modelo informÁtico de una central...

PROYECTO FIN DE MÁSTER:

MODELO INFORMÁTICO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA CON CONTROL DE

VELOCIDAD Y REGULACIÓN PRIMARIA

Ponente:Carlos Eduardo Vásquez Chang

Tutor:José Ignacio Sarasúa Moreno

Madrid, Septiembre 2014

Energía Hidroeléctrica

� Energía proveniente del agua que: es limpia, eficiente y generalmente más barata; No consume materia prima; no produce desechos radioactivos y otorga flexibilidad al sistema.

� Hidroeléctrica en Ecuador: Históricamente alto potencial hidroeléctrico no aprovechado. Actualmente 8 proyectos hidroeléctricos en construcción para cambiar la matriz energética

Fenómeno objeto de estudio

� Regulación primaria: Permanente cobertura instantánea oferta y demanda

� Este continuo control es realizado por el regulador de velocidad de las centrales generadoras

� Interés en aplicación de caso de estudio en la Central Hidroeléctrica Ocaña

Introducción

2

� Proporcionar un marco teórico de las centrales hidroeléctricas.

� Desarrollar el modelo informático de una central hidroeléctrica que refleje su comportamiento dinámico en regulación frecuencia-potencia.

� Calibrar los parámetros del modelo con los de la Central Hidroeléctrica Ocaña en Ecuador.

� Análisis de diversas situaciones utilizando el modelo obtenido.

Objetivos

3

� La variabilidad de las centrales hidroeléctricas es innumerable. Cada proyecto es único por sus características.

� Pueden ser clasificadas en función de varios criterios como: ubicación de la casa de máquinas, régimen de caudales, salto hidráulico, capacidad del embalse, etc.

� Se propone 3 esquemas básicos:1. Saltos a pie de presa

2. Saltos en derivación o fluyentes

3. Saltos con presa y conducción

en presión

1. Centrales Hidroeléctricas

4

1. Centrales Hidroeléctricas

Clasificación2. Por medio de una canal abierto se lleva el caudal del río a una cámara de carga. Luego por tubería forzada a la Central3. El sistema de conducción es completamente en presión: Túnel de carga y Tubería forzada. Entre ellos se encuentra la chimenea de equilibrio.

5

2. La Central Hidroeléctrica Ocaña

Características generales

� Operador: Electro Generadora del Austro S.A. ELECAUSTRO

� Ubicación: Río Cañar, Provincia del Cañar, República del Ecuador

� Caudal medio anual: 18 m3/s

� Caudal nominal: 8,2 m3/s

� Potencia nominal: 26 MW

� Salto neto nominal: 371 m

� Los principales elementos de la misma son: obras de captación, reservorio de regulación, sistema de conducción, chimenea de equilibrio, y zona de casa de máquinas

6

2. La Central Hidroeléctrica Ocaña

Sistema de conducción

En baja presión

� Tubería Baja presión principal L=150 m

� Túnel de carga L=6.400 m

En alta presión

� Tubería forzada L=1.084 m; ϕ=1,9 – 1,6 m

Chimenea de equilibrio

Orificio restringido

Casa de máquinas

Dos grupos turbo-generadores

� Turbinas tipo Pelton; 4 inyectores

� Potencia nominal=13MW

� Caudal nominal=4,1 m3/s 8

3. Desarrollo del modelo informático

Régimen transitorio

� Pequeñas perturbaciones

Generalmente seguimiento de carga. Aproximaciones lineales son válidas.

� Grandes perturbaciones

Por ej. desconexión abrupta de gran consumidor/ generador o rechazo de carga. Predominan comportamientos no lineales

Generalidades

� Software utilizado: MATLAB, versión 8.2. SIMULINK

� Utilización de variables en valores por unidad (v.p.u.)

� Consideración de un solo grupo equivalente

9


Los principales sub-bloques que se ha creado: Interacción Generación-Carga; Regulador de velocidad, Interacción Turbina-Tubería forzada, Chimenea de equilibrio y Galería en presión

10


Interacción Generación-Carga

Modelo inercial; CH conectada a SE y mantienen igual frecuencia.

��

� � � ��

��

��

Regulador de velocidad

El modelo de regulador de velocidad es considerado como un regulador del tipo mecano-hidráulico

� � 1�� 1

� ��

Tomado de Análisis de Sistemas Hidroeléctricos

�� !"#$"

11


Interacción Turbina-Tubería forzada

Aproximación del IEEE Working Group, para grandes perturbaciones

Aplicando Bernoulli en la tubería forzada:

% � � &�� '(& % � )*+ � ,��

�%�� &- � & � �

. % % 1

�� /"0�12�3"

; 5�2 � 7��/"#3"

12


Chimenea de equilibrio

�&-�� 1

8%9 � %

�%9�� &: � &- � �;

2 %9 %9 � &�-1 ;

Galería en presión

�- � 2-3"/"

�9 � /"091293"

592 � 7�9/"#

3"

13

4. Ajuste de parámetros con la Central Hidroeléctrica Ocaña

Pérdidas de carga

Los coeficientes de pérdidas de carga han sido calculados considerando las alturas de pérdidas de diseño de la Central Hidroeléctrica Ocaña facilitadas por ELECAUSTRO.

� Krg=5,16/Qb2=0,0767 [s2/m5]

� rg=2KrgQb2/Hb=0,0278 [p.u.]

� Krp=6,05/Qb2 =0,0900 [s2/m5]

� rp=2KrpQb2/Hb=0,0326 [p.u.]

Se ha asumido un coeficiente arbritario para la chimenea de equilibrio

� Krc=0,005 [s2/m5]

� rc=2KrcQb2/Hb=0,0018 [p.u.]

Ajustes principales

Descripción Pérdidas (m)

Tubería de baja presión 1,27

Túnel de conducción 3,89

Tubería forzada 5,53

Bifurcador 0,52

TOTAL 11,21

14

4. Ajuste de parámetros con la Central Hidroeléctrica Ocaña

y = 3,566x - 0,4486

15,00

17,00

19,00

21,00

23,00

25,00

27,00

4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Po

ten

cia

P(M

W)

Caudal Q (m3/s)

P vs. Q

Puntos de operación Tendencia

Turbina

Se manipula los puntos de operación horarios promedio que ELECAUSTRO ha provisto para obtener las gráficas P vs.Q y P vs.H.

Pasando a v.p.u. de la ecuación del Working Group

� At=3,566·Qb/Pb=1,0536

� qnl=0,45/(3,57·Qb)=0,0153 [p.u.]

� D=0,5

Además vale la pena destacar:

� Tg=909,2·Qb/g/Hb=2,0485 [s]

� Tp=Qb·Lp/(g·Fp·Hb)=1,0159 [s]

� Tc=Fc*Hb/Qb=513,11 [s]

� Tm=93,917/Pb=3,384 [s]

� Tps=6·Ssist [s]

Ajustes principales

15

5. Análisis del comportamientode la Central

Resumen

σ δ Tr Ts g max g min

Caso 12 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 12 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 5,0

Caso 13 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 10,0

Caso 21 0,010 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 22 0,050 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 23 0,100 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 31 0,030 0,10 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 32 0,030 0,70 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 33 0,003 1,50 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 41 0,030 0,70 1,00 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 42 0,030 0,70 10,00 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 43 0,003 0,70 30,00 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 51 0,030 0,70 2,00 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 52 0,030 0,70 4,50 0,50 1,10 0,20 3,0

Caso 53 0,003 0,70 7,00 0,50 1,10 0,20 3,0

MAGNITUDES SUJETAS A VARIACIÓN

Tamaño del

Sistema Eléctrico

Regulador de velocidadSituación

SE

T 5

SE

T 1

SE

T 2

SE

T 3

SE

T 4

16


Set 1: Casos 1.1 ; 1.2 y 1.3

� σ=0,03; < � 2,5 ?@?A � 0,751 ; �� 5�� 5,080 ; Ssist= 3,0 - 5,0 – 10,0

r

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.998

1

1.002

1.004

1.006

tiempo [s]

n [

p.u

.]

Ssist=3

Ssist=5

Ssist=10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

tiempo [s]

q [

p.u

.]

Ssist=3

Ssist=5

Ssist=10

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.97

0.975

0.98

0.985

tiempo [s]

h [

p.u

.]

Ssist=3

Ssist=5

Ssist=10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

z [

p.u

.]

Ssist=3

Ssist=5

Ssist=10

17


Set 2: Casos 2.1 ; 2.2 y 2.3� σ=0,01 - 0,05 - 0,10

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.985

0.99

0.995

tiempo [s]

hc

[p

.u.]

σ=0.01

σ=0.05

σ=0.10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.75

0.8

0.85

0.9

tiempo [s]

pF

[p

.u.]

σ=0.01

σ=0.05

σ=0.10

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.05

0

0.05

tiempo [s]

q-q

g [

p.u

.]

σ=0.01

σ=0.05

σ=0.10

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.7

0.75

0.8

0.85

0.9

tiempo [s]

q [

p.u

.]

σ=0.01

σ=0.05

σ=0.10

18


Set 3: Casos 3.1 ; 3.2 y 3.3� δ=0,1 – 0,7 – 1,5

sist r

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.999

1

1.001

1.002

1.003

1.004

1.005

1.006

tiempo [s]

n [

p.u

.]

δ=0.1

δ=0.7

δ=1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.75

0.8

0.85

0.9

tiempo [s]

q [

p.u

.]

δ=0.1

δ=0.7

δ=1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.975

0.98

0.985

0.99

0.995

1

tiempo [s]

h [

p.u

.]

δ=0.1

δ=0.7

δ=1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.76

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

z [

p.u

.]

δ=0.1

δ=0.7

δ=1.5

19


Set 4 y 5: Casos 4.1 ; 4.2 ; 4.3; 5.1 ; 5.2 y 5.3� Tr=1,0 – 10,0 – 30,0 ; Tr=2,0 – 4,5 – 7,0

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

pF

[p

.u.]

Tr=1

Tr=10

Tr=30

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

pt

[p.u

.]

Tr=1

Tr=10

Tr=30

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

pF

[p

.u.]

Tr=2.0

Tr=4.5

Tr=7.0

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

pt

[p.u

.]

Tr=2.0

Tr=4.5

Tr=7.0

20


Set 6: Casos 6.1 ; 6.2 y 6.3A manera de comprobación de los resultados obtenidos por el modelo rígido (Caso A) se plantea introducir los fenómenos elásticos y distinguir los 4 diámetros distintos de la tubería forzada (Caso B)De acuerdo a Clifton(1987) , el parámetro de Allievi se encuentra en el rango donde es incierta la idoneidad del modelo rígido que se ha desarrollado.

E � FG#9H � F@IJAK

#9HL@IJA=0,45

De forma análoga a J.I. Pérez Díaz, se modela el sub-bloque de la tubería forzada utilizando parámetros concentrados:

�%M�� 1

��M&MNO � &M � 5�M

2 %M#

�&M�� M

0�M/QM# %M � %MRO

21


Set 6: Casos 6.1 ; 6.2 y 6.3� Caso A vs Caso B

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.75

0.8

0.85

0.9

tiempo [s]

q [

p.u

.]

Caso A: cond. rígida

Caso B: cond. elástica

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.76

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

z [

p.u

.]



0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.999

1

1.001

1.002

1.003

1.004

1.005

1.006

tiempo [s]

n [

p.u

.]



0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

tiempo [s]

pt

[p.u

.]



22

� Se ha proporcionado antecedentes ; se ha detallado las ecuaciones que rigen los sub-sistemas de una central hidroeléctrica en derivación y conducción en presión.

� A través del análisis de determinados conjuntos de casos, se ha logrado relacionar directamente las variables modificadas con la respuesta esperada de la Central Hidroeléctrica Ocaña.

� En función de las características particulares de la Central Hidroeléctrica Ocaña se ha ajustado la mayor cantidad posible de variables para que el modelo represente a la misma funcionando en el sistema eléctrico ecuatoriano.

� Se ha observado claramente la influencia directa de estas variables en la respuesta de la Central Ocaña frente a una disminución del 30% en la demanda del sistema eléctrico.

� Las asunciones para simplificar el comportamiento de la tubería forzada en el caso (conducción y fluido rígidos) son consideradas admisibles

� Se pueden generar infinidad de situaciones adicionales al incluir más variables libres.

Conclusiones

23

modelo informÁtico de una central...

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