control de voltaje mediante transformador con taps
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Laboratorio de Introducción a S.E.P. Práctica Nº 3
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PRÁCTICA Nº 3
1. TÍTULO: Control de Voltaje mediante Transformador con Taps
2. OBJETIVO
Mediante el programa de simulación de sistemas eléctricos de potencia, Power Factory de DIgSILENT, realizar el control de
voltaje en una barra de un sistema de potencia mediante la variación del tap del transformador. El sistema consiste de un
generador equivalente que alimenta una carga, a través de un transformador de dos devanados con intercambiador de taps y una
línea de transmisión de doble circuito.
3. TRABAJO PREPARATORIO
Consultar la metodología para el cambio de valores reales a valores en por unidad para sistemas eléctricos de potencia:
generadores, transformadores, líneas de transmisión y cargas.
4. DESARROLLO
Calcular los parámetros del problema propuesto en p.u., en base
de los voltajes nominales del circuito y 100 MVA de potencia base.
Esquematizar en un diagrama unifilar y proceder a su simulación con el paquete propuesto.
Obtener los resultados de flujos en los elementos y voltajes en módulo y ángulo en las diferentes barras.
PROBLEMA PROPUESTO
Un generador de 13,8 kV de voltaje nominal alimenta una carga a través de una línea de 230 kV y dos transformadores, conforme se
indica en la figura 1.
Los datos necesarios para el control de voltaje de una barra de un sistema de potencia mediante la variación del tap del
transformador son los siguientes:
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Datos de Barras
Nº Voltaje [pu] Voltaje [kV] Ángulo [o] Carga [MW] fp carga
1 1,02 13,8 0
2 230 0
3 230 0
4 69 0 100 0,8 (-)
Datos Nominales del Generador
Ubicación Voltaje [kV] Capacidad
[MVA] fp Xd [p.u.] Xq [p.u.]
Barra 1 13,8 kV 10.000 0,9 0,019044 0,01
Datos de la Línea de Transmisión
Desde Hasta Nº Circuitos Zs [Ω/km] C [nF/km] Longitud
[km]
Barra 2 Barra 3 2 0,1+j0,5 8,2 150
Datos de los Transformadores
Desde Hasta S [MVA] X [%] Tap HV Tap LV
Barra 1 Barra 2 200 10 ± 5 % ---
Barra 3 Barra 4 200 10 --- ± 10 %
La carga se puede modelar como de potencia constante.
El transformador 1 tiene tap en el lado de alto voltaje de ± 5 % con
pasos de 2,5 % y el transformador 2 tiene tap en el lado de bajo
voltaje de ± 10 % con pasos de 0,625 %.
Ajustar el tap del transformador t2 de modo que el voltaje en la carga sea lo más próximo posible a 1 pu.
Figura 1 Sistema Eléctrico de Potencia Propuesto
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5. INFORME
5.1 Presente los cálculos de los parámetros del sistema en p.u.,
para los diferentes componentes.
5.2 Deduzca el modelo ∏ de un transformador con intercambiador de taps y aplique dicho modelo a los
transformadores del ejemplo analizado.
5.3 Calcule manualmente el valor del tap t2: plantear un voltaje 1,0<θ en la barra 4 y utilizar el modelo ∏ del transformador.
Compare los resultados con los obtenidos por medio de la
simulación digital: voltajes de nodos (módulos y ángulos), flujos y pérdidas por las líneas y transformadores (en p.u. y
en magnitudes reales).
5.4 Presente sus comentarios y sus conclusiones.
BIBLIOGRAFÍA
OLLE, Elgerd, “Electric Energy Systems Theory: An
Introduction”, Editorial McGraw-Hill Inc., chap 7.
GRAINGER, Jhon. STEVENSON, William, “Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia”, Editorial McGraw-Hill Inc., México 1996.
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ANEXO PRÁCTICA 3
En el presente anexo se muestra la forma de ingresar los elementos
del sistema y sus parámetros para correr flujos de potencia en el Power Factory.
Para acceder al software primeramente se crea un usuraio.
Desde el Administrador de datos se crea un Nuevo Proyecto.
En este caso se va a crear una red en donde se modelará los
elementos del sistema.
Automáticamente aparecerá en el escritorio del programa la Ventana de Gráfica y la barra de Herramientas en donde se encuentran los
distintos elementos para añadir al sistema.
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En la barra de Herramientas se encuentran los íconos de los
elementos de un sistema eléctrico de potencia para arrastrarlos hacia la Ventana de Gráficas y editarlos desde ahí. De esta manera,
primeramente se arma el sistema sin ingresar ningún tipo de datos.
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Cabe mencionar que para la conexión de los elementos simplemente
se debe manejar el mouse adecuadamente. Preferiblemente se debe insertar primero las barras.
Para editar los parámetros del generador equivalente, se debe hacer doble clic sobre el elemento y se visualizará el siguiente cuadro de
diálogo.
Para crear en la base de datos la unidad de generación se debe dar clic en la opción Tipo y luego escoger Seleccionar Tipo del Proyecto…,
entonces se abrirá otro cuadro de diálogo en donde se deberá hacer
clic en el icono Nuevo Objeto. En el cuadro de diálogo de Tipo de Generador se debe introducir un Nombre para el tipo, Potencia
Aparente Nominal, Factor de Potencia y Conexión.
Para el caso de esta práctica se tiene:
Nombre: Generador equivalente Potencia Aparente Nominal: 10000 MVA
Factor de Potencia: 0,9 Conexión: YN
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En la pestaña Flujo de Carga del cuadro de diálogo Tipo de Máquina
Sincrónica se deben introducir los parámetros eléctricos del generador.
Para el caso de esta práctica:
Xd: 0,019044 pu
Xq: 0,01 pu X0: 0,005 pu
X2: 0,01 pu
Ingresados estos datos se debe aceptar hasta volver al cuadro de
diálogo de Máquina Sincrónica. En este cuadro se debe acceder a la pestaña Flujo de Carga para fijar a la unidad como máquina de
referencia, para esto se debe seleccionar la opción Máquina de Referencia y el modo de control por Tensión, entonces se visualiza
que el Tipo de Nodo en la que se encuentra la máquina se transforma en una barra slack (SL: oscilante).
En las opciones Punto de Operación se debe ingresar la Tensión al
que opera el generador, para este caso:
Voltaje: 1,02 pu Ángulo: 0º
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Con los pasos anteriores se han ingresado los datos del generador.
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Para el ingreso de los parámetros de las barras se debe dar doble clic
sobre la barra y se tendrá el cuadro de diálogo siguiente.
En el cuadro de diálogo Barras se deben ingresar los siguientes datos:
Nombre: Cualquier nombre
Voltaje Nominal: 13,8 kV
El paso anterior se hace para cada una de las barras del sistema.
Para el ingreso de datos de los transformadores se debe dar doble clic sobre el elemento y se tiene el cuadro de diálogo Transformador de
dos Devanados. En este cuadro de diálogo se ingresa el Nombre del
transformador y luego se escoge la opción Tipo, Seleccionar Tipo del Proyecto… para crear un transformador con los parámetros dados en
la práctica. En el cuadro de diálogo Tipo de Transformador de dos Devanados se debe ingresar los siguientes parámetros:
Nombre: T 13,8/230kV 200MVA
Tecnología: Transformador trifásico Potencia Nominal: 200 MVA
Frecuencia: 60 Hz Lado de alta (HV): 230 kV
Lado de baja (LV): 13,8 kV
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Impedancia de Secuencia Positiva: 10 %
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En la pestaña Flujo de Carga se debe editar el Tap del transformador
como sigue:
Para el transformador en la barra de generación:
En el lado: HV
Tensión Adicional por Tap: 2,5 % Desfase: 0
Posición nominal: 3 Posición mínima: 1
Posición máxima: 5
Para el transformador en la barra de carga:
En el lado: LV Tensión Adicional por Tap: 0,625 %
Desfase: 0 Posición nominal: 17
Posición mínima: 1
Posición máxima: 33
Luego de esto se acepta todas las ventanas para dejar listo el transformador para el flujo de potencia. Si al aceptar el cuadro de
diálogo Transformador de dos Devanados se visualiza un error que indica que el lado de alto voltaje es menor que el lado de bajo voltaje
se debe dar clic sobre el botón Intercambiar conexiones para cambiar los lados de transformación.
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Para el transformador 2 se deben seguir los mismos pasos tomando
en cuenta los niveles de voltaje.
Para el ingreso de los parámetros de las líneas de transmisión se
debe dar doble clic sobre el elemento y se tiene el cuadro de diálogo Línea. En este cuadro de diálogo se debe ingresar lo siguiente:
Nombre: Cualquier nombre
Longitud: 150 km Medio: Aire
Luego se debe seleccionar Tipo, Seleccionar Tipo del Proyecto…, Tipo de Línea y se abre el cuadro de diálogo para crear un nuevo tipo de
línea.
En el cuadro de diálogo Tipo de Línea se debe ingresar lo siguiente:
Nombre: Línea 230 kV Tensión Nominal: 230 kV
Corriente Nominal: 1 kA Frecuencia Nominal: 60 Hz
Cable/Aéreo: Línea Aérea Tipo de Sistema: AC
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Fases: 3
No. de Neutros: 0 Resistencia R’: 0,1 Ω/km
Reactancia X’: 0,5 Ω/km
Además en la pestaña Flujo de Carga se debe introducir el siguinte
dato:
Susceptancia B’: 3,09133 μƱ/km
Luego de esto se acepta todas las ventanas para dejar lista la línea para el flujo de potencia.
Para el segundo circuito de la línea hay dos opciones de insertar los
datos. Como los circuitos dobles tienen las mismas características físicas y eléctricas, entonces cuando se estaba creando el primer
circuito se tenía en el cuadro de diálogo Línea la opción Líneas en Paralelo en esta parte se debía haber señalado 2 líneas en paralelo.
Para el caso de esta práctica se va a optar por otro método que
consiste en copiar los parámetros de la línea creada anteriormente.
Se da doble clic en la línea se introduce el Nombre, Longitud y Medio y en la opción Tipo, Seleccionar Tipo del Proyecto…, Tipo de Línea se
escoge el tipo de línea creada y se acepta para tener ingresados los datos de la nueva línea.
Para ingresar los parámetros de la carga se da doble clic sobre el
elemento y se procede a crear un Tipo de Carga General. Para ingresar los valores de carga en el cuadro de diálogo Carga General
se escoge la pestaña Flujo de Carga y se introduce los siguientes datos:
Modo de entrada: P, cos(phi)
Balanceado/Desbalanceado: Balanceado
Potencia activa Total: 100 MW Factor de Potencia: 0,8 inductivo
Con esto se tienen ingresados todos los datos necesarios para correr
el flujo de potencia del sistema.
Para verificar los datos ingresados y la topología del sistema se debe dar clic sobre el icono Verificar datos y en la Ventana de Salida debe
salir un reporte que indique el estado de los datos y conexiones del sistema.
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: icono Verificar Datos
: icono Calcular Flujo de Carga
: icono Mostrar Capas
Con el icono Calcular Flujo de Carga se visualiza el siguiente cuadro
de diálogo.
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Por el momento simplemente se ejecutará un flujo de potencia
balanceado, entonces se presiona Ejecutar.
Si en la Ventana de Salida no hay errores y se visualiza el número de
iteraciones que tomó el programa para calcular el flujo de potencia los resultados se podrán visualizar en las cajas de resultados que se
encuentran adyacentes a los elementos.
Para cambiar la posición de los taps de los transformadores se debe dar clic derecho sobre el transformador y seleccionar Posición del Tap
+1 ó Posición del Tap -1.
Para mostrar gráficamente los taps del transformador se da clic en el icono Mostrar Capas y se da doble clic sobre Posiciones de Taps para
que estos se hagan visibles en la gráfica.
Para mayor información de la ejecución de flujos de potencia revisar
la Guía de Usuario del programa.