. Deben ser utilizadosfiltros corta-faja, para rechazar modos indeseables, siempre que no sea posiblehallar soluciones que no impliquen una deteriorización apreciable de la faja defrecuencia efectiva del ESP. El uso de estabilizadores derivados de la potencia de

Control de Voltaje


aceleración, a través de la potencia eléctrica y velocidad, con el uso del filtropasa-baja con capacidad de rastreamiento de rampa, atenúa los modosinherentes al régimen turbulento de la succión y minimiza las variaciones decarga reactiva en el momento de tomar las cargas activas. La atenuación de losmodos de baja frecuencia es posible debido a la reproducción, en la potenciaeléctrica, de señales de baja frecuencia presentes en la potencia mecánica.

La señal de potencia de aceleración ofrece mayor atenuación para modos dabaja frecuencia que la señal de potencia eléctrica, teniendo la misma riqueza deinformaciones que ésta, en frecuencias que van desde el modo interárea hasta elmodo intraplanta.

El ESP demostró ser una solución económica y eficiente para la amortiguación deoscilaciones electromecánicas en el sistema eléctrico de potencia. El costo mayores el de ingeniería, siendo que el gasto con el material es bastante reducido,inclusive, si lo comparamos con las otras alternativas que implican unaimplantación de equipos onerosos en el sistema.

La estructura propuesta posibilita la eficiencia del ESP sin la contrapartida de unaserie de problemas correlativos que las otras estructuras ocasionan a laoperación de las máquinas.

La faja de ajustes con buen desempeño del ESP es bastante ancha lo que generaindicios razonablemente seguros de una buena operación bajo diferentescondiciones de sistema.

La síntesis del ESP se efectuó de manera tal que sea posible implantarlo envarios tipos de instalaciones con un mínimo número de cables.

Los ensayos de campo deben ser cuidadosamente planificados, pues se trabajaen tiempo reducido, bajo la presión del personal de despacho, y ni siempre esposible operar las máquinas en determinadas condiciones de despacho, porrestricciones de operación. Estos ensayos, todavía son actualmente onerososdebido al tiempo requeridos en la operación fuera de los valores de despacho,considerado como económicamente recomendable para determinado horario, ydebido, todavía, a la necesidad de instalación de algunos equipos apenas con elgrupo parado.

El análisis lineal para sistema multimáquinas es una herramienta para evaluacióndel problema de estabilidad mediante métodos directos que permite evaluar,rápidamente, la acción de los diversos estabilizadores en un sistema de potencia.

La simulación digital, efectuada en PCs, para casos de máquina aislada o contrabarra infinita sirve como herramienta complementar para análisis de problemasintrínsecamente no lineales. Es conveniente que los esquemas de bloqueo yreconexión de estabilizadores sean validados mediante simulaciones.

Control de Voltaje


6 - CONCLUSIONES

El trabajo abarca los aspectos del modelado, identificación y ajustes de sistemasde excitación. Presenta, también, un modelo básico de sistema de excitación quesirve para establecer e ilustrar las estrategias de ajustes propuestas. El aspectode la asistencia al desempeño, que puede ser entendida como la "manutención"de los ajustes, también es discutida.

Varias conclusiones pueden ser originadas por este trabajo. El autor se limita aresaltar las de mayor importancia.

Respecto al modelado, tema enfocado en el capítulo 2, reside la base para losestudios subsecuentes. Se recomienda el uso del modelo IV, por reproducir, demanera fiel, en una banda de frecuencias relativamente ancha, elcomportamiento dinámico de la máquina sincrónica.

En lo que atañe a la identificación de generadores sincrónicos, se da gran énfasisa los ensayos basados en el rechazo de carga. Tales ensayos combinan un altogrado de facilidad de implantación con una gran riqueza de informacionesobtenidas. La realización de ensayos en generadores que ya están operando, esproblemática. Por motivos obvios, los ensayos que necesitan de gran tiempo deparada de las máquinas son bastante difíciles de justificar, inclusive aquellosensayos que colocan en riesgo la integridad de las máquinas, como el decortocircuito brusco. De esta forma la opción del autor por ensayos de rechazo decarga, se justifica. La identificación de generadores enfoca una estructura fija delproceso con parámetros para determinar. Se considera que para cada ensayo, losparámetros no varían. Se debe recordar que los parámetros obtenidos presentanun cierto grado de incertidumbre para otras condiciones de trabajo de lamáquina, que no sean aquellas ofrecidas en los ensayos. De hecho, grandezascomo la temperatura, campo magnético de operación, etc., afectan pesadamentelos parámetros.

El sistema de excitación presentado en el capítulo 3, sirve de referencia para losestudios de ajuste, e incluye el modelado de algunos dispositivos que no serepresentan, usualmente, en estudios de estabilidad. Tales dispositivosinfluencian significativamente el desempeño del sistema de excitación. Porejemplo, el compensador de corriente reactiva se encuentra permanentementeactivo y altera substancialmente el estado permanente de operación de lamáquina. El limitador de subexcitación actúa en oposición a la malla principal decontrol de voltaje, en la región comprendida por la curva de capacidad delgenerador. El conocimiento físico del sistema de excitación, ratificado porensayos de identificación, permite que el analista sugiera modificaciones yproponga reajustes con una base bastante segura. En los sistemas sintetizados apartir de componentes electrónicos (la totalidad de los sistemas de excitaciónestática), es posible optimizar bastante la tarea de obtención de modelos, con unsimple análisis realizado en la oficina, utilizando técnicas elementales de la teoría

Control de Voltaje


de circuitos eléctricos pasivos y activos. Ya en los SEDs este procedimiento esmucho más simple.

El problema de los ajustes del sistema de excitación se enfoca a partir de unaestrategia muy simple: diferenciar las diversas situaciones operacionales,estableciendo el modelado en función de los dispositivos que intervienen en cadacaso. Los ajustes se obtienen a través de simulaciones sucesivas. Los ajustesfinales se obtienen después de los ensayos de campo. Para esto, elprocedimiento de análisis sugerido ofrece una segura base.

El uso del estabilizador del sistema de potencia alcanza suceso cuando se adecuacorrectamente a cada instalación. Se debe, entonces, dar énfasis a lasrestricciones de carácter operacional.

El uso de estabilizadores derivados de la potencia de aceleración, sintetizada apartir de la potencia eléctrica y velocidad o frecuencia, resuelve la mayor partede los problemas tales como: interacción con modos lentos asociados al controlde velocidad; propagación de las oscilaciones de presión debidas al régimenturbulento de la succión; variación excesiva de carga reactiva en tomadas decarga activa, supresión de la propagación de los modos torsionales mediante ESPy RT. Los esquemas de bloqueo y reconexión deben ser adecuados a cadainstalación. En este aspecto, el esquema propuesto en el capítulo 5 se muestrabastante flexible, o sea, capaz de acomodar necesidades de varias instalacionesmediante el simple ajuste de parámetros.

Control de Voltaje


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ABNT, Máquinas Sincronas - Métodos de Ensaio, Norma MB-470, 1977.

[2] BARBI, I., Eletrônica de Potência, Editora da UFSC, Florianópolis, 1986.

[3] BOLLINGER, K.E., AO, S.Z., PSS Performance as Affected by its OutputLimiter, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol l1, no 1, 118-124,Março de 1996.

[4] CHEN, C.F. & HAAS, I.J., Elements of Control Systems Analysis - Classicaland Modern Approach, Prentice-Hall, 1968.

[5] DANDENO, P.L.; KARAS, A.W.; MCCLYMONT, K.R.; WATSON, W., Effect ofHigh-Speed Rectifier Excitation Systems on Generator Stability Limits, IEEETransactions on PAS, vol 87, no 1,190-201, Janeiro de 1968.

[6] D'AZZO, J.J. & HOUPIS, C.H., Análise e Projeto de Sistemas de ControleLineares, 2 ed., Rio de Janeiro, Guanabara Dois, 1984.

[7] DE MELLO, F.P. & CONCORDIA, C., Concepts of Synchronous MachineStability as Affected by Excitation Control, IEEE Transactions on PAS, vol 88,no 4, 316-331, 1969.

[8] DE MELLO, F.P. & HANNET, L.H., Determination of Synchronous MachineElectrical Characterists by Tests, IEEE Transactions on PAS, vol 102, no 12,3810-3815, Dezembro de 1983.

[9] DE MELLO, F.P. & RIBEIRO, J.R., Derivation of Synchronous MachineParameters from Tests, IEEE Transactions on PAS, vol 96, no 4, 1211-1218,Julho/Agosto de 1977.

[10] DE MELLO, F.P., Electrical Machine Dynamics I - Course Notes, PTI,Schenectady, New York, 1971.

[11] DE MELLO, F.P.; HANNET, L.H.; UNDRIL, J.M., Practical Approaches toSupplementary Stabilizing from Accelerating Power, IEEE Transactions onPAS, vol 97, no 5, 1515-1522, 1978.

[12] DE MELLO, F.P. & HANNET, L.H., Validation of Synchronous Machine Modelsand Derivation of Models Parameters from Tests, IEEE Transactions on PAS,vol 100, no 2, 662-672, Fevereiro de 1981.

[13] DE MELLO, F.P.; LEUZINGER, L.M.; MILLS, R.J., Load RejectionOvervoltages as Affected by Excitation System Control, IEEE PES SummerMeeting, Anaheim, California, Julho de 1974.

Control de Voltaje


[14] EILTS, L.E., Power System Stabilizers, Theoretical Basis and PracticalExperience, Panel Discussion on "Dynamic Stability in the WesternInterconnected Power Systems", Anaheim, Julho de 1974.

[15] FIGUEIREDO, E. et allii, (Força Tarefa de Amortecimento de OscilaçõesEletromecânicas), The Brazilian Experience on The Utilization of StabilizingSignals for Dampingh Electromechanical Oscilations, V Encontro da CIGRÉ,1993.

[16] GADEN, Etudes de Stabilité ..., Informations Techniques Charmilles, 1947(conforme NECHLEBA, M., Theory of Indirect Speed Control, ed. SNTL,Praga, 1964).

[17] GEYGER, W.A., Magnetic Amplifier Circuits - Basic Principles Characteristicsand Applications, 1a ed., McGraw-Hill Book Company, 1954.

[18] GIBBARD, M.J., Robust Design of Fixed Parameter Power System StabilizersOver a Wide Range of Operating Conditions, IEEE Transactions on PowerSystems, vol 6, no 2, 794-800, Maio de 1991.

[19] GOMES, P., NAZARENO, J.B., VALGAS, H.., ZENI Jr., N., CARVALHO, J.F.,Application of Power System Stabilizers on the Brazilian InterconnectedPower System, 34a Sessão Bienal da CIGRÉ, Paris, Agosto-Setembro de1992.

[20] IEC, Recommendations for Rotating Electrical Machinery - Part 4: Methodsfor determining Synchronous Machine Quantities from Tests, Geneve, 1a

ed., 1967.

[21] IEEE WORKING GROUP ON COMPUTER MODELLING OF EXCITATIONSYSTEMS, Excitation System Models for Power System Stability Studies,IEEE Transactions on PAS, vol 100, no 2, 494-509, Fevereiro de 1981.

[22] IEEE, Test Procedures for Synchronous Machines, IEEE, New York, 1965.

[23] IEEE JOINT WORKING GROUP ON DETERMINATION OF SYNCHRONOUSMACHINE STABILITY CONSTANTS - TASK FORCE ON DEFINITIONS,Supplementary Definitions and Associated Test Methods for ObtainingParameters for Synchronous Machine Stability Study Simulations, IEEETransactions on PAS, vol 99, no 4, 1625-1633, Julho/Agosto de 1980.

[24] KEAY, F.W. & SOUTH, W.H., Design of a Power System Stabilizer SensingFrequency Deviation, IEEE Transactions on PAS, vol 90, no 2, 707-713,1971.

[25] KUNDUR, P., KLEIN, M., ROGERS, G.J., ZYWNO, M.S., , Application ofPower System Stabilizerds for Enhancement of Overall System Stability,IEEE Transactions on Power Systems, vol 4, no 2, 614-626, Maio de 1989.

Control de Voltaje


[26] KUNDUR, P., Development and Application of Power System Stabilizers atOntario Hydro, I SEPOPE, Rio de Janeiro, 1987.

[27] LARSEN, E.V. & SWAMM, D.A., Applying Power System Stabilizers: Parts I,II, III, IEEE Transactions on PAS, vol 100, no 6, 3017-3046, Junho de1981.

[28] LEE, D.C.; BEAULIEU, R.E.; SERVICE, J.R., A Power System Stabilizer UsingSpeed and Electric Power Inputs: Design and Field Experience, IEEETransactions on PAS, vol 100, no 9, 4151-4157, 1981.

[29] LEE, D.C.; BEAULIEU, R.E.; BERUBE, G.R., Discussão de Accelerating PowerVersus Electrical Power as Input Signal to Power System Stabilizers deBOLINGER, K.E., IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 6, no 4,1991.

[30] NAI - ELETROBRAS, Nacionalização de Sistemas de Excitação Estática, NAI- ELETROBRAS, GT-5, 1984.

[31] MOLINA, R.D., Estabilizador (PSS) de La Central de Rio Grande:Inconvenientes Operativos. Modelo para Evaluación de Seguridad, V ERLAC,Ciudad del Este, 1993.

[32] OGATA, K., Engenharia de Controle Moderno, Rio de Janeiro, Prentice-Halldo Brasil, 1982.

[33] PAIVA, P.M.P.; ZENI Jr., N.; SOARES, J.M.C.; PONS, F.H.P., Extensive PSSUse in Large Systems: the Argentinean Case, IEEE 99’ Summer Meeting,Edmonton, Canada, 1999.

[34] PEDROSO, A., Otimização dos Principais Controladores do SistemaInterligado. Vol 1 - Desenvolvimento Teórico, Relatório SCEL/GTAS/S032/86, Novembro de 1986.

[35] PELLY, P.R., Thyristor Phase Controlled Converters and CycloConverters:Operation, Control and Performance, 1a ed., John Wiley & Sons, New York,1971.

[36] PORONGABA, H.; FERREIRA, A.; ABREU, H.A.; MOROZOWSKI, M., Ensaios eVerificações nos Reguladores de Tensão de Salto Osório, IV SNPTEE, Rio deJaneiro, 1977.

[37] REIVAX – F02009 Identificação dos Sistemas de Excitação, Reguladores deVelocidade e Máquinas da UTG William Arjona, Relatório de Serviços, 2002.

[38] REIVAX – F02019 Identificação e Reajuste do Sistema de Excitação de An-gra I, Relatório de Serviços, 2002.

Control de Voltaje


[39] REIVAX – F02028 Identificação do Gerador da UHE Dona Francisca, Relató-rio de Serviços, 2002.

[40] REIVAX – F02034 Identificação e Reajuste do Sistema de Excitação e Esta-bilizador de Sistema de Potência da Usina de Cana Brava, Relatório de Ser-viços, 2002.

[41] REIVAX – F02040 Ensaios e Modelos das Plantas A, B, D e W da El Paso Ma-naus, Relatório de Serviços, 2002.

[42] REIVAX – F02042 Ensaios e Modelos da UTE Piratini, Relatório de Serviços,2002

[43] RUBENSTEIN, A.S. & WALKLEY, W.W., Control of Reactive KVA with ModernAmplidyne Voltage Regulators, Transactions of AIEE, vol 76, Parte III, 961-970, Dezembro de 1957.

[44] SANATHANAN, C.K. & KOERNER, J., Transfer Function Synthesis as a Ratioof Two Complex Polynomials, IEEE Transactions on Automatic Control, vol 8,no 56, 56-58, 1963.

[45] SOARES, J.M.; FIGUEIREDO, F.F.; PAIVA, P.M.; PONS, F.M., SinaisAdicionais Estabilizadores em Geradores Acionados por Turbinas Francis:Testes de Campo e Simulações, 3o CBA, Rio de Janeiro, 1980.

[46] SOARES, J.M.; REICHERT, F.; NETO, C.A.M., Comparação entre DiferentesSinais Adicionais Estabilizadores para Hidrogeradores: Testes de Campo eSimulação, 1o CLAA/5o CBA, Campina Grande, 1984.

[47] SOARES, J.M., Identificação Experimental, Simulação e Ajuste deReguladores de Velocidade de usinas Hidrelétricas com Verificação emTestes de Campo, Dissertação de Mestrado, Santa Maria, 1982.

[48] SOARES J.M.& ZENI Jr., N., Power System Stabilizer for Hydrogenerators:Analysis, Comparison and Field Implementation, Symposium on Planningand Operation of Electric Energy Systems, Rio de Janeiro, Julho de 1985.

[49] SOARES, J. M. et allii, Operational Aspects of the Actuation of Power SystemStabilizers: Coordination with Protection and Other Controllers, V SEPOPE,Recife, 1996

[50] SOARES, J.M.; ARIONI, A.D., PONS, F.H., Estabilizadores de Sistema dePotência Derivados da Potência Acelerante: Experiência no SistemaColombiano, XIII SNPTEE, B. Camboriú, 1995.

Control de Voltaje


[51] SOARES, J.M., NEVES, F.C., ZENI Jr., N., Implantação de Estabilizadores deSistemas de Potência na Argentina: Usinas Dotadas de Controle Conjunto deAção Rápida, XIV SNPTEE, Outubro de 1997.

[52] THORNTON, Catálogo de Núcleo de Ferrite, São Paulo, INPEC ELETRÔNICAS/A, Abril de 1982.

[53] VU, H., AGEE, J.C., Comparison of Power System Stabilizers for DampingLocal Mode Oscillations, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 8, no

3, 533-538, Setembro de 1993.

[54] WESTERN SYSTEMS COORDINATING COUNCIL, Test Procedures for PowerSystem Stabilizers, Julho de 1976.

[55] YOUNG, C.C., Modern Concepts of Power System Dynamics - TheSynchronous Machine, IEEE Tutorial Course, Publicação no 70M62 PWR,1970.

[56] ZENI Jr., N., Compensadores de Corrente Reativa, Relatório CEEE -DES/SCS, 1978.

[57] ZENI Jr., N., Sistema de Excitação da UHE Itaúba: Identificação Através deEnsaios De Campo, Ajustes, Modificações Implementadas e ModeloAnalógico para Estudos de Estabilidade, Relatório CEEE/DES/SCS 001/83,1983.

[58] ZENI Jr., N. & SIMÕES COSTA, A.J.A., Power System Stabilizers forHydroelectric Plants: Modeling Considerations and Aspects Related to SignalDerivation and Synthesis, I SEPOPE, Rio de Janeiro, Agosto de 1987.

[59] ZENI Jr., N. & MORAES, V.E.S., Projeto e Implantação de Estabilizador deSistema de Potência Derivado da Potência de Aceleração na Usina deItaúba, III SEPOPE, Belo Horizonte, Maio de 1992.

[60] ZENI Jr., N., Controle da Excitação de Geradores de Usinas Hidrelétricas:Modelagem, Identificação, Ajustes e Ensaios de Campo, Dissertação deMestrado, UFSC, Florianópolis, Outubro de 1987.

[61] ZENI Jr., N. & MORAES, V.E.S., Identificação de Parâmetros de Geradoresde Usinas Hidrelétricas Através de Ensaios de Rejeição de Carga, X SNPTEE,Curitiba, Outubro de 1989.

[62] ZENI Jr., N., WERBERICH, L.C., DA LUZ, L.T.O., Metodologia para Ajuste deCampo de Estabilizadores de Sistema de Potência e Definição de Critériospara o Ajuste de Níveis de Bloqueio e Reconexão, RBE Vol 9, no 2, 1993.

[63] ZENI Jr. N. et alii, Implantación de Estabilizadores de Sistema de Potenciaen La Argentina, I ANDESCON, Islas Margaritas, Venezuela, 1999.

Control de Voltaje


Control de Voltaje


ANEXO A - SIGLAS ADOPTADAS

SE : Sistema de ExcitaciónSEE : Sistema de excitación EstáticaSED : Sistema de Excitación DigitalRT : Regulador de VoltajeCCR : Compensador de Corriente ReactivaLSE : Limitador de SubexcitaciónLCC : Limitador de Corriente de CampoLV/Hz : Limitador Volts/HertzESP : Estabilizador de Sistema de Potencia

Control de Voltaje


ANEXO B - DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DELSISTEMA DE EXCITACIÓN

Este anexo pretende presentar la forma más simple de síntesis de los dispositivosmás importantes de un SE analógico.

B.1 - Convertidor de Potencia

La Figura B.1 muestra el esquema eléctrico del convertidor de potencia de unsistema de excitación estática a dos cuadrantes. Tal configuración puedesuministrar, al campo del generador, tensiones positivas y negativas y corrientesapenas positivas.

FIGURA B.1 - Esquema eléctrico de excitación estática

Se menospreciará, en el análisis, las caídas de voltaje en el transformador deexcitación y en los tiristores.

Los tiristores conducen en forma de pares. En la secuencia directa, ABC, lospares que conducen sucesivamente son: 1,4; 1,6; 3,6; 3,2; 5,2; 5,4. Los paresconducen durante 60°eléctricos. Cada tiristor conduce durante 120° eléctricos

La Figura B.2 presenta el voltaje de salida del puente rectificador para unavariación del ángulo α, de retardo de conducción de 0 a 180°.

Control de Voltaje


FIGURA B.2 - Voltaje de salida del puente rectificador

El voltaje promedio, resultante de la rectificación, se calcula por:

VM Va

a(wt)dwt V ( )=

+

+∫ =

62

2

3

23 3 2

π π

π

παsen cos B.1

Como el sistema es de tipo "bus-fed", se tiene que V = k1Vt, luego:

E fd (k Vt ) ( )=3 2

1παcos B.2

El voltaje que alimenta el puente también debe ser informada al circuito decomando de pulsos de gatillo, de forma que exista sincronismo.

Para el caso específico de la polarización cosenoidal, la señal CA de sincronismoguarda una relación de 150o de atraso con el voltaje del transformador derectificación.

La Figura B3 presenta las tensiones de sincronismo para el tiristor 1 y el voltajeAB.

FIGURA B.3 - Tensiones de sincronismo para el tiristor 1 y voltaje AB.

Control de Voltaje


Para la definición del ángulo de retardo de conducción, α, el circuito de comandoejecuta la suma de la señal de sincronismo y de la señal de regulación,comparando esta suma con cero. Suponiendo, por ejemplo, que el par 5,4conduce (tensiones entre las fases C y B) y que el tiristor 5 saldrá de conduccióncon la entrada del tiristor 1. En este caso, tomando como referencia de fase los60o de la voltaje AB (figura B3), se puede escribir, según la ley de disparodescrita, que:

Vreg Vsinc (wt)= cos B.3

Resolviendo la ecuación para wt, tenemos:

wt (Vreg /Vsinc )= = −α cos 1 B.4

Como el voltaje de sincronismo también es proporcional a el voltajeVt tenemos:

α = −cos 12[Vreg /(k Vt )] B.5

El voltaje de campo, dentro de los límites teóricos de excursión de ángulo α,resulta:

E fd(k Vt )

(k Vt )Vreg

k

kVreg= =

3 2 12

3 2 12π π

B.6

Se puede observar que el voltaje rectificado guarda relación lineal con el voltajede regulación y, dentro de los límites de excursión del ángulo α, independiente deVt.

El ángulo α puede, teóricamente, excursionar de 0o a 180o. En la práctica porproblemas físicos de los tiristores, tal excursión es limitada.

El ángulo mínimo de retardo de conducción, αton, es el resultado de la necesidadde tener el voltaje, entre ánodo y cátodo, positiva en el ánodo para que eltiristor, luego de haber recibido pulsos de gatillo y existiendo corriente mínima deconducción, permanezca en conducción. A 0o el voltaje entre ánodo y cátodo esnulo y, por lo tanto, es necesario retardar los pulsos de gatillo. Usualmente seutilizan retardos de 5o a 15o.

El ángulo máximo de retardo de conducción, αtoff, surge de la necesidad deaplicar voltaje reversa entre ánodo y cátodo y esperar que pase un tiempo paraque la corriente en el tiristor, después de la reversión de la pequeña suma,decline hasta cero. Tal ángulo es de 145o a 165o en tiristores de gran porte.

Control de Voltaje


El circuito de comando presenta redes de lógica secuencial y combinacionaldedicadas a ejecutar la limitación del ángulo en los límites previamenteexpuestos.

Algunos sistemas de excitación son capaces de variar el ángulo αtoff de acuerdocon la corriente de campo. Cuanto mayor la corriente de campo, menor αtoff. Talvariación se fundamenta en el hecho de que la salida de conducción se vuelvemás lenta a medida que la corriente aumenta de intensidad. Tal circuito optimizael desempeño del rectificador.

B.2 - Etapa de Medición de Voltaje

La Figura B.4 presenta un conjunto de transformadores auxiliares alimentadospor el transformador de potencial destinado a la medición de voltaje delgenerador.

FIGURA B.4 - Conjunto de transformadores para medición de voltaje

Tal conjunto permite la obtención de doce tensiones de una misma amplitud,desfasadas de 30o, de acuerdo al diagrama fasorial de la figura B.5 .

La rectificación de estas tensiones suministra un voltaje continuo cuyo valorpromedio se obtiene de:

Control de Voltaje


V (kVt ) (wt)dwt( )

(kVt )= =−

∫122

26 3 1 2

512

712

π ππ

π

sen B.7

Se obtiene así, un voltaje proporcional a Vt con bajo "ripple", pudiendo utilizarfiltros con pequeñas constantes de tiempo. La transducción del voltaje se vuelvemucho más rápida.

FIGURA B.5 - Diagrama fasorial de las tensiones de salida

La figura B.6 presenta el diagrama total del transductor de voltaje.

FIGURA B.6 - Diagrama del transductor de voltaje

El bloque de aislamiento es necesario para evitar la conexión directa delrectificador con el filtro, lo que ocasionaría una respuesta dinámica diferente paraaumentos y disminuciones del voltaje.

B.3 - Transductores de Corriente Activa y Reactiva

Los transductores de corriente activa y reactiva son necesarios en dosdispositivos importantes del sistema de excitación: el compensador de corrientereactiva y el limitador de subexcitación.

La figura B.7 presenta un diagrama del compensador de corriente reactiva.

Control de Voltaje


FIGURA B.7 - Diagrama del compensador de corriente reactiva

El voltaje entre las fases C y A, obtenida del transformador de potencial principal,se aplica a dos comparadores con cero. En uno de ellos, la salida es unitaria paratensiones positivas y en el otro, para tensiones negativas. La corriente de fase B,obtenida de un transformador de corriente, se convierte para voltaje y se modulaen dos canales por los dos comparadores según muestra la figura B.7. Las dosseñales resultantes son sumadas y filtradas.

La figura B.8 presenta una salida del sumador para la corriente de la fase B confactor de potencia nulo inductivo, unitario y nulo capacitivo.

El valor promedio obtenido en función del factor de potencia, es:

V Ib ( )=2 2π

θsen B.8

Donde el ángulo de carga, θ, fue tomado positivo para factor de potencia enatraso.

FIGURA B.8 - Salida del sumador para varios factores de potencia

Control de Voltaje


Se obtiene una señal proporcional a la corriente reactiva de la unidad. El filtroaquí utilizado es del tipo pasa-baja, eliminando los componentes de 120Hz ysuperiores. La frecuencia de corte del filtro es inferior a la del filtro utilizado en eltransductor de voltaje, por la presencia de una primera armónica más baja(120Hz en lugar de 720Hz). Para la utilización de filtros con banda de pasaje másancha, es necesario efectuar la transducción en tres fases, o sea: Vac modulandoIb, Vba modulando Ic y Vcb modulando Ia. La suma de estas tres señales presentala primera armónica en 360 Hz permitiendo la utilización de frecuencia de cortetres veces más elevada.

Para la transducción de corriente activa el procedimiento es similar. En este caso,sin embargo, la voltaje que modula la corriente, es de la misma fase, o sea, Va

modula Ia, Vb modula Ib, y Vc modula Ic.

Utilizando el mismo diagrama de bloques de la figura B.7 apenas con el cambiode la voltaje entre las fases C y A por la voltaje de la fase B, se llega al valorpromedio:

V Ib ( )=2 2π

θcos B.9

La señal, aquí, pasa a ser proporcional a la corriente activa del generador. Sonválidos los mismos comentarios efectuados sobre el filtro de salida.

B.4 - Filtros, Sumadores y Compensadores

Los filtros utilizados en el sistema de excitación son, usualmente, activos ysintetizados a través de amplificadores operacionales. Tales filtros sonampliamente utilizados en proyectos electrónicos y debidamente analizados en laliteratura, por eso hallamos innecesario su comentario más detallado. El mismorazonamiento se aplica para los compensadores y sumadores, en su totalidadsintetizados a partir de amplificadores operacionales.

B.5 - Dispositivos no lineales

Tales dispositivos se utilizan en el limitador de corriente de campo, limitador desubexcitación y estabilizador de sistema de potencia. Son dispositivos quecombinan amplificadores operacionales con redes a diodos.

La figura B.9 presenta el esquema eléctrico de uno de estos dispositivos, con elcorrespondiente diagrama de bloques.

Combinando la disposición de los diodos y un debido conjunto de amplificadoresoperacionales, se obtiene la característica deseada para cada dispositivo

Control de Voltaje


FIGURA B.9 - Dispositivo no lineala) Circuito eléctricob) Diagrama de bloques

B.6 - Transducción de la Corriente de Campo

La transducción de la corriente de campo se obtiene de dos maneras: a través de"shunt" resistivo o a través de transductor magnético.

En el caso de la utilización del "shunt" surge el inconveniente de la grandisipación de potencia y la necesidad de utilizar un amplificador de aislacióngalvánica elevada, ya que el campo presenta una masa fluctuante.

El transductor magnético, presenta, naturalmente, aislación galvánica y bajadisipación, necesitando apenas un filtro para retirar picos en la señal, provocadospor las entrada de las bobinas en saturación

La figura B.10 presenta un diagrama elemental de transductor de corriente decampo a la saturación magnética.

FIGURA B.10 - Transductor magnético de corriente de campo

Control de Voltaje


B.7 - Estabilizador de Sistema de Potencia

El estabilizador de sistema de potencia pude ser dividido en tres etapas: síntesiso transducción de la variable que sirve de estímulo, la etapa que comprende loscompensadores y filtros que forman su función de transferencia y la etapa desalida, que consta del limitador ajustable y la red de bloqueo y reconexiónautomática.

La etapa de entrada es, normalmente, un transductor o una combinación lineal,con características dinámicas propias, de las señales de dos o más transductores.Como ejemplo, se puede citar el estabilizador derivado de la potencia deaceleración. Éste pude obtenerse de la potencia eléctrica y frecuencia, de lapotencia eléctrica y de la velocidad y de la potencia eléctrica y apertura deldistribuidor. Las propias señales de frecuencia y potencia se obtienen de lassalidas de los transformadores de potencial y corriente.

La potencia eléctrica puede obtenerse de varias maneras. La más común esmediante la suma de los productos de las tensiones y corrientes de cada fase, osea:

Pe k(VaIa VbIb VcIc)= + + B.10

La frecuencia también se puede obtener de las tensiones del transformador depotencial principal. El procedimiento más usual es el siguiente: las tensiones delas tres fases alimentan tres circuitos electrónicos que generan pulsos del mismoancho a cada cruzamiento con cero de la voltaje. Las tres señales se sumancreando una señal de frecuencia 360Hz. Como el ancho del pulso es fijo, el valorpromedio de la señal resultante variará de forma proporcional a la frecuencia delas señales de entrada. Para la obtención de una señal limpia de armónicas seutiliza un filtro pasa-baja. Si, en vez de utilizar apenas las señales de voltaje, seutilizan combinaciones adecuadas de voltaje y corriente, se puede obtener lafrecuencia de un punto que no sea el de la barra terminal del generador. Por elajuste conveniente de la influencia de corriente, se puede sintetizar la propiavelocidad de la máquina o la frecuencia de la barra de alta voltaje.

En fin, existen una infinidad de maneras de generar las señales para estimular elestabilizador del sistema de potencia. Se aconseja derivar tales señales a partirde los transformadores de potencial y corriente, pues ellos ya están disponiblesen el cubículo de la excitación, evitándose así, la utilización de señales de otroscubículos que, normalmente, presentan potencial de masa diferente, distanciaconsiderable del cubículo de la excitación con los problemas inherentes a latransmisión, aislación, etc..

La etapa intermediaria de filtros y compensadores, es completamente implantadacon amplificadores operacionales y, por los motivos anteriormente citados en lasección B.4, no será detallada.

Control de Voltaje


La etapa de salida consta del limitador ajustable, cuya síntesis está basada enamplificadores operacionales y diodos, y por la red de bloqueo y reconexión. Talred está constituida por comparadores que establecen niveles lógicos para laindicación de alguna violación de operación. Las señales provenientes de loscomparadores, junto con las señales lógicas originarias de los circuitos decomando de la unidad generadora, alimentan una red lógica que ejecuta unaecuación booleana que posee como resultado la autorización de la operación, ono, del estabilizador La señal de bloqueo actúa sobre la salida del estabilizadordesconectándolo del sumador principal del regulador de voltaje a través de uncontacto de relé.

La reconexión se efectúa por la misma red, obedeciendo una lógica previamentedefinida. El estabilizador, por ejemplo, si se desconectó por sobrevoltaje, sólopodrá ser reconectado si el sobrevoltaje desaparece y su propia salida posee unaseñal para disminuir el voltaje.

control de voltaje automaÇÃo e controle rodovia sc 401 km 1 - parque tecnológico alfa - 88030-000...

Documents