UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS REACTIVOS PARA MEJORAR LOS PERFILES DE TENSIN EN EL SISTEMA ELCTRICO DE LA REFINERA PUERTO LA CRUZ UTILIZANDO UN PROGRAMA COMPUTACIONAL

REALIZADO POR TIRSO JOS MUNDARAIN VILLEGASTrabajo de Grado presentado ante la Ilustre Universidad de Oriente como requisito parcial para optar al ttulo de:

INGENIERO ELECTRICISTA

Barcelona, Abril de 2007

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS REACTIVOS PARA MEJORAR LOS PERFILES DE TENSIN EN EL SISTEMA ELCTRICO DE LA REFINERA PUERTO LA CRUZ UTILIZANDO UN PROGRAMA COMPUTACIONAL

ASESORES

Prof. Edgar Marcano Asesor Acadmico

Ing. Lenn Gonzlez Asesor Industrial

Barcelona, Abril de 2007

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS REACTIVOS PARA MEJORAR LOS PERFILES DE TENSIN EN EL SISTEMA ELCTRICO DE LA REFINERA PUERTO LA CRUZ UTILIZANDO UN PROGRAMA COMPUTACIONAL JURADO

Prof. Edgar Marcano Asesor Acadmico Prof. Pedro Rodrguez Jurado Principal Prof. Pedro Lpez Jurado Principal

Barcelona, Abril de 2007

RESOLUCINDe acuerdo al artculo 44 del Reglamento de Trabajos de Grado de la Universidad de Oriente: LOS TRABAJOS DE GRADO SON DE EXCLUSIVA PROPIEDAD DE LA UNIVERSIDAD Y SOLO PODRN SER UTILIZADOS PARA OTROS FINES CON EL CONSENTIMIENTO DEL CONSEJO DE NCLEO RESPECTIVO, EL CUAL PARTICIPAR AL CONSEJO UNIVERSITARIO.

DEDICATORIAPrimero que todo dedico este trabajo a Dios Todopoderoso por darme las fuerzas para sobreponerme ante las adversidades. A mis padres, Anaurelys y Tirso: Ustedes me dieron la vida, y todo el amor y la comprensin que alguien pueda brindar, ahora les devuelvo este triunfo y todos los que vendrn. Siempre los amar. A mis hermanos, Eliana y Luis Alejandro: Hermana yo he seguido tu ejemplo, ayudemos a Luis para que siga nuestro camino. A mis abuelas Mam Ana y Mama Nice: Ustedes son ejemplo de amor y constancia. A mi abuelo Papa Yeyo: s que te hubiera gustado compartir este momento conmigo, este logro tambin es para ti. A Zahellen y Daniel: ustedes aparecieron para llenar mi vida de luz y alegra; este es el comienzo de una vida mejor. A todos ustedes, las personas mas importantes de mi vida, este logro mas que mo, es suyo.

AGRADECIMIENTOSAgradezco profundamente a toda mi familia y en especial a mis padres, Anaurelys y Tirso. Gracias por creer en m y apoyarme siempre en la consecucin de las metas que me he trazado en la vida. A la Ilustre Universidad de Oriente, la Casa Ms Alta y en especial al Departamento de Electricidad, por se la base de mi formacin profesional. A sus profesores: Luis Surez, Pedro Lpez, Santiago Escalante, Pedro Rodrguez, Luis Parraguez y empleados: Carmencita y Pavito. A la empresa PDVSA y especialmente todo el personal del Proyecto: Mejoras a la Confiabilidad del Sistema Elctrico de las Refineras Puerto la Cruz y San Roque. Gracias por prestarme sus instalaciones para la realizacin de este trabajo. A mis asesores el Ing. Lenn Gonzlez y el Prof. Edgar Marcano, excelentes personas y profesionales. Gracias por guiarme durante el desarrollo de este trabajo.

Al Sr. Marcos Gmez y al Ing. Agustn Rodrguez por haberme ayudado a conseguir la pasanta dentro de las instalaciones de PDVSA y por estar siempre pendiente de mis avances durante todo este tiempo. A mis compaeros y amigos: Anthony, Rossana, Joanna, Brgida, Jos Luis, Nelson, Kheila, Cristina, Peraza, Rafael. A todos ustedes muchas gracias.

Tirso J. Mundarain Villegas

RESUMENEl presente trabajo est relacionado con el problema de inestabilidad de voltaje y calidad de energa en el Sistema Elctrico de la Refinera Puerto La Cruz. La energa que se recibe a travs de la interconexin con la empresa CADAFE presenta desviaciones de voltaje superiores al rango mnimo del +/- 5% establecido por las normas internacionales, lo que indudablemente se traduce en cadas de tensin muy elevadas en las barras e inconvenientes con los equipos conectados a las mismas. Adems de esto se presentan constantemente huecos de tensin producto de fallas trifsicas en las barras principales del sistema. En el trabajo se estudian ambos problemas utilizando el programa ETAP 5.5.0, el primero desde el punto de vista esttico, utilizando un algoritmo de flujo de cargas y el segundo aplicando un anlisis de transitorios electromagnticos, obtenindose resultados enfocados principalmente a la respuesta de los AVR de los generadores y los mdulos OLTC de los transformadores de potencia.

CONTENIDOPGINA DE TTULO ASESORES JURADO CALIFICADOR RESOLUCIN DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS RESUMEN CONTENIDO CAPTULO 1: DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y DEL PROBLEMA 1.1 Resea Histrica 1.2 Objetivo de la Empresa 1.3 Estructura Organizativa 1.4 Refinera Puerto la Cruz 1.4.1 Ubicacin 1.4.2 Actividad 1.4.3 Antecedentes del sistema elctrico de la Refinera Puerto la Cruz 1.4.4 Sistema elctrico actual de la Refinera Puerto la Cruz i ii iii iv v vi viii ix 1 2 2 2 3 3 4 4 5

1.4.4.1 Demanda estimada en el sistema elctrico de la R.P.L.C 1.4.4.1.1 Generacin mnima 1.4.1.1.2 Demanda mxima 1.4.4.2 Descripcin del sistema de generacin 1.4.4.3 Transformadores de potencia del sistema 1.4.4.3.1 Transformadores de interconexin S/E A S/E VALCOR 1.4.4.3.2 Transformadores de interconexin S/E VALCOR- Planta Elctrica 1.4.4.4 Sistema de distribucin a travs de la barra principal 1.4.4.4.1 Cargas conectadas a la barra principal (13.8kV) 1.4.4.4.2 Circuitos alimentados por el Patio de Celdas Refinera Puerto la Cruz 1.4.4.4.3 Circuitos alimentados por el Patio de Celdas OSAMCO 1.4.4.4.4 Circuitos alimentados a travs del Patio de Celdas el Chaure 1.5 Planteamiento del Problema 1.6 Objetivos 1.6.1 Objetivo General 1.6.2 Objetivos Especficos 1.7 Alcance CAPTULO 2: ESTABILIDAD Y CALIDAD DE ENERGA EN SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA 2.1 Introduccin 2.2 Definiciones y clasificacin del problema de estabilidad 2.2.1 Estabilidad de ngulo 2.2.2 Estabilidad de tensiones 2.2.3 Estabilidad de pequea perturbacin 2.2.4 Estabilidad de gran perturbacin 2.2.5 Estabilidad de corto plazo 2.2.6 Estabilidad de mediano plazo 2.2.7 Estabilidad de largo plazo 2.3 Estabilidad de voltaje y colapso de tensin 2.3.1 Estabilidad de voltaje

6 7 7 7 8 8 9 10 10 12 13 13 16 17 17 17 18 19 19 19 21 21 21 22 22 22 22 23 23

2.3.2 Colapso de tensin 2.3.3 Mtodos de anlisis utilizados para solucionar problemas de estabilidad de tensin 2.3.3.1 Anlisis dinmico 2.3.3.2 Anlisis esttico 2.3.3.3 Comparacin entre anlisis dinmico y esttico 2.3.3.4 Flujo de cargas 2.3.3.4.1 Formulacin del problema 2.3.3.4.2 Mtodo de Gauss-Seidel 2.3.3.4.3 Mtodo de Newton-Raphson 2.3.3.4.4 Mtodo de desacoplado rpido 2.4 Calidad de energa 2.4.1 Huecos de tensin 2.4.2 Estndar IEEE 1159-1995 2.4.3 Efecto de las variaciones de tensin sobre los equipos elctricos CAPTULO 3: CONTROL DE VOLTAJE Y POTENCIA REACTIVA 3.1 Generalidades 3.2 El generador sincrnico 3.2.1 Sistema de excitacin 3.2.1.1 Requerimientos del sistema de excitacin 3.2.1.1.1 Factores de diseo del generador 3.2.1.1.2 Factores de configuracin del sistema 3.2.1.2 Elementos del sistema de excitacin 3.2.1.3 Tipos de sistema de excitacin 3.2.1.3.1 Sistemas de excitacin DC 3.2.1.3.2 Sistemas de excitacin AC 3.2.1.3.2.1 Sistemas de rectificadores estacionarios 3.2.1.3.2.2 Sistemas de rectificadores rotativos 3.2.1.3.3 Sistemas de excitacin estticos 3.2.1.3.3.1 Sistema de rectificador controlado y fuente de tensin

24 24 24 25 26 26 27 32 34 34 35 35 36 37 39 39 41 43 43 43 44 44 45 45 46 47 48 49 49

3.2.1.3.3.2 Sistema de rectificador con fuente compuesta 3.2.1.3.3.3 Sistema de rectificador compuesto controlado 3.2.1.4 Circuito Field Flashing para excitatrices estticas 3.2.1.5 Modos de operacin de los sistemas de excitacin 3.2.1.6 Circuitos limitadores 3.2.1.6.1 Circuito limitador por subexcitacin 3.2.1.6.2 Circuito limitador por sobreexcitacin 3.2.1.7 Operacin en paralelo del generador 3.2.1.8 Sistemas de excitacin de los generadores que operan en la Refinera Puerto la Cruz 3.2.1.8.1 Turbogenerador N 6 3.2.1.8.1.1 Caractersticas del DECS 200 3.2.1.8.1.2 Aplicaciones 3.2.1.8.2 Turbogenerador N 7 3.2.1.8.2.1 Principios de operacin 3.2.1.8.3 Turbogenerador N 8 3.3 Transformadores con cambiadores de tomas bajo carga (OLTC) 3.3.1 Principios de control automtico para transformadores en paralelo 3.3.2 Transformadores con OLTC instalados en la Refinera Puerto la Cruz 3.3.2.1 El OLTC y su mecanismo motorizado 3.3.2.1.1 Principios de diseo 3.3.2.1.1.1 Moldura de resina epxica 3.3.2.1.1.2 Conmutador selector 3.3.2.1.1.3 Resistencias de transicin 3.3.2.1.1.4 Llave conmutadora 3.3.2.1.1.5 Engranaje Geneva 3.3.2.1.2 Mecanismo motorizado 3.3.2.1.3 Principios de operacin 3.3.2.2 Mdulo de control del OLTC 3.3.2.2.1 Funciones de regulacin de voltaje

50 51 52 53 54 54 55 55 56 56 56 57 58 60 61 62 65 67 67 68 68 68 69 69 69 69 69 71 72

3.3.2.2.1.1 Centro de banda (BC) 3.3.2.2.1.2 Ancho de banda (BW) 3.3.2.2.1.3 Temporizacin (TD) 3.3.2.2.1.4 Retardo entre taps 3.3.2.2.2 Operacin en paralelo CAPTULO 4: MODELADO DEL SISTEMA 4.1 Introduccin 4.2 Normas Aplicadas 4.3 Simulacin de los sistemas de energa elctrica 4.3.1 Tipos de estudios del sistema de energa elctrica 4.4 Modelado del sistema elctrico de la Refinera Puerto la Cruz 4.4.1 Generadores 4.4.1.1 Valores de placa de los generadores 4.4.1.2 Curva de capacidad de los generadores 4.4.1.3 Impedancias de cortocircuito de los generadores 4.4.1.4 Modelo dinmico de los generadores 4.4.1.5 Modelo de la excitatriz 4.4.1.5.1 Turbogenerador TG-6 4.4.1.5.2 Turbogenerador TG-7 4.4.1.5.3 Turbogenerador TG-8 4.4.1.6 Modelo del gobernador de velocidad 4.4.2 Transformadores 4.4.2.1 Cambiador de tomas (Tap Changer) 4.4.3 Red equivalente externa 4.4.4 Lneas y cables 4.4.4.1 Lneas 4.4.4.2 Cables 4.4.5 Cargas 4.4.5.1 Cargas compuestas (Lumped Load) 4.4.5.2 Motores de induccin

72 72 73 73 73 75 75 75 76 77 79 79 80 81 82 83 85 85 87 88 90 92 94 95 96 97 98 98 99 99

CAPTULO 5: SIMULACIN EN ESTADO ESTABLE 5.1 Introduccin 5.2 Premisas generales del estudio 5.3 Desarrollo del estudio 5.3.1 Escenario 1 5.3.1.1 Resultados obtenidos 5.3.1.2 Observaciones 5.3.2 Escenario 2 5.3.2.1 Resultados obtenidos 5.3.2.2 Observaciones 5.3.3 Escenario 3 5.3.3.1 Resultados obtenidos 5.3.3.2 Observaciones 5.3.4 Escenario 4 5.3.4.1 Resultados obtenidos 5.3.4.2 Observaciones 5.3.5 Escenario 5 5.3.5.1 Resultados obtenidos 5.3.5.2 Observaciones 5.3.6 Escenario 6 5.3.6.1 Resultados obtenidos 5.3.6.2 Observaciones 5.3.7 Escenario 7 5.3.7.1 Resultados obtenidos 5.3.7.2 Observaciones CAPTULO 6: SIMULACIN EN ESTADO TRANSITORIO 6.1 Introduccin 6.2 Premisas del estudio 6.3 Desarrollo del estudio 6.4 Caractersticas de los reguladores de tensin

101 101 101 102 106 107 110 111 112 115 116 117 120 121 123 126 127 128 131 132 133 136 137 139 142 144 144 145 146 148

6.5 Respuestas transitorias del sistema de generacin CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFA ANEXO A. Caractersticas del Programa ETAP 5.5.0 ANEXO B. Curvas de capacidad de las mquinas ANEXO C. Norma PDVSA 252 ANEXO D. Normas de Calidad del Servicio de Distribucin de Electricidad ANEXO E. Fotografias

149 152 155 156

1DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y DEL PROBLEMA1.1 Resea Histrica La empresa PDVSA- PETRLEO surge como resultado de la integracin de varias empresas, llevado a cabo por Petrleos de Venezuela. Originalmente las filiales de PDVSA fueron catorce, a partir de enero del ao 1976 las concesionarias son nacionalizadas y empiezan a operar como subsidiaras de Petrleos de Venezuela. CORPOVEN, registrada como una de las cuatro filiales de Petrleos de Venezuela, surge de la fusin de la Corporacin Venezolana de Petrleo (CVP) y LLANOVEN y comienza sus operaciones a partir de Diciembre del ao 1976 junto con MARAVEN, LAGOVEN y MENEVEN. En el ao 1986, luego de diez aos de operaciones, ocurre una nueva fusin con MENEVEN. La empresa CORPOVEN que naci de la fusin con MENEVEN es una empresa con presencia en las regiones Oriente, Centro-Occidente y Sur de Venezuela. La empresa ha atravesado un proceso de transformacin que consiste en la fusin con MARAVEN, LAGOVEN y PEQUIVEN, para convertirse un solo ente, PDVSA, el cual se dividir a su vez en gas, petrleo y qumicos. Para esta empresa operan cinco refineras: Puerto La Cruz y San Roque (Anzotegui), El Palito (Carabobo), El Torreo (Barinas) y Centro de Refinacin Paraguan (Falcn).

A mediados de los aos 80, la principal empresa del pas inicia una expansin tanto a escala nacional como mundial, con la compra y participacin en diversas refineras ubicadas en Europa, Estados Unidos y el Caribe. En este sentido, establece operaciones en las refineras Ruhr Oel, en Alemania; Dynas, en Suecia y Blgica; e Isla en Curazao. El 15 de septiembre de 1986, Petrleos de Venezuela Adquiri la empresa CITGO, en Tulsa, Estados Unidos, punta de lanza de la estrategia de comercializacin de hidrocarburos en Norteamrica, con ms de mil estaciones de servicio y casi el 20% de las ventas de gasolina en suelo estadounidense. Para la dcada de los noventa, PDVSA inicia el proceso de asociaciones estratgicas destinado a garantizar el inicio y la continuidad en importantes proyectos, como por ejemplo el Mariscal Sucre (CIGMA), destinado a la exploracin y explotacin de los recursos de gas natural licuado (GNL) que se encuentran en la Pennsula de Paria y al este de la Isla de Margarita. 1.2 Objetivo de la empresa El objetivo principal de la empresa es la integracin de actividades de exploracin, refinacin, transporte, y comercializacin nacional e internacional de crudo, gas natural y productos derivados del proceso de refinacin de hidrocarburos, de manera eficiente, rentable, segura, transparente y comprometida con la proteccin ambiental. 1.3 Estructura Organizativa La sede principal de PDVSA est ubicada en la ciudad de Caracas y se encuentra presente en todos los estados petroleros a lo largo de la geografa nacional: Anzotegui, Barinas, Falcn, Gurico, Lara, Monagas, Zulia, y ms recientemente, el estado Sucre. Las reas operativas estn divididas en tres zonas: PDVSA Occidente, PDVSA Oriente y PDVSA Sur, relacionada con las actividades en cada regin del pas. Estas reas de trabajo estn subdivididas en Distritos Operacionales, que estn liderados por una Gerencia Distrital, estructurados en unidades bsicas de produccin y proceso.

1.4 Refinera Puerto La Cruz 1.4.1 Ubicacin La Refinera Puerto la Cruz est ubicada en la regin Norte-Oriental del pas, especficamente en el estado Anzotegui, en la zona este de la ciudad de Puerto la Cruz, la cual le da su nombre, conformando uno de los principales distritos de operacin de la empresa Petrleos de Venezuela (PDVSA). Tiene facilidades de acceso desde el Mar Caribe y est conectada por oleoductos con los campos de produccin de Oriente. La conforman las instalaciones de Puerto La Cruz, El Chaure y San Roque (a 40 Km. de Anaco, vecina a la poblacin de Santa Ana, Edo. Anzotegui). Por su ubicacin estratgica, la RPLC cumple tres roles principales, como son la de suplir la demanda del mercado interno de la regin suroriental del pas, colocar los productos excedentes en el mercado de exportacin y el manejo y distribucin de la produccin de crudos del oriente del pas haca los mercados de exportacin y a las otras filiales.

Figura. 1.1 Ubicacin geogrfica de la Refinera Puerto la Cruz

1.4.2 Actividad La Refinera Puerto la Cruz dedica su actividad operacional al procesamiento de petrleo crudo para la obtencin de Gasolina, GLP, Diesel y Kerosene entre otros, ubicando la demanda exigida en el mercado oriental, as como en otras zonas del pas, abasteciendo el mercado de exportacin de productos como residual destilado y nafta. sta refinera se propone como misin maximizar el valor agregado al negocio, a travs de la transformacin del petrleo y otros insumos en productos de alta calidad, de manera segura, confiable y rentable para la satisfaccin de sus clientes, armona con la comunidad y el ambiente, con su ms importante recurso altamente capacitado y motivado. Por lo que RPLC pretende ser una refinera modelo reconocida por su seguridad, calidad, rentabilidad, eficiencia, disciplina, trabajo en equipo y bsqueda de normas cada vez ms altas. Como una respuesta a la necesidad de mejorar el paquete de productos e incrementar el margen de refinacin de la RPLC, se presenta el proyecto Valorizacin de Corrientes (VALCOR), que contempla la incorporacin de nuevas unidades de procesos, y a la vez maximizar el aprovechamiento de las instalaciones existentes de servicios industriales y reas externas. El proyecto VALCOR es una respuesta a la necesidad de modernizar la RPLC, reforzar la refinacin en el oriente del pas, aprovechar la infraestructura existente constituida por las unidades de destilacin y conversin media, as como todos los sistemas de servicios industriales y sus facilidades de almacenaje, con la finalidad de mejorar la calidad de productos que all se obtienen, de acuerdo con las exigencias de calidad tanto del mercado interno como el de exportacin. 1.4.3 Antecedentes del sistema elctrico de la Refinera Puerto la Cruz. En el ao 1950 inicia la Refinera Puerto La Cruz sus operaciones con una capacidad elctrica instalada de 6 MW, sistema que ha venido creciendo paulatinamente segn exigencias en el desarrollo de la empresa. Inicialmente el sistema elctrico de la refinera estuvo constituido por tres turbogeneradores a vapor de 2.4kV, con una capacidad instalada de 2 MW cada uno. Posteriormente entre los aos 1953 y 1962 motivado a la implementacin de nuevas plantas de procesos se opt por reforzar el sistema con dos nuevas unidades turbogeneradoras de gas de 4.16kV 5 MW en la planta del Chaure, posteriormente sera reforzado en el ao 1982 con un

turbogenerador a gas en 13.8kV 15.7 MW dada la creciente demanda como resultado del incremento en los niveles de produccin y otras ampliaciones. Actualmente el sistema se encuentra constituido por tres turbogeneradores, uno de 15.7 MW y dos de 20 MW, que representan un total de 55.7 MW para alimentar la carga promedio de 20MW en Refinera Puerto la Cruz y el Chaure. Con la inclusin del Proyecto VALCOR se adicionan 40 MW a la carga existente. 1.4.4 Sistema Elctrico actual de la Refinera Puerto la Cruz El sistema de energa elctrica en la Refinera Puerto la Cruz, est constituido por tres turbogeneradores a gas, generando a niveles de 13.8 kV. El sistema de distribucin est formado por tres patios de celda de potencia o subestaciones, llamados Patio de Celdas RPLC, OSAMCO y El Chaure, las cuales se encargan de distribuir la energa a cada sector a travs de circuitos individuales con sus respectivas protecciones. Los puntos en los cuales se genera y los centro de distribucin, estn enlazados por medio de lneas y cables en disposicin area y subterrnea. El sistema en forma general est constituido inicialmente por redes radiales, excepto algunos circuitos que se encuentran anillados debido a la seguridad y confiabilidad con la que se le debe proporcionar energa a los mismos. Por otro lado cuenta con la interconexin con VALCOR, la cual proviene de dos lneas areas a 230kV desde la Subestacin Guanta II y que son transformadas a los niveles (230/34.5/13.8) kV, para finalmente interconectarse con la barra principal de la refinera. En la Figura 1.2 se muestra el diagrama unifilar simplificado del sistema elctrico actual de la Refinera Puerto la Cruz con sus circuitos asociados, no se muestra el Patio de Celdas Osamco porque esta subestacin se alimenta del Patio de Celdas R.P.L.C.

Figura 1.2 Diagrama unifilar simplificado del sistema elctrico R.P.L.C con sus circuitos asociados. 1.4.4.1 Demanda estimada en el Sistema Elctrico de la RPLC Las cargas elctricas de la refinera son en su mayora motores de corriente alterna del tipo de induccin, cuyas aplicaciones fundamentales estn referidas a sistemas de bombeo y sistemas mecnicos. Adems, tambin existen cargas residenciales de gran importancia, de las cuales la mayora estn conformadas por el campo residencial Guaraguao, campo residencial El Chaure y el Edificio Sede de PDVSA.

1.4.4.1.1 Generacin Mnima En la condicin de operacin normal es necesario disponer de una generacin en el orden de los 15MW para obtener un funcionamiento ptimo de todas las instalaciones de produccin continua y que no produzcan prdidas en el sistema por requerimientos de energa. 1.4.4.1.2 Demanda mxima La demanda mxima corresponde a un valor aproximado de 22 MW, a partir de la puesta en marcha de las cargas asociadas al CCM de OSAMCO y el Edificio Sede. 1.4.4.2 Descripcin del sistema de generacin El sistema de generacin de la Refinera Puerto la Cruz est conformado por tres unidades generadoras en el nivel de voltaje de 13.8 kV, las cuales son accionadas por turbinas de gas y representan una capacidad de generacin instalada de 55.7 MW. A continuacin en la Tabla 1.1, se muestran los valores de placa de cada uno de los generadores del sistema. Tabla 1.1 Valores de placa de los generadores del Sistema Elctrico de la R.P.L.C[1]CARACTERSTICAS DE LAS UNIDADES GENERADORAS DE LA R.P.L.C TAG TG-6 TG-7 TG-8 MARCA WESTINGHOUSE GENERAL ELECTRIC AEG KANIS/G.E MODELO W-191G MS-5001 MS-5001 POTENCIA DE SALIDA GENERADOR 15.7 MW 20 MW 20 MW VOLTAJE 13.800 V 13.800 V 13.800 V TIEMPO EN SERVICIO 18 AOS 10 AOS 10 AOS ANTIGEDAD 19 AOS 29 AOS 29 AOS COMBUSTIBLE DUAL GAS/ DIESEL DUAL GAS/ DIESEL DUAL GAS/ DIESEL POTENCIA DE SALIDA TURBINA 17.7 MW 23.4 MW 23.4 MW CONSUMO DE COMBUSTIBLE 232.0 MBTU/H 292.7 MBTU/H 292.7 MBTU/H

1.4.4.3 Transformadores de potencia del sistema 1.4.4.3.1 Transformadores de interconexin S/E A- S/E VALCOR (230/34.5kV) En la Refinera Puerto la Cruz se destacan dos transformadores de 230 a 34.5 kV identificados como XFR-53-7A01 y XFR-53-7A02, stos interconectan a la subestacin A con la subestacin VALCOR a travs de los interruptores 52A y 52B, respectivamente. Para efectos de este trabajo, estos transformadores sern identificados como T1 y T2. En la Tablas 1.2 transformadores. Tabla 1.2 Caractersticas del transformador XFR-53-7A01 (T1) [2]Marca Potencia Nominal (MVA) kV nominal Primario kV nominal Secundario Tipo Ao de Fabricacin TAG Devanado del OLTC Devanado del DTC Conexin P. / Aterramiento Conexin S. / Aterramiento P.T Pauwels Trafo Asia 55/73/88 230 34.5 ORV 88/395 2001 XFR-53-7A01 (T1) Primario Secundario Y/ Slido Y/ Resistor 400 Amp

y 1.3 se muestran las caractersticas principales de dichos

Tabla 1.3 Caractersticas del transformador XFR-53-7A02 (T2) [2]Marca Potencia Nominal (MVA) kV nominal Primario kV nominal Secundario Tipo Ao de Fabricacin TAG Devanado del OLTC Devanado del DTC Conexin P. / Aterramiento Conexin S. / Aterramiento P.T Pauwels Trafo Asia 55/73/88 230 34.5 ORV 88/395 2001 XFR-53-7A02 (T2) Primario Secundario Y/ Slido Y/ Resistor 400 Amp

1.4.4.3.2 Transformadores de interconexin con S/E VALCOR Planta Elctrica (34.5/13.8kV) El circuito de interconexin de la barra principal en 13.8 kV ( Planta Elctrica) con VALCOR, se completa a travs de dos transformadores de potencia de 34.5 a 13.8 kV conectados a los circuitos 4A y 4B respectivamente. Estos transformadores estn identificados con las siglas XFR-53-5X01 y XFR-53-5X02; para efectos de este trabajo se referirn como T3 y T4 respectivamente. En la Tablas 1.4 y 1.5 se especifican las caractersticas ms resaltantes de dichos equipos. Tabla 1.4 Caractersticas del transformador XFR-53-5X01 (T3) [2]Marca Potencia Nominal (MVA) kV nominal Primario kV nominal Secundario Tipo Ao de Fabricacin TAG Devanado del OLTC Conexin P. / Aterramiento Conexin S. / Aterramiento P.T Pauwels Trafo Asia 20/25 34.5 13,8 ORF 25/70 2002 XFR-53-5X01 (T3) Primario / Abierto Y/ Resistor 400 Amp.

Tabla 1.5 Caractersticas del transformador XFR-53-5X02 (T4) [2]Marca Potencia Nominal (MVA) kV nominal Primario kV nominal Secundario Tipo Ao de Fabricacin TAG Devanado del OLTC Conexin P. / Aterramiento Conexin S. / Aterramiento P.T Pauwels Trafo Asia 20/25 34.5 13,8 ORF 25/70 2002 XFR-53-5X02 (T4) Primario / Abierto Y/ Resistor 400 Amp.

1.4.4.4 Sistema de distribucin a travs de la barra principal Una vez que el proceso de generacin se est llevando a cabo en condiciones normales, la energa elctrica producida es inyectada en la barra principal, la cual se encuentra seccionada a travs de un interruptor de aire de 1200 amperios, el cual en funcionamiento normal se encuentra cerrado (normalmente cerrado, NC). Esta barra representa el inicio de la reparticin de carga hacia el resto del sistema, tal como se muestra en la Figura 1.2. En condiciones de emergencia o de mantenimiento, el interruptor permite separar las dos secciones de la barra permitiendo as que las mismas operen en forma independiente hasta regresar al funcionamiento normal. Las unidades generadoras designadas como TG-7 y TG-8 se encuentran acopladas a las secciones A y B respectivamente, mientras que la unidad designada TG-6 tiene un mecanismo de acople tanto con la seccin A como con la seccin B, la cual depender de la situacin de operacin del sistema. 1.4.4.4.1 Cargas conectadas a la barra principal (13.8kV) De esta barra se alimentan los siguientes circuitos: Circuito 3A y 3B (Servicios Industriales): Representan una se las cargas ms importantes de la refinera, ya que alimentan la planta de servicios, donde se encuentran diversos centros de control de motores CCM, los cuales manejan compresores, bombas de alimentacin de aguas para calderas, ventiladores y bombas de agua fresca. Circuito 4A y 4B (Interconexin con el Proyecto VALCOR): En estos circuitos se encuentran conectados transformadores trifsicos que sirven para enlazar el sistema con el Proyecto VALCOR, a los niveles de tensin 34.5/13.8 kV. Circuito 5A y 5B (Reserva): Este circuito est proyectado para ser utilizado en el futuro para la colocacin de un reactor limitador de corriente. Circuitos 6A y 6B (Patio de Celdas El Chaure): Representa la interconexin entre la R.P.L.C y el Patio de Celdas El Chaure. De este patio parten siete circuitos desginados con las letras G y H.

Circuitos 7A y 7B (Procesos): Estos circuitos comprenden otro conjunto de cargas sumamente importantes dentro de la refinera, ya que alimentan diferentes plantas. Estos circuitos alimentan especficamente: S/E Alquilacin. Planta de Alquilacin.. Torres de Enfriamiento 1,2 y 3. Bombas contra incendios TK 115. Bunker SRG-2. Unidad 051 (Bencina).

Circuitos 8A y 8B (Edificio Sede PDVSA): Estos circuitos alimentaban el edificio sede de PDVSA Puerto la Cruz. Actualmente estn fuera de servicio. Circuitos 9A y 9B (Unidades de destilacin): Se encargan de alimentar diferentes plantas de destilacin, tales como: Unidad DA-1. Unidad DA-2. Bunker principal de Refinera PLC. Circuitos 10A y 10 B (Servicios): Se encarga de llevar energa a cargas estticas en su mayora. Estos circuitos alimentan especficamente las siguientes cargas: Oficinas. Talleres. Edificio de Ingeniera General. Comedor RPLC. Planta STEP. Circuitos 16A y 16B (Patio de celdas Refinera PLC): Cada uno de estos circuitos se encarga de alimentar una de las dos secciones denominadas Barra E y Barra F ubicadas en el patio de celdas de Refinera PLC. Desde esta barra parten seis circuitos los cuales se describirn mas adelante. Iluminacin de reas externas de la RPLC. Laboratorio principal RPLC. CIED. Clnica Industrial. Planta STG. Bunker SRG-1.

Tabla 1.6 Resumen de los circuitos conectados a la barra principal [1]

1.4.4.4.2Circuitos alimentados por el Patio de Celdas Refinera Puerto la Cruz Los circuitos 16Ay 16B son los encargados de alimentar las dos secciones Barra F y Barra E, acopladas entre s por un interruptor de 1200 amperios para formar el patio de celdas Refinera Puerto la Cruz. De esta barra parten nueve circuitos, los cuales se describen a continuacin: Circuitos 2F y 3E: Estos circuitos alimentan la subestacin SISOR. Circuito 4F: Este circuito alimenta las bombas de JET-A1. Circuitos 3F y 5E: Alimentan el rea de casa de bombas 1 y 2 de R.P.L.C Circuito 7E: Mantiene una interconexin con el circuito 3I, adems alimenta continuamente a las siguientes cargas: Tanques. Llenadero y planta G.L.P. Torres de Enfriamiento.

Circuito 6E: Este circuito posee respaldo con el circuito 7F, se encarga de alimentar continuamente el Campo Residencial Guaraguao. Circuito 7F: Este circuito alimenta las siguientes cargas: S/E Bomba Merey. S/E Bombas contra incendios. Patio de Tanques R.P.L.C. Destacamento 79 GN. Circuitos 8F y 8E: Patio de Celdas OSAMCO S/E Bombas de Transferencia. Sala de control central de operaciones. Casa de bombas R.P.L.C. Llenadero R.P.L.C.

1.4.4.4.3 Circuitos alimentados por Patio de Celdas OSAMCO Los circuitos 8F y 8E alimentan el Patio de Celdas OSAMCO desde el Patio de Celdas R.P.L.C. Cada uno de estos circuitos llega a una seccin diferente denominadas Barra I y Barra J, de una barra seccionada, la cual se encuentra acoplada por un interruptor de aire de 1200 amperios. De dicha barra salen seis circuitos, los cuales se detallan a continuacin. Circuito 3J: Se utiliza para interconectar Planta de servicios El Chaure Barra G con el Patio de Celdas de Refinera. Circuito 4J: Se encarga de alimentar una pequea parte de la planta G.L.P. Se usa como enlace con el circuito 7E. Circuito 6J y 4 I: Alimenta a la S/E Bombas Osamco que funciona para alimentar a los servicios auxiliares de las bombas Osamco en 480V. Circuito 5I y 1J: Se encargan de alimentar al CCM Bombas Osamco, la cual consta de un CCM de 4160Voltios.

Circuito 3I: Este circuito se utiliza como respaldo hacia los muelles, adems alimenta las siguientes cargas: Biblioteca Guaraguao. Patio de Tanques de Almacenaje.

Circuito 2I: Alimenta el Edificio Sede en Guaraguao. 1.4.4.4.4 Circuitos alimentados a travs del Patio de Celdas El Chaure A travs de los circuitos 6A y 6B se realiza la interconexin entre planta elctrica y el patio de celdas El Chaure. Cada circuito llega a una seccin de barra diferente denominadas Barra G y Barra H, las cuales se encuentran interconectadas por un interruptor de aire de 1200 amperios normalmente abierto. De esta barra parten siete circuitos designados con las letras G y H, tal como se describen a continuacin. Circuitos 3G y 3H: Se utiliza de interconexin de llegada del circuito 6A y 6B respectivamente. Circuito 4G: Alimenta el campo residencial El Chaure y circuitos de iluminacin. Tiene la posibilidad de transferir carga manualmente al circuito 6H. Circuito 5G y 5H: Estos circuitos alimentan a las siguientes cargas: S/E Planta DA-3. CCM DA-3 480V. S/E Planta de asfalto Circuito 6H: Alimenta las siguientes cargas. Casa mltiple. Bunker mltiple norte. Aguas Servidas Guaraguao. Taller Automotriz. Oficinas Telecomunicaciones S/E bombas de cargas Muelle 6. Compresor de aire Planta TEL. Oficina Plataforma Deltana. Edificio PDV Marina. Comando de GN Muelles. CCM DA-3 2400V. Bunker DA-3 CCM Bombas asfalto 480V

Despacho de petrleo.

Oficinas Muelle 7.

Circuito 6G: Se encarga de llevar energa a los siguientes puntos: Galpn de Rocas. Mltiple sur. Portn de vigilancia. Laboratorio geolgico. Circuito 7H: Este circuito posee interconexin con el circuito 6H, adems alimenta los siguientes circuitos. S/E Bombas de transferencia El Estacin de antenas repetido CCM Bombas de Transferencia El Chaure 2400V. Chaure. CCM Bombas de Transferencia El Chaure 480V. S/E Servicio Automotriz El Chaure rea de tanques. Oficinas de geologa.

Circuito 8H: Este circuito tiene la posibilidad de interconectarse con el circuito 6G y alimenta los siguientes puntos. Oficinas. Llenadero de asfalto. Iluminacin de reas externas. Bombas de carga.

Circuito 7G: Este circuito alimenta a las siguientes cargas. S/E bombas de agua salada. CCM Bombas de agua salada 240 V. CCM Bombas agua salada 2400V. Telecomunicaciones.

1.5 Planteamiento del Problema En la actualidad, dentro de la Refinera Puerto la Cruz, las redes de distribucin, las cargas industriales muy sensitivas y las crticas operaciones industriales sufren de varios tipos de interrupciones del servicio elctrico. Estas irregularidades, que involucran fenmenos de corta y larga duracin, van desde huecos de tensin momentneos hasta desviaciones de tensin en las barras principales que se mantienen por varios minutos, llegando incluso a registrarse niveles por debajo de los mnimos recomendados por las normas internacionales. La mayora de estos problemas son causados por la calidad deficiente de energa que se recibe de la interconexin con la empresa CADAFE as como por depresiones de tensin causadas por cortocircuitos trifsicos. Estas perturbaciones pueden llegar a representar prdidas financieras significativas, retrasos en los procesos o incluso la parada total de la planta si no se toman medidas que ayuden a despejarlas o disminuir su efecto sobre los equipos. El presente trabajo tiene como propsito evaluar el estado actual del sistema elctrico de la refinera Puerto la Cruz y con la ayuda de herramientas computacionales, implementar un mtodo para controlar y mantener el perfil de voltaje adecuado en las barras del sistema. Lo cual se puede lograr controlando la produccin y absorcin de potencia reactiva tomando en cuenta el aporte de reactivos por parte del los generadores y el comportamiento de los transformadores con cambiadores de tomas bajo carga conectados al sistema.

1.6 Objetivos 1.6.1 Objetivo General Determinar mediante simulacin el comportamiento de los reactivos en cuanto al perfil de voltaje en RPLC y VALCOR, considerando los turbogeneradores y los transformadores OLTC ubicados en planta elctrica, S/E VALCOR y CADAFE (230/34.5/13.8Kv). 1.6.2 Objetivos Especficos Actualizar la base de datos de los dispositivos elctricos existente en la RPLC que contribuyen a los reactivos. Identificar los modelos matemticos ms representativos de los turbogeneradores y transformadores con tomas variables. Simular mediante la herramienta computacional ETAP los distintos escenarios que representen el comportamiento real de los perfiles de voltaje de barra en el sistema elctrico RPLC, VALCOR y CADAFE. Describir el comportamiento de los turbogeneradores y transformadores OLTC para corregir las desviaciones de voltaje durante escenarios de contingencia. Evaluar la calidad de la energa de acuerdo al perfil de voltaje calculado con el programa ETAP.

1.7 Alcance El alcance del presente proyecto abarca las siguientes consideraciones: Obtener informacin de los equipos que contribuyen al control de reactivos en el sistema elctrico de la Refinera Puerto La Cruz, especficamente los turbogeneradores y transformadores con cambiadores de tomas bajo carga. Actualizar la base de datos existente en el programa ETAP 5.5 registrando la informacin obtenida referente a los equipos. Simular distintos escenarios operacionales que representen las variaciones de tensin en el sistema y observar la respuesta de los equipos ante tales perturbaciones. Inferir en posibles soluciones para mejorar los perfiles de tensin en las barras principales del sistema elctrico de la Refinera Puerto la Cruz.

2ESTABILIDAD Y CALIDAD DE ENERGIA EN SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA2.1 Introduccin El problema de estabilidad ha afectado la planificacin, explotacin, control y proteccin de los sistemas de potencia de energa elctrica desde comienzo del desarrollo de los sistemas elctricos de corriente alterna. Por una parte, la estabilidad del sistema ha impuesto lmites en la utilizacin de las redes de transporte de energa elctrica inferiores a los lmites trmicos. Por el contrario, los sistemas de control y proteccin han permitido un muchos casos superar esos lmites.[3] La primera forma conocida del problema de estabilidad aparece cuando se plantea la conexin de generadores hidrulicos a centros de consumo distantes. Las primeras referencias al problema de estabilidad datan de los aos veinte. El problema que se planteaba era saber si un generador podra mantenerse funcionando en sincronismo tras la ocurrencia de un cortocircuito en algn punto de su red de transporte. 2.2 Definiciones y clasificacin del problema de estabilidad La estabilidad es uno de los temas fundamentales en la mayora de las disciplinas de ingeniera. Dado el impacto devastador que la inestabilidad puede causar en los sistemas dinmicos, se han formulado muchas definiciones de estabilidad [4], cada uno enfatizando la variable sujeta a control.

Supngase que el sistema de energa elctrica se encuentra en un punto de funcionamiento estable. La estabilidad est interesada en el estudio de la capacidad del sistema en alcanzar un nuevo punto de equilibrio estable o de volver al punto de equilibrio estable original tras la ocurrencia de una perturbacin. La inestabilidad en los sistemas de potencia se puede manifestar de diferentes maneras dependiendo de la configuracin del sistema y modo de operacin. Tradicionalmente, el problema de estabilidad ha sido mantener la operacin sincrnica. La mejor manera para entender el fenmeno de estabilidad en el sistema de potencia es definir y categorizar adecuadamente los diferentes fenmenos de comn ocurrencia dentro del sistema. Regularmente, todos los fenmenos que ocurren en los sistemas de potencia se estudian en el contexto de tres estructuras generales (administrativa, fsica y rango de tiempo). La estructura administrativa regula la organizacin poltica de la red, como por ejemplo la estructura jerrquica de las diferentes capas o reas en el sistema de energa. La estructura fsica describe los componentes principales de los sistemas de potencia, las relaciones entre ellos, equipos de control, as como los principios de conversin de energa. Finalmente, la estructura dependiente del tiempo categoriza los fenmenos dinmicos en la escala de tiempo correspondiente a cada suceso[4]. sta ltima estructura es indudablemente la mas apropiada para estudiar las dinmicas de los sistemas de potencia y es la que se tomar como referencia para el desarrollo de este trabajo. Los sistemas de energa elctrica presentan dinmicas en una amplia escala de tiempo. Desde la escala de los microsegundos correspondientes a las sobretensiones debidas a la cada del rayo hasta la escala de las horas correspondiente al seguimiento de la carga a lo largo del da. El problema de estabilidad se encuentra en la escala de tiempo de los segundos o incluso minutos.

Figura 2.1. Escala de tiempo de los problemas de estabilidad. [4] Pese a esta precisin inicial, el problema de la estabilidad de los sistemas de energa elctrica es todava de gran complejidad. Una forma de abordar la comprensin de un problema de estabilidad especfico es su caracterizacin en trminos de los siguientes criterios: La naturaleza del fenmeno fsico involucrado (se habla de estabilidad de ngulo y de estabilidad de tensiones), La magnitud de la perturbacin (se habla de estabilidad de gran perturbacin y de estabilidad de pequea perturbacin) y Las dinmicas involucradas (se habla de estabilidad de corto plazo, estabilidad de mediano plazo y de estabilidad de largo plazo). 2.2.1 Estabilidad de ngulo La estabilidad de ngulo tiene que ver con la capacidad de los generadores de seguir funcionando en sincronismo tras la ocurrencia de una perturbacin. Se dice que un conjunto de generadores funcionan en sincronismo cuando las diferencias angulares se mantienen constantes y por tanto sus velocidades angulares elctricas son iguales. 2.2.2 Estabilidad de tensiones La estabilidad de tensiones se relaciona con la capacidad del sistema de potencia por mantener las tensiones de los nudos dentro de unos lmites aceptables. La inestabilidad de tensiones se produce cuando las tensiones caen en forma progresiva e incontrolada tras la ocurrencia de una perturbacin.

2.2.3 Estabilidad de pequea perturbacin Se habla de estabilidad de pequea perturbacin o de pequea seal cuando la magnitud de la perturbacin que tiene lugar es tal que se puede linealizar para su estudio. En otras palabras, un modelo linealizado alrededor del punto de funcionamiento caracteriza satisfactoriamente el comportamiento dinmico del sistema [3]. La naturaleza de la respuesta del sistema a pequeas perturbaciones depende de una serie de factores incluyendo la operacin inicial, la fortaleza del sistema de transmisin y el tipo de control de excitacin utilizado [5]. Ejemplos de pequeas perturbaciones son las pequeas variaciones de la generacin o de la carga que se observan en el funcionamiento normal del sistema de energa elctrica. 2.2.4 Estabilidad de gran perturbacin Se habla de estabilidad de gran perturbacin cuando la magnitud de la perturbacin que tiene lugar es tal que las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinmico del sistema no se pueden linealizar pasa su anlisis. Ejemplos de grandes perturbaciones son los cortocircuitos, las prdidas de generadores, lneas o cargas. 2.2.5 Estabilidad de corto plazo La estabilidad de corto plazo considera que las dinmicas dominantes son las de los generadores sincrnicos y sus sistemas de control primario (tensin y carga-velocidad). 2.2.6 Estabilidad de mediano plazo La estabilidad de mediano plazo representa la transicin entre las respuesta de corto y largo plazo. En la estabilidad de mediano plazo se estudia principalmente las oscilaciones sincronizantes de potencia entre mquinas, incluyendo el efecto de algunos de los fenmenos ms lentos y posiblemente grandes desviaciones de frecuencia y voltaje. 2.2.7 Estabilidad de largo plazo La estabilidad de largo plazo se enfoca en fenmenos ms lentos o lo que es lo mismo, de larga duracin que usualmente acompaan los cambios en el sistema resultando en grandes diferencias entre la generacin y el consumo de potencia activa y reactiva [5].

La estabilidad de largo plazo supone que las dinmicas involucradas son las de las fuentes de energa primaria de los generadores sincrnicos (calderas de centrales trmicas convencionales, reactores de las centrales trmicas nucleares, circuito hidrulico con tnel) y los sistemas de regulacin secundaria frecuencia-potencia (control automtico de generacin) y tensin-reactiva (tomas de transformadores, reactancias y condensadores, etc.) 2.3 Estabilidad de Voltaje y Colapso de Tensin 2.3.1 Estabilidad de Voltaje La estabilidad de voltaje es la habilidad de un sistema de potencia para mantener magnitudes estables de voltaje en todos las barras del sistema bajo condiciones normales de operacin o despus de haber ocurrido una perturbacin. Un sistema entra en un estado de inestabilidad de voltaje cuando una perturbacin, un aumento en la carga, o un cambio en las condiciones del sistema ocasionan una cada de voltaje progresiva e incontrolada. El factor principal que causa inestabilidad es la indisponibilidad del sistema para satisfacer la demanda de potencia reactiva. El corazn del problema usualmente se relaciona con la cada de voltaje que ocurre cuando la potencia reactiva y activa fluyen a travs de reactancias inductivas asociadas con redes de transmisin. Un criterio de estabilidad de voltaje se da cuando, en un punto de operacin dado para cada barra del sistema, la magnitud del voltaje de barra aumenta a medida que la inyeccin de potencia reactiva en la misma barra aumenta. Un sistema se considera inestable si, al menos en una barra del sistema, la magnitud (V) del voltaje disminuye al mismo tiempo que la inyeccin de potencia reactiva (Q) en la misma barra se aumenta. En otras palabras, un sistema es estable en voltaje en todos los ndices positivos de la curva V-Q, e inestable en todos los ndices negativos de la misma curva en al menos una de las barras del sistema.

Figura. 2.2 Curva V-Q del sistema de potencia. [5]

2.3.2 Colapso de Tensin El colapso de tensin es ms complejo que la inestabilidad de voltaje y es usualmente el resultado de una secuencia de eventos que acompaan la inestabilidad de voltaje ocasionando un perfil de voltaje bajo en una parte importante del sistema de potencia. Cuando un sistema de potencia est sujeto a una demanda imprevista de potencia reactiva luego de una contingencia, esta demanda adicional es aportada por las reservas de potencia reactiva (generadores y compensadores). Usualmente existen suficientes reservas y el sistema alcanza el nivel de voltaje estable. Sin embargo, es posible que a causa de una combinacin de eventos y condiciones del sistema, la demanda de potencia reactiva adicional, conlleve a un colapso de voltaje desencadenado prdida de sincronismo de las unidades generadoras y un apagn total. 2.3.3 Mtodos de anlisis utilizados para solucionar problemas de estabilidad de tensin 2.3.3.1 Anlisis dinmico La estructura general del modelo del sistema para la resolucin del problema de estabilidad de voltaje es similar al de los estudios de estabilidad transitoria. Las ecuaciones que representan todo el sistema se expresan como un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden, las cuales pueden representarse en la forma general:

x. = f(x,V) Y un conjunto de ecuaciones algebricas I(x,V) = YNV Con un conjunto de condiciones iniciales ya conocidas (x0, V0), donde: x = vector de estado del sistema V= vector de voltaje de barra I = vector de inyeccin de corriente YN= matriz admitancia de los nodos de la red

[Ec. 2.1]

[Ec. 2.2]

Como se ha de incluir la representacin de los mdulos cambiadores de tomas de los transformadores de potencia, los elementos YN cambian como una funcin de los voltajes de barra y el tiempo. El vector de inyeccin de voltaje I es una funcin de los estados del sistema x y el vector de voltaje de barra V, representando las condiciones lmite en los terminales de los diferentes dispositivos (unidades generadoras, cargas estticas no lineales, motores, etc.). Debido a la naturaleza dependiente del tiempo de dispositivos como limitadores de corriente de campo, la relacin entre I y x puede ser una funcin del tiempo. Las ecuaciones 2.1 y 2.2 pueden resolverse en el dominio del tiempo utilizando mtodos explcitos de integracin numrica tales como el Mtodo de Euler, el Mtodo de Euler Modificado, el Mtodo de Runge-Kutta [6] en el orden de varios minutos. 2.3.3.2 Anlisis esttico El acercamiento esttico del problema de inestabilidad de tensin captura imgenes de las condiciones del sistema durante varios cuadros a lo largo de la trayectoria del dominio del tiempo. En cada uno de estos cuadros de tiempo, las derivadas con respecto al tiempo de las variables de estado (x. en la ecuacin 2.1) se asumen iguales a cero y las variables de estado aceptan valores apropiados para el cuadro especfico en estudio. En consecuencia, las mtodos implcitos como el de la Regla Trapezoidal en combinacin con mtodos de flujo de cargas. El tiempo de estudio tpico est

ecuaciones que describen el sistema se reducen a ecuaciones puramente algebraicas permitiendo la utilizacin de tcnicas de anlisis estticas. En el pasado, la industria elctrica ha dependido enormemente de programas convencionales de flujo de cargas para el anlisis esttico de la estabilidad de tensin. El grado de estabilidad se determina elaborando las curvas V-P y Q-V en determinadas barras de carga. Habitualmente, dichas curvas se generan ejecutando un gran nmero de flujos de carga utilizando modelos convencionales. An cuando dichos procedimientos son automatizados, consumen demasiado tiempo y no necesariamente proporcionan informacin til acerca de las causas que producen la inestabilidad de voltaje en el sistema. Adems, estos procedimientos se enfocan en barras individuales tensando cada barra independientemente. Esto puede dar una sensacin ficticia de la condicin de estabilidad del sistema. De igual manera, las barras seleccionadas para los anlisis Q-V y V-P deben escogerse cuidadosamente puesto que muchas veces puede no ser posible generar la curva completa debido a la divergencia en la ejecucin del flujo de cargas por problemas en otro lugar del sistema. 2.3.3.3 Comparacin entre el anlisis esttico y el dinmico Hoy en da existe debate acerca si el problema de estabilidad de tensin es de naturaleza esttica y puede, en consecuencia, estudiarse como un problema paramtrico de flujos de carga o si es de naturaleza dinmica y debe estudiarse como la trayectoria de un conjunto de ecuaciones diferenciales [7] .Lo cierto es que tanto el estudio dinmico como el esttico pueden aplicarse, la diferencia principal est en el tamao del sistema bajo estudio, lo cual limita en muchos casos el tipo de anlisis que se puede realizar, especialmente para aplicaciones en tiempo real. La mayora de los trabajos relacionados con este problema, se han enfocado en el estudio esttico, principalmente por la factibilidad del uso de los programas computacionales de flujo de cargas y flujo ptimo de cargas, pero para algunos casos ha de tomarse en cuenta el modelado de los elementos del sistema que tiende a ser mas preciso en estudios dinmicos. Algunos autores, como [8] sostiene que bajo ciertas condiciones, el anlisis de colapso de tensin bajo acercamientos dinmicos y estticos conlleva a resultados similares, an cuando prefiere el estudio esttico debido a que consume menos tiempo de cmputo.

2.3.3.4 Flujo de cargas El problema conocido como flujo de cargas (load flow en lengua inglesa) consiste en obtener las condiciones de operacin en rgimen permanente del un sistema de energa elctrica. Ms concretamente, dados los consumos en cada nodo, y la potencia generada por los alternadores, se trata de encontrar las tensiones en los nodos y los flujos de potencia por las lneas y transformadores. Sin duda alguna, la rutina del flujo de cargas es la ms empleada por los ingenieros involucrados en la explotacin y planificacin de los sistemas de potencia, bien como aplicacin independiente o como subrutina de aplicaciones ms complejas ( estabilidad transitoria, colapso de tensiones, problemas de optimizacin, simuladores de entrenamiento, etc.) El flujo de cargas consta bsicamente de dos etapas: la primera y ms decisiva consiste en obtener las tensiones complejas en todos los nudos elctricos. Para este propsito no es posible utilizar las herramientas convencionales de anlisis de circuitos lineales, porque las restricciones de contorno no se especifican en trminos de impedancias (cargas) y fuentes de tensin (generadores) sino de potencias, lo cual conduce a un sistema no lineal de ecuaciones. La segunda etapa consiste simplemente en el clculo de todas las magnitudes de inters, como flujos de potencia activa y reactiva, prdidas, etc., lo cual es de inmediato. [3] 2.3.3.4.1 Formulacin del problema Como se sabe por la teora de circuitos, el estado de una red elctrica de n nodos queda determinado completamente mediante las tensiones complejas en todos sus nodos. Las leyes de Kirchhoff y los modelos para cada componente de la red se condensan en las ecuaciones nodales, que en forma compleja se describen como: = Y.U

[Ec. 2.3] [Ec. 2.4]

Ii = i =1 Yij.Ujn

i = 1,2,..., n

Donde U es el vector de tensiones nodales, I el vector de intensidades netas en los nodos e Y la matriz nxn de admitancias de nodos. Adems, en cada nodo debe cumplirse que:

Si = S Gi S Ci = U i I i

*

[Ec. 2.5]

Siendo Si la potencia compleja neta inyectada en el nodo i, obtenida en el caso general como la diferencia entre la potencia generada y la consumida por la carga en dicho nodo. La ecuacin anterior, aplicada a todos los nodos puede escribirse en forma matricial como: [Ec. 2.6]

S = diag (U ) Idiagonal cuyos elementos son los del vector U.

*

Donde S es el vector de potencias complejas nodales y diag (U) denota una matriz Conocida la matriz de admitancias, las ecuaciones 2.3 y 2.6 constituyen un sistema de 2n ecuaciones complejas en trminos de las 3n incgnitas complejas obtenidas en S, U e I. En teora, conociendo n de las dichas incgnitas podra resolverse el sistema no lineal resultante para obtener las 2n restantes. En la prctica, las intensidades complejas nodales nunca son conocidas a priori en un sistema de potencia, por lo que se prefiere eliminarlas sustituyendo 2.3 en 2.6. Esto conduce al sistema no lineal de n ecuaciones complejas siguiente: [Ec. 2.7]

S = diag (U )[Y .U ]

*

Descomponiendo la potencia compleja en su parte real e imaginaria, S=P+jQ, y utilizando coordenadas cartesianas para los elementos de la matriz de admitancias, Y= G+jB, la ecuacin anterior se convierte en:P + jQ = diag (U )[G jB ]U *

[Ec. 2.8]

Pi + jQi = Ui j =1 [Gij jBij ]U j *n

[Ec. 2.9]

i=1,2,,n Los mtodos iterativos ms importantes que se describirn posteriormente no pueden trabajar con las ecuaciones complejas anteriores, porque la presencia de variables conjugadas

impide llevar a cabo derivadas en forma compleja. Es preciso, por lo tanto, separar dichas ecuaciones en 2n ecuaciones reales. Habitualmente, las tensiones se expresan en coordenadas polares, U , lo cual conduce a:Pi = Vi V j (Gij cos ij + Bij sen ij )j =1 n

[Ec. 2.10]

Qi = Vi V j (Gij sen ij + Bij cos ij )j =1

n

[Ec. 2.11]

i=1,2,,,n Mientras que si se utilizan coordenadas cartesianas o rectangulares, U = Vr + jVx, se obtiene :

Pi = Vri V j (Gij .Vrj BijV xj ) + V xi (GijV xj + BijVrj )j =1 j =1

n

n

[Ec. 2.12]

Qi = Vxi V j (Gij .Vrj BijVxj ) Vri (GijVxj + BijVrj )j =1 j =1

n

n

[Ec. 2.13]

i=1,2,,n Obsrvese que cada nodo aporta dos ecuaciones y cuatro incgnitas, por lo que deben especificarse dos magnitudes por nodo para que las ecuaciones anteriores puedan resolverse. En funcin de las condiciones de contorno impuestas, pueden distinguirse dos tipos principales de nodos: Nodos de consumo o nodos PQ : Son aquellos nodos donde se conoce el consumo de potencia activa (PespCi) y reactiva (QespCi) , siendo nula la potencia generada ( PGi = QGi = 0). Las restricciones impuestas son, por lo tanto,

esp esp Pi esp = PCi ; Qiesp = QCi

[Ec. 2.14]

Quedando como incgnitas las dos componentes de la tensin nodal respectiva. La gran mayora de nudos de una red, sobre todo en niveles de menor tensin, son de este tipo. Nodos de generacin o nodos PV: Son aquellos nodos donde un generador regula la tensin a un valor especificado (Viesp) e inyecta una potencia activa (PGiesp) determinada previamente por consideraciones econmicas. Las restricciones resultantes, que tienen en cuenta el posible consumo local, son:esp esp Pi esp = PGi PCi ; Vi = Vi esp

[Ec. 2.15]

Quedando Qi Y i como incgnitas. Un caso particular de nodos PV surge cuando se conecta un compensador de potencia reactiva (esttico o rotativo) con capacidad para regularesp tensin. En este caso PGi = 0 . La presencia de pequeos generadores sin regulacin de

tensin puede modelarse como nodos de consumo negativo. Ahora bien, si slo se consideran ambos tipos de nodos, todas las potencias activas inyectadas deben especificarse de antemano, lo cual es imposible porque las prdidas en la red, que tambin deben ser aportadas por los generadores, no se conocen hasta que se conocen los flujos de potencia por cada elemento. Es decir, la potencia reactiva de al menos un generador no puede ser especificada y debe calcularse al final del proceso. Afortunadamente esta incgnita adicional se compensa con el hecho de que, cuando se trabaja con fasores, uno de los ngulos de fase puede tomarse libremente como origen de fases. Por simplicidad de clculos, se toma como origen de fase precisamente el nodo de generacin cuya potencia se deja libre. Este nodo, que suele ser un generador importante con capacidad para regular frecuencia, o un nodo de interconexin con el exterior, se denomina nodo de referencia, nodo oscilante o ms comnmente, nodo slack.

Sea nD el nmero de nodos de consumo. Entonces, el nmero de nodos de generacin, sin contar el nodo slack, ser nG= n nD 1. Entonces, en forma generalizada, las ecuaciones que intervienen en el problema de flujo de cargas son las siguientes: Pi esp = Vi V j (Gij cos ij + Bij sen ij )j =1 n

[Ec. 2.16]

i=1,2,nD+nGn

Qi esp = Vi V j (Gij sen ij + Bij cos ij )j =1

[Ec. 2.17]

i=1,2,nD La solucin de este problema consiste en encontrar los desfases i, y los

i= 1,2,.,nD+nG

mdulos de tensiones Vi, i = 1,2,,nD, que satisfacen las 2nD+nG ecuaciones anteriores. Hay que hacer notar que el fijar la tensin compleja del nodo oscilante, y dejar libre su potencia compleja, implica simplemente que las dos ecuaciones respectivas no intervienen en el proceso. Dichas ecuaciones servirn despus, una vez resuelto el problema, para hallar precisamente la potencia compleja de dicho nudo. Dado que las ecuaciones resultantes no son lineales, su solucin debe ser forzosamente iterativa, por lo que es necesario adoptar unos valores iniciales para las variables del problema. La bsqueda de valores iniciales adecuados, que hagan converger el proceso iterativo hacia un punto fsicamente viable, de entre muchas soluciones matemticamente posibles, no es un problema trivial en el caso general. Afortunadamente, las caractersticas especiales del flujo de cargas, donde sabemos de antemano que las tensiones se mueven en una banda relativamente pequea alrededor de su valor nominal, y que los desfases adyacentes se mueven en mrgenes estrechos por motivos de estabilidad, hacen que el denominado perfil plano sea casi siempre la mejor opcin para iniciar el proceso iterativo. Dicho perfil consiste en hacer i0 = 0 para todos los nodos y Vi 0 = 1 pu para los nodos de consumo. Si se ha ejecutado previamente un flujo de carga, y los cambios en el estado del sistema han sido menores, puede iniciarse el proceso con la solucin del caso anterior. La experiencia

demuestra, sin embargo, que utilizar unos valores aparentemente ms prximos a la solucin, pero arbitrarios, suele dar peores resultados que el perfil plano. Una vez resueltas las ecuaciones 2.16 y 2.17 es posible calcular cualquier magnitud deseada. Los flujos de potencia para un nico elemento conectado entre los nodos i y j se pueden obtener de: Pij = ViV j (Gij cos ij + Bij sen ij ) GijVi2

[Ec. 2.18]

Qij = ViV j (Gij sen ij Bij cos ij ) + Vi ( Bij b pij )

2

[Ec. 2.19]

Donde bp denota la susceptancia paralelo del modelo de la lnea de transmisin.2.3.3.4.2 Mtodo de Gauss-Seidel

Histricamente, debido fundamentalmente a la poca capacidad de clculo y de memoria de los computadores primitivos, empezaron usndose mtodos que iteraban nodo a nodo sin tener que manipular grandes matrices, ya fuesen de admitancias o de impedancias. Estas tcnicas son aplicaciones directas al caso no lineal de los mtodos iterativos de solucin de ecuaciones lineales existentes en aquella poca, y su inters industrial hoy en da es prcticamente nulo. Este mtodo consiste en barrer secuencialmente cada nodo y actualizar su tensin en funcin de los valores disponibles en ese momento de todas las tensiones. En general, encontrar el vector x que satisface el sistema no lineal.f ( x) = 0

[Ec. 2.20]

Puede formularse como el problema de punto fijox = F (x)

[Ec. 2.21]

Cuya solucin, partiendo de un valor inicial x 0 , se obtiene iterativamente mediante:k xik +1 = Fi ( x1k +1 ,...., xik+1 , xik ,..., x n ) 1

[Ec. 2.22]

i = 1,2,...., n

Obsrvese que cuando se actualiza xi se utilizan los nuevos valores de las variables actualizadas con anterioridad ( i=1,2,,i-1). Para el caso concreto del flujo de cargas, entre las diversas formas en que puede reescribirse la ecuacin 2.9, la siguiente ha demostrado ser la ms eficiente:1 Pi esp jQiesp i 1 YijU k +1 j Yii (U ik ) * j =1 1YijU kj j =i + n

U ik +1 =

[Ec. 2.23]

i = 1,2,...., n 1

El proceso iterativo se detiene cuando se satisface:imax U ik +1 U ik

[Ec. 2.24]

Donde es un umbral suficientemente pequeo (por ejemplo 0.0001). Aunque el esfuerzo de clculo por interaccin es moderado, la convergencia del mtodo Gauss-Seidel es lineal, lo que significa que el nmero de iteraciones es del orden de n. Esto supone una limitacin importante para sistemas grandes, porque el tiempo de clculo total crece con n2. Es posible disminuir el nmero de iteraciones, a veces hasta la mitad, mediante un factor de aceleracin .k +1 U iacel = U ik + (U ik +1 U ik )

[Ec. 2.25]

Este valor debe ser menor a 2 para evitar divergencia. Los valores ptimos de estn comprendidos entre 1.4 y 1.6. Sin embargo, la ecuacin 2.23 no puede aplicarse directamente a los nodos PV por dos motivos: 1) no se conoce Qiesp ; 2) el mdulo de la tensin resultante no coincide con el especificado. Es mtodo habitualmente empleado para solventar el primer inconveniente consiste en sustituir Qiesp por el valor calculado con las tensiones disponibles en cada

momento. La segunda limitacin se solventa corrigiendo la tensin obtenida para que tenga el mdulo deseado:k +1 U iacel = Vi espU ik +1

Vi k +1

[Ec. 2.26]

El mecanismo de correccin no debe llevarse a cabo prematuramente para no perturbar la convergencia global del proceso, ya de por s bastante pobre. Quizs la nica utilidad prctica hoy en da del mtodo Gauss-Seidel radique en su utilizacin como forma de generar valores iniciales para el mtodo de Newton-Raphson, en aquellos raros casos en los que la convergencia de ste sea problemtica partiendo desde el perfil plano.

2.3.3.4.3 Mtodo de Newton-Raphson

Este mtodo obtiene sucesivamente nuevos valores mediante aproximaciones de primer orden de las funciones no lineales involucradas. La ecuacin 2.20 puede aproximarse por su desarrollo en serie alrededor el punto x k : f ( x) f ( x k ) + F ( x k )( x k +1 x k ) = 0[Ec. 2.27]

Donde F =

f es el jacobiano f(x). Partiendo del valor inicial x 0 se obtienen correcciones x

x k resolviendo el sistema lineal:

F ( x k )x k = f ( x k )

[Ec. 2.28]

Y nuevos valores x k +1 de:x k +1 = x k + x k

[Ec. 2.29]

El proceso iterativo se detiene cuando se cumple que:

maxi f i ( x k )

[Ec. 2.30]

Para un suficientemente pequeo. Para valores x 0 prximos a la solucin, el mtodo de Newton-Raphson cuadrticamente).2.3.3.4.4 Mtodo desacoplado rpido

converge

cuadrticamente

(cuando

diverge

tambin

lo

hace

A pesar de los avances en tcnicas computacionales ya explicados, la ejecucin del flujo de cargas mediante el mtodo de Newton-Raphson exacto, tal como se ha descrito anteriormente, conlleva tiempos de clculo elevados para redes muy grandes, que pueden ser inaceptables para aplicaciones de tiempo real donde sea necesario resolver mltiples casos. En este tipo de aplicaciones, la rapidez es muchas veces ms importante que la precisin. La primera y evidente simplificacin consiste en no recalcular el jacobiano en cada iteracin, manteniendo constante al que se calcula la primera vez. Como la convergencia empeora ligeramente, las iteraciones dems, necesarias cuando se trabaja con un jacobiano constante, cancelan muchas veces el ahorro obtenido en cada iteracin. La segunda y ms importante simplificacin proviene del desacoplamiento existente entre las potencias reactivas y ngulos de fase, as el mtodo de Newton Raspn exacto se reduce a los dos sistemas desacoplados siguientes:B' = P / V B' ' V = Q / V

[Ec. 2.31] [Ec. 2.32]

El proceso iterativo consiste en resolver alternativamente las ecuaciones 2.31 y 2.32, utilizando en cada caso los valores ms recientes de y V, hasta que se satisfaga el criterio de convergencia tanto el P como en Q.2.4 Calidad de Energa

Hablar de calidad de la energa es hablar de excelencia en la prestacin del servicio y en los estndares tcnicos de tensin, para lo cual es necesario mantener un control permanente sobre las variables elctricas del sistema. Desafortunadamente esto no siempre se logra ya que existen varios fenmenos electromagnticos que atentan contra las condiciones ideales de energa. Uno de estos fenmenos electromagnticos es el sag o subtensin transitoria, llegando la magnitud y duracin del sag a generar un colapso de voltaje de una cadena de produccin en lnea, ocasionando que las industrias pierdan anualmente millones por sus paros en los procesos. [9]2.4.1 Huecos de Tensin

Un hueco de tensin se define como una disminucin de la tensin eficaz de corta duracin comprendida entre un valor del 90% y del 10% de la tensin nominal y con una duracin comprendida entre 0.5 ciclos y 1 minuto. Las disminuciones de tensin inferiores a medio ciclo no se pueden caracterizar por medio de la variacin de su valor eficaz, y por eso se incluyen dentro de la categora de fenmenos transitorios. Por otro lado, las disminuciones de la tensin con una duracin mayor a 1 minuto pueden estar asociadas a una gran variedad de causas distintas de los fallos en la red y se pueden controlar por medio de los dispositivos de regulacin de tensin. Debido a ello, el estndar incluye estas perturbaciones dentro del grupo de las variaciones de tensin de larga duracin. Los huecos de tensin se dividen en tres categoras en funcin de su duracin: instantneos, momentneos y temporales, que coinciden con las tres categoras de interrupciones y de swells. Estas duraciones estn escogidas en funcin de los tiempos de operacin tpicos de los dispositivos de proteccin.2.4.2 Estndar IEEE 1159-1995

El estndar IEEE 1159-1995 define siete categoras distintas de fenmenos electromagnticos en las redes elctricas: transitorios, variaciones de corta duracin, variaciones de larga duracin, desequilibrio de la tensin, distorsin de la forma de onda, fluctuaciones de tensin y variaciones de la frecuencia.

La categora de variaciones de corta duracin comprende los huecos de tensin, las interrupciones y lo que denomina la anttesis al hueco de tensin o swell. Cada tipo se clasifica en instantneo, momentneo o temporal dependiendo de su duracin, como se indica en la Tabla 2.1.Tabla 2.1. Definiciones de las variaciones de corta duracin y de larga duracin en el IEEE

Std. 1159-1995[9]Categoras 2.0 Variaciones de corta duracin 2.1 Instantnea 2.1.1Hueco 2.1.2Swell 2.2 Momentnea 2.2.1 Interrupcin 2.2.2 Hueco 2.2.3 Swell 2.3 Temporal 2.3.1 Interrupcin 2.3.2 Hueco 2.3.3 Swell 3.0 Variaciones de larga duracin 3.1 Interrupcin sostenida 3.2 Bajada de tensin 3.3 Sobretensin Duracin Tpica Magnitud Tpica de la tensin

0.5 - 30 ciclos 0.5 - 30 ciclos 0.5 ciclos - 3s 30 ciclos - 3s 30 ciclos - 3s 3s - 1min 3s - 1min 3s - 1min > 1 min > 1 min > 1 min

0.1 - 0.9 p.u 1.1 - 1.8 p.u < 0.1 p.u 0.1 - 0.9 p.u 1.1 - 1.4 p.u < 0.1p.u 0.1 - 0.9 p.u 1.1 - 1.2 p.u 0.0 p.u 0.8 - 0.9 p.u 1.1 - 1.2 p.u

Las variaciones de corta duracin se producen casi siempre por condiciones de fallo, por la conexin de grandes cargas que requieren grandes corrientes de arranque o por desconexiones intermitentes. Dependiendo de la localizacin del fallo y del estado del sistema, el fallo puede producir sobretensiones, bajadas de tensin o interrupciones temporales. Tanto en el caso en el que el fallo est cercano o lejano al punto de inters, su efecto sobre la tensin va a ser una variacin de corta duracin. De acuerdo con la Tabla 2.1, una interrupcin se produce cuando la tensin de alimentacin es inferior a 0.1 p.u. durante un tiempo inferior a 1 minuto. Por su parte, la categora de variaciones de larga duracin comprende las desviaciones del valor r.m.s. superiores a 1 minuto en el rango especificado en la tabla 2.1. Las variaciones de larga duracin pueden ser tanto sobretensiones como bajadas de tensin. Tanto unas como

otras no son generalmente producidas por fallos. Estn producidas por variaciones en la carga o por operaciones de conmutacin en el sistema.2.4.3 Efecto de las variaciones de tensin sobre los equipos elctricos.

El efecto ms importante asociado a los huecos de tensin, las sobretensiones temporales y las interrupciones de la tensin de suministro es la desconexin o el mal funcionamiento de los equipos. En muchos procesos industriales con cargas crticas, variaciones muy cortas de tensin, incluso instantneas, pueden producir la desconexin de los equipos de control que luego necesitan horas para su reiniciacin. En este tipo de procesos, las variaciones de corta duracin producen el mismo efecto perjudicial que las perturbaciones de larga duracin.[10] Las interrupciones de tensin, incluso las instantneas, tambin pueden producir el mal funcionamiento o la desconexin de equipos electrnicos o de los equipos de iluminacin. Las interrupciones momentneas o temporales producen casi siempre la parada de los controladores electrnicos, el mal funcionamiento de las fuentes de alimentacin, computadores, equipos de control de mquinas elctricas y pueden producir tambin la desconexin de contactores en motores de induccin. Los huecos de tensin tambin producen numerosos fallos en los equipos conectados a la red, dependiendo de la magnitud y duracin de estos huecos y de la sensibilidad de los equipos a las variaciones de la tensin. Una posible solucin para evitar este problema es alimentar el equipo sensible con un transformador de tensin constante, con una fuente de alimentacin ininterrumpida o cualquier otro equipo que proporcione una tensin constante durante el hueco de tensin. Equipos electrnicos con bateras de emergencia no se ven afectados, en general, por este tipo de variaciones de corta duracin. Otros equipos, como transformadores, cables, buses, transformadores de medida de tensin y de corriente, no se ven afectados en su funcionamiento por los huecos de tensin de corta duracin. Los motores de induccin pueden sufrir un ligero cambio de velocidad durante un hueco de tensin y los bancos de condensadores pueden disminuir ligeramente su salida durante el hueco de tensin. Por ltimo, algunos dispositivos de iluminacin pueden experimentar una ligera disminucin de la luminosidad durante un hueco de tensin.

As, las interrupciones de larga duracin producen la desconexin de los equipos, salvo que estos estn protegidos por sistemas de alimentacin ininterrumpida o por otros dispositivos de almacenamiento de energa.

3CONTROL DE VOLTAJE Y POTENCIA REACTIVA3.1 Generalidades

Para la operacin confiable y eficiente de los sistemas de potencia, el control del voltaje y la potencia reactiva debe satisfacer los siguientes objetivos: El voltaje en los terminales de los consumidores debe estar dentro de unos lmites aceptables. Tanto los equipos industriales como los domsticos estn diseados para operar dentro de un cierto rango dentro del voltaje nominal. La norma NEMA proporciona unos lmites de tolerancia dentro de los cuales el desempeo del equipo es normalmente aceptable. En operaciones ms precisas, puede ser requerido un control ms riguroso del voltaje.[11] La operacin prolongada de los equipos con voltajes fuera del rango aceptable puede afectar el desempeo de los mismos y posiblemente daarlos. La estabilidad del sistema debe mejorarse para maximizar la capacidad de utilizacin del sistema de transmisin. El control del voltaje y la potencia reactiva tienen un impacto importante sobre la estabilidad del sistema. El flujo de potencia reactiva debe minimizarse de forma que se reduzcan las prdidas por RI2 y XI2.

El problema de mantener los voltajes dentro de los lmites requeridos es complicado por el hecho de que el sistema de potencia provee energa a un gran nmero de cargas y se alimenta de muchas unidades generadoras. Con variaciones en la carga, los requerimientos de potencia reactiva del sistema de transmisin varan. Como la potencia reactiva no puede transmitirse a lo largo de grandes distancias, el control de voltaje debe efectuarse utilizando dispositivos especiales colocados a lo largo y ancho de todo el sistema. Esto contrasta con el control de la frecuencia, el cual depende del balance de potencia activa en todo el sistema. La administracin eficiente de la potencia reactiva se realiza mediante la prediccin de los cambios en la demanda de carga y los balances de generacin, la generacin programada y las contingencias que estn dentro de los criterios de operacin. Una caracterstica clave de la demanda de potencia reactiva es la magnitud y velocidad con la cual sta cambia con respecto al tiempo. Debido a la naturaleza variable de las cargas, los requerimientos de potencia reactiva, ambos suministrando y consumiendo, pueden cambiar significativamente a lo largo del da en una determinada zona.[12] Generalmente, el mantenimiento de la potencia reactiva se divide en dos categoras, que dependen principalmente de las caractersticas de los equipos utilizados para la compensacin. Estas categoras son: equipos estticos y equipos dinmicos. Los capacitores e inductores (o reactores) suministran y consumen potencia reactiva, respectivamente. Estos se llaman equipos estticos puesto que no tienen control activo de la salida de potencia reactiva en respuesta al voltaje del sistema. Los generadores sincrnicos, condensadores sincrnicos, sistemas flexibles de transmisin AC (FACTS), incluyendo los compensadores estticos de potencia reactiva (SVC), los compensadores estticos (STATCOM), y los Dynamic Var (D-var) son considerados como dispositivos dinmicos capaces de modificar su salida de acuerdo con los lmites pre-establecidos en respuesta a los voltajes cambiantes del sistema. Los transformadores con cambiadores de tomas bajo carga (OLTC) pueden utilizarse de igual manera para controlar el voltaje a todo lo largo del sistema, pero manejando otro principio de operacin. Estos equipos no consumen ni generan potencia reactiva; las tomas obligan el voltaje a subir en un lado del transformador, a costa de disminuir el voltaje del otro lado haciendo que la potencia reactiva fluya de un lado hacia el otro. Este trabajo se enfoca exclusivamente en el comportamiento de los generadores sincrnicos y los transformadores con cambiadores de tomas bajo carga como elementos para regular y mantener perfiles de tensin adecuados en el sistema bajo estudio.

3.2 El Generador sincrnico

El generador sincrnico es un elemento capaz de modificar su produccin de potencia activa y reactiva de una forma continua y controlada. La potencia activa se controla mediante la modificacin de la admisin de caudal en la correspondiente turbina (gas, vapor o agua) a la vez que la regulacin de tensin se realiza mediante el control de la intensidad de excitacin que, en consecuencia, modifica la fuerza electromotriz interna de la mquina. El control de la tensin y frecuencia de los sistemas de energa elctrica se ha planteado tradicionalmente de forma jerrquica y desacoplada. La jerarqua se ha establecido, normalmente, en tres niveles: el primero nivel de planta o control local, el segundo referido a reas o regiones de control, y el tercero, donde normalmente se integran todas las variables y mecanismos, a nivel de todo el sistema. El primer y segundo nivel de control estn claramente diferenciados para los controles QV (lazo de control potencia reactiva-voltaje) y PF (lazo de control potencia activa-frecuencia), siendo, tericamente, al nivel primario de actuacin ms rpida que el secundario. Tpicamente, la respuesta del control secundario PF puede estar entre 20 segundos y 2 minutos y la del primario entre 2 y 20 segundos. Para el control QV, la respuesta de control primario es muy rpida, como mximo, de un segundo. A continuacin, se considera que los mecanismos de interaccin PF y QF son independientes en lo que respecta a aquellos elementos con capacidad de ejercer control en uno u otro mecanismo. La estructura fsica del control del generador, tanto de frecuencia como de tensiones, se muestra en el diagrama de la Figura 3.1.

Figura 3.1. Estructura de control del generador sincrnico.[3]

Las variables significativas del funcionamiento de todo generador sincrnico se describen a continuacin: La potencia activa, Pelec, que se genera es igual en todo momento a la potencia electromagntica que se transmite del rotor al estator. Esta potencia es igual, en rgimen permanente, a la potencia mecnica, Pmec , que est suministrando el elemento motriz (turbina) correspondiente. Se considera que no hay prdidas, ni elctrica ni mecnicas. Estas dos potencias se relacionan a travs de la velocidad angular , proporcional a la frecuencia, f, con los correspondientes torques elctrico, Telec, y mecnico Tmec. Como resultado de la corriente que circula por el conductor, denominada Ie, y de la velocidad de giro de la mquina se induce una fuerza electromotriz, E0, que, con la mquina en vaco, equivale en la tensin en bornes de la misma. El control de tensiones es un control jerrquico en tres niveles: primario, secundario y terciario. l control primario tiene por objeto mantener una consigna de tensin en un determinado nudo del sistema. Se trata asimismo de un control automtico cuyo tiempo de actuacin es del orden de segundos. A menudo este control se denomina AVR, acrnimo que proviene de su nombre en ingls: Automatic Voltage Regulator. El generador que mantiene la tensin en un determinado nudo lo hace con informacin local, sin visin del rea en la que est y sin visin del sistema en su conjunto.

3.2.1 Sistemas de Excitacin

La funcin bsica de un sistema de excitacin es proporcionar corriente directa a los devanados de campo de la mquina sincrnica. Adems, el sistema de excitacin realiza las funciones de control y proteccin esenciales para el desempeo adecuado del sistema de potencia controlando el voltaje de campo y en consecuencia, la corriente del campo. Las funciones de control incluyen el control del voltaje y el flujo de potencia reactiva, y la contribucin al mantenimiento de la estabilidad del sistema. Las funciones de proteccin se aseguran de que no se excedan los lmites de capacidad de la mquina sincrnica, sistema de excitacin y otros equipos.3.2.1.1 Requerimientos del sistema de excitacin

Los requerimientos para que un sistema de excitacin cumpla su funcin se determinan por diversos factores de diseo del generador sincrnico as como de la configuracin del sistema de potencia en general.3.2.1.1.1 Factores de diseo del generador

El requerimiento bsico es que el sistema de excitacin suministre y ajuste automticamente la corriente de campo del generador sincrnico para mantener el voltaje en los terminales a medida que la salida vare dentro del la capacidad continua del generador. Adems, debe ser capaz de responder a perturbaciones transitorias, forzando el campo de acuerdo con las capacidades instantneas y de corto plazo del generador. Las capacidades del generador en este sentido estn limitados por varios factores: falla por el aislamiento del rotor provocado por excesivo voltaje de campo, recalentamiento del rotor debido a altas corrientes de campo, calentamiento del estator debido a las altas corrientes de carga que circulan por l y calentamiento por exceso de flujo (volts\Hz). Los lmites trmicos tienen caractersticas que dependen del tiempo, y la capacidad de sobrecarga de corto plazo de los generadores puede extenderse de 15 a 60 segundos. Para asegurar la mejor utilizacin del sistema de excitacin, ste debe ser capaz de cubrir las necesidades del sistema tomando ventaja de las capacidades de corto plazo del generador sin exceder sus lmites.

3.2.1.1.2 Factores de configuracin del sistema

Desde el punto de vista del sistema de potencia, la excitatriz debera contribuir con el control efectivo del voltaje y mejorar la estabilidad del sistema. Debe ser capaz de responder rpidamente a perturbaciones para mejorar la estabilidad transitoria, y de modular la magnitud del campo para optimizar la estabilidad de pequea seal. Con la finalidad de cumplir satisfactoriamente con las funciones anteriormente mencionadas, el sistema de excitacin debe estar en capacidad de lograr los siguientes requerimientos:

Lograr la respuesta especificada. Proveer funciones limitadoras y protectoras con la finalidad de prevenir algn dao a s mismo, al generador, y a otros equipos. Cumplir con los requerimientos especificados para tener mayor flexibilidad de operacin. Satisfacer el grado de confiabilidad y disponibilidad deseado incorporando el nivel de redundancia necesario, deteccin interna de fallas y capacidad de aislamiento.

3.2.1.2 Elementos de un sistema de excitacin

La Figura 3.2 muestra el diagrama funcional de un controlador tpico para un generador sincrnico de gran tamao. A continuacin se detalla cada subsistema identificado en la figura.Excitatriz: proporciona la energa a los devanados campo de la mquina sincrnica. Regulador: procesa y amplifica las seales de entrada a un nivel y forma apropiado

para el control de la excitatriz. Esto incluye las funciones de estabilizacin de los subsistemas de regulacin y excitacin.Transductor de voltaje terminal y compensador de carga: recibe la seal de voltaje

de los terminales del generador, la rectifica y la filtra convirtindola en una seal DC, luego la compara con el valor de referencia.

Estabilizador: este elemento vara la consigna del regulador de tensin con el

propsito de amortiguar las oscilaciones del rotor del generador.Limitadores: son circuitos limitadores de mnima corriente de excitacin, mxima

corriente de excitacin y de V/Hz.

Figura 3.2. Diagrama funcional de un sistema de excitacin.[3]

3.2.1.3 Tipos de sistemas de excitacin

Los sistemas de excitacin han tomado muchas formas a travs de muchos aos de evolucin. Estos se pueden clasificar dentro de las siguientes tres categoras basadas en el tipo de fuente de poder usada.

3.2.1.3.1 Sistemas de excitacin DC

Los sistemas de excitacin bajo esta categora utilizan un generador DC como fuente de excitacin que proporciona la corriente al rotor de la maquina sincrnica a travs de los

anillos deslizantes. La excitatriz se acciona por un motor o el eje del generador. Puede ser de tipo auto excitada o de excitacin separada. Cuando es de excitacin separada, el campo de la excitariz es proporcionado por una fuente piloto que comprende un generador de imn permanente.[5] Los reguladores de voltaje para estos sistemas van desde los de tipo de restato hasta los de ms reciente data que utilizan varias etapas de amplificadores magnticos y amplificadores rotativos. La Figura 3.3 muestra un esquema simplificado de un sistema de excitacin tpico con un regulador de voltaje Amplidyne. ste consiste en una excitatriz conmutadora en DC, el cual proporciona corriente directa al campo principal del generador a travs de los anillos rozantes. La corriente de excitacin es controlada por un Amplidyne.

Figura 3.3. Sistema de excitacin DC con regulador Amplidyne.[5]

3.2.1.3.2 Sistemas de excitacin AC

Los sistemas de excitacin bajo esta categora utilizan alternadores (mquinas de corriente alterna) como principal fuente de poder del generador. Usualmente, la excitatriz est en el mismo eje de la turbina del generador. La salida AC de la excitatriz es rectificada bien sea por rectificadores controlados o no controlados para producir la corriente directa que necesita el campo del generador. Los rectificadores pueden ser de tipo estticos o rotativos.

Los sistemas de excitacin en AC pueden entonces tomar diferentes formas dependiendo del arreglo de los rectificadores, mtodo de control de la salida de la excitatriz y la fuente de excitacin para la excitatriz.

3.2.1.3.2.1 Sistemas de rectificadores estacionarios

Con rectificadores estacionarios, la salida DC es alimentada al devanado del campo del generador principal a travs de los anillos rozantes. Cuando se utilizan rectificadores no controlados, el regulador controla el campo del la excitatriz AC, el cual, eventualmente controla el voltaje de salida de la excitatriz. Un diagrama unifilar simplificado de un sistema de excitacin controlado por el campo rectificadoralternador se muestra en la Figura 3.4. En el sistema mostrado, el cual es representativo del sistema de excitacin ALTERREX de General Electric, la excitatriz se acciona desde el rotor del generador principal. La excitatriz es de tipo auto-excitada con su potencia de campo derivada a travs de tiristores rectificadores. Un sistema de rectificacin con alternador de campo controlado utiliza una excitatriz piloto como fuente de potencia de la excitacin del campo. Cuando se utilizan rectificadores controlados (tiristores), el regulador controla directamente el voltaje DC de salida de la excitatriz. La Figura 3.5 muestra el esquemtico de un sistema alimentado por un alternador y de rectificacin controlada, tpico de un ALTHYREX General Electric. El regulador de voltaje controla el disparo de los tiristores. La excitatriz-alternador es de tipo autoexcitada y utiliza un regulador esttico de voltaje independiente para mantener su voltaje de salida. Como los tiristores controlan directamente la salida de la excitatriz, este sistema intrnsecamente proporciona una alta respuesta.

Figura 3.4. Sistema de excitacin de campo controlado.[5]

Figura 3.5.

Sistema de excitacin alimentado por un alternador y de rectificacin

controlada.[5]

3.2.1.3.2.2 Sistemas de rectificadores rotativos

Con rectificadores rotativos, se elimina la necesidad de anillos deslizantes y escobillas, y la salida DC alimenta directamente el campo principal del generador. Como se muestra en la Figura 3.6, la armadura de la excitatriz AC y los diodos rectificadores rotan con el campo principal del generador. Una fuente de excitacin piloto pequea, con un rotor de imn permanente (mostrada como N S en la figura), rota con la armadura de la excitatriz y los

diodos rectificadores. La salida rectificada de la excitatriz piloto energiza el campo estacionario de la excitatriz AC. El regulador de voltaje controla la salida AC del campo de la excitatriz, la cual eventualmente controla el campo del generador principal. Este sistema se conoce como un sistema de excitacin sin escobillas. Fue desarrollado para evitar los problemas por el uso de escobillas, las cuales se utilizaron para proveer las grandes corrientes de campo en los generadores muy grandes. Un ejemplo de tal sistema es el sistema de excitacin sin escobillas de rpida respuesta de Westinhouse.[5]

Figura 3.6. Sistema de excitacin sin escobillas.[5]

3.2.1.3.3 Sistemas de excitacin estticos

Todos los componentes en estos sistemas son estticos o estacionarios. Rectificadores estticos, controlados o no controlados, proporcionan la corriente de excitacin directamente al campo del generador principal a travs de los anillos rozantes. Existen tres modelos de sistemas de excitacin esttica que se han usado ampliamente en el mercado.

3.2.1.3.3.1 Sistema de rectificador controlado y fuente de tensin

En este sistema, la potencia de excitacin se obtiene a travs de un transformador colocado en los terminales del generador o en una barra auxiliar del sistema, y es regulada por un

rectificador controlado. El sistema tiene una constante de tiempo propia muy pequea. La salida de excitacin mxima es, sin embargo, dependiente del voltaje AC de entrada. Este modelo es de muy fcil mantenimiento y usualmente econmico en precio. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas son el Silicomatic de Canadian General Electric, el tipo PS de Westinhouse, el sistema esttico de fuente de voltaje de General Electric y ABB y los sistemas estticos de GEC-Eliott, Toshiba, Mitsubitshi e Hitachi.[5]

Figura 3.7. Sistema de rectificador controlado y fuente de tensin.[5]

3.2.1.3.3.2 Sistema de rectificador con fuente compuesta

En este caso la potencia para el sistema de excitacin se forma utilizando tanto la corriente como el voltaje del generador principal. Esto puede lograrse mediante la utilizacin de un trasformador de potencial (PPT) y en transformador de corriente saturable (SCT) como se ilustra en la Figura 3.8. Otra alternativa es combinar las fuentes de corriente y voltaje utilizando un solo transformador de excitacin, llamado transformador de potencial y corriente saturable (SCPT). El regulador controla la salida de excitacin a travs de la saturacin controlada del transformador de excitacin. Cuando el generador no est alimentando a la carga, la corriente de armadura es cero y la fuente de voltaje suministra toda la potencia de excitacin. En condiciones de carga, parte de la potencia de excitacin se obtiene de la corriente del

generador. Durante una falla del sistema, con voltajes muy bajos a la salida del generador, la entrada de corriente habilita la excitatriz para forzar el campo y regular la tensin en los terminales.[5] Ejemplos de este tipo de sistemas son el General Electric SCT-PPT y SCPT de regulacin esttica.

Figura 3.8. Sistema de rectificador con fuente compuesta.[5]

3.2.1.3.3.3 Sistema de rectificador compuesto controlado

Este sistema utiliza rectificadores controlados en la salida de la excitatriz y la composicin de fuentes derivadas de voltaje y corriente dentro del estator del generador para proporcionar la potencia de excitacin. El resultado es una alta respuesta inicial ante fallas inesperadas. Un ejemplo de este tipo de sistema es el GENERREX de General Electric. La Figura 3.9 muestra un diagrama unifilar elemental del sistema. La fuente de voltaje se obtiene de una serie de devanados trifsicos colocados en tres ranuras en el estator del generador y un reactor lineal colocado en serie. La fuente de c