Unidad Temática 1:
Operación Técnica de Sistemas Eléctricos de Potencia
4. Control Frecuencia-Carga
- 4.1 Introducción.
- 4.2 Modelo general
- 4.3 Sistemas aislados.
- 4.4 Sistemas interconectados
- 4.5 Aspectos complementarios
4. Control de frecuencia carga
Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos
Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke
Depto. de Ingeniería Eléctrica
EL4103, Universidad de Chile / 2012
Introducción (I)
Definición del Problema
En general, la frecuencia de la tensión generada aumenta cuando disminuye
la carga y vice versa --> la caída brusca de la carga del sistema tiende a
aumentar la velocidad de los generadores y por ello aumenta la frecuencia.
Debido a que la carga varía a través del tiempo, se tiene que la
frecuencia también lo hace, pese a todos los sistemas de control
existentes.
Objetivo General del Control en Sistemas Eléctricos de Potencia
El objetivo de la estrategia de control es el de generar y entregar en forma
económica potencia en un sistema interconectado, manteniendo la tensión y la
frecuencia dentro de los límites permitidos --> Control de frecuencia : mantener
límites de frecuencia, dividir cargas entre generadores.
4. Control de frecuencia carga
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Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke
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Introducción (II)
Etapas en el proceso de Control/Regulación de Frecuencia
• Regulación Primaria (ejem. 30 seg) Existencia de reserva en giro.
(acción de reguladores de velocidad (válvulas, álabes, deflectores, etc. ))
• Regulación Secundaria (ejem. 15 min)
• Regulación Terciaria
potencia
Regulación
Primaria
Regulación Secundaria
Regulación
Terciaria
time
30 s
4. Control de frecuencia carga
15 min.
60 min.
FuenteUNIDO
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Introducción (III)
Características de Etapas del Control/Regulación de Frecuencia
•
•
•
Regulación Primaria
Cada máquina responde de acuerdo a sus características y acción del
regulador (consigna, estatismo)
Individual para cada unidad de generación
La respuesta tiene error permanente dependiendo del estatismo
Regulación Secundaria
Manual – automática (AGC)
Seguimiento de la carga
Control de enlaces
Restitución de reservas primarias
Corrección de error permanente de frecuencia del sistema
Regulación Terciaria o Económica
Manual – automática (AGC)
Ajuste de valores de las máquinas a valores económicos (de mercado)
4. Control de frecuencia carga
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Introducción (IV)
Servicios Complementarios
Ancillary Services
Load/
Frequency
Control
Compensation
of
Losses
Provision from
reserve power from
generators
Voltage
Control
Voltage level
between defined
bounds
Spinning
Reserve
Provided by
Generators
Standby
quick-start
Compensation
Devices
Standby
slow-start
4. Control de frecuencia carga
BlackStart
Capability
Network
Operation
Measurement,
Accounting,
Administration
•
•
•
•
•
•
Potencia Reactiva
Regulación de Frecuencia
Reserva en Giro
Reserva Operativa
Reserva fría
Capacidad de Almacenamiento
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Introducción (V)
Automatical: Primary Regulation;
Manual:
Secondary Regulation (i.e. Tertiary Regulation)
S
Svenska Kraftnät
N
Statnett
GB
National Grid
Company (NGC)
E
Red Eléctrica de
España (REE)
Automatical: Primary Regulation, Secondary Regulation
A
Verbund-APG
TIWAG, VKW
Automatical: Primary Regulation, Secondary Regulation
Manual:
Minute Reserve, Unplanned Exchange
NL
TenneT
Automatical: Primary Response, Secondary Regulation
Manual:
Reserve, Emergency Reserve
D
BEWAG
EnBW
RWE
E.On
Hew
VEAG
Automatical: Frequency Response
Manual:
Secondary Regulation
Automatical: Primary-, Secondary-, High Frequency Response
Manual:
Emergency Reserve; Regulation Reserve-NETA (daily);
Standing Reserve (yearly); Fast Reserve (monthly).
Manual:
Tertiary Regulation, Deviation management
Automatical: Primary Regulation
Secondary Regulation
Manual:
Minutenreserve
Fuente: UNIDO
4. Control de frecuencia carga
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Introducción (VI)
Características del análisis de Control de Frecuencia
• Aprovechamiento de desacoplamiento natural entre potencia activa y módulo
de tensión; y Potencia reactiva y frecuencia,
• Necesidad de modelo matemático del sistema: generador, consumo, potencia
mecánica, control de velocidad,
• Enfasis en modelos de control automático,
• Uso de modelos de simulación en línea interactuando con sistemas SCADA.
4. Control de frecuencia carga
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Modelo General (I)
Excitación
Reg. automático
de voltaje
Campo
Sensor de
voltaje
Vapor
Modelo
esquemático de
un sistema de
control
Turbina
Mec. Control
de Válvulas
Control
Frec. Carga
Sistema de
control de
velocidad
Sensor de
Frec.
Turbina
Necesidad de
Modelo
del Sistema
Masas rotatorias
y carga
Desviación de frecuencia
Fuente: Power System Analysis, Saadat
4. Control de frecuencia carga
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Modelo General (II)
Modelo del Generador
Ecuación de oscilación de máquina sincrónica
para pequeñas perturbaciones
2 H d 2
Pm( pu ) Pe ( pu )
2
s dt
Cambio de variable + Laplace
1
Pm s Pe s
s
2 Hs
Fuente: Power System Analysis, Saadat
8. Control de frecuencia carga
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Modelo General (III)
Modelo de Carga
Representación de una carga
compuesta (frecuencia-carga)
Sensibilidad
carga-frecuencia
Pe PL D
Modelo de Rotor
Modelo simple: cambio en potencia mecánica
en función de variación en válvula (ej. vapor)
Pm ( s )
1
GT ( s )
Pv ( s ) 1 T s
Constante de tiempo
Fuente: Power System Analysis, Saadat
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Modelo General (IV)
Modelo del Controlador (controlador proporcional)
Sistema de control de velocidad tradicional.
1
Pg Pref
R
1
PV ( s)
Pg ( s)
1 g s
Fuente: Power System Analysis, Saadat
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Modelo General (V)
Modelo resultante
Sistema de Turbina
control de
velocidad
Masas rotatorias
y carga
1 g s 1 T s
( s)
PL ( s) 1 s 1 s 2 Hs D 1
g
T
R
•Respuesta a escalón
•Teorema del valor final
PL
PL ( s )
s
ss
lim s(s) PL
s 0
1
D
1
R
Fuente: Power System Analysis, Saadat
8. Control de frecuencia carga
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Sistemas aislados (I)
Diagrama funcional de un sistema de generación y control
Potencia en líneas de potencia
AGC
Frecuencia
Sistema eléctrico:
- Cargas
- Sistema de transmisión
- Otros generadores
Sistema suministrador de
energía: vapor o agua
Cambiador
de velocidad
Regulador de
velocidad
Turbina
Válvula
compuerta
velocidad
G
AGC : control automático
de generación
Definiciones
- Regulación permanente de velocidad, estatismo permanente o porcentaje de caída (droop)
es el cambio (caída) de velocidad que experimenta la máquina al pasar desde el vacío a
plena carga Valores típicos 5%.
- El control de generación y frecuencia en un sistema se conoce como control frecuenciacarga (LFC).
Fuente: Power System Stability, Kundur
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Sistemas aislados/interconectados
Regulador de velocidad isócrono (velocidad constante)
Válvula
Vapor
agua
Pm
G
Turbina
Y
Pe
r
Regulador de velocidad
Integrador
-K
r + ∑
Y
: posición de válvula
(+ abrir, - cerrar)
Pm : potencia mecánica
ωr : velocidad del rotor
0
Regulador de velocidad con característica velocidad -droop
Válvula
Vapor
agua
Pm
G
Turbina
Y
r
Regulador de velocidad
Integrador
Fuente: Power System
Stability, Kundur
Pe
K
R
r
∑ -
+
∑
0
Y
: posición de válvula
(+ abrir, - cerrar)
Pm : potencia mecánica
ωr : velocidad del rotor
1/R : ganancia de
controlador proporcional
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Sistemas interconectados
Repartición de carga en unidades en paralelo
f ( Hz )
f ( Hz )
f0
f
P2
P1
P1
P1
Entrega de
potencia
Unidad 1
P1 P1 P1
P2
P2
Entrega de
potencia
Unidad 2
f
R1
P2 P2 P2
f
R2
P1 R2
P2 R1
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Dr.-Ing.
Rodrigo
Palma
Behnke
Fuente: Power
System
Stability,
Kundur
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Sistemas interconectados
Regulador de velocidad con característica velocidad -droop
Válvula
Vapor
agua
Pm
G
Turbina
Y
r
Regulador de velocidad
K
Integrador
Consigna
de referencia
de carga
Pe
+
-
∑
R
r
∑ -
+
∑
0
Y : posición de válvula (+ abrir, - cerrar)
Pm : potencia mecánica
ωr : velocidad del rotor
1/R : ganancia de controlador proporcional
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Sistemas interconectados
Regulador de velocidad con característica velocidad -droop
Pm1
+
Pm 2
+
∑
+
-
Pmn
PL
f SS
1
2H eq s D
f r
PL
1 1
R
R2
1
PL
1 D
Req
1
D
Rn
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0
