sistemas de potencia 2

7/17/2019 Sistemas de potencia 2

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Restablecimiento ante colapso total mediante la

Central Geotermoeléctrica “Los Humeros”

Miguel Arturo Penagos RuizZona de Operación de Transmisión Poza

Rica - TeziutlánCFE Transmisión

Poza Rica Ver., Mé[email protected]

Marilyn Barragán CastañedaInstituto Tecnológico Superior de Poza

RicaPoza Rica Ver., México

[email protected]

Enrique Nava García

Zona de Operación de Transmisión PozaRica - Teziutlán

CFE TransmisiónPoza Rica Ver., México

[email protected]

Resumen — Se evalúa la factibilidad de restablecer una parte de

la red eléctrica de la Zona de Operación de Transmisión Poza Rica

– Teziutlán mediante la Central Geotermoeléctrica los Humeros

simulando las maniobras necesarias en estado estacionario y

transitorio.

I. I NTRODUCCIÓN La operación en tiempo real del Sistema Eléctrico Nacional

contempla la ejecución de los planes operativos y ante laocurrencia de eventos no planeados requiere de la toma dedecisiones en el momento. Esta es una labor muy demandante deatención y preparación para reaccionar de la forma másadecuada para mantener el sistema eléctrico de potenciaoperando satisfactoriamente.

Las Áreas de Control del CENACE y las Zonas deOperación de Transmisión son responsables de preparar un plande restablecimiento de su área de influencia ante la ocurrenciade un colapso total en el Sistema Eléctrico Nacional. En general,durante las etapas tempranas de un procedimiento de

restablecimiento, la prioridad es alimentar los servicios propiosde las Centrales de Generación y de las Subestaciones que permitan restablecer el suministro de energía eléctrica a losusuarios de la manera más segura y rápida, manteniendo lasvariables de voltaje y frecuencia dentro de los límites operativosde los equipos. Se considera también la prioridad de alimentarlos centros de carga urbanos.

En particular, las unidades de generación 9 y 10 de la CentralGeotermoeléctrica Los Humeros, por su capacidad degeneración (25 MW cada una), su capacidad de operación enmodo isla y modo de regulación de frecuencia al tomar carga,son relevantes para ser consideradas en las primeras etapas delrestablecimiento ante colapso total del sistema eléctrico. [1]

II. CENTRAL GEOTÉRMICA LOS HUMEROS

A.

Plantas Geotermoeléctricas

La energía geotérmica es aquella que se puede obtenermediante el aprovechamiento del calor del interior de la TierraSu principal uso es la generación de energía eléctrica.Las plantas geotermoeléctricas se pueden clasificar en tres tiposacuerdo a la temperatura y presión del vapor y son:

Reservas de vapor seco, donde el vapor entradirectamente a la turbina ya que la temperatura y la

presión son lo suficientemente altas para generar vaporseco.

Reservas de agua caliente, donde se extrae el aguacaliente y al variar la presión parte de ella se convierteen vapor y se separa del agua , para llevar el vapor a laentrada de la turbina.

Reservas de baja y media temperatura, en este tipo dereservas es comun hacer pasar el agua de media o bajatemperatura a través de un intercambiador de calordonde se usa para evaporar un segundo fluido detrabajo, el cual tiene un punto de fusión mas bajo que elagua y se transforma en vapor para impulsar a laturbina y generar electricidad. A estas plantas degeneración se les conoce como plantas binarias. [2]

B. Proyecto Geotermoeléctrico Los Humeros

El campo geotérmico de Los Humeros se encuentralocalizado en el extremo oriental del Cinturón VolcánicoMexicano, aproximadamente a 200 km de la ciudad de México(Figura 1) Los primeros trabajos de exploración se iniciaron en1968 y en 1981 fue perforado el primer pozo. En mayo de 1990

comenzó la explotación con fines comerciales. En el 2010contaba con ocho unidades generadoras, de 5 MW cada una. [3]

La Central cuenta actualmente con dos unidades generadoras de25 MW que fueron instaladas y puestas en servicio en los años

RVP-AI/2015 SIS-02 PONENCIA RECOMENDADA

POR EL COMITE DE SISTEMAS DE POTENCIA DEL

CAPITULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCION

MEXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION

INTERNACIONAL DE VERANO RVP-AI/2015,

ACAPULCO GRO., DEL 19 AL 25 DE JULIO DEL 2015.

SIS-02

PON 04

mailto:[email protected]




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http://es.wikipedia.org/wiki/Tierra

http://es.wikipedia.org/wiki/Tierra

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012 y 2013, también cuenta con tres unidades de 5 MW,sumando a la fecha una capacidad instalada de 65 MW. Seencuentra en ejecución el proyecto Los Humeros III para lainstalación de dos unidades de 25 MW cada una y la baja de lasunidades de 5 MW restantes debido a su baja eficiencia. En totalse proyecta una capacidad instalada de 100 MW para el año2017.

III. ETAPAS DEL PROCEDIMIENTO DE RESTABLECIMIENTO Para la evaluación de factibilidad del procedimiento se requierensimulaciones en estado estacionario y transitorio delcomportamiento del Sistema Eléctrico de Potencia involucradoen las etapas 2 y 3, mostradas en la figura 1. En las etapas (2-4) elcontrol de frecuencia se realiza mediante las unidades 9 y 10 dela Central Geotermoeléctrica.

En la etapa 5, la Zona de Operación se interconecta al resto delsistema en los puntos donde se dispone de verificación desincronismo, y el control de frecuencia es realizado desdecentrales hidroeléctricas grandes. [1]

El procedimiento de restablecimiento se puede practicar medianteel Simulador de Entrenamiento a Operadores (DTS, Dispatcher

training simulator), disponible en el Sistema de Información enTiempo Real Administración y Control de Energía(SITRACEN), para lo cual se preparan sesiones deentrenamiento en las que se considera la interacción ycomunicación entre los operadores de los Centros de Control yEstaciones, se simulan las variaciones en la demanda, las rampasde generación de las unidades generadoras con respecto altiempo.

Fig. 1. Etapas del procedimiento de restablecimiento ante colapso totaldel Sistema Eléctrico de Potencia.

IV. A NÁLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO

A. Flujos de potencia

El propósito general de un sistema eléctrico de potencia, essatisfacer continuamente la potencia eléctrica requerida por losconsumidores. Durante el restablecimiento del servicio eléctricoexisten varias restricciones que deben cumplirse; los niveles devoltaje y frecuencia deben mantenerse dentro de ciertatolerancia, las líneas de transmisión deben operar dentro de suslímites térmicos y de estabilidad. El análisis conocido como Estudio de Flujos de Potencia sirve para determinar los valoresde voltajes y de flujos de Potencia activa y reactiva en estadoestable del sistema eléctrico de potencia dadas las inyeccionesde potencia real y reactiva en los nodos de generación, así comolas demandas en los nodos de consumo.

Para tal efecto la red eléctrica es modelada por un conjuntode nodos interconectados por medio líneas de transmisión ytransformadores, además se tienen generadores, cargas yelementos de compensación, los cuales inyectan o toman

potencia compleja de la red eléctrica. [1] [4]

Se realizaron las simulaciones en estado estacionario de los

cambios en la topología de la red eléctrica producto de lasmaniobras que realizaría un operador al aplicar el procedimientode restablecimiento. En todo momento se vigila que el voltaje ylos flujos de potencia en las ramas se encuentren dentro de loslímites que garantizan su correcto funcionamiento. [1]

B.

Arranque Negro con la Central Geotermoeléctrica “Los

Humeros”

Se simula el colapso total en la red y se restablece la carga de las principales subestaciones de la red mediante la CentraGeotermoeléctrica Los Humeros, determinando factibles lassiguientes maniobras y estrategias operativas:

i. Verificación del Colapso Total del Sistema Eléctrico yde que las unidades 9 y 10 de la CentralGeotermoeléctrica Los Humeros quedan operando enModo Isla. En éste punto los enlaces con otras Zonas deOperación se verifican abiertos, se confirma que se tratade un colapso total y se pone en marcha el

procedimiento de restablecimiento.ii. Se energizan las subestaciones Humeros Dos, Humeros

Tres y Teziutlán, para alimentar 5 MW del circuito deDistribución que alimenta el repetidor de voz y datos dela Zona Teziutlán.

iii. Se procede a alimentar la carga de la subestaciónTeziutlán Dos y a energizar el bus de 115 kV de la

subestación Papantla Potencia (PPT, subestación detransformación de 400/115 kV, 375MVA), alimentandotambién la carga radial de la subestación Entabladero yel repetidor de voz y datos Mecatlán.

iv. Se energiza la Subestación Tajín para alimentar la cargade servicios propios de la subestación PapantlaPotencia.

v. Se energiza el bus de 115 kV de la Subestación PozaRica Uno. Con esta maniobra se energizan lassubestaciones de la ciudad de Poza Rica (Poza RicaTres, Palmas, Cazones y Tepeyac), alimentándose 5MW de carga en las subestaciones Palmas y Tepeyac



incluyendo los servicios propios del Centro de Controlde la Zona de Operación de Transmisión Poza Rica – Teziutlán, se alimenta también la carga de servicios

propios de la Central de Ciclo Combinado Poza Rica(capacidad de generación de 240 MW) a través deltransformador de arranque (PRI T8), así como losservicios propios de la Subestación Poza Rica Dos através del transformador PRI T9.

vi. Se cierra el anillo entre las subestaciones Tepeyac yTajín. Se continúa tomando carga de las subestaciones principales cerrando circuitos de Distribución hastallegar a 27 MW entre las subestaciones Palmas, Cazonesy Tepeyac y 4 MW en la subestación Poza Rica Tres.Con esto se concluye la primera etapa delrestablecimiento mediante la Generación de la CentralGeotermoeléctrica Los Humeros. [1]

V. ESTABILIDAD TRANSITORIA

A.

Estabilidad transitoria

Se dice que un sistema de potencia es transitoriamente estable para una condición de operación en estado estable específica y para un disturbio en particular, si al ocurrir ese disturbio se lograuna nueva condición de operación en estado estable adecuada.Para conocer la respuesta dinámica de esta central durante el

procedimiento de restablecimiento, se utilizan los modelosestandarizados del grupo turbina-generador, gobernador develocidad, excitador y estabilizador de potencia mostrados en la

Fig. 2. [4] [5]

Fig. 2. Modelo del Generador y sus controles

B.

Modelo del grupo turbina-generador

Los generadores son de tipo rotor sólido o cilíndrico,utilizándose el modelo GENROU del simulador de SistemasEléctricos de Potencia PSS®E.

La siguiente tabla muestra los datos necesarios para la aplicacióndel modelo GENROU. Los valores de Xd, Xq, X’d,X’q,X’’d,X’’q,Xl, H y D ( constante de amortiguamiento) estánen pu con referencia a los MVA base de la maquina, lasreactancias deben de ser reactancias no saturadas. El valor de lareactancia subtransitoria en el eje de cuadratura debe ser igual ala reactancia subtransitoria en el eje directo. [6]

TABLA I. Parámetros del modelo GENROU HMS U10, U09

CONS Valores Descripción

J 6.9 s T'do constante de tiempo transitoria en eje

directo en circuito abierto

J+1 1.5 s T'qo, constante de tiempo transitoria en eje de

cuadratura en circuito abierto

J+2 0.05 s T''do, constante de tiempo subtransitoria en eje

directo en circuito abierto

J+3 0.21 s T''qo, constante de tiempo subtransitoria en eje

de cuadratura en circuito abierto J+4 4.22 H, constante de inercia

J+5 0 D, constante de amortiguamiento

J+6 1.76 pu Xd Reactancia síncrona en eje directo

J+7 1.61 pu Xq Reactancia síncrona en eje de cuadratura

J+8 0.27 pu X'd , Reactancia transitoria en eje directo

J+9 0.32 pu X'q , Reactancia transitoria en eje de cuadratura

J+10 0.2 pu X''d=X''q, Reactancia subtransitoria en eje directo

y de cuadratura

J+11 0.134pu Xl, Reactancia de dispersión

J+12 0.1 S(1.0), factor de saturación a 1.0 pu

J+13 0.414 S(1.2), Factor de saturacíon a 1.2 pu

Los valores resaltados en la TABLA I fueron calculados a partirde los datos técnicos de las unidades 9 y 10 de la CentralGeotermoeléctrica Humeros. [1] [7]

Se obtuvieron los valores de corriente de campo en la curva desaturación sin carga (IFNL) sobre la curva de circuito abierto alos valores de 1.0 y 1.2 pu sobre el eje de voltaje de armadura.Así como los valores de IFNL sobre la línea de entrehierro a 1.0

y 1.2 pu sobre el eje de voltaje de armadura. Además se obtuvoel punto de corriente de campo (IFSC) sobre la línea deimpedancia síncrona o de corto circuito. A continuación semuestran los valores obtenidos en [1]:

Los factores de saturación S(1) y S(1.2) se obtuvieron de lacurva de saturación proporcionada por el fabricante.

TABLA II. Valores IFNL e IFNL(ag) a 1 y 1.2 pu voltaje de linea

Voltaje de linea IFNL (curva desaturación)

IFNL(ag) (Linea deentrehierro)

1.0 pu (13.8 kV) 374 A 340 A

1.2 pu (16.56 kV) 573 A 405 A

TABLA III. Valores IFSC a 1 pu corriente de linea

Corriente de linea IFSC (Linea de corto circuito) 1.0 pu (1245.8 A) 600 A

Aplicando las formulas y sustituyendo los valores de la tabla IIse tiene que S(1.0) y S(1.2): [1]



(1.0) =. − ().

().

(1)

(1.2) =. − ().

().

(2)

C.

Cálculo de la constante de Inercia (H)

Existen diversas maneras de calcular este parámetro, debidoa que solo se cuenta con el momento de Inercia en kg.m2, seaplica la siguiente formula. [1]

=

(3)

Donde:

H= Constante de inercia = Velocidad mecánica en rad/s (377 rad/s)S= Potencia nominal en VA

=(1768 .)(377 /)

29 777 777

= 4.22

D.

Modelo de los controles de los generadores

El regulador de voltaje o excitador de las unidades 9 y 10 dela Central Los Humeros, corresponde al modelo AC8B paraexcitadores, este tipo de excitadores son de sistemas deexcitación con alternador y rectificador.

El estabilizador de potencia de las Unidades 9 y 10 cuentacon dos modos de operación de acuerdo a los modelosestandarizados de IEEE. Estos pueden ser el modelo PSS2B o elPSS3B. De acuerdo al Manual de Operación y Mantenimientodel Sistema de excitación y sincronización de las unidades, elestabilizador de potencia de las unidades de Humeros opera deacuerdo al modelo PSS2B.

Para el gobernador de velocidad se utilizó el modelo IEEETGOV1, este modelo es para gobernadores de turbogeneradoresque funcionan con vapor. [1] [6]

Las constantes de los modelos del excitador, estabilizador de potencia y gobernador de velocidad se muestran en [1].

E.

Esquemas de protección de sistema en simulaciones de

estabilidad transitoria

Durante la preparación de las subestaciones durante el procedimiento de restablecimiento, se evita la alimentación decargas con Esquemas de Protección de Sistema; relevadores por

baja frecuencia (81) y relevadores por bajo voltaje (27).

Fig.3. Funcionamiento de un esquema de relevadores 27

Sin embargo, en algunas ocasiones no es posible evitar laenergización de algunos buses y cargas con dichos esquemashabilitados, por lo que el análisis de estabilidad transitoria debeincluir sus modelos a fin de representar el comportamiento delsistema en un evento real. Estos modelos están diseñados paradesconectar distintos montos de carga en diferentes etapas. Encada una de éstas, se deben especificar los límites de frecuenciao voltaje, el tiempo de acción y la fracción de la carga adesconectar.

Fig.4. Funcionamiento de un esquema de relevadores81

El modelo de relevador por bajo voltaje LVSHBL opera en 3etapas, desconectando fracciones de carga cuando se tiene un



voltaje por debajo de los límites establecidos en el modelo. Enun bus se desconecta la carga y en otro bus se monitorea elvoltaje.

El modelo de relevador por baja frecuencia LDSHBLfunciona de modo que cuando la frecuencia decae de un límiteestablecido (f1), durante un tiempo ajustado al relevador (t1),operará desconectando un monto de carga (frac1), el cual puedeser desconectado en 3 pasos que son independientes el uno delotro. Fig.4.

F.

Simulaciones para determinar estabilidad transitoria

Se parte de la condición en que la Central Los Humeros operacon dos unidades de 25 MW en modo isla, condición operativade la panta en la cual alimenta únicamente la carga de susservicios propios y que puede ser mantenida por un tiempolimitado, normalmente las plantas garantizan una hora.

Se simula la alimentación de una carga de 5.5 MW, Fig. 5 yse muestra la respuesta al alimentar el primer bloque de carga, lamáquina se desacelera a un valor mínimo de 58.25 Hz, Fig. 6.

Ésto es resultado potencia acelerante negativa. Al momento de laconexión de carga, la potencia mecánica de la turbina permanececonstante, mientras que la demanda de potencia eléctrica

aumenta, provocando un desbalance y una caída en la velocidad,lo cual se traduce en una caída de la frecuencia de la máquina.Después de este evento, la frecuencia de la máquina se estabilizay alcanza un nuevo valor en estado estacionario en un tiempo de15 a 20 segundos.

Fig. 5. Escalón de carga en Humeros Unidad 10

En la Fig. 7. se muestra el incremento en la generación de la potencia de la unidad 9 al conectar 4 MW de carga adicionales alsistema con las máquinas generando una potencia (23 MW)cercana a la nominal. Se obtiene la respuesta mostrada en la Fig.

8. A diferencia de la Fig. 6, de la máquina operando con pocacarga, se observa en la Fig. 8 que la caída en la frecuencia esmenos severa y que la respuesta del gobernador lleva a lafrecuencia a un valor más cercano de la frecuencia nominal de 60Hz. [1] [6]

Fig. 6. Frecuencia de la máquina al conectar 5.5 MW de carga.

Fig. 7. Escalón de carga en Humeros Unidad 9

Fig. 8. Frecuencia de la máquina al conectar 4 MW de carga

VI. CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos en las simulaciones enestado estacionario y de estabilidad transitoria, se considerafactible realizar el restablecimiento de una carga afectada de 50MW mediante las unidades de generación 9 y 10 de la CentralGeotermoeléctrica Los Humeros. Lo anterior sin presentarsesobrecargas en los equipos y manteniendo las variables defrecuencia y voltaje dentro de los rangos permisibles.



Es importante señalar las ventajas desde el punto de vistaoperativo de la flexibilidad de los modernos sistemas de controlhabilitados en las unidades de generación de la Central LosHumeros y la fuente de energía continua, limpia y renovable queéstas utilizan.

I. BIBLIOGRAFÍA

[1] M. B. Castañeda, «Restablecimiento ante colapso totalmediante la planta Geotermoeléctrica "Los Humeros",»Poza Rica, 2015.

[2] H. Kebede, «Study Of Geothermal Power Plant ElectricalAnd Control System With Emphasis On ReliabilityAspects,» 2002.

[3] V. M. Arellano, «Distribución inicial de presión ytemperatura del campo geotérmico de Los Humeros,Puebla,» IIE, 2000.

[4] P. Anderson, Power System Control and Stabily, Iowa:Iowa State University Press, 1977.

[5] Comisión Federal de Electricidad, Estabilidad Transitoriaen sistemas eléctricos de potencia.F. A. García, .

[6] PSS®E 32.0.5, «Program Operation Manual,» 2010.

[7] Energy Development and Power Generation Committee,«IEEE Recommended Practice for Excitation SystemModels for Power System Stability Studies,» IEEE Power

Engineering Society, Vols. %1 de %2IEEE Std 421.5™-2005, 21 April 2006.

[8] M. K. S. Z. Jerkovic Vedrana, «Excitation System Modelsof Synchronous Generatos,» Faculty of Electrical

Engineering Osijek.

[9] Energy Development and Power Generation Committee,

«IEEE Recommended Practice for Excitation SystemModels for Power System Stability Studies,» 2005.

[10] P. Kundur, Power System Stability and Control, Toronto:McGraw-Hill, Inc., 1993.

I. CURRÍCULUMS

Miguel Arturo Penagos Ruiz Nació en Tabasco,México, en 1986. Se graduó como IngenieroMecánico Electricista en la UniversidadVeracruzana (UV), en Xalapa, México, en 2009.Obtuvo el grado de M.C. en Ingeniería Eléctrica en

el Centro de Investigación y Estudios Avanzadosdel IPN (CINVESTAV), en Guadalajara, México, 2013.Actualmente se encuentra en la Zona de Operación deTransmisión Poza Rica-Teziutlán, CFE Transmisión, en PozaRica, México.

Marilyn Barragán Castañeda Nació en Veracruz,México, en 1991. Realizó estudios de IngenieríaElectromecánica en el Instituto TecnológicoSuperior de Poza Rica (ITSPR), en Poza Rica,México. Realizó prácticas profesionales en la Zonade Operación de Transmisión Poza Rica-Teziutlán,

CFE Transmisión.

Enrique Nava García. Nació en ZacapuMichoacán en 1973. Realizó sus estudios deIngeniería Eléctrica y de Maestría en Ciencias enIngeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico deMorelia. Ingresó en el año 2000 al Área de ControlOriental del CENACE y actualmente se desempeña

como Supervisor de Operación de la Zona de Operación de

Transmisión Poza Rica - Teziutlán.

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