REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN (RAT) DE UN GENERADOR SINCRÓNICO

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85.13 Centrales Eléctricas

INFORME DEL TRABAJO PRÁCTICO FINAL

REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN (RAT) DE UN GENERADOR SINCRÓNICO

2º cuatrimestre 2021

Contenido

1.        Introducción:        3

2.        Objetivo:        3

3.        Desarrollo:        4

3.1        Modelado de generador sincrónico (GS) y red        4

3.2        Regulador automático de tensión (RAT o AVR)        5

3.2.1 Elementos que componen un sistema de excitación:        6

3.2.2        Modelo de AVR elegido        7

3.3        Ensayos al Regulador Automático de tensión        8

3.3.1 Respuesta al escalón        8

3.3.2        Respuesta en frecuencia a lazo abierto        9

3.3.3        Respuesta a lazo cerrado        9

3.3.4        Ensayo de respuesta temporal en vacío        10

3.3.3 Ensayo de respuesta temporal con carga        11

3.4 Comparación de respuesta en vacío y en carga        13

4.        Conclusiones        14

1. Introducción:

Los sistemas de excitación son una parte fundamental de todo generador eléctrico, dado que proveen la energía necesaria para establecer el campo magnético rotatorio y así provocar la transferencia de energía rotatoria (proveniente de una turbina de vapor, de gas, un reactor nuclear o una hidráulica, entre otros) en energía eléctrica que viaja por todas las líneas del país hacia los usuarios domiciliarios e industriales.

Sin embargo, posee una característica fundamental que consiste en efectuar funciones de protección y control esenciales para satisfacer el desempeño del sistema de potencia (a través del control de la tensión de campo). Dichas funciones de control incluyen:

• Control de tensión y flujo de reactivo;
• Mejoramiento de la estabilidad del sistema.

Mientras que las funciones de protección aseguran que no se exceda la curva de capabilidad del generador o del sistema de excitación.

Todos estos requerimientos hacen que sea muy complejo de implementar y representar un modelo del RAT, por lo que me apoyaré en los modelos propuestos por la IEEE 421.5 edición 2016.

1. Objetivo:

En una primera etapa, inspeccionar los diferentes tipos de sistemas de regulación que existen, así como los bloques que conforman a cada uno de ellos. Luego, elegir uno de ellos en específico y realizar su modelado completo a través del software Simulink. Como siguiente paso, obtener la respuesta dinámica frente a perturbaciones externas previstas por el procedimiento PT 4 de CAMMESA, necesario para el agregado y puesta en marcha de un nuevo generador a la red. Me apoyaré en el manual de prácticas de la IEEE 421.2, en el cual se brindan las simulaciones que se deben hacer y las respuestas que se esperan obtener para un ensayo normal, entre dichas características se encuentran:

• Respuesta al escalón;
• Respuesta en frecuencia;
• Característica a lazo abierto;
• Característica a lazo cerrado.

Para proceder con la simulación, debo contar con el modelo de la máquina, del RAT y un pequeño esquema de la red.

1. Desarrollo:

1. Modelado de generador sincrónico (GS) y red

Una parte fundamental de este trabajo es el modelado del generador. Se emplea la transformación de Park, la cual convierte los ejes “tradicionales” a,b,c (fijos al estator), en el par de ejes d-q (fijos al rotor), los cuales permiten acoplar el circuito de excitación y el de inducido más fácilmente.

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En particular, se empleará un modelo de generador de cuarto orden, el cual contiene 4 variables de estado, a saber: la velocidad del generador ω, el ángulo eléctrico respecto de la red δ, y las fem E’d y E’q del generador llevadas a ejes del rotor d-q.

Las ecuaciones fundamentales que definen a este modelo son:

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Las primeras dos ecuaciones, relacionan la fem interna del generador con las corrientes y las reactancias (permanente y transitoria); la tercera es la ecuación de balance de cuplas; la cuarta, la ecuación de oscilación (fundamental, nos dice que, si la velocidad del generador no es exactamente igual a la sincrónica, el ángulo δ aumentará y se correrá el riesgo de pérdida de sincronismo). Por último, se muestran las ecuaciones que permiten obtener las corrientes de eje d y q.

Con todas estas ecuaciones, estamos en condiciones de modelar en generador en Simulink, con el siguiente esquema:

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El último escollo con el que nos encontramos, es el de relacionar las ecuaciones del generador con la red, con el objetivo de acoplarlas. Esto se logra colocando un modelo de fuente controlada de tensión:

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Modelo de red

Al ser los transitorios electromagnéticos de la red de una duración muy corta comparado con las variaciones electromecánicas producidas en el generador, se representa a la misma como una resistencia y una inductancia directamente, tal que solo afecten al valor eficaz de las variables eléctricas (referido a un %d de la impedancia base del generador).

1. Regulador automático de tensión (RAT o AVR)

Con el objetivo de mantener la tensión en un valor admisible (tanto en módulo como en ángulo), se emplea un regulador automático de tensión (RAT o AVR, en inglés), el cual actúa sobre la corriente de excitación, actuando en tiempos muy rápidos (ms) y de manera automática.

Se trata de un sistema de control que está compuesto por varias partes, y se puede resumir en el siguiente gráfico:

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Representación clásica de un sistema de control: Es un sistema realimentado, que se monitorea permanentemente. El controlador es el regulador propiamente dicho, el amplificador es el convertidor (rectificador controlado estático), mientras que la planta es el propio generador. A la salida del mismo, se sensa la tensión de salida, que sirve para comparar con la referencia del controlador.

Existen tres tipos diferentes de sistemas de excitación en base a la fuente de energía:

1. Sistemas de excitación DC: Utilizan generadores de corriente continua (excitatriz) como fuente de potencia, actualmente ya se encuentran obsoleto.
2. Sistemas de excitación AC: Utilizan máquinas rotativas de corriente alterna como fuente de energía, la corriente a la salida es rectificada para producir la corriente continua. La rectificación puede ser mediante diodos fijos o giratorios, en cuyo caso resulta en una excitación brushless (sin escobillas).
3. Sistemas de excitación estatóricos (ST): Ningún componente rota, la energía proviene del propio generador sincrónico a través de la barra de servicios auxiliares (previo paso por un transformador reductor). Estos tienen constantes de tiempo muy pequeñas y condiciones favorables ante fallas, además de un mantenimiento sencillo y poco costoso, por lo que son muy utilizados en la actualidad.

3.2.1 Elementos que componen un sistema de excitación:

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El RAT deberá controlar tensión de maneta de mantener al generador dentro de la curva de capabilidad (para que no se produzcan consecuencias catastróficas), esto lo hace a través de los siguientes controles:

• Limitador de subexcitación UEL: Su objetivo es prevenir la reducción de excitación del generador, y mantenerla en un nivel mayor al límite de estabilidad estática.
• Limitador de sobrexcitación OEL: Su objetivo es proteger al generador de calentamiento debido a sobrecorrientes de campo prolongadas. El arrollamiento de campo se diseña para operar continuamente a su corriente nominal y una característica térmica dependiente del tiempo.
• V/Hz limitador: Es utilizado para proteger el generador y el transformador de bloque de daño ante flujo magnético excesivo resultante de una subfrecuencia y/o sobretensión.
• Límite de corriente estatórica (SCL): Este es un valor que nunca se debe superar, viene dado por la máxima corriente de armadura que puede circular a través del estator sin que se provoquen daños térmicos. En la práctica, establece como una máxima potencia que se puede despachar en el generador.

1. Modelo de AVR elegido

Se eligió un sistema de excitación estático, dado que es de los más utilizados actualmente por su facilidad de implementación y sus muy cortos tiempos de respuesta (la constante temporal asociada es muy baja, ya que no tiene componentes electromecánicos asociados). En particular, se empleó un modelo con la siguiente topología:

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