Modelación y estudio de reguladores de velocidad de diferentes tecnologías a partir de resultados experimentales

177 MODELACION Y ESTUDIO DE REGULADORES DE VELOCIDAD DE DIFERENTES TECNOLOGIAS A PARTIR DE RESULTADOS EXPERIMENTALES. Be 6n E., He anz J., Munilla I. Dp . de Sis emas de Con ol E.T.S.I. Telecomunicacibn Uni e si a Poli ecnica de Ca alunya. RES n1EN. Se desc : ben y modelan es egulado es de elocidad de di e en es concepciones y ecnologias: El p ime o de u bina Kaplan y ecnologia oleo- mecánica, los o os dos de u binas F ancis, uno oleo-mecánico y el o o elec ónico. La es uc u a del modelo se ha elegido .de acue do con la p o- pues a del IEEE Powe Enginee ing Socie y; los pa áme os se han de e minado expe imen almen e, p esen ando y azonando el p oceso de iden i icación es uc u ado en los siguien es pasos: 1/ Fo mulación del modelo. 2/ Plani i- cación de los p ocedimien os expe imen ales. 3/ P ocesado de esul ados y es imación de los pa áme os y 4/ Validación del modelo. Se compa an los esul ados numé icos, asi como las espues as de los es egulado es. Po Úl imo se comen an algunos aspec os p ác icos conce nien es a cada uno de los pa áme os del modelo. INTRODUCCION La c ecien e complejidad de los sis emas de ene gia eléc ica ha es imulado el desa ollo de abajos de modelación, iden i icación y simulación des inados al es udio de sus ca ac- e is icas de uncionamien o con obje o de asegu a la calidad y con inuidad de su se - icio, asi como mejo adecua la concepción de los sis emas de segu idad y con ol en ca- da una de sus ampliaciones. En los abajos de ob ención de modelos diná- micos los p oblemas se cen an, undamen al- men e, en o no a educi la complejidad es- uc u al de los mismos y a desa olla las écnicas expe imen ales y anali icas necesa- ias pa a de e mina los alo es de sus pa á- me os. Aqui se p esen an algunos aspec os p ác icos sob e la iden i icación expe imen al de es egulado es de elocidad de dis in as ecno- logias, asi como un es udio compa a i o de sus pa áme os. El modelo u ilizado es el del IEEE (1973) po su uso gene alizado y, en es- pecial, po su inclusión en g an pa e de los p og amas de simulación exis en es ( e i~l). Fig. 1.- Mod~lo de un egulado de elocidad segun la p opues a del IEEE. La concepción y ealización del p og ama de ensayos ha enido condicionada po los sigui- en es aspec os: 1/ Adecuación es uc u al del modelo. 2/ Pe u ba al minimo el uncionamien o no mal del g upo u bina/al e nado . 3/ Accesibilidad de los pun os de in e és. 4/ Limi aciones del equipo de medida dis- ponible. Es as limi aciones,jun o con el p opio dise- ño del egulado , son las que han de e mina- do la es a egia de iden i icación a emplea . En algunos casos, la accesibilidad del egu- lado y su semejan6a con el modelo del IEEE ha pe mi ido el uso de mé odos de iden i ica ción "pe sonalizada" de los di e en es blo-- ques que, en esencia, se ha ealizado del modo siguien e: Después de la ob ención de los esul ados expe imen ales, es os han sido adecuados pa a su pos e io a amien- o en el labo a o io, in en ando minimiza los e o es de con e sión de escala, de o - se y de uido ( an o el p o enien e del p opio equipo de medida como el del almace- namien o de esul ados).Supe ada es a e apa, han sido iden i icados cada uno de los blo- ques del modelo y, inalmen e, el modelo o al, cuyas p e isiones han sido con as- adas con los esul ados expe imen ales. El mé odo de iden i icación u ilizado se ha basado en écnicas mix as de ipo empo al/ ecuencial a pa i de la g abación magné- ica de un núme o conside able de espues- as co espondien es a señales de p ueba á- ciles y pe misibles. En algunos casos, con ayuda de los da os cons uc i os, ha podido ob ene se una p ime a ap oximación de ci e - os pa áme os del egulado que, pos e io - 178 men e, han pasado po un p ime ajus e ía ecuencial (FFT) median e la de e minación de las ecuencias de codo dominan es (aun- que la exac i ud de dicha de e minación se ha is o ljmi ada po eque i señales de la ga du ación y medidas epe i i as a in de de ec a el e o p oducido po los un- camien os). La p esencia de alinealidades ha exigido la ealización de medidas con di- e en es ni eles de consigna con el in de ob ene una unción de cohe encia que hicie a iables los esul ados de la FFT. A pa i de es a p ime a es imación indi i- dualizada de los pa áme os, se ha e ec uado un ajus e global pos e io con ayuda de un p og ama de op imización pa amé ica. Pa a más de alles del p oceso de iden i icación e Be án e al . (1984),-Munilla e al . (1984) y Be án e al . (1984a). REGULADOR DE VELOCIDAD OLEO-MECANICO DE UNA TURBINA KAPLAN. Los alo es pa amé icos del modelo de un egulado de u bina Kaplan iene especial in e és ya que no apa ecen ecuen emen e en la bibliog a ía. Es e egulado expe imen ado de la i ma ESCHER-WYSS pe enece a una cen- al hid oeléc ica con cua o g upos accio- nados po u binas Kaplan de una po encia no- minal de 68 MW cada uno. Dichos egulado es son de diseño especial ( ig. 2) ya que, o i- ginalmen e, habían sido concebidos pa a u - binas F ancis. Aunque en un p incipio se in en ó el desa- ollo de u~ modelo especíiico más ajus ado a su es uc u a ísica inalmen e se abandonó la idea po el g an es ue zo expe imen al que eque ía, eg esando al modelo p opues o po el IEEE. Pa a ello se pa ió de la hipó esis de que el mo imien o de los álabes del ode- e seguía de o ma p ác icamen e ins an ánea al dis ibuido (hipó esis que ha sido con- i mada expe imen almen e pa a po encias su- pe io es a los 8 MW). Una di icul ad en la iden i icación de es os egulado es ha sido la di ícil co elación en e las a iables del modelo adop ado y las a iables di ec amen e accesibles: en p ime luga po que el modelo es á o ien ado a los egulado es de u binas F ancis y, po lo an o, no con empla el lazo de coo dina- ción de los álabes del ode e; en segundo lu- ga , como es ca ac e ís ica de los egulado- es de es a i ma, los ajus es del es a ismo pe manen e y del ansi o io no es an den o del lazo de posición del se omo o ( al y como apa ecen en el modelo) sino que es án implemen ados en el p opio egulado de elo- cidad. En cuan o a las écnicas de iden i icación, la p esencia de cie as alinealidades (K , j, E de la ig. 2) que disminuyen el al~' de la unción de cohe encia, ha obligado a da más én asis a la in o mación cons uc- i a y a los egis os empo ales que a la in o mación de i ada de los análisis ecuen- 1 1 -+ ----j 1 1 1 1 1 1 ' zo. 1 1 o . L - ---- - ~~ - _:_~0~-------J Fig. 2.- Esquema del egulado de elocidad de una u bina Kaplan. ciales. Finalmen e, y conside ando que el es a ismo ansi o io queda cons uc i amen e anulado al acopla el g upo a la ed, se ob u ie on los esul ados expe imen ales de la p ime a columna de la Tabla 1 (pa a la alidación del modelo e Be án (1984)). REGULADOR OLEO-MECANICO DE UNA TURBINA FRANCIS. El segundo de los egulado es expe imen ados ha sido el modelo 570 de NEYRPHIC. Es e egu- lado ( ig. 3), al eque i meno es es ue z os mecánicos, p esen a un amaño educido en compa ación con el egulado del apa ado an- e io . En con apa ida, es al amen e sen- sible a las pe u baciones mecánicas y i ene algunos de los pun os de in e és pa a su iden- i icación di ícilmen e accesibl e s. Su modelación se ha is o acili ada po la g an conco dancia en e su p opia es uc u a y la del modelo p opues o po el IEEE, bas- ando los planos del ab ican e y algunos e- gis os e .po ales pa a una buená es imación de los pa áme os. Fig. 3 .- Regulado oleo-mecánico de una u - bina F ancis. A pa i de dichos egis os se ha econs- uido, median e un calculado analógico, la dinámica de los pun os inaccesibles, dispo- niendo así de la in o mación necesa ia pa a pode hace una p ime a es imación de los pa áme os del modelo, En una segunda ap oxi- mación se han ajus ado los mismos minimizando la des iación cuad á ica. Así se han ob enido los alo es expues os en la segunda columna de la Tabla l, La igu a 4 mues a la alidez de los esul- ados ob enidos al compa a la espues a me- dida con la simulada. ---1---$;;;~¡~¡~~~-------------------------------- ·-···· .ElCpe i nel a.l . A~J----"-"-"--,--'---ccc"-c-c----,---'-~ o (;' lO u:g. Fig.4.- Respues a del dis ibuido en e a una a iación de ca ga d& 10 a 5 MW. (g upo de 80 MW nominales) REGULADOR ELECTRONICO DE UNA TURBINA FRANCIS 179 Es e egulado de la i ma VEVEY es más e - s~ il que los an e io es al dispone de lazos sepa ados pa a el ajus e de elocidad y de la ape u a del dis ibuido . dado que, p ác icamen e,es á implemen ado con ecnología elec ónica, los ensayos se han is o eno memen e acili ados an o po la accesibilidad como po no eque i ansduc- o es especí icos. O a en a- ja de i ada de su cons i ución elec ónica ha sido la posibi- lidad de ob ene esul ados a •••.• ,.,.... pa i del análisis de los es- ,._... quemas elec ónicos, lo que ha se ido pa a ea i ma los a- lo es ob enidos expe imen al- men e. El esquema de es e e- gulado se mues a en la ig.5. Un~de las p incipales di icul ades encon adas pa a adecua es e egulado al modelo del IEEE 1-an sido la p esencia de un compensado acele o- acomé ico a la en ada del lazo p ima io la alinealidad cie la ál ula • dis ibuido a de acei e al se omo o , no con emplada en el modelo del IEEE. La p ime a - di icul ad se ha supe ado con median e écni- cas de educción del o den del modelo y la segunda adecuando los alo es pa amé icos según la excu sión ela i a del se omo o (en conc e o se ha ecu ido a da dos alo- es al pa áme o T pa a pode ep esen a sa is ac o iamen e las dos zonas de unciona- mien o de la ál ula d~s ibuido a~ Los alo es ob enidos se incluyen en la colum na e ce a de la Tabla 1, y en la ig. 6 se compa an las p e isiones del modelo ob enido con los esul ados expe imen ales. . .... . .. . ..... . ~ - - ~ - ·· · ¡ .... ,..,. . ....... .. .;.."'~'• : . ... · ·~·; ... .. . . .... + .· ·· .. .-. ... ,. .. ' . ; : : l i: .. ... '' : : : . . : j : : : : ..... ·· ' '; ,: 1 i '.! ¡ ¡ ¡ ¡ j . ! ' •• ¡ ; :: :,· ', .. ... ' : : : : : ! ! : ; : ~ ~ ¡ j ! • ' . . : ; 1 1 : : i ' ' ' ' ' 1 ; ! : ¡ ~ .•. •. ~· . ¡ [ [ ¡ ¡ ¡ ¡ i ¡ [ i . : ¡ : i ¡ i : : ! i ! ¡ ¡ i j : ¡ ¡ : ···~-- -_;_~~;_;_~_;_...:...--+-'--~-'-:...;..,...,;..;__;.._:,..;..;......_...__ o 10 Resul ados expe inEn ales !¡ Resul ados de sim,Jadén ~· Fig.6.- Respues a del dis ibuiO en e a una a iación de ca g a de 10 a 2 MW. (g upo de 45 MW nominales) 180 Al:inen ac. Velocidad Ape u a Po encia O denes ex e io es ' : : ' -- + 1 : 1 --··-- i ~ ··- : ! ¡ ____ ¡ ,0 i· i e : --- +-- - ~--- ~ (Z) : -+++ -~ --ll+-+ - - + - - ~ ' ¡ - ~ -- - - - i- -· ¡ j IZl . ' ' ' _n - ' ' ' .... - - ~ ' -- -- --- i-__: -·-------1 : 1" 1 ; ' -- 4 i i Fig.S.- Esquema del egulado elec ónico de una u bina F ancis. TABLA DE RESULTADOS. COMPARACION. En la Tabla 1 se p esen an los esul ados pa- amé icos ob enidos en los expe imen os des- c i os, ampliándolos con los ob enidos po o T T~ q- ~ T T w os au o es. h EEE EXP ER II1. PROPIAS nºl n22 nº3 (1973) 0,067 0,061 0,201 0,2 0,214 0,04 0,0 3 0,04 0,04 0,07l :. 0,06 o,os o o, 107 1,33 0,3 . - 2,197 o,s• S 0,764 0,867 1 ,3 1 RAMEY 1970) 0,2 0,1 o.o~ 0,3 S 1 TABLA 1.- VALORES EXPERIMENTALES. CALO- HIYA VIC. HA 1972) (1982) o, 1 0,6 o o o,os 0,036 0,4 0,48 2 4 o, 7S7 1 La dispe sión de alo es pa amé icos de la abla an e io es e lejo de la di e sidad de dinámicas, como hemos comp obado en abajos de simulación en los que hemos ep oducido el compo amien o de dis in os egulado es de ~ locidad expe imen ados po di e en es au o es. Ap oximando las espues as simuladas a un p ime o den, se han ob enido cons an es de iempo comp endidas en e los 6 y los 69 seg. pa a egulado es de u binas F ancis y en- e los 2 y los 1S seg. pa a egulado es de u binas Kaplan. De es a dispa idad de esul- ados se desp ende la necesidad de e ec ua los es udiosde simulación (es abilidad y seg~ idad del sis ema eléc ico) con alo es pa ~ mé icos p opios del sis ema obje o del es u- dio. ' En la ig. 1 se mues a la espues a compa a- da de la ape u a del dis ibuido de cada una de las cen ales expe imen adas en e a una en ada en escalón uni a io de 1 J.Jz., siendo ne des aca la mayo elocidad del e- gulado de la u bina Kaplan. La dinámica de los dos egulado es de u b . inas F ancis depe.!!. de, p incipalmen e, del ajus e de & . ..... - ..... -- .--....- _.- -- -- -- _,-· --- - n~.1 --- - l'l~z. -·- n•3 seg. 10 Fig. 1.- Compa ación de las espues as de los es egulado es expe imen ados. ALGUNAS CONSIDERACIONES PRACTICAS. De los abajos ealizados pueden ob ene se algunas conclusiones eó ico-p ác icas de los di e en es pa áme os, asi como de los mé odos aconsejables pa a su de e minación: T · El uso de la elación clásica .. ::.: w z 1 +(Tj2)S W= elocidad u bina Z= ape .J a d1s ibuido pa a ep esen a al compo amien o de la pa e hid áulica de una cen al depende del diseño conc e o de és a. Asi, cuando cada u~ bina es alimen ada desde el embalse median e su p opia ube ia o zada, el modelo esul a sa is ac o io, pe diendo alidez a medida que las ube ias o zadas se ayan ami icando • Po o a pa e, aunque sencillo, es e modelo esponde a una hipó esis pesimis a, ya que el di seño de las ube ías puede minimiza el gol pe de a ie e y, consecuen emen e, el compo ~ mien o de ase no mínima. En cuan o a la de e minación del alo del pa áme o T , una solución exac a se ía la implan aciÓ~ de un ansduc o de pa en el eje de la u bina, e aluándose T a pa i de un análisis espec al del pa y ~e la ape u- a del dis ibuido . Dado el es ue zo expe i- men al que ello ep esen a, una solución más sencilla es ap oxima T po exp esiones como l a desc i a en (IEEE,l9,-3). Pa a un segundo ajus e de T hay que conside a que la ela- ción clásic~ an e io (usada po el IEEE) es an o más álida cuan o mayo sea el ni el de ca ga de la u bina. Po o o lado hemos de- ec ado una a iación de T . según la excu - sión ela i a del se omo ~ . ~ : Es e pa áme o es muy c í ico ya que es el que de e mina la ganancia es á ica del egulado . Si bien su cálculo es ácil a pa i del alo po cen ual que suele eni indicado en el p opio e g ulado , su de e - minación expe imen al es cos osa (especialmen e en los egulado es mecánicos), y no suele se posible con el g upo desacoplado de la ed, ya que en es e es ado los egulado es a- cos umb an a cambia algunos de sus pa áme- os. Además, a menos que exis an lazos sepa- ados pa a la egulación de ape u a y de la elocidad, es di ícil exci a al sis ema con una señal de p ueba adecuada. En los egulado es mecánicos, al igual que en algunos elec ónicos, el e o de elocidad es de ec ado median e un mo o de bolas, y la en ada de la consigna se e ec ua añadiendo un o se a la posición del eje de es e mo o . Es a consigna no puede se usada como señal de en ada pa a la de e minación de < , ya que es di icil es ablece una elación cuan- i a i a en e el o se añadido manualmen e al eje del mo o de bolas y las des iaciones de la ecuencia de la ed. Una al e na i a es el uso c uzado de dos g upos de la cen al, empleándose al al e nado pilo o del p ime o (desacoplado de la ed) pa a exci a el mo o de bolas del segundo. De es a o ma, si se ajus ase la elocidad del p ime g upo a 50 Hz y luego se ue a modi icando lige amen e, ob- end íamos una señal de en ada al de ec o de elocidad del se gundo g upo álida pa a su iden i icación. Es e p ocedimien o p esen a algunas di icul- ades, ya que la exci a iz pilo o e ec úa unciones ales como la aliQen ación del mo- o auxilia de la amplidina (en egulación au o .~ ica) y, e en ualmen e, el suminis o de una in ensidad cons an e de pola ización del de anado magne izan e de 's a. Po es o la conexión del de ec o de elocidad de un g upo a la exci a iz pilo o de o o puede supone un exceso de ca ga pa a 's a, lo que puede obliga a al e a su conexionado no mal a in de in en a educi su ca ga. En los egulado es que no de ec an el e o de elocidad median e un Q O o de bolas (p.e., median e un puen e de Hien), es más ácil in- 181 aduci una señal de p ueba que simule una a iación de la ecuencia de la ed. & , T : Es os dos pa áme os pe enecen al ~ lazo de ealimen ación ansi o ia, eniendo la dinámica del sis ema una conside- able sensibilidad a sus a iaciones. El ajus- e que se hace de es os pa áme os iene po obje i o undamen al con a es a los e ec- os noci os (pa a la es abilidad) de la es- pues a de ase no mínima de la e apa hid áu- lica. Pa a ob ene (expe imen almen e) una buena dinámica en el lazo de ealimen ación ansi o ia, lo ideal es desacopla al g upo de la ed y a ia b uscamen e la consigna de elocidad desde el mando local del egulado . En algunos casos el alo de es os pa áme os, y especialmen e el de S ,se e al e ado al queda el g upo desacoplado de la ed. En es- e caso hay dos al e na i as: ·una, la p opues- a po Ho ey (lq6z.) , . basada en desmon a el "dash-po " y o a, oma g an can idad de in- o mación du an e los ensayos a in de pode ajus a pos e io men e & y T po simula- ., c1on. !&_: La de e minación de T , sea po m' odos ~po ales o po ecuenci~les, no supone un g an p obleQa, dado que la cadena di ec a del egulado suele ene pun os accesibles pa a las mediciones. Cuando la ál ula dis ibui- do a enga un acusado compo amien o alinea!, es e pa áme o depende á del pun o de abajo de la ál ula. Si la alinealidad es ele ada, puede que con la modi icación de To no se con siga ep oduci la dinámica del e§ulado en un ma gen su icien e de uncionamien o, debien dose ecu i a la inclusión de dicha alinea- lidad en el modelo (al e ando así la p opues- a del IEEE) o a la modi icación de pa áme os a los que la espues a sea más sensible. T : Es e es un pa áme o poco impo an e y ...!!. p¡uchos au o es lo ijan en ce o. Como se ha de ec ado en las simulaciones e ec uadas, la espues a del egulado no p esen a una g an sensibilidad con elación al mismo. La g ama de alo es suge idos po el IEEE suele da esul ados sa is ac o ios cuando T es de di Ícil ob ención expe imen al. p CONCLUSIO N ES Se han desc i o y modelado se gún la p opues a del IEEE es egulado es de elocidad de di- e en es ecnolo g ías, p esen ándose los alo- es pa am, icos ob enidos expe imen almen e y azonándose el p oceso de ob ención. Los esul ados num, icos se han con as ado con los de o os abajos y, inalmen e, se han comen ado aspec os eó ico-p ác icos elacio- nados con la de e minación expe imen al de los pa áme os del modelo. BIDLIOGRAFIA E e án E. , He anz J. , !·l unilla, I ( 1984). E s- udio del sis ema de e g ulación de e- cuencia en cen ales hid oel,c icas a pa i de modelos expe imen ales. II Sil'l- posio Nacional sob e Au omá ica en l a Indus ia. pp. 99-106. 182 Be án E. , ile anz J., Nunilla I. ( 1984a) Iden i icación expe imen al de la Cen al Hid oe16c ica de Riba oja. P oyec o P.I.i::. (ENHER). Pa e I. Calo ic l' l.S., (1972). Linea Regula o De- sigo o Load-F equency Con ol. IEEE ansac ions on PAS. ol PAS-91, pp 2271- 2285. Hiyama T. (1982) Design o Decen alised Load F equency Regula o s o In e connec ed Powe Sis ems. lEE p oceedings , ol 129, no l. pp. 17-23. Ho ey L.N., (1962). Op imum adjus emen o hid ogo e no s on Nani oba hid o-sys em. AlEE ansac ions. pp 581-588. IEEE C~mmi ee Repo (1973). Dynamic Models o S eam and Hid o u bine in Powe Sys- em S udies. IEEE ans. on PAS. ol PAS- 92, pp. 1904-1915. Hunilla 1., Be án E., He anz J. Iden i i- cación pa amé ica de sis emas de egul3- ción de ensión en cen ales hid oe16c- icas. "case- s udy". II Simposio Na- cional sob e Au omá ica en la Indus ia. pp. 91-9ü. Ramey D.G., Skooglund J.H. (1970). De ailed llyd ogo e no Rep esen a ion o Sys em S abili y S udies • IEEE ans. on PAS. ol. PAS-89, n° 1 ,pp 106-112. SUl-í: · IARY Th ee speed egula o s o di e en s uc u e and echnology a e desc ibed: one o Kaplan u bine and he o he wo o F ancis. The model s uc u e has been selec ed acco ding o he IEEE. The pa ame e s has been de e - mined expe imen ally p esen ing and easoning he iden i ica ion p ocess o ganized acco - ding o he ollowing s eeps: 1/ Model o mu- la ion. 2/ Expe imen s plan . 3/ Da a p oce- ssing and pa ame e s s ima ion. 4/ Hodel a- lida ion. The nume ical esul s and dynamic esponse o he h ee egula o s a e campa- ed. Finally so ne p ac ica! aspec s a e con- side ed o each one o he pa ame e s o he model.