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Proyecto Fin de Carrera Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos con aerogeneradores basados en máquinas síncronas multipolares Alumno: Javier Tabernero Rodríguez-Belvís Director: Luis Rouco Rodríguez

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Page 1: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

Proyecto Fin de Carrera

Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos

con aerogeneradores basados en máquinas síncronas multipolares

Alumno: Javier Tabernero Rodríguez-Belvís

Director: Luis Rouco Rodríguez

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i

Resumen

El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía

eléctrica con generación eólica basada en generadores síncronos multipolares.

El creciente desarrollo de la energía eólica impulsada con políticas favorables al

fomento de las energías renovables y el desarrollo de la tecnología de

aerogeneradores ha situado a España como uno de los países con más potencia

instalada de tipo eólico con perspectivas de duplicar la actual en los próximos cinco

años. El Protocolo de Kioto ha proporcionado un impulso adicional al desarrollo de

las fuentes de energía renovable. Para lograr este objetivo, se han concebido, diversas

políticas de promoción de las energías renovables. La que ha resultado más exitosa

ha sido aquella en la que se fija un precio de remuneración de la energía eólica. Esta

ha sido la política adoptada en Alemania y en nuestro país, que encabezan la lista de

países con mayor potencia eólica instalada en el mundo.

En la generación eólica, la programación horaria dificultada por el marcado carácter

aleatorio de la fuente de energía primaria, el desarrollo de la tecnología en lo

referente al control de potencia/frecuencia y al control de tensión/reactiva de los

aerogeneradores, la estabilidad ante huecos de tensión de los parques acoplados a la

red o la perdida de amortiguamiento ante pequeñas perturbaciones, son problemas

que deben afrontarse para un mejor desarrollo e integración de la energía de origen

eólico en la generación eléctrica.

Los generadores eólicos con máquina de inducción de jaula de ardilla presentan una

limitada capacidad de control, sin embargo, la maquina de inducción doblemente

alimentada permite regular la velocidad del rotor, controlar el par, y el factor de

potencia de modo continuo. Los generadores eólicos con máquinas síncronas

multipolares no emplean caja multiplicadora, pueden controlar la potencia reactiva

de modo continuo y también pueden controlar el punto de trabajo de la turbina para

un rendimiento máximo variando la velocidad.

Aunque los dos primeros tipos son dominantes en la actualidad, los buenos

rendimientos que alcanzan los generadores de tipo síncrono multipolar, las

posibilidades del control vectorial del generador, la calidad de la onda generada, así

Page 3: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

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como la capacidad de este tipo de generadores de arranque a bajas velocidades de

viento, desde 3 m/s, con la buenas posibilidades de adaptabilidad a diferentes

emplazamientos, abren una perspectiva ventajosa para esta clase de aerogeneradores

en los modelos de generación distribuida, de mayor consonancia con una filosofía

apoyada en la eficiencia y el desarrollo energético endógeno, en clara sintonía con el

deseado desarrollo sostenible.

Los objetivos llevados a cabo en este proyecto fin de carrera son los siguientes: el

desarrollo de modelos no lineales y lineales del aerogenerador basado en una

máquina síncrona multipolar; el desarrollo del modelo del aerogenerador basado en

una máquina síncrona multipolar para el estudio de la estabilidad de pequeña

perturbación de sistemas eléctricos; la incorporación del citado modelo a la Small

Signal Stability Toolbox (SSST); y su aplicación al estudio del impacto de la

generación eólica basada en generadores síncronos multipolares en la estabilidad de

pequeña perturbación, es decir, en la frecuencia y el amortiguamiento de las

oscilaciones electromecánicas de los sistemas eléctricos.

La estabilidad aborda un aspecto del comportamiento dinámico de los sistemas de

energía eléctrica y se ocupa del estudio de la capacidad del sistema eléctrico para

alcanzar un punto de equilibrio estable tras la ocurrencia de una perturbación. Se dice

que una perturbación es grande cuando las ecuaciones diferenciales que describen el

comportamiento dinámico del sistema no se pueden linealizar. Por el contrario, una

perturbación es pequeña cuando las ecuaciones se pueden linealizar alrededor de un

punto de funcionamiento.

La estabilidad de pequeña perturbación está relacionada con el amortiguamiento de

las oscilaciones naturales que aparecen en los sistemas de energía eléctrica en el

margen de frecuencias comprendido entre 0,1 y 2 Hz. Dichas oscilaciones son

también conocidas como oscilaciones electromecánicas ya que tienen su origen en

las oscilaciones de los rotores de los generadores. Tales oscilaciones

electromecánicas, generalmente están poco amortiguadas en comparación con otras

oscilaciones naturales que aparecen en los sistemas de energía eléctrica, y

básicamente se traducen en oscilaciones de las potencias por líneas y

transformadores que repercuten en las tensiones de los nudos.

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La estabilidad de pequeña perturbación puede ser caracterizada, de forma precisa,

con los autovalores de la matriz de estado del sistema lineal asociado al punto de

funcionamiento del sistema dinámico considerado. Además, debido a que la

caracterización del comportamiento dinámico del sistema con los autovectores

izquierdos y derechos, correspondientes a los autovalores del margen de frecuencias

de interés, llevan asociado un significado físico, es posible desentrañar así la relación

existente entre los modos naturales y las variables de estado con los llamados

factores de participación.

Dado el excepcional tamaño de los sistemas de energía eléctrica, se ha representado

por medio de un sistema algebraico-diferencial de ecuaciones no lineales, y se han

empleado técnicas de análisis modal del sistema dinámico considerado. Para la

linealización de las ecuaciones en torno a un punto de trabajo se ha empleado la

formulación clásica de los sistemas lineales en el espacio de estado.

Se han desarrollado dos modelos no-lineales y lineales de orden 11 (sin lazo de

regulación de velocidad) y de orden 12 (con lazo de regulación de velocidad) y se ha

procedido a su simulación y análisis. La simulación de los modelos no lineales ha

confirmado el comportamiento esperado. Además, se ha realizado un estudio

fundamental de la estabilidad de pequeña perturbación variando la generación eólica

en un sistema.

Los principales resultados de dicho estudio fueron los siguientes: se concluye que no

existen interacciones entre los generadores síncronos y los aerogeneradores síncronos

multipolares; se comprueba que la incorporación de generación eólica basada en

generadores síncronos multipolares da lugar a un aumento de la frecuencia y del

amortiguamiento de la oscilación electromecánica del generador síncrono; se observa

que el efecto provocado por este tipo de aerogeneradores es muy similar al de los

generadores de inducción doblemente alimentados.

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i

Abstract

The topic of the project is the small-signal stability in electric power systems with

wind generation based on multipole synchronous generators.

The increasing development of the wind power stimulated with favourable policies to

the promotion of the renewable energies and the development of the technology of

wind power generators has placed Spain as one of the countries with more installed

capacity of wind turbines with perspectives to duplicate the current one in just five

years. The Kyoto Protocol has provided an additional impulse to the development of

the renewable energy sources. To achieve this aim, there have been conceived

diverse policies for promotion of the renewable energies. The one that has turned out

to be more successful has been that one in which a price of remuneration of the wind

power is fixed. This one has been adopted in Germany and in our country, heading

the list of countries with major wind power installed worldwide.

The large scale integration of wind power generation in power systems exhibits a

number of problems that must be confronted for a better development and integration

of the wind power generation in electric power systems. The most relevant are:

generation scheduling, load-frequency control, reactive power-voltage control, and

power system stability.

The wind generators based on squirrel cage induction machines present a limited

control capability; nevertheless, the doubly fed induction machine allows the

regulation of the rotor speed, the control of the electromagnetic torque, and also the

regulation of the power factor. The wind generators with multipole synchronous

machines do not use gearbox, they can regulate reactive power and also they can

control the rotor speed for a maximum performance.

Though the first two types are widely spread, the good performance reached by the

multipole synchronous generators, the possibilities of vectorial control, the quality of

the wave generated, as well as the capacity of this type of generators that can operate

at low speeds of wind, from 3 m/s, with good possibilities of adaptability to different

emplacements, they open a good perspective for this type of wind generators in

models of distributed generation, related to high efficiency and the energetic

endogenous development, in agreement with the sustainable development.

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ii

The main objectives of this project are the following ones: the development of non-

linear and linear models of the wind generator based on multipole synchronous

machines; the development of the model of the wind generator based on a

synchronous multipole machine for the study of small-signal stability in electric

systems; the incorporation of the mentioned model to the Small Signal Stability

Toolbox (SSST); and the application to the study of the effect of the wind generation

based on synchronous multipole generators in the small-signal stability, studying the

frequency and the damping of the electromechanical oscillations in electric systems.

The problem of stability approaches an aspect of the dynamical behaviour of the

electric power systems that deals with the study of the capacity of the electrical

system to maintain synchronism when subjected to disturbances. In this context, a

disturbance is considered to be small if the equations that describe the resulting

response of the system may be linearized for the purpose of analysis.

Small-signal stability is concerned with the damping of the natural oscillations of the

power systems that lie in the frequency range between 0.1 and 2 Hz. Such

oscillations are usually called electromechanical oscillation since they have their

origin in the oscillation of the generator rotors. Electromechanical oscillations are

usually poorly damped in contrast to other natural oscillations of the power system,

and basically they are translated in oscillations of powers by lines and transformers

that can affect to voltages at grid nodes.

Small-signal stability of power systems can be accurately characterized by

eigenvalues of the state matrix of the system linear model. In addition, the right and

left eigenvectors corresponding to the eigenvalues of interest are the basis of

sensitivity tools to identify the relationships between variables and eigenvalues.

In view of the exceptional size of electric power systems, it can be commonly

represented by an algebraic-differential set of non-linear equations, and there have

been used techniques of selective modal analysis for the evaluation and interpretation

of eigenvalue sensitivities. The eigenstructure of the state matrix of the linear model

of a power system contains a great deal of quantitative information to analyze and

control power system oscillations. There have been developed two non-linear and

linear models with 11 state variables (without speed control loop) and with 12 state

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variables (with speed control loop) to their simulation and analysis. The simulation

of the not linear models has confirmed the expected behaviour. Besides, there has

been realized a fundamental study of small-signal stability changing the contribution

of wind power generation in an electric power system.

The main conclusions of the above mentioned study were the following ones: there is

no interaction between the dynamics of the synchronous generators and the wind

power generators based on multipole synchronous machines; there is verified that the

increasing proportion of wind power generation based on synchronous multipole

generators produces an increase of the frequency and damping of the

electromechanical oscillation of the synchronous generator; it is also observed that

the effect caused by this type of wind generators is very similar to the effect of the

doubly fed induction generators.

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i

Indice

1 Introducción ..................................................................................................... 4

1.1 El tema del proyecto ................................................................................. 4

1.1.1 Estabilidad de sistemas eléctricos ...................................................... 4

1.1.2 Generación eólica.............................................................................. 5

1.2 Objetivos del proyecto .............................................................................. 7

1.3 Organización del proyecto ........................................................................ 8

2 Generación eólica y generadores eólicos........................................................... 9

2.1 La generación eólica ................................................................................. 9

2.1.1 La generación eólica en el mundo...................................................... 9

2.1.2 La generación eólica en España....................................................... 15

2.2 Generadores eólicos ................................................................................ 17

2.3 Control del generador síncrono multipolar .............................................. 21

2.4 El problema de la conexión de los generadores eólicos a redes eléctricas 22

2.4.1 Programación horaria ...................................................................... 23

2.5 Control frecuencia - potencia .................................................................. 28

2.5.1 Control tensión - reactiva ................................................................ 29

2.5.2 Estabilidad ...................................................................................... 31

3 Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos............................. 35

3.1 Modelos lineales, autovalores, autovectores y participaciones ................. 35

3.1.1 Modelos lineales ............................................................................. 35

3.1.2 Autovalores y autovectores ............................................................. 36

3.1.3 Factores de participación................................................................. 38

3.2 Estabilidad de pequeña perturbación de un generador síncrono conectado a

un nudo de potencia infinita con modelos simplificados ..................................... 39

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ii

3.2.1 Modelo no lineal ............................................................................. 39

3.2.2 Modelo lineal .................................................................................. 42

3.2.3 Caso ejemplo .................................................................................. 44

3.3 Estabilidad de pequeña perturbación de un generador síncrono conectado a

un nudo de potencia infinita con modelos detallados........................................... 45

3.3.1 Modelo lineal .................................................................................. 45

3.3.2 Caso ejemplo .................................................................................. 46

4 Modelo del generador síncrono multipolar...................................................... 49

4.1 Modelo no lineal ..................................................................................... 49

4.1.1 Modelo de la máquina síncrona ....................................................... 49

4.1.2 Control de las corrientes del convertidor de máquina....................... 52

4.1.3 Control de velocidad del rotor ......................................................... 55

4.1.4 Modelo del convertidor de red......................................................... 56

4.1.5 Control de las corrientes del convertidor de red ............................... 56

4.1.6 Modelo del condensador de acoplamiento de los convertidores de red

y de máquina .................................................................................................. 59

4.1.7 Control de la tensión del condensador de acoplamiento de los

convertidores de red y de máquina.................................................................. 59

4.1.8 Resumen de las ecuaciones diferenciales y algebraicas.................... 60

4.1.9 Forma condensada de las ecuaciones diferenciales y algebraicas ..... 63

4.2 Cálculo de condiciones iniciales.............................................................. 64

4.2.1 Primera etapa: Convertidor de red ................................................... 64

4.2.2 Segunda etapa: Convertidor de máquina.......................................... 64

4.2.3 Tercera etapa................................................................................... 65

4.3 Diseño de los reguladores PI ................................................................... 66

4.4 Modelo lineal.......................................................................................... 69

Page 10: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

iii

5 Simulación y análisis del modelo del generador síncrono multipolar............... 72

5.1 Caso de estudio....................................................................................... 72

5.1.1 Parámetros de la máquina................................................................ 72

5.1.2 Especificación del punto de funcionamiento.................................... 72

5.1.3 Condiciones iniciales....................................................................... 73

5.1.4 Ajuste de los reguladores................................................................. 73

5.2 Modelo sin lazo de regulación de velocidad ............................................ 74

5.2.1 Simulación ...................................................................................... 74

5.2.2 Autoanálisis .................................................................................... 76

5.3 Modelo con lazo de regulación de velocidad ........................................... 79

5.3.1 Simulación ...................................................................................... 79

5.3.2 Autoanálisis .................................................................................... 82

6 Estabilidad de pequeña perturbación con generadores síncronos multipolares . 85

6.1 Modelo del sistema de energía eléctrica para estudios de estabilidad de

pequeña perturbación.......................................................................................... 86

6.2 Modelo del generador síncrono multipolar para estudios de estabilidad de

pequeña perturbación.......................................................................................... 88

6.3 Estudio de estabilidad de pequeña perturbación con generadores síncronos

multipolares........................................................................................................ 91

6.3.1 Generador síncrono multipolar conectado a un nudo de potencia

infinita ........................................................................................................ 91

6.3.2 Sistema con generadores síncronos y síncronos multipolares

conectados a un nudo de potencia infinita ....................................................... 93

7 Conclusiones .................................................................................................. 97

8 Referencias bibliográficas............................................................................... 99

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4

1 Introducción

Equation Chapter 1 Section 1

Este capítulo presenta el tema del proyecto. Detalla sus objetivos y su organización.

1.1 El tema del proyecto

El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía

eléctrica con generación eólica. De forma más precisa con generación eólica basada

en generadores síncronos multipolares.

1.1.1 Estabilidad de sistemas eléctricos

La estabilidad de sistemas de energía eléctrica está interesada en la capacidad del

sistema eléctrico de alcanzar un punto de equilibrio estable tras la ocurrencia de una

perturbación. La estabilidad aborda un aspecto del comportamiento dinámico de los

sistemas de energía eléctrica.

Los sistemas eléctricos son, probablemente uno de los sistemas dinámicos más

grandes y complejos creados por el hombre. La escala de tiempo de los fenómenos

dinámicos y transitorios presentes en los sistemas eléctricos es muy amplia: desde los

microsegundos de las sobretensiones debidas a la caída de un rayo hasta los minutos

de la variación de la demanda a lo largo del día. La estabilidad aborda los fenómenos

que se encuentran en la escala de segundos.

El problema de la estabilidad de sistemas de energía eléctrica es muy complejo. Por

ello se han establecido clasificaciones para poder caracterizar de forma precisa los

diferentes fenómenos que pueden encontrarse en la realidad (ver [13] y [14]).

Los problemas de estabilidad se clasifican en:

• estabilidad de ángulo y estabilidad de tensiones

• estabilidad de gran perturbación y estabilidad de pequeña perturbación

• estabilidad de corto plazo y estabilidad de largo plazo

La estabilidad de ángulo está interesada en la capacidad de los generadores de

funcionar en sincronismo. La estabilidad de tensiones está preocupada, por el

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5

contrario, en la capacidad de los generadores de alimentar las cargas a niveles de

tensión aceptables.

Se dice que una perturbación es grande cuando las ecuaciones diferenciales que

describen el comportamiento dinámico del sistema no se pueden linealizar. Por el

contrario, una perturbación es pequeña cuando las ecuaciones se pueden linealizar

alrededor de un punto de funcionamiento.

La estabilidad de corto plazo presta atención a aquellas dinámicas dominadas por los

generadores y sus sistemas de control primario (reguladores de tensión y de

carga/velocidad). La estabilidad de largo plazo considera que las dinámicas

dominantes son las de las fuentes de energía primaria de los generadores (calderas,

reactores nucleares, circuitos hidráulicos de las centrales hidroeléctricas etc.) y de los

controles automáticos de generación y el control de tensiones.

Cuando en estudios de estabilidad de sistemas eléctricos se habla de estabilidad de

pequeña perturbación se refiere al problema de oscilaciones poco amortiguadas de

los rotores de los generadores en el margen de frecuencias comprendido entre 0,1 y 2

Hz. Las oscilaciones de los rotores se traducen en oscilaciones de las potencias por

líneas y transformadores y de las tensiones de los nudos. El problema de estabilidad

de pequeña perturbación, es, de forma precisa, un problema de estabilidad de ángulo,

de corto plazo y de pequeña perturbación.

Este proyecto fin de carrera estudia el problema de la estabilidad de pequeña

perturbación en un caso específico: en presencia de generación eólica basada en

generadores síncronos multipolares.

1.1.2 Generación eólica

La energía eólica ha experimentado durante los últimos años un desarrollo

espectacular en Europa. Sobresalen los casos de Alemania, España y Dinamarca.

El desarrollo de la generación eólica es debido a dos razones fundamentales:

• las políticas de promoción de las energías renovables y

• el desarrollo de las tecnologías de generación eólica.

La Unión Europea ha establecido como objetivo que el 12% del consumo de energía

primaria sea proporcionado con fuentes de energía renovables. El cumplimiento del

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Protocolo de Kioto proporciona un impulso adicional al desarrollo de las fuentes de

energía renovable.

Para lograr este objetivo, se han concebido, diversas políticas de promoción de las

energías renovables. La que ha resultado más exitosa ha sido aquella en la que se fija

un precio de remuneración de la energía eólica. Ha sido la adoptada en Alemania y

España, que son los dos países europeos con mayor potencia eólica instalada.

En el desarrollo de las tecnologías de generación eólica se ha avanzado de forma

muy significativa en el desarrollo de turbinas eólicas y generadores eléctricos. En el

campo de las turbinas, y de las palas, los modelos comerciales alcanzan ya una

potencia de 3600 kW.

En el ámbito de los generadores eléctricos se ha pasado de las máquinas de inducción

de jaula de ardilla con muy limitadas capacidades de control a máquinas síncronas

multipolares con regulación de velocidad del rotor y control de potencia reactiva.

Los aerogeneradores basados en máquinas de inducción doblemente alimentados

ofrecen excelentes prestaciones (de regulación de velocidad para que la turbina

trabaje en su punto de máximo rendimiento y de control de potencia reactiva) con un

coste aceptable. Por ello, los aerogeneradores doblemente alimentados representan

una fracción muy significativa de la capacidad de generación eólica.

La conexión de generadores eólicos a las redes eléctricas presenta diversos tipos de

problemas:

• programación horaria,

• regulación frecuencia - potencia,

• regulación tensión - reactiva y

• estabilidad.

La estabilidad, y en particular la estabilidad de gran perturbación, es en la actualidad

un problema de primera magnitud. En caso de una falta satisfactoriamente despejada

en la red de transporte se produce la desconexión de gran número de parques eólicos,

aunque estén eléctricamente distantes, por actuación de las protecciones de mínima

tensión de los aerogeneradores. Las protecciones de mínima tensión tienen por

misión desconectar el aerogenerador cuando se produce un hueco en la tensión en

Page 14: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

7

bornes para evitar sobrevelocidades excesivas de la turbina. La desconexión de un

gran volumen de generación eólica puede llegar a producir el colapso del sistema

eléctrico y un apagón generalizado.

La contribución de la generación eólica a la estabilidad de pequeña perturbación de

sistemas de energía eléctrica ha sido estudiada poco todavía. El tema de este

proyecto es el estudio de la generación eólica basada en generadores síncronos

multipolares en la estabilidad de pequeña perturbación. Se busca conocer cómo

afecta la generación eólica a la frecuencia y amortiguamiento de las oscilaciones

electromecánicas de los sistemas de energía eléctrica. Aunque todavía los

generadores síncronos multipolares representan una pequeña fracción de la

generación eólica, sus prestaciones sugieren la extensión de su uso en un futuro

cercano.

Este proyecto es continuación de otros proyectos fin de carrera que abordaron

respectivamente el impacto sobre la estabilidad de pequeña perturbación de la

generación eólica basada en generadores de inducción de jaula de ardilla [23] y

generadores de inducción doblemente alimentados [4].

1.2 Objetivos del proyecto

De forma más precisa, los objetivos de este proyecto son:

• el desarrollo de modelos no lineales y lineales del aerogenerador basado en una

máquina síncrona multipolar,

• el desarrollo del modelo del aerogenerador basado en una máquina síncrona

multipolar para el estudio de la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas

eléctricos,

• la incorporación del citado modelo a la Small Signal Stability Toolbox (SSST) y

• el estudio del impacto de la generación eólica basada en generadores síncronos

multipolares en estabilidad de pequeña perturbación, es decir, en la frecuencia y

el amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas de los sistemas

eléctricos.

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8

1.3 Organización del proyecto

Este proyecto contiene otros seis capítulos:

El capítulo 2 ofrece una panorámica de la generación eólica y de los generadores

eólicos.

El capítulo 3 introduce el problema de la estabilidad de pequeña perturbación de

sistemas de energía eléctrica.

El capítulo 4 detalla el modelo del generador síncrono multipolar.

El capítulo 5 presenta los resultados de la simulación y análisis del modelo del

generador síncrono multipolar.

El capítulo 6 contiene un estudio fundamental de la estabilidad de pequeña

perturbación con generadores síncronos multipolares.

El capítulo 7 ofrece las conclusiones del proyecto.

El capítulo 8 contiene las referencias bibliográficas.

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9

2 Generación eólica y generadores eólicos

Equation Chapter (Next) Section 1

Este capítulo ofrece una visión sobre la generación eólica. Presenta además las

diversas tecnologías de generación. Discute los problemas que presenta la conexión

de los generadores eólicos a las redes eléctricas.

2.1 La generación eólica

2.1.1 La generación eólica en el mundo

La energía eólica ha experimentando un desarrollo espectacular los últimos diez años

(ver Figura 2-1). La potencia eólica total instalada en el mundo ha pasado de 4800

MW a finales de 1995 a 59084 MW a finales de 2005, de los cuales el 68% son

europeos.

Figura 2-1: Potencia eólica instalada acumulada (MW) en el mundo.

Las expectativas de crecimiento son muy elevadas [2]. Se estima que en cuatro años

se puede duplicar la potencia total instalada en el mundo (ver Figura 2-2).

Page 17: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

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Figura 2-2: Previsión potencia eólica instalada acumulada (MW) en el mundo.

Analizando por regiones la potencia instalada, Europa sobresale por encima de las

demás, y América del Norte y Asia le siguen de lejos (ver Figura 2-3).

Figura 2-3: Potencia eólica instalada por regiones en los años 2003,2004 y 2005.

Norteamérica aparece en la actualidad como un mercado atractivo para las

compañías extranjeras y están apostando con importantes inversiones que sitúan a

EEUU como el país con mayor tasa de crecimiento en el año 2005 (ver Figura 2-4).

Los dos países con economías en desarrollo más potentes, India y China, han crecido

con mayor rapidez en estos últimos años mostrando interés y preocupación por las

energías renovables e impulsando la energía eólica.

Page 18: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

11

Figura 2-4: Incremento de la potencia eólica instalada por países en el año 2005.

Figura 2-5: Potencia eólica instalada por países a finales de 2005.

Las razones que explican el fuerte crecimiento de este sector son varias:

• Las políticas de fomento de energías renovables.

• El desarrollo tecnológico de los aerogeneradores.

Las políticas de fomento de las energías renovables junto con las políticas de ahorro

energético han sido impulsadas con diferente intensidad desde las crisis del petróleo

de los años 70 del siglo pasado. Sin embargo, las energías renovables han recibido un

decidido impulso tras la ratificación en 1997 del Convenio Marco sobre Cambio

Climático de la ONU (UNFCCC) también conocido como Protocolo de Kioto.

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12

El Protocolo de Kioto de lucha contra el cambio climático, que por primera vez fija

compromisos concretos para los más de cien países que lo han ratificado, entró en

vigor el 16 de Febrero de 2005, ocho años después del acuerdo alcanzado en la

ciudad japonesa. El objetivo principal del Protocolo es reducir, entre los años 2008 y

2012, en un 5,2% (respecto a los niveles de 1990) las emisiones a la atmósfera de los

seis gases que provocan el efecto invernadero: el dióxido de carbono, el metano, el

óxido nitroso, el hidrofluocarbono, el perfluorocarbono y el hexafluorocarbono de

azufre.

La comunidad internacional decidió en el marco de la Convención Marco de

Naciones Unidas sobre el Cambio Climático que el Protocolo de Kioto entrara en

vigor en el momento en el que lo hubieran ratificado al menos 55 países cuyas

emisiones representen el 55% de las emisiones contaminantes del planeta. Eso

ocurrió en Septiembre de 2004, cuando Rusia decidió finalmente sumarse al acuerdo,

que ha sido ratificado por 129 países que arrojan a la atmósfera aproximadamente el

61% de los gases de efecto invernadero responsables del cambio climático y del

calentamiento global del planeta.

El acuerdo internacional fijó los compromisos que cada país debía asumir para lograr

una reducción efectiva de las emisiones, aunque en muchos casos se permitía a

algunos de ellos estabilizar sus emisiones y en otros incluso aumentarlas. Así, Japón

debía reducir un 6%; Estados Unidos un 7% -aunque este país se ha desmarcado

finalmente del acuerdo y no lo ha ratificado-, y la Unión Europa deberá reducirlas en

un 8%. Otros países, como Rusia o Nueva Zelanda, pueden estabilizar esas

emisiones, y países como Noruega pueden aumentarlas.

En el caso de la Unión Europea, para alcanzar el objetivo de reducir las emisiones en

un 8%, los Estados miembros -el acuerdo se cerró antes de la ampliación a 25-

fijaron también un reparto individualizado para cada país, según el cual España

puede aumentar esas emisiones en un 15% respecto a los niveles de 1990, aunque en

la actualidad superan ya el 40%.

El propio Protocolo de Kioto incluye herramientas para facilitar a los países su

cumplimiento, entre ellos el comercio o compra venta de emisiones, los mecanismos

de desarrollo limpios o los "sumideros" que constituyen los bosques como áreas

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13

capaces de absorber grandes cantidades de dióxido e carbono. El comercio de

emisiones posibilitará a los países vender sus excedentes -en el caso de que consigan

reducir más de lo que tienen comprometido- o comprarlos si los sobrepasan.

Entre los mecanismos de desarrollo limpio o "mecanismos de flexibilidad" destaca la

posibilidad que los países tienen de compensar su exceso de emisiones

contaminantes a la atmósfera invirtiendo en tecnologías limpias en terceros países.

El desarrollo tecnológico de la generación eólica ha permitido una reducción de los

costes por kW instalado hasta llegar a ser una tecnología competitiva con otras

tecnologías de generación (ver Tabla 2-1). Además, los periodos de construcción y

los costes de recuperación del capital han resultado ser sensiblemente inferiores a los

de otras tecnologías de generación.

Tabla 2-1: Comparación de las características técnico-económicos de diferentes tecnologías de

generación de energía eléctrica.

Coste por

kW

instalado

en €

Coste total para

1000 MW de

capacidad en

miles de

millones de €

Período de

construcción

en años

Tamaño

típico de

una planta

en MW

Costes de

recuperación

del capital en

miles de

millones de €

Nuclear (agua

ligera) LWR

2.100-3.100 2,1-3,1 6 a 8 600-1.500 1,5-4,2

Nuclear, nuevos

diseños

1.700-2.100 1,7-2,1 4 a 6 800 -1.000 1,3-2,1

Carbón

pulverizado

1.000-1.300 1,0-2,1 3 a 5 400-1.000 0,5-1,3

Carbón de baja

calidad

1.300-2.500 1,3-2,5 4 a 5 400-1.000 0,6-2,5

Ciclo

combinado de

gas natural

450-900 0,45-0,9 1,5 a 3 250-750 0,2-0,6

Eólica 900-1.100 0,9-1 0,4 20-100 0,03-0,12

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14

Desarrollo futuro de los costes. Los costes continuarán decreciendo en lo

concerniente a las turbinas (en quince años el coste por KWh se ha reducido un

50%). Se espera que en los años venideros se reduzcan los mismos de forma

importante, aunque la reducción no será tan acusada como en el pasado. Los costes

relativos a producción tienden, cada cinco años a reducirse un 50%.

La Tabla 2-2 desglosa los costes de un de un parque eólico tipo de 50 MW.

Tabla 2-2: Desglose de los costes de un parque eólico tipo de 50MW.

Componente Euros €/MW %

Aerogeneradores 35.123.500 702.470 71

Obra civil 4.000.000 80.000 8

Subestación y red

parque

4.500.000 90.000 9

Informe de evaluación 3.500.000 70.000 7

Otros 2.002.750 40.055 4

Construcción 49.126.250 982.525 -

Gastos de promoción 1.250.000 25.000 -

Total de la inversión 50.376.250 1.007.525 -

Es preciso resaltar que el desarrollo de la energía eólica se localiza sin embargo en

un reducido número de países. Tres países, a finales de 2005, Alemania, España y

USA, contenían el 64% de la potencia instalada total en el mundo (ver Figura 2-5).

Ello se explica por la efectividad de las diferentes políticas de promoción de las

energías renovables. Dos esquemas de promoción de las energías eólicas pueden

encontrarse:

• Se fija la retribución de la energía producida y se establece un objetivo

orientativo de potencia que será determinado por el mercado.

• Se fija una cuota de energía y es el mercado el establece el precio de la energía.

El primer esquema ha sido adoptado por Alemania y España. El segundo esquema ha

sido adoptado en Inglaterra e Italia. En Dinamarca el desarrollo de la energía eólica

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15

ha quedado frenado como consecuencia del cambio del esquema retributivo del

primer al segundo esquema.

Figura 2-6: Top 10 Países en potencia eólica instalada en la Unión Europea, a finales de 2005.

2.1.2 La generación eólica en España

La generación eólica ha experimentado un crecimiento espectacular en España [9]. A

finales de 2005 había 10027 MW instalados y las perspectivas de crecimiento son

elevadas, con previsiones de que se duplique la potencia en 5 años (ver Figura 2-7).

Figura 2-7: Prospectiva de la instalación de energía eólica en España.

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16

La Figura 2-8 muestra la evolución de la capacidad de energía eólica instalada en

España desde sus inicios y la Figura 2-9 muestra la distribución de la potencia eólica

instalada por Comunidades Autónomas. El desarrollo de la energía eólica en España,

fundamentalmente, es el resultado de:

• El marco retributivo general.

• Los planes de desarrollo eólicos, impulsados por las Comunidades Autónomas.

Las bondades del marco retributivo han sido ya comentadas. Sin embargo, el efecto

de los planes de desarrollo eólicos impulsados por las Comunidades Autónomas se

pone de manifiesto por el diferente grado de desarrollo en ellas. Además,

comunidades pioneras como Andalucía han sido superadas claramente por

comunidades recién llegadas al panorama eólico como Castilla La Mancha. La

postura de las Comunidades Autónomas activas ha sido motivada por la utilización

del sector eólico como generador de riqueza y empleo en el ámbito regional.

Figura 2-8: Evolución de la potencia eólica instalada en España.

Page 24: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

17

Figura 2-9: Potencia eólica total instalada por Comunidades Autónomas en España a finales de

2004.

2.2 Generadores eólicos

La generación eólica se obtiene con aerogeneradores. Los aerogeneradores se

agrupan en parques eólicos. La Figura 2-10 muestra la configuración típica de un

parque eólico [25].

Figura 2-10: Configuración típica de un parque eólico.

Los componentes fundamentales del aerogenerador son [25] (ver Figura 2-11):

• la torre,

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18

• la turbina formada por las palas y el buge (elemento donde están acopladas las

palas),

• la caja multiplicadora (en el caso de aerogeneradores basados en máquinas

asíncronas, ya que las máquinas síncronas multipolares no la necesitan),

• los cojinetes,

• el generador (asíncrono de jaula de ardilla, asíncrono de rotor bobinado o

síncrono multipolar),

• los convertidores electrónicos (en el caso de los aerogeneradores basados en

máquinas asíncronas doblemente alimentadas o síncronas multipolares),

• el arrancador suave (en el caso de aerogeneradores basados en máquinas

asíncronas de jaula de adrilla),

• los condensadores de compensación de potencia reactiva (en el caso de

aerogeneradores basados en máquinas asíncronas de jaula de ardilla),

• el transformador MT/BT y

• el sistema de control y protección.

Torre

Rodamiento corona

Pala

Buje

Rodamiento paso de pala

Anemómetroy veleta

Generador

Convertidoreselectrónicos

Cojinetes

Cajamultiplicadora

Eje debaja

Eje dealtaFreno

de disco

Torre

Rodamiento corona

Pala

Buje

Rodamiento paso de pala

Anemómetroy veleta

Generador

Convertidoreselectrónicos

Cojinetes

Cajamultiplicadora

Eje debaja

Eje dealtaFreno

de disco

Figura 2-11: Componentes principales de un aerogenerador.

La tecnología de los aerogeneradores ha evolucionado con el tiempo [34]. Por un

lado, se han desarrollado turbinas de potencia creciente: en diez años la potencia

media de los aerogeneradores instalados ha pasado de 390 kW a 1,45 MW. Por otra

parte, el elemento de conversión de energía mecánica en eléctrica ha evolucionado

también. Los aerogeneradores pueden utilizar:

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19

• máquina asíncrona de jaula de ardilla,

• máquina asíncrona doblemente alimentada,

• máquina síncrona multipolar con rectificador controlado en el lado del rotor o

• máquina síncrona multipolar con convertidor autoconmutado en el lado de la red.

Los aerogeneradores más sencillos son los basados en la máquina asíncrona de jaula

de ardilla. La máquina de jaula de ardilla es típicamente de 2 pares de polos (1500

rpm de velocidad de sincronismo). Dadas las velocidades de rotación de la turbina

eólica (alrededor de 20 rpm) se precisa una caja multiplicadora.

La velocidad de rotación depende de la velocidad del viento y por tanto de la

potencia suministrada por la máquina. La variación de velocidad es pequeña.

Los aerogeneradores basados en la máquina asíncrona de jaula de ardilla (ver Figura

2-12) están equipados con condensadores de compensación de potencia reactiva con

varios escalones que se conmutan en función de la potencia suministrada por el

aerogenerador.

También están equipados con arrancadores suaves por tiristores para limitar la

corriente de arranque.

Generadorasíncrono

de jaula de ardilla

Multiplicadora

Turbina eólica Red

Generadorasíncrono

de jaula de ardilla

Multiplicadora

Turbina eólica Red

Figura 2-12: Diagrama de bloques de un aerogenerador basado en un generador asíncrono de

jaula de ardilla.

Los aerogeneradores basados en generadores asíncronos doblemente alimentados

(ver Figura 2-13) permiten regular la velocidad del rotor con objeto de trabajar en el

punto de máximo rendimiento de la turbina eólica para un amplio rango de

velocidades de viento. Además, permiten regular la potencia reactiva suministrada

por la máquina de forma continua.

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20

Generadorasíncrono

doblemente alimentado

Multiplicadora

Turbinaeólica

Red

Convertidores

Generadorasíncrono

doblemente alimentado

Multiplicadora

Turbinaeólica

Red

Convertidores

Figura 2-13: Diagrama de bloques de un aerogenerador basado en un generador asíncrono

doblemente alimentado.

Una alternativa a la presencia de la caja multiplicadora es la utilización de máquinas

síncronas multipolares en lugar de máquinas asíncronas. Dos soluciones son

posibles: utilización de un rectificador controlado en el lado del rotor (ver Figura 2-)

o de un convertidor autoconmutado (ver Figura 2-15). El convertidor del lado de la

red en ambas soluciones es un convertidor autoconmutado.

Generadorsíncrono

multipolar

Turbina eólicaConvertidores

Red

Generadorsíncrono

multipolar

Turbina eólicaConvertidores

RedRedRed

Figura 2-14: Diagrama de bloques de un aerogenerador basado en un generador síncrono

multipolar y rectificador controlado en el lado del rotor y convertidor autoconmutado en el lado

de la red.

Generadorsíncrono

multipolar

Turbina eólica

Red

Convertidores

Generadorsíncrono

multipolar

Turbina eólica

Red

Convertidores

Figura 2-15: Diagrama de bloques de un aerogenerador basado en un generador síncrono

multipolar y convertidores autoconmutados en los lados del rotor y de la red.

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21

El convertidor autocomuntado en el lado de la red permite, en ambos casos, la

regulación continua de la potencia reactiva suministrada por el aerogenerador.

La Figura 2-16 muestra la distribución de la capacidad instalada por fabricante en

España. El fabricante líder es GAMESA que suministra aerogeneradores basados en

máquinas de inducción doblemente alimentados.

Figura 2-16: Distribución de la capacidad instalada por fabricante en España a finales de 2004.

2.3 Control del generador síncrono multipolar

El estator del generador síncrono multipolar es alimentado por un convertidor

trifásico fuente de tensión con modulación de ancho de pulso que aplica un sistema

trifásico de tensiones de frecuencia variable. La modificación de la frecuencia de las

corrientes del rotor resulta en una modificación de la velocidad de giro del rotor. El

objetivo de la modificación de la velocidad de giro del rotor es que la turbina eólica

trabaje en el punto de máximo rendimiento cuando cambia la velocidad del viento. El

convertidor electrónico tiene dos convertidores acoplados a través de un condensador

de acoplamiento. El convertidor del lado de red se utiliza para generar o consumir

potencia reactiva.

La Figura 2-17 muestra los principios del control de un generador síncrono

multipolar.

El convertidor de máquina se utiliza para controlar el par electromagnético. De forma

más precisa, la componente de eje transverso de la corriente del estator es la corriente

de par y permite controlar el par electromagnético con el fin de seguir el punto de

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22

máxima potencia de la turbina eólica. Para ello se mantiene igual a cero la

componente de eje directo de la corriente de estator.

El control del convertidor de red se realiza de la siguiente forma:

• La componente de eje directo de la corriente del convertidor de red (colineal con

la tensión de red) determina la potencia activa por el convertidor de red y permite

regular la tensión en el condensador de acoplamiento.

• La componente en eje transverso de la corriente del convertidor de red (en

cuadratura con la tensión de red) determina la potencia reactiva por el

convertidor de red.

Máquina síncrona multipolar

Excitación

Convertidormáquina

Convertidorred Filtro conexión

red

,s abci

rdi

*rωrω *

sdi

,s abcv ,a abcv

abcv

,a abci

*aqi

cv

*cv

Máquina síncrona multipolar

Excitación

Convertidormáquina

Convertidorred Filtro conexión

red

,s abci

rdi

*rωrω *

sdi

,s abcv ,a abcv

abcv

,a abci

*aqi

cv

*cv

Figura 2-17: Control del generador síncrono multipolar.

2.4 El problema de la conexión de los generadores eólicos a las redes eléctricas

La conexión de generadores eólicos a las redes eléctricas plantea diferentes

problemas debido a dos hechos:

• el carácter aleatorio de la fuente de energía primaria (el viento) y

• el elemento de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.

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23

La integración plena de la generación eólica en el sistema eléctrico requiere que la

generación eólica tengan las capacidades de la generación convencional en:

• Programación horaria.

• Control frecuencia - potencia.

• Control tensión - reactiva.

• Estabilidad.

2.4.1 Programación horaria

El carácter aleatorio de la fuente de energía primaria plantea un problema

fundamental: la programación horaria de la generación eólica.

La variación de la demanda de energía eléctrica a lo largo del día precisa la

programación horaria de los grupos de generación de energía eléctrica. En el sistema

eléctrico peninsular español la programación de los grupos de generación se realiza a

través del mercado español de electricidad. La Figura 2-18 muestra la relación entre

el operador del sistema, REE, y el operador del mercado, OMEL. Las Figura 2-19 y

2-20 muestran la secuencia de mercados en el mercado español de electricidad

Figura 2-18: Relación entre el Operador del Sistema (REE) y el operador del mercado (OMEL).

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24

Figura 2-19: Secuencia de mercados en el mercado español de electricidad.

Mercado Convocado Casado Dia D Dia D+1 diario 10:00 10:30 ** 1-24 restricciones ** 14:00 ** 1-24 secundaria 14:00 16:00 ** 1-24 intradiario 1 16:00 17:45 21-24 1-24 restricciones/PHF 18:35 21-24 1-24 terciaria 19:45 X 21-x/24 ** intradiario 2 21:00 21:45 ** 1-24 restricciones/PHF 22:20 ** 1-24 terciaria 23:30 x ** 1-x/24 intradiario 3 1:00 1:45 5-24 ** restricciones/PHF 2:20 5-24 ** terciaria 3:30 x 5-x/24 ** intradiario 4 4:00 4:45 8-24 ** restricciones/PHF 5:20 8-24 ** terciaria 7:30 X 8-x/24 ** intradiario 5 8:00 8:45 12-24 ** restricciones/PHF 9:20 12-24 ** terciaria 10:30 X 12-x/24 ** intradiario 6 12:00 12:45 16-24 ** restricciones/PHF 13:20 16-24 ** terciaria 14:30 X 16-x/24 ** desvíos X x-siguiente intradiario ** terciaria x Y x-y/24 **

Figura 2-20: Secuencia de mercados en el mercado español de electricidad.

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25

Figura 2-21: Demanda de energía eléctrica en barras de central el día 27 de enero de 2005.

Figura 2-22: Generación eólica el día 27 de enero de 2005.

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26

La Figura 2-21 muestra la demanda de energía eléctrica en barras de central el día 27

de Enero de 2005 [24]. A las 19:57 se produjo el último máximo potencia

demandada. La Figura 2-21 también muestra la programación de los grupos de

generación de energía eléctrica.

La Figura 2-22 muestra la producción de energía eólica el citado día [24]. El día que

se produjo el último máximo histórico de demanda de energía eléctrica la generación

eólica varió entre 3663 MW a las 02:41 y 2593 MW a las 21:10.

Las variaciones de generación eólica pueden ser significativas y para que puedan ser

asumidas por otras tecnologías de generación deben ser conocidas con antelación.

La problema de la programación de la generación eólica se puede resolver con ayuda

de modelos de predicción. Los modelos de predicción son modelos matemáticos que

a partir de la previsión metereológica y de los registros históricos metereológicos y

de producción eólica de los distintos parques eólicos estiman la producción eólica

total. Según el horizonte de actuación se comprueba que los basados en técnicas

estadísticas mediante el estudio de series temporales y el uso de redes neuronales

resultan de aplicación en el corto plazo (horas), los basados en las ecuaciones que

rigen la dinámica de la atmósfera son aplicables en el largo plazo (más de tres días),

y en cambio, los híbridos, mezclan las técnicas estadísticas y físicas y son de

aplicación en el medio plazo.

Otro problema asociado a la programación de la generación eólica es su capacidad de

control en tiempo real.

La Figura 2-23 muestra la demanda de energía eléctrica en barras de central y la

programación de los grupos de generación de energía eléctrica el día 1 de enero de

2004 [24]. Se aprecia que el valle de demanda se alcanza a las 9 horas.

La Figura 2-24 muestra la producción de energía eólica el citado día [24]. Se aprecia

que a las 5 horas se produjo una reducción programada de la generación eólica que

duró hasta las 10 horas, una vez superado el valle de demanda.

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27

Figura 2-23: Demanda de energía eléctrica en barras de central el día 1 de enero de 2004.

Figura 2-24: Generación eólica el día 1 de enero de 2004.

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28

2.5 Control frecuencia - potencia

En un sistema eléctrico, la generación y la demanda deben ser iguales en todo

momento. La frecuencia mide el equilibrio entre la generación y la demanda. La

frecuencia del sistema es resultado de la velocidad de los rotores de los generadores.

Si la generación fuera mayor que la demanda la frecuencia aumentaría. Por el

contrario, si la generación fuese menor que la demanda la frecuencia disminuiría:

M E G DdH P P P Pdtω = − = −2 (2.1)

donde H es la inercia del sistema eléctrico expresada en segundos, ω es la

velocidad en magnitudes unitarias, GP la potencia generada y DP la potencia

demandada.

Los generadores están dotados de sistemas de control automático frecuencia -

potencia que modifican su generación (disminuyéndola o aumentándola según sea

preciso según sea la frecuencia del sistema) para que en todo momento la frecuencia

permanezcan constante [6]. Estos sistemas de control no sólo tienen por misión

mantener la frecuencia del sistema sino también mantener los intercambios con los

sistemas vecinos.

Los aerogeneradores actuales no están dotados, en general, de sistemas de control

frecuencia - potencia. La implantación de un sistema de control frecuencia - potencia

requiere que la potencia suministrada por los aerogeneradores pueda variar al variar

la frecuencia del sistema. Más es aún, que pueda atender consignas de subida y

bajada de generación.

El control frecuencia - potencia de los aerogeneradores se puede realizar de dos

formas fundamentalmente:

• por control del paso de la pala de la turbina eólica (modificando el ángulo de

ataque) y

• por regulación de velocidad

El control de potencia por cambio del paso de pala es posible en tanto en cuanto la

turbina eólica esté equipada con palas de paso variable.

Page 36: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

29

El control de potencia por variación de velocidad es posible en aquellos

aerogeneradores que están equipados con esquemas de regulación de velocidad para

operar la turbina a la velocidad de giro de máximo rendimiento para la velocidad de

viento disponible. El control de potencia es posible en máquinas de inducción

doblemente alimentadas y en máquinas síncronas multipolares con convertidores

autoconmutados en el lado del rotor.

Es preciso resaltar, que contribución al control frecuencia - potencia lleva asociado

un coste por la energía que no se produce directamente si se varía el paso de la pala

para reducir la generación o por pérdida de rendimiento al operar a velocidades

distintas de las de óptimo rendimiento de la turbina.

2.5.1 Control tensión - reactiva

En un sistema eléctrico en corriente alterna, lo mismo que se precisa un equilibrio

entre las potencias activas generada y consumida, se requiere un equilibrio entre las

potencia reactivas generada y consumida. Las tensiones de las subestaciones

muestran el equilibrio de las potencias reactivas generada y consumida en las

diferentes zonas de la red eléctrica [6].

La dificultad del problema de control de tensión - reactiva radica en que la red

eléctrica puede generar o consumir potencia reactiva dependiendo de la carga por las

líneas. Es preciso resaltar que, la red eléctrica siempre consume potencia activa

debido a las pérdidas óhmicas.

En condiciones de valle de demanda, las líneas están poco cargadas y generan

potencia reactiva. Aquella que no es consumida por las cargas (la práctica totalidad

de las cargas son resistivo - inductivas), debe ser consumida por los generadores. Por

el contrario, en condiciones de punta de demanda, las líneas están más cargadas y

consumen potencia reactiva o generan menos potencia reactiva que en condiciones

de valle. Por tanto, los generadores deben suministrar no sólo la potencia reactiva

consumida por las cargas sino también la consumida por las líneas.

En consecuencia los parques eólicos deben se capaces de generar y consumir

potencia reactiva.

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30

El objetivo en la actualidad es que el factor de potencia del aerogenerador en bornes

de los aerogeneradores (baja tensión) sea la unidad. Este control se puede realizar de

dos formas:

• Control discreto (maniobra) de baterías de condensadores conectados en bornes

de la máquina (máquina asíncrona de jaula de ardilla)

• Control continuo del convertidor electrónico (máquina asíncrona doblemente

alimentada y máquinas síncronas multipolares).

Sin embargo, desde el punto de vista del sistema eléctrico interesa establecer

requisitos de factor de potencia en barras de alta tensión y no en barras de los

aerogeneradores. Varias soluciones son posibles:

• El aumento de capacidad de generación de potencia reactiva de los

aerogeneradores.

• La instalación de baterías de condensadores en barras de media tensión de la

subestación.

• La instalación de un compensador estático de potencia reactiva en barras de

media tensión de la subestación.

Para favorecer la contribución de la generación eólica al control tensión - reactiva el

Real Decreto 436/2004 dispone un esquema de bonificaciones y penalizaciones para

el cumplimiento de unos objetivos de factor de potencia en los diferentes tramos

horarios (punta, llano y valle) [16]. (Ver la Figura 2-25)

Page 38: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

31

Figura 2-25: Esquema de bonificaciones y penalizaciones por factor de potencia.

2.5.2 Estabilidad

La estabilidad, y en particular la estabilidad de gran perturbación, es en la actualidad

un problema de primera magnitud. En caso de una falta satisfactoriamente despejada

en la red de transporte se produce la desconexión de gran número de parques eólicos,

aunque estén eléctricamente distantes, por actuación de las protecciones de mínima

tensión de los aerogeneradores (ver [30], [31]).

En el caso de aerogeneradores equipados con máquinas de inducción de jaula de

ardilla, las protecciones de mínima tensión tienen por misión desconectar el

aerogenerador cuando se produce un hueco en la tensión en bornes para evitar

sobrevelocidades excesivas de la turbina. En el caso de aerogeneradores equipados

con máquinas de inducción doblemente alimentadas o máquinas síncronas

multipolares, las protecciones de mínima tensión protegen los convertidores del lado

del la red frente a sobreintensidades.

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32

Figura 2-26: Variaciones de la generación por desconexión de parques eólicos por faltas en la

red de transporte.

En la Figura 2-26 se muestra la evolución en un día de la generación eólica en el

sistema eléctrico español y las desconexiones de parques eólicos por faltas en la red

de transporte normalmente despejadas. Nótese que se aprecian desconexiones de casi

800 MW [32].

La desconexión de un gran volumen de generación eólica puede llegar a producir el

colapso del sistema eléctrico y un apagón generalizado [15].

A las 19:00 h del 1 de agosto de 2005 disparó el AT1 400/220 kV Magallón por alta

temperatura, no pudiéndose acoplar el lado de 220 kV. A las 20:36 h acopló en el

lado de 220 kV y a las 20:40 h en el lado de alta. La Figura 2-27 muestra las pérdidas

de generación eólica que se producen en el momento del disparo de unos 600 MW y

en el momento del cierre en el lado de 220 kV de unos 1100 MW.

Page 40: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

33

Figura 2-27: Generación eólica el día 1 de agosto de 2005

En consecuencia, los aerogeneradores deben estar preparados para no desconectarse

en caso de “huecos de tensión” consecuencia de faltas en la red de transporte. En

España está bajo discusión una propuesta que define el “hueco de tensión” que deben

soportar los aerogeneradores sin que se produzca su desconexión (ver Figura 2-28).

Tensión (pu)

1

0,2

0,5 1 Tiempo (seg.)

punto de comienzo de la perturbación

0,8 0,95 pu

0 15

despeje de la falta

duración de la falta

Figura 2-28: Definición del hueco de tensión en el que no se debe producir la desconexión de los

aerogeneradores.

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34

La contribución de la generación eólica a la estabilidad de pequeña perturbación de

sistemas de energía eléctrica no ha sido estudiada todavía. Interesa saber cómo afecta

la generación eólica a la frecuencia y amortiguamiento de las oscilaciones de los

generadores síncronos.

La Figura 2-29 muestra las oscilaciones poco amortiguadas registradas en el sistema

europeo como consecuencia de pérdida de una grupo en España [3]. Se aprecia que

los generadores de España oscilan en oposición de fase en una oscilación de 4

segundos de periodo (0,25 Hz). Dada la elevada capacidad de generación eólica en

España es de gran interés conocer si el amortiguamiento de oscilaciones como las

mostradas mejora cuando la generación eólica es elevada o si por el contrario

empeora.

49,93

49,94

49,95

49,96

49,97

49,98

49,99

50,00

50,01

50,02

33 35 37 39 41 43 45 47 time [sec]

f [Hz]

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0 P [MW] Outage of a power plant in Spain, 900 MW, 17.01.1997

Spain

France

Germany (border to France)

Germany (east)

Hungary

Poland

PGermany-France (one 380-kV-circuit)

Figura 2-29: Oscilaciones poco amortiguadas en el sistema eléctrico europeo.

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35

3 Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos

Equation Chapter (Next) Section 1

Este capítulo presenta el problema de la estabilidad de pequeña perturbación de

sistemas eléctricos. La sección 3.1 presenta los conceptos fundamentales del análisis

de modelos lineales a través de los autovalores y autovectores de la matriz de

estados. La sección 3.2 introduce el problema de la estabilidad de pequeña

perturbación de un generador síncrono conectado a un nudo de potencia infinita

considerando el modelo simplificado del generador síncrono. La sección 3.3

completa la presentación del problema de estabilidad de pequeña perturbación

considerando el modelo detallado del generador síncrono.

3.1 Modelos lineales, autovalores, autovectores y participaciones

Esta sección explica los conceptos de autovalor, autovector y participaciones para un

sistema dinámico lineal. El primer apartado detalla el significado de los autovalores y

de los autovectores en el contexto del análisis de un sistema lineal dinámico. Los

factores de las participaciones se explican en el siguiente apartado y último apartado

de esta sección.

3.1.1 Modelos lineales

Se considera un sistema dinámico descrito por ecuaciones diferenciales no lineales

escritas de forma explícita (las derivadas de las variables de estado dependen sólo del

estado de las variables x ):

( )N×

=

∈ℜ

x F x

x 1

& (3.1)

Si el sistema de ecuaciones diferenciales no lineales (3.1) se linealizan alrededor del

punto de trabajo = 0x x , resulta:

( )

N N

∂∂

=

×

∆ = ∆ = ∆

∈ℜ∆ = −

0x x

F xx x A x

x

Ax x x0

&

(3.2)

Page 43: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

36

La solución del sistema de ecuaciones diferenciales no lineales (3.2) proporciona la

respuesta de un sistema dinámico linealizado con condiciones iniciales distintas de

cero. Tal solución depende de la exponencial de la matriz de estado A de acuerdo

con:

( )te∆ = ∆Ax x 0 (3.3)

La exponencial de la matriz de estado A se puede calcular usando el desarrollo en

serie de Taylor:

! !

te t t= + + +A A AI2

2

1 2L

Sin embargo, este método no es siempre numéricamente robusto.

3.1.2 Autovalores y autovectores

Una alternativa llena de significado físico está basada en los autovalores y

autovectores de la matriz de estado A . Un autovalor iλ de la matriz de estado A y

los correspondientes autovectores derecho iv e izquierdo iw asociados se definen

como:

i i iλ=Av v (3.4)

T Ti i iλ=w A w (3.5)

El estudio de las ecuaciones (3.4) y (3.5) indica que los autovalores derecho e

izquierdo no están determinados de forma única (éstos se calculan como la solución

de un sistema lineal de N ecuaciones y N+1 incógnitas). Una forma de eliminar el

grado de libertad es introducir la normalización:

Ti i =w v 1 (3.6)

En el caso de N autovalores distintos, las ecuaciones (3.4), (3.5) y (3.6) se pueden

escribir juntas para todos los autovalores en forma matricial:

===

AV VWA WWV I

ΛΛ

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37

dónde Λ , V y W son respectivamente las matrices de los autovalores y los

autovectores derechos e izquierdos:

[ ]N

N

T

TN

λ

λ

=

=

V v v

wW

w

1

1

1

O

L

M

Λ =

Si la exponencial de la matriz de estado teA se expresa en términos de los

autovalores y de los autovectores derechos e izquierdos de la matriz de estados A ,

resulta:

! !

! !

t

t

e t t

t t e

= + + +

= + + + =

A V W V WVW

V I W V W

22

22

1 2

1 2

L

L Λ

Λ Λ

Λ Λ (3.7)

De acuerdo con (3.7), la solución del sistema de ecuaciones diferenciales lineales

(3.3) se puede expresar en términos de los autovalores y de los autovectores derechos

e izquierdos de la matriz de estados A como:

( ) ( )i

Ntt T

i ii

e eλ

=

∆ = ∆ = ∆ ∑x V W x v w x1

0 0Λ (3.8)

El estudio de la ecuación (3.8) permite obtener las siguientes conclusiones La

respuesta del sistema se expresa como una combinación de la respuesta del sistema

para N modos.

• Los autovalores de la matriz de estado A determinan las estabilidad del sistema.

Un autovalor real negativo (positivo) indica un comportamiento exponencial

decreciente (creciente). Un autovalor complejo con parte real negativa (positiva)

indica un comportamiento oscilatorio decreciente (creciente).

• Los componentes del autovector derecho iv indican la actividad relativa de cada

variable en el modo i-ésimo.

Page 45: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

38

• Las componentes de autovector izquierdo iw pesa las condiciones iniciales en el

modo i-ésimo.

3.1.3 Factores de participación

El factor de participación de la variable j-ésima en el modo i-ésimo se define como el

producto de la componentes j-ésimas del autovector derecho jiv e izquierdo jiw en el

modo i-ésimo:

ji ji jip w v=

El factor de participación de una variable en un modo es una magnitud adimensional.

En otras palabras, es independiente de las unidades de las variables de estado.

Además, como resultado de la normalización adoptada (1.6), la suma de los factores

de participación de todas las variables en un modo y la suma de los factores de

participación de todos los modos en una variable son igual a la unidad.

N N

ji jij i

p p= =

= =∑ ∑1 1

1

Muchos sistemas dinámicos resultan de la interconexión de subsistemas dinámicos.

La participación del subsistema es una herramienta útil en este entorno. La

participación del subsistema se define como la suma de los factores de participación

de las variables que describen el subsistema dinámico.

Si jij S

p p∈

=∑

Uno de los valores de la participación del subsistema viene del hecho de que es

independiente de las selección de las variables de estado para modelar el subsistema.

En otras palabras, es invariante con respecto a las transformaciones que sólo afectan

a las variables del sistema.

Page 46: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

39

3.2 Estabilidad de pequeña perturbación de un generador síncrono

conectado a un nudo de potencia infinita con modelos simplificados

3.2.1 Modelo no lineal

El movimiento del rotor de un generador síncrono está descrito por la ecuación de la

dinámica de rotación de un sólido rígido:

( )m e DdJ T T KdtΩ = − − Ω − Ω0 (3.9)

donde:

J es el momento de inercia del rotor expresado en Nms kgms= 2

Ω es la velocidad angular del rotor rad s mecánicos

Ω0 es la velocidad angular de sincronismo del rotor rad s mecánicos, es decir

f pπΩ =0 02 siendo f0 la frecuencia de sincronismo y p el número de par de

polos de la máquina síncrona

mT es el par mecánico aplicado por la turbina expresado en Nm

eT es el par eléctrico aplicado por el generador ee

PT =Ω0

DK es el coeficiente de par amortiguador

Si la ecuación (3.9) se expresa en magnitudes unitarias resulta:

( )

( )

m eD

B B B B

m eD

B B B B

T TdJ KS dt T T S

J T Td KS dt T T S

Ω ΩΩ = − − Ω − Ω

Ω ΩΩ = − − Ω − ΩΩ Ω

0 00

2 20 0

00 0

1 1 (3.10)

siendo:

B BB

B

S ST = =Ω Ω0

el par base y BS la potencia base

Definiendo la inercia y el coeficiente de amortiguamiento como:

Page 47: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

40

B

DB

JHS

D KS

Ω=

Ω=

20

20

12

la ecuación (3.10) resulta:

( )m eH d Dt tdtΩ = − − Ω − Ω

Ω Ω 00 0

2 (3.11)

Expresando la velocidad angular en radianes eléctricos por segundo por unidad

pω ω= Ω 0 , la ecuación (3.11) queda finalmente:

( )m edH t t Ddtω ω= − − −2 1 (3.12)

En estudios de estabilidad, la velocidad del rotor cambia poco, por tanto se puede

considerar que el par y la potencia son iguales en magnitudes unitarias:

BB

PT

PT pt pST ω

Ω= = = =

Ω0

0

Entonces la ecuación (3.12) resulta:

( )m edH p p Ddtω ω= − − −2 1 (3.13)

El generador síncrono se representa como una fuente de tensión constante detrás de

la reactancia transitoria.

Figura 3-1: Circuito equivalente de un generador síncrono para estudios de estabilidad.

Page 48: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

41

Si el generador está conectado a un nudo de potencia infinita a través de un

transformador y una línea, la potencia eléctrica entregada por el generador viene

dada por la expresión:

seneT

e upx

δ∞′= (3.14)

donde:

e′ es el módulo de la excitación

δ es el ángulo de la excitación con relación a la tensión del nudo de potencia infinita

u∞ es el módulo de la tensión del nudo de potencia infinita

T tx x x x′= + + l es la reactancia total

x′ es la reactancia transitoria del generador

tx es la reactancia del transformador

xl es la reactancia de la línea

Figura 3-2: Diagrama unifilar de un generador síncrono conectado a un nudo de potencia

infinita.

Figura 3-3: Circuito equivalente de un generador síncrono conectado a un nudo de potencia

infinita.

La conexión de los modelos mecánico y eléctrico viene determinada por el hecho que

el ángulo de excitación es precisamente el ángulo del rotor.

Page 49: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

42

En efecto, el ángulo del rotor con relación a una referencia fija, expresado en

radianes eléctricos por segundo, viene dado por:

tpδα = Ω +0

La velocidad angular del rotor resulta ser:

d ddt p dtα δ= Ω = Ω +0

1 (3.15)

Si se expresa la velocidad en radianes eléctricos por segundo por unidad en la

ecuación (3.15), resulta:

ddtδω

ω= +

0

11 (3.16)

Las ecuaciones (3.13), (3.14) y (3.16) se pueden escribir en forma compacta comos

sigue. Se presenta el sistema de ecuaciones diferenciales no lineales que describe el

comportamiento del generador síncrono conectado a un nudo de potencia infinita:

( )

( )

senme u Dp

H H x Hδ ωω

δ ω ω

′ − − − = −

&

&0

1 1 12 2 2

1

o en forma compacta:

( )=x F x&

donde:

ωδ

=

x

( ) ( )( )

senme u Dp

H H x Hδ ω

ω ω

′ − − − =

F x0

1 1 12 2 2

1

3.2.2 Modelo lineal

Una perturbación es pequeña cuando las ecuaciones del generador síncrono

linealizadas alrededor del punto de funcionamiento caracterizan satisfactoriamente su

comportamiento dinámico.

Page 50: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

43

La linealización de las ecuaciones del generador síncrono conectado a un nudo de

potencia infinita (3.13), (3.14) y (3.16) quedan en la forma:

m edH p p Ddt

ω ω∆ = ∆ − ∆ − ∆2

cosee up Kx

δ δ δ′∆ = ∆ = ∆0

ddt

δωω

∆∆ =0

1

Que escritas como una ecuación diferencial de segundo orden resultan:

mH d D d K p

dt dtδ δ δ

ω ω∆ ∆+ + ∆ = ∆

2

20 0

2

y como un sistema de ecuaciones diferenciales lineales resultan:

m

ddt pK Dd

H H Hdt

δ ω δω ω

∆ ∆ = + ∆ − ∆ ∆

00 01

2 2 2

La ecuación característica correspondiente a la ecuación diferencial lineal de

segundo orden o al sistema de dos ecuaciones diferenciales lineales de primer orden

es:

H Ds s Kω ω

+ + =2

0 0

2 0

o también:

KDs sH H

ω+ + =2 0 02 2

Las raíces de la ecuación característica son:

KD DjH H Hs

ω− ± − =

20

12

42 2 2

2

Las raíces de la ecuación característica cuando D=0 son:

Page 51: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

44

Ks jHω= ± 0

12 2

La solución de la ecuación diferencial lineal de segundo orden se puede obtener por

medio de la transformada de Laplace:

( ) ( ) ( ) ( )mp sH Ds s s s K ss

δ δ δω ω

∆∆ + ∆ + ∆ =2

0 0

2

( ) ( )ms p sKD H ss sH H

ωδ ω∆ = ∆+ +

0

2 0

1 12

2 2

( ) ( ) ( )nm

n n

s p sK s s s

ωδςω ω

∆ = ∆+ +

2

2 2

12

Realizando la antitransformada de Lapace resulta:

( ) ( ) ( )sentn mt e t p t

Kςωδ ω ς φ

ς−

∆ = − − + ∆ −

2

2

1 11 11

donde:

arctgςφ

ς−

=21

3.2.3 Caso ejemplo

Se considera el caso de un generador síncrono de 100 MVA, trabajando con tensión

nominal en bornes con factor de potencia 0.9 inductivo conectado a un nudo de

potencia infinita a través de un transformador de 100 MVA, cuya tensión de

cortocircuito es del 12% y una línea cuya reactancia es 0.1 pu en base de 100 MVA.

Los parámetros del modelo simplificado del generador son:

XPD=0.3 pu H=6.5 s D=0 pu

La Tabla 3-1 contiene los autovalores de la matriz de estados del sistema. En este

caso el modelo lineal tiene dos autovalores complejos conjugados con

amortiguamiento reducido. La frecuencia natural es de 1.12 Hz.

Page 52: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

45

Tabla 3-1: Autovalores del modelo simplificado de un generador conectado a un nudo de

potencia infinita.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (Hz)1,2 -0.0769 7.0244 1.10 1.12

Autovalores complejos

3.3 Estabilidad de pequeña perturbación de un generador síncrono conectado a un nudo de potencia infinita con modelos detallados

3.3.1 Modelo lineal

El modelo detallado del generador síncrono comprende representaciones detalladas

de los componentes del mismo:

• Rotor.

• Generador síncrono.

• Regulador carga - velocidad y turbina.

• Regulador de tensión y excitación.

El generador síncrono se

La forma del modelo detallado del generador síncrono es:

∆ = ∆ + ∆x Α x B u&

donde:

T T T Tr tur excδ ω ∆ = ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ x ψ x x

Tm fd ref refP E P V ∆ = ∆ ∆ ∆ ∆ u

siendo:

r∆ψ es el vector de flujos del rotor del generador síncrono

Tr fd kd kq kqψ ψ ψ ψ ∆ = ∆ ∆ ∆ ∆ ψ 1 2

tur∆x el vector de variables de estado del regulador de carga - velocidad y de la

turbina

exc∆x el vector de variables de estado del regulador de tensión y la excitación

mp∆ la potencia mecánica

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46

fdE∆ la tensión de excitación

refP∆ la consigna de potencia del regulador de carga - velocidad

refV∆ la consigna de tensión del regulador de tensión

3.3.2 Caso ejemplo

Se considera el mismo caso ejemplo del apartado previo.

Se considera que el generador síncrono es un generador de rotor liso [10]. Sus

parámetros son:

H = 6,5 s, D = 0.0 pu, TPD0 = 8.0 s, TPPD0 = 0.03 TPQ0 = 0.4 s, TPPQ0 = 0.05s,

XD = 1.8 pu, XQ = 1.7 pu, XPD = 0.3 pu, XPQ = 0.55 pu, XPPD = 0.25 pu, XL =

0.2 pu = S1 = 0.0392 , S2 = 0.2227 RA = 0.0 pu

La turbina es de vapor [11]. Sus parámetros son:

K = 20.0 pu, T1 = 0.0 s, T2 = 0.0 s T3 = 0.1 s T4 = 0.3 s, T5 = 7.0 T6 = 0.0 s, T7 =

0.0 s, K1 = 0.3 pu , K3 = 0.7 pu, K5 = 0.0 pu, K7 = 0.0 pu

La excitación es estática (directa con puente de tiristores) [12]. Sus parámetros son:

TR = 0.01 s, TA = 0.0 pu, TB = 10.0s, TB = 1.0 s, KA = 200.0 pu

La Tabla 3-2 contiene los autovalores de la matriz de estados del sistema. En este

caso el modelo lineal tiene once autovalores: dos parejas de autovalores complejos

conjugados y siete autovalores reales. Se proporciona la frecuencia y

amortiguamiento de los autovalores complejos y la constante de tiempo de los

autovalores reales.

Todos los autovalores tienen parte real negativa lo que indica que el sistema es

estable. De las dos parejas de autovalores complejos conjugados, una de ellas

(números 3 y 4) está muy bien amortiguada. Por el contrario, la restante (números 1 y

2) tiene un amortiguamiento bajo. Se trata de un autovalor de frecuencia 1.10 Hz y

cuya variable de mayor participación es el la velocidad del generador. Ello indica

que se trata de un autovalor dominado por la dinámica del rotor. En efecto, el

autovalor del modelo simplificado mostrado en la Tabla 3-1 pasa a ser el autovalor

número 4 de la Tabla 3-2 cuando se considera el modelo detallado.

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47

Los autovalores complejos números 5 y 6 están dominados respectivamente por la

excitación y por el devanado amortiguador del generador síncrono. Los autovalores

reales 7, 8 y 10 están dominados por variables de la turbina. El autovalor real número

9 está dominado por el devanado amortiguador del generador síncrono. El autovalor

real número 11 está dominado por la excitación.

Tabla 3-2: Autovalores del modelo detallado de un generador conectado a un nudo de potencia

infinita.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (Hz)1,2 -0.3714 6.8855 -5.39 1.103,4 -0.3887 0.6264 -52.72 0.12

Nº Real Constante de tiempo (s)5 -0.1424 -7.02426 -3.218 -0.31087 -5.65 -0.17708 -10.144 -0.09869 -37.6828 -0.0265

10 -38.0204 -0.026311 -99.8445 -0.0100

Autovalores reales

Autovalores complejos

Tabla 3-3: Participaciones de los subsistemas del modelo detallado de un generador conectado a

un nudo de potencia infinita.

1 3 5 6 7 8 9 10 11delta 0.5 0 0 0.03 0.02 0 0 0.01 0omega 0.51 0 0 0.01 0.01 0.01 0 0.01 0psifd 0.02 0.52 0 0.01 0.02 0 0.02 0.01 0psikd 0.01 0.01 0 0 0 0 1.46 0.47 0psikq1 0.02 0.02 0 0 0.88 0 0.06 0.18 0psikq2 0.01 0.01 0 0 0.13 0 0.43 1.31 0xgov1 0.01 0 0 0.02 0 0.98 0 0 0xgov2 0.01 0 0 0.95 0.01 0.02 0 0 0xgov3 0 0 1 0 0 0 0 0 0xexc1 0 0 0 0 0 0 0 0 1xexc2 0 0.55 0 0 0 0 0 0 0

Variables

Autovalores

La Tabla 3-3 contiene las participaciones de los subsistemas de la unidad generadora

(rotor, generador síncrono, turbina y excitación) en los autovalores de la Tabla 3-2.

Se confirman los análisis basados en el la variable de mayor participación indicada

en la Tabla 3-2:

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48

• la pareja de autovalores complejos números 1 y 2 está asociada a la dinámica del

rotor,

• la pareja de autovalores complejos números 3 y 4 está asociada a las dinámicas

del generador síncrono y la excitación,

• los autovalores reales números 7, 9 y 10 están asociado a la dinámica del

generador síncrono,

• los autovalores reales números 5, 6 y 8 están asociados a la dinámica de la

turbina y

• el autovalor real número 11 está asociada a la dinámica de la excitación.

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49

4 Modelo del generador síncrono multipolar

Equation Chapter (Next) Section 1

Este capítulo discute el modelo detallado del generador síncrono multipolar.

La sección 4.1 presenta el modelo detallado no lineal.

La sección 4.2 presenta el proceso del cálculo de las condiciones iniciales.

La sección 4.3 contiene el método de ajuste de reguladores.

La sección 4.4 detalla el modelo linealizado.

4.1 Modelo no lineal

4.1.1 Modelo de la máquina síncrona

El modelo no lineal de la máquina síncrona comprende dos componentes: el modelo

electromagnético de la máquina síncrona y el modelo electromecánico.

El modelo electromagnético de la máquina síncrona en ejes directo y transverso con

relación a unos ejes que giran a la velocidad del rotor viene dado por las ecuaciones

en forma vectorial:

ss s s r s

d jdt

ωω

= + +ψv R i ψ0

1 (4.1)

rdrd r rd

dv R idtψ

ω= +

0

1 (4.2)

donde:

s ss md sT

rd md rr rdL iψ

=

ψ L L iL

(4.3)

siendo:

s sd sqv jv= +v es la tensión de de estator

sdv y sqv son las componentes de la tensión del estator en ejes directo y transverso,

s sd sqi ji= +i es la corriente de estator

dsi y qsi son las componentes de la corriente del estator en ejes directo y transverso,

Page 57: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

50

s sd sqjψ ψ= +ψ es el flujo del estator

sdψ y sqψ son las componentes del flujo del estator en ejes directo y transverso,

sR es la matriz de resistencias del estator,

sR es las resistencia del arrollamiento del estator

ssL es la matriz de inductancias propia del estator,

dss

q

LL

=

L0

0

mdL es la matriz admitancias mutua entre los circuitos del estator y del rotor en eje

directo,

mdmd

L =

L0

dL es la inductancia propia del estator en eje directo d s mdL L L= +

qL es la inductancia propia del estator en eje transverso q s mqL L L= +

sL es la inductancias de dispersión del estator,

mdL es la inductancia de magnetización en eje directo,

mdL es la inductancia de magnetización en eje transverso,

sL y rL son las inductancias de dispersión del estator y del rotor,

rdv es la componente de la tensión del rotor en eje directo (tensión de excitación),

rdi es la componente de la corriente del rotor en eje directo (corriente de excitación),

rdψ es la componente del flujo de excitación del rotor en eje directo (flujo de

excitación),

rR es la resistencia del arrollamiento del rotor (devanado de excitación),

rrL es la inductancia propia del rotor rr r mL L L= + ,

ω0 es la velocidad base en radianes eléctricos por segundo fω π=0 02

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51

rω es la velocidad del rotor.

Si las ecuaciones (4.1)-(4.3) se escriben forma rectangular queda (la Figura 4-1

muestra el circuito equivalente correspondiente):

sd sd sdsd sr

sq sq sqsd s

iv R div R dt

ψ ψωψ ψω

− = + +

0

0 0 110 1 0

(4.4)

rdrd r rd

dv R idtψ

ω= +

0

1 (4.5)

sd d sd mdrd

sq q sq

L i Li

L iψψ

= +

00 0

(4.6)

[ ] sdrd md rr rd

sq

iL L i

= +

0 (4.7)

rL

mdL

sL

rdv

+−

sRr sqω ψ−rRrdi

sdv

sdi

mqL

sL

+−

sRr sdω ψ

sqv

sqi

rL

mdL

sL

rdv

+− +−

sRr sqω ψ−rRrdi

sdv

sdi

mqL

sL

+− +−

sRr sdω ψ

sqv

sqi

Figura 4-1: Circuito equivalente de la máquina síncrona.

Page 59: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

52

El modelo electromecánico viene dado por la ecuación:

re m

dH t tdtω = −2 (4.8)

siendo:

H la inercia,

mt el par mecánico y

et el par electromagnético, que viene dado por la expresión:

( )( ) ( ) ( )

*Im

Im

Im

e s s

sd sq sd sq

sd sd sq sq sq sd sd sq

sq sd sd sq

t

i ji j

i i j i i

i i

ψ ψ

ψ ψ ψ ψ

ψ ψ

=

= + −

= − + −

= − +

i ψ

(4.9)

4.1.2 Control de las corrientes del convertidor de máquina

El control del convertidor del máquina determina los valores de las tensiones en eje

directo y transverso a aplicar por el convertidor de máquina al estator.

• La componente de eje directo de la corriente del rotor es colineal con el flujo del

estator. Es la corriente de excitación de la máquina. Permite controlar la potencia

reactiva.

• La componente de eje transverso de la corriente del rotor está en cuadratura con

el flujo del estator. Es la corriente de par de la máquina. Permite controlar el par.

En efecto, si:

sd sd

s sd sq sqi ii ji ji

= == + =i

0 0 (4.10)

entonces el par electromagnético se obtiene introduciendo la condición (4.10) en

(4.9):

*Ime s s sq sd sd sq sd sqt i i iψ ψ ψ= = − + =i ψ

La componentes de la tensión del estator en eje directo son:

Page 60: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

53

( )

( )

( ) ( )

sdsd s sd r sq

s sd d sd md rd r q sq

s sd d sd r q sq

sqsq s sq r sd

s sq q sq r d sd md rd

dv R idt

dR i L i L i L idtdR i L i L idtd

v R idt

dR i L i L i L idt

ψ ω ψω

ωω

ωω

ψω ψ

ω

ωω

= + −

= + + −

= + −

= + +

= + + +

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

(4.11)

Definiendo unas variables auxiliares ( sdv′ y sqv′ ), las dinámicas de las componentes

de la corriente del rotor en ejes directo y transverso quedan desacopladas y vienen

dadas por las ecuaciones diferenciales:

( ) sq

sq sq r d sd md fd s sq q

sdsd sd r q sq s sd d

div v L i L i R i L

dtdiv v L i R i Ldt

ωω

ωω

′ = − + = +

′ = + = +

0

0

1

1 (4.12)

o por las funciones de transferencia:

( )( )

( )( )

sq s

qsq

s

sd s

dsd

s

i s RLv s sR

i s RLv s sR

ω

ω

=′

+

=′ +

0

0

1

11

1

11

Los lazos de control de las componentes de la corriente del estator se presentan se

muestran en la Figura 4-2.

Page 61: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

54

IPKKs

++

sdisdv′s

d

s

RL sRω

+0

1

11

*sdi

IPKKs

++

sqisqv′s

q

s

RLs

Rω+

0

1

11

*sqi

IPKKs

++

sdisdv′s

d

s

RL sRω

+0

1

11

*sdi

IPKKs

+ IPKKs

++

sdisdv′s

d

s

RL sRω

+0

1

11s

d

s

RL sRω

+0

1

11

*sdi

IPKKs

++

sqisqv′s

q

s

RLs

Rω+

0

1

11

*sqi

IPKKs

+ IPKKs

++

sqisqv′s

q

s

RLs

Rω+

0

1

11

s

q

s

RLs

Rω+

0

1

11

*sqi

Figura 4-2: Lazos de control de las componentes de la corriente del estator.

Cuando las componentes de la tensión del estator en ejes directo y transverso se

despejan de las ecuaciones (4.12) quedan:

( )

sd sd r q sq

sq sq r d sd md rd

v v L i

v v L i L i

ωω

′= −

′= + +

En consecuencia, las ecuaciones de los reguladores de corriente del convertidor del

estator son:

( )

( )( )

*

*

Idsd Pd sd sd

sd sd r q sq

Iqsq Pq sq sq

sq sq r d sd md rd

Kv K i is

v v L i

Kv K i i

s

v v L i L i

ω

ω

′ = + − ′= −

′ = + − ′= + +

Los diagramas de bloques de los reguladores de corriente del convertidor del rotor se

muestran en la Figura 4-3.

Page 62: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

55

IPKKs

++

− −+

r q sqL iω

sdvsdv′

sdi

*sdi

IPKKs

++

−( )r d sd md rdL i L iω +

++

sqv*sqi

sqi

sqv′

IPKKs

++

− −+

r q sqL iω

sdvsdv′

sdi

*sdi

IPKKs

+ IPKKs

++

− −+

r q sqL iω

sdvsdv′

sdi

*sdi

IPKKs

++

−( )r d sd md rdL i L iω +

++

sqv*sqi

sqi

sqv′I

PKKs

+ IPKKs

++

−( )r d sd md rdL i L iω +

++

sqv*sqi

sqi

sqv′

Figura 4-3: Diagramas de los reguladores de corriente del convertidor del estator.

4.1.3 Control de velocidad del rotor

Se puede incorporar un lazo externo de control de velocidad que controla la consigna

de la componente de la corriente del estator en eje transverso. Las ecuaciones que

gobiernan el citado lazo son:

r

e m

e sd sq

dH t tdt

t i

ω

ψ

= −

=

2

resultando la función de transferencia:

( )( )*r

sdsq

si s Hsω

ψ= 12

En consecuencia, la ecuación del regulador de velocidad es:

( )* *r

r

Isq P r r

Ki K

ω ω ω

= + −

El diagrama de bloques del lazo de control de velocidad se muestran en la Figura

4-4.

Page 63: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

56

IPKKs

++

*sqi rω*

rω etmt

+

−sdψ

Hs21I

PKKs

+ IPKKs

++

*sqi rω*

rω etmt

+

−etmt

+

−sdψ sdψ

Hs21Hs21

Figura 4-4: Lazo de control de velocidad.

4.1.4 Modelo del convertidor de red

Las ecuaciones del convertidor de red en forma compleja son:

aa a s a a

d jdt

ωω

= + + +ψv R i ψ v0

1 (4.13)

donde:

a a a=ψ L i (4.14)

Si las ecuaciones (4.13) y (4.14) se escriben en forma rectangular quedan en la

forma:

ad ad ada adds

aq aq aqa ad

iR vv diR vdt

ψ ψωψ ψω

− = + + +

0

0 0 1100 1 0

(4.15)

ad ada

aq aqa

iLiL

ψψ

=

00

(4.16)

4.1.5 Control de las corrientes del convertidor de red

Si la ecuación (4.16) se substituye en la ecuación (4.15) queda en la forma:

ad ada ad

aq aqa a

ada ads

aqa ad

i iR Lv di iR L dt

iL viL v

ω

ω

= +

− + +

0

0 010 00

00 101 0

que operando resulta:

Page 64: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

57

add a ad a s a aq ad

aqa aq a s a ad aq

div R i L L i vdtdi

R i L L i vdt

ωω

ωω

= + − +

= + + +

0

0

1

10 (4.17)

Definiendo unas variables auxiliares ( adv′ y aqv′ ), las dinámicas de las componentes

de la corriente del convertidor del estator en ejes directo y transverso quedan

desacopladas y vienen dadas por las ecuaciones diferenciales:

adad d s a aq ad a ad a

aqaq s a ad a aq a

div v L i v R i Ldt

div L i R i L

dt

ωω

ωω

′ = + − = +

′ = − = +

0

0

1

1 (4.18)

o por las funciones de transferencia:

( )( )

( )( )

ad a

aad

a

aq a

aaq

a

i s RLv s sR

i s RLv s sR

ω

ω

=′ +

=′ +

0

0

1

11

1

11

Los lazos de control de las componentes de la corriente del convertidor de red se

presentan se muestran en la Figura 4-5.

Page 65: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

58

IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′a

a

a

RL sRω

+0

1

11

IPKKs

++

a

a

a

RL sRω

+0

1

11

aqi∗

aqiaqv′

IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′a

a

a

RL sRω

+0

1

11I

PKKs

+ IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′a

a

a

RL sRω

+0

1

11

IPKKs

++

a

a

a

RL sRω

+0

1

11

aqi∗

aqiaqv′I

PKKs

+ IPKKs

++

a

a

a

RL sRω

+0

1

11

aqi∗

aqiaqv′

Figura 4-5: Lazos de control de las componentes de la corriente del convertidor de red.

Cuando las componentes de la tensión del convertidor en ejes directo y transverso se

despejan de las ecuaciones (4.18) quedan:

aq s a ad aq

ad d s a aq ad

v L i v

v v L i v

ωω

′= − −′= + −

En consecuencia, las ecuaciones de los reguladores de corriente del convertidor del

red son:

( )

( )

*

*

Iaaq Pa aq aq

aq s a ad aq

Iaad Pa ad ad

ad d s a aq ad

Kv K i is

v L i v

Kv K i is

v v L i v

ω

ω

′ = + −

′= − −

′ = + −

′= + −

Los diagramas de bloque de los reguladores de corriente del convertidor del estator

se muestran en la Figura 4-6.

Page 66: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

59

IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′ adv

−+sd s a aqv L iω+

IPKKs

++

−−

aqi∗

aqi

aqv′

aqv

s a adL iω

IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′ adv

−+sd s a aqv L iω+

IPKKs

+ IPKKs

+adi∗

adi

+−

adv′ adv

−+sd s a aqv L iω+

IPKKs

++

−−

aqi∗

aqi

aqv′

aqv

s a adL iω

IPKKs

+ IPKKs

++

−−

aqi∗

aqi

aqv′

aqv

s a adL iω

Figura 4-6: Diagramas de los reguladores de corriente del convertidor de red.

4.1.6 Modelo del condensador de acoplamiento de los convertidores de red y de máquina

La ecuación del balance de energía en el condensador de acoplamiento de los

convertidores de red y de máquina es:

( )

( ) ( )* *Re Re

Cs a

s s a a sd sd sq sq ad ad aq aq

d vC p p

dtv i v i v i v i

= − =

= − = + − +v i v i

212 (4.19)

4.1.7 Control de la tensión del condensador de acoplamiento de los convertidores de red y de máquina

El control de la tensión del condensador se realiza a través de la componente de la

corriente del convertidor de red en eje directo.

La ecuación del balance de energía en el condensador de acoplamiento de los

convertidores de red y de máquina (4.19) se puede expresar en la forma:

( ) *ReC

s a s a a s d ad

d vC p p p p v i

dt= − = − = −v i

212

Suponiendo que:

• la variable a controlar es el cuadrado de la tensión del condensador,

• la potencia activa en el convertidor del estator es una perturbación y que

Page 67: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

60

• la tensión de red es constante

entonces la función de transferencia a considerar es

( )( )*

Cd

ad

v sv

i s Cs= −

2 2

y el lazo de control de la tensión del condensador se muestra en la Figura 4-7.

IPKKs

++

adi∗ +

2Cv

rp

dv Cs2ap( )*2

CvI

PKKs

+ IPKKs

++

adi∗ +

2Cv

rp

dvdv Cs2Cs2ap( )*2

Cv

Figura 4-7: Lazo de control de la tensión del condensador de acoplamiento de los convertidores

de red y de máquina.

En consecuencia, la ecuación del regulador de la tensión del condensador de

acoplamiento es:

( )( )** Ivad Pv C C

Ki K v v

s = + −

2 2

4.1.8 Resumen de las ecuaciones diferenciales y algebraicas

• Estator de la máquina síncrona:

sd sd sds sdr

sq sq sqs sd

sd d sd mrd

sq q sq

iR vdiR vdt

L i Li

L i

ψ ψω ω ω ω

ψ ψ

ψψ

− = − − +

= +

0 0 0

0 0 10 1 0

00 0

• Convertidor de red:

ad ad ad da ads

aq aq aq qa ad

ad ada

aq aqa

i vR vdi vR vdt

iLiL

ψ ψω ω ω ω ω

ψ ψ

ψψ

− = − − + −

=

0 0 0 0

0 0 10 1 0

00

• Dinámica del rotor:

Page 68: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

61

re m

dH t tdtω = −2

• Balance de energía en el condensador:

( ) ( )C

s a

d vp p

dt C= −

22

s sd sd sq sq

a ad ad aq aq

p v i v i

p v i v i

= +

= +

• Control del convertidor de red (componentes de la corriente en eje directo y

transverso y tensión en el condensador). En forma de funciones de transferencia:

( )

( )

( )( )

*

*

**

Iaaq Pa aq aq

aq s a ad aq

Iaad Pa ad ad

ad d s a aq ad

Ivad Pv C C

Kv K i is

v L i v

Kv K i is

v v L i v

Ki K v vs

ω

ω

′ = + −

′= − −

′ = + −

′= + −

= + −

2 2

1s

+u y

IK

PK

+

xx& 1s

+u y

IKIK

PKPK

+

xx&

Figura 4-8: Representación en espacio de estado de un regulador PI.

• Control del convertidor de red (componentes de la corriente del convertidor del

estator en eje directo y transverso y tensión en el condensador). En forma de

ecuaciones de espacio de estado (la Figura 4-8 muestra la representación en

espacio de estado del regulador PI elegida):

Page 69: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

62

( )( )

( )( )

( )( )( )( )

*

*

*

*

*

**

a Ia aq aq

aq a Pa aq aq

aq s a ad aq

a Ia ad ad

ad a Pa ad ad

ad d s a aq ad

a Iv C C

ad a Pv C C

x K i i

v x K i i

v L i v

x K i i

v x K i i

v v L i v

x K v v

i x K v v

ω

ω

= −

′ = + −

′= − −

= −

′ = + −

′= + −

= −

= + −

&

&

&

1

1

2

2

2 23

2 23

• Convertidor de máquina (componentes de la corriente en eje directo y transverso

del rotor y de la velocidad en caso de considerar el control de velocidad). En

forma de funciones de transferencia:

( )

( )( )

( )

*

*

* *r

r

Idsd Pd sd sd

sd sd r q sq

Iqsq Pq sq sq

sq sq r d sd md rd

Isq P r r

Kv K i is

v v L i

Kv K i i

s

v v L i L i

Ki K

ω

ω

ω

ω ω

′ = + − ′= −

′ = + − ′= + +

= + −

• Convertidor de máquina (componentes de la corriente en eje directo y transverso

del rotor y de la velocidad en caso de considerar el control de velocidad). En

forma de ecuaciones de espacio de estado (la Figura 4-8 muestra la

representación en espacio de estado del regulador PI elegida):

Page 70: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

63

( )( )

( )( )

( )( )

( )

*

*

*

*

*

* *

r r

r r

s Id sd sd

sd s Pd sd sd

sd sd r q sq

s Iq sq sq

sq s Pq sq sq

sq sq r d sd md rd

I r r

sq P r r

x K i i

v x K i i

v v L i

x K i i

v x K i i

v v L i L i

x K

i x K

ω ω

ω ω

ω

ω

ω ω

ω ω

= −

′ = + −

′= −

= −

′ = + −

′= + +

= −

= + −

&

&

&

1

1

2

2

4.1.9 Forma condensada de las ecuaciones diferenciales y algebraicas

Las ecuaciones diferenciales y algebraicas se pueden escribir en la siguiente forma

compacta:

( )( )

, ,

, ,

=

=

x f x z u

0 g x z u

& (4.20)

donde:

x es el vector de variables de estado

z es el vector de variables algebraicas

u es el vector de variables de entrada

• Sin control de velocidad:

Tsd sq ad aq C a a a s s rv x x x x xψ ψ ψ ψ ω = x 2

1 2 3 1 2

*Tsd sq ad aq ad aq sd sq sd sq ad e s ai i i i v v v v v v i t p p′ ′ = z

( )** * *Td q m rd aq C sd sqv v t i i v i i =

u 2

• Con control de velocidad:

r

Tsd sq ad aq C a a a r r rv x x x x x xωψ ψ ψ ψ ω = x 2

1 2 3 1 2

* *Tsd sq ad aq ad aq sd sq sd sq ad e s a sqi i i i v v v v v v i t p p i′ ′ = z

( )** * *Td q m rd aq C sd rv v t i i v i ω =

u 2

Page 71: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

64

4.2 Cálculo de condiciones iniciales

El cálculo de las condiciones iniciales del sistema de ecuaciones diferenciales y

algebraicas (4.20) se realiza en cuatro etapas. En las tres primeras etapas se

determinan los valores iniciales de las variables de estado y algebraicas que

describen el comportamiento del generador de inducción doblemente alimentado. En

la cuarta etapa se determinan los valores iniciales de las variables de estado de los

reguladores y los valores iniciales de las variables de entrada.

4.2.1 Primera etapa: Convertidor de red

En la primera etapa los datos, las incógnitas y las ecuaciones son:

• Datos:

, , ,d q ad aqv v i i

• Incógnitas:

, , ,ad aq ad aqv v ψ ψ

• Ecuaciones:

a a s a aR jω= + +v i ψ v

a a aL=ψ i

Resulta un sistema de 4 ecuaciones lineales con 4 incógnitas. Se resuelve en dos

pasos.

• Paso 1:

ad ada

aq aqa

iLiL

ψψ

=

00

• Paso 2:

a a a s a aR j Lω= − −v v i i

4.2.2 Segunda etapa: Convertidor de máquina

En la primera etapa los datos, las incógnitas y las ecuaciones son:

• Datos:

, , , ,ad aq ad aq rdv v i i i

Page 72: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

65

• Incógnitas:

, , , ,sd sq sd sq rv v ψ ψ ω

• Ecuaciones:

( ) ( )s a

sd sd sq sq ad ad aq aq

p p

v i v i v i v i

=

+ = +

sd sd sdsr

sq sq sqs

sdsd s md md

sqsq s mq

rd

v iRv iR

iL L L

iL L

i

ψω

ψ

ψψ

− = +

+ = +

0 0 10 1 0

00 0

Resulta un sistema de 5 ecuaciones lineales con 5 incógnitas. Se resuelve en dos

pasos.

• Paso 1: Incógnitas ,sd sqψ ψ :

sd

sd s md mdsq

sq s mqrd

iL L L

iL L

i

ψψ

+ = +

00 0

• Paso 2: Incógnitas , ,sd sq rv v ω :

( )sd sd sq sq a

sd sd sdsr

sq sq sqs

v i v i p

i vRi vR

ψω ψ

+ =

− + =

0 0 10 1 0

4.2.3 Tercera etapa

En la tercera etapa se determinan los valores iniciales de las variables de estado de

los reguladores y los valores iniciales de las variables de entrada de acuerdo con.

Page 73: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

66

( )

*

*

*

*

aq aq

a aq s a ad

ad ad

a ad s a aq sd

C C

a ad

i ix v L i

i ix v L i v

v v

x i

ω

ω

=

= − −

== − + +

=

=

1

2

2 2

3

( )

*

*

*

*r

sd sd

sd

sd sd r q sq

sq sq

sq

sq sq r d sd md rd

r r

sq

m e

i ix vv v L i

i ix v

v v L i L i

x i

t tω

ω

ω

ω ω

=′=

′ = +

=′=

′ = − +

=

=

=

1

2

4.3 Diseño de los reguladores PI

Los reguladores PI para los sistemas de primer orden que han aparecido (control de

las componentes de la corriente de los convertidores del estator y del rotor, control de

la tensión del condensador y control de velocidad) se diseñan de tal forma que los

polos de lazo cerrado sean complejos conjugados con un amortiguamiento y una

pulsación natural deseadas.

Se han presentado dos casos de sistemas de primer orden:

• ( ) KP ssT

=+1

• ( )P ssT

= 1

En el primer caso, la función de transferencia tras la inclusión del regulador PI es

(ver Figura 4-9):

Page 74: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

67

( )( )

( ) ( )( ) ( )

( )

( ) ( )

IP

IP

IP

P I

I P IP

P I P I

P I n n

K KKy s R s P s s sTK Ku u R s P s Ks sT

KK K K s K KsK s s T K Ks K KsT K KsK KK s K K s KT T

K K K K s ss sT T

ςω ω

+ + = =+ + + +

+ + = =+ + + + + +

+ += =

+ + + + +

2

2 22

11 1

1

1

1 2

Por tanto, los parámetros del regulador PI se calculan como:

Pn P n

In I n

K K TT

K K TT

ςω ςω

ω ω

= ⇒ =

= ⇒ =2 2

2 2

IPKKs

++

−sTK

+1

u yI

PKKs

+ IPKKs

++

−sTK

+1 sTK

+1

u y

Figura 4-9: Diseño de un regulador PI para un sistema de primer orden.

En el segundo caso, la función de transferencia tras la inclusión del regulador PI es

(ver Figura 4-10):

Page 75: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

68

( )( )

( ) ( )( ) ( )

IP

IP

IP

P I

I P IP

P I P I

P I n n

KKy s R s P s s sTKu u R s P s Ks sT

KKK s Ks

K s T K s KsT Ks

K K K Ks sT T T TK K s ss sT T

ςω ω

+ = =

+ + +

+ + = =+ + + +

+ += =

+ ++ +

2

2 22

1

11 1

2

Por tanto, los parámetros del regulador PI se calculan como:

nPn P

nIn I

TK K KT K

TK K KT K

ςωςω

ωω

−+ = ⇒ =

= ⇒ =2

2

2 11 2

sT1

IPKKs

++

u y

sT1sT1

IPKKs

+ IPKKs

++

u y

Figura 4-10: Diseño de un regulador PI para un integrador.

Page 76: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

69

4.4 Modelo lineal

El modelo lineal del generador de inducción doblemente alimentado se obtiene por

linealización alrededor del punto de funcionamiento del sistema de ecuaciones

diferenciales y algebraicas no lineales (4.20).

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

= = =

= = =

= = =

= = =

= = =

= = =

∂− = −

∂+ −

∂+ −

∂= −

∂+ −

∂+ −

x x z z u u

x x z z u u

x x z z u u

x x z z u u

x x z z u u

x x z z u u

f x z ux x x x

x

f x z uz z

z

f x z uu u

u

g x z u0 x x

x

g x z uz z

z

g x z uu u

u

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

0

0

0

0

0

& &

(4.21)

Las ecuaciones (4.21) se puede escribir en forma compacta como:

∆ ∆

= + ∆ ∆

A A Bx xu

A A B0 z11 12 1

21 22 2

& (4.22)

Si en el sistema de ecuaciones y algebraicas lineales (4.22) se eliminan las

desviaciones de las variables algebraicas ∆z con relación al punto de

funcionamiento queda:

( ) ( )− −∆ = − ∆ + − ∆x A A A A x B B A A u1 111 12 22 21 1 2 22 21& (4.23)

Las ecuaciones (4.23) se pueden escribir en forma compacta como:

∆ = ∆ + ∆x A x B u& (4.24)

Page 77: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

70

El resultado de la linealización de cada una de las ecuaciones diferenciales y

algebraicas es:

• Ecuaciones diferenciales (12):

sd sd sd sd sdsr r

sq sq sq sq sqs

i vRdi vRdt

ψ ψ ψω ω ω ω ω ωψ ψ ψ

∆ ∆ ∆ ∆− − = − − − ∆ + ∆ ∆ ∆ ∆

00 0 0 0 0

0

0 0 1 0 10 1 0 1 0

ad ad ad d adas

aq aq aq q aqa

i v vRdi v vRdt

ψ ψω ω ω ω ωψ ψ

∆ ∆ ∆ ∆ ∆− = − − + − ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

0 0 0 0

0 0 10 1 0

re m

d t tdt H Hω∆ 1 1= ∆ − ∆

2 2

( ) ( )Cs a

d vp p

dt C∆

= ∆ − ∆2

2

( )( )( )( )

*

*

*

a Ia aq aq

a Ia ad ad

a Iv C C

x K i i

x K i i

x K v v

∆ = ∆ − ∆

∆ = ∆ − ∆

∆ = ∆ − ∆

&

&

&

1

2

2 23

( )( )

*

*

s Id sd sd

s Iq sq sq

x K i i

x K i i

∆ = ∆ − ∆

∆ = ∆ − ∆

&

&

1

2

( )*r rI r rx Kω ω ω ω∆ = −&

• Ecuaciones algebraicas (15):

sd d sd mdrd

sq q sq

L i Li

L iψψ

∆ ∆ = − + + ∆ ∆ ∆

0000 0

ad ada

aq aqa

iLiL

ψψ

∆ ∆ = − + ∆ ∆

0000

Page 78: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

71

( )( )( )( )

*

*

**

aq a Pa aq aq s a ad

ad a Pa ad ad s a aq d

ad a Pv C C

v x K i i L i

v x K i i L i v

i x K v v

ω

ω

= −∆ − ∆ − ∆ − ∆ − ∆

= −∆ − ∆ − ∆ − ∆ + ∆ + ∆

= −∆ + ∆ + ∆ − ∆

1

2

2 23

0

0

0

( )

( )( ) ( )

*

*

sd s Pd sd sd

sd sd r q sq r q sq

sq s Pq sq sq

sq sq r d sd md rd r d sd md rd

v x K i i

v v L i L i

v x K i i

v v L i L i L i L i

ω ω

ω ω

′= −∆ + ∆ + ∆ − ∆

′= −∆ + ∆ − ∆ − ∆

′= −∆ + ∆ + ∆ − ∆

′= −∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ +

1

0 0

2

0 0 0

0

0

0

0

( )* *r rsq P r ri x Kω ω ω ω= −∆ + ∆ + ∆ − ∆0

e qs ds ds qs qs ds ds qst i i i iψ ψ ψ ψ= −∆ − ∆ + ∆ − ∆ + ∆0 0 0 00

s sd sd sq sq sd sd sq sqp v i v i v i v i= −∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆0 0 0 00

a ad ad aq aq ad ad aq aqp v i v i v i v i= −∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆0 0 0 00

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72

5 Simulación y análisis del modelo del generador síncrono multipolar

Equation Chapter (Next) Section 1

Este capítulo presenta los resultados de la simulación y análisis del modelo del

generador síncrono multipolar. Se consideran dos configuraciones del sistema de

control del generador síncrono multipolar: sin y con lazo de regulación de velocidad.

5.1 Caso de estudio

En esta sección se detallan los datos del caso de estudio: parámetros de la máquina,

especificación del punto de funcionamiento y resultados del cálculo de condiciones

iniciales.

5.1.1 Parámetros de la máquina

rs = 0.02, ls = 0.1, lmd = 0.9, lmq = 0.5

rr = 0.02, lr = 0.1

ra = 0.008, la = 0.08 (se considera que el filtro de conexión a red es el transformador

BT/MT)

C = 0.0555

h = 7

5.1.2 Especificación del punto de funcionamiento

vd = 1.0, vq = 0.0

iad = -1.0, iaq = 0.0

vsd = 1.0, vsq = 0.0

isd = 0.0;

isq = -1.0;

ird = 1/lmd

(ird es tal que en vacío vsq = 1, omegar = 1, ird = vsq/omegar/lmd)

isd = 0.0, isq = -1.0

vc2 = 1.2

Page 80: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

73

5.1.3 Condiciones iniciales

• Primera etapa:

psiad = -0.0800, psiaq = 0.0

vad = 1.0080, vaq = 0.0800

pa = -1.0080

• Segunda etapa:

psisd = 1, psisq = -0.6000

vsd = 0.6168, vsq = 1.0080

omegar = 1.0280

• Tercera etapa:

Te = -1

iaqref = 0, iadref = -1

vc2ref = 1.2000

vaqp = 0, vadp = -0.0080

xa1 = 0, xa2 = -0.0080, xa3 = -1

isdref = 0, isqref = -1

vsdp = 4.1723e-011, vsqp = -0.0200

xr1 = 4.4703e-011, xr2 = -0.0200

5.1.4 Ajuste de los reguladores

KPa = 9.1268e-004, KIa = 0.1592

KPd = 0.0914, KId = 1.9894

KPq = 0.0468, KIq = 1.1937

KPv = -0.0971, KIv = -0.1734

Page 81: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

74

5.2 Modelo sin lazo de regulación de velocidad

Se estudia en primer término el caso en el que no hay lazo de regulación de

velocidad.

5.2.1 Simulación

En primer término se ha procedido a la simulación en el dominio del tiempo para la

validación del modelo de simulación no lineal. Se ha aplicado un escalón en la

consigna de la componente en eje transverso de la corriente del convertidor de red

(iaqref) que controla la potencia reactiva consumida por el generador.

En la Figura 5-1 se muestra la evolución de la componente en eje transverso de la

corriente del convertidor de red. Se comprueba que la respuesta es estable y rápida

(el regulador ha sido diseñado para una pulsación natural de 25 rad/s y un

amortiguamiento del 70%).

Figura 5-1: Modelo sin lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en la

componente en eje transverso de la corriente del convertidor de red. Componente en eje

transverso de la corriente del convertidor de red.

Page 82: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

75

La Figura 5-2 muestra las componentes en ejes directo y transverso de la corriente

consumida por la máquina. Se comprueba que la componente en eje directo

(proporcional a la potencia activa) no se ve afectada por la modificación de la

componente en eje transverso de la corriente (proporcional a la potencia reactiva). En

otras palabras, la potencia activa no se ve afectada cuando se cambia el requisito de

potencia reactiva.

Figura 5-2: Modelo sin lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en la

componente en eje transverso de la corriente del convertidor de red. Componentes en ejes

directo y transverso de la corriente del convertidor de red.

Page 83: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

76

La Figura 5-3 muestra la tensión en el condensador. Se comprueba que la respuesta

es estable y más lenta que la de la corriente (el regulador ha sido diseñado para una

pulsación natural de 2.5 rad/s y un amortiguamiento del 70%).

Figura 5-3: Modelo sin lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en la

componente en eje transverso de la corriente del convertidor del estator. Tensión del

condensador.

Se ha comprobado que la respuesta del modelo del generador síncrono multipolar sin

lazo de regulación de velocidad corresponde con lo esperado.

Ante un escalón en la consigna de la componente de eje transverso de corriente del

convertidor de red (controla la potencia reactiva), dicha corriente sigue la consigna

con una respuesta transitoria apropiada y que la componente de eje directo de la

corriente de eje directo del convertidor de red no se ve afectada. La respuesta de la

tensión de condensador de acoplamiento es también estable.

5.2.2 Autoanálisis

Una vez validado el modelo no lineal se procede al análisis del modelo linealizado

alrededor del punto de funcionamiento.

Page 84: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

77

Tabla 5-1: Modelo sin lazo de regulación de velocidad: Autovalores.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (rad/s)1,2 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00003,4 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00005,6 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00007,8 -15.5295 16.3349 -68.9000 22.5400

9,10 -1.9721 1.9808 -70.5500 2.800011 0 0 -100.00 0.00

Autovalores

La Tabla 5-1 proporciona los autovalores del modelo linealizado. El modelo

detallado exhibe once autovalores: cinco parejas de autovalores complejos

conjugados y un autovalor real e igual a cero.

Hay cuatro parejas de autovalores complejos conjugados cuya frecuencia natural es

próxima a 25 rad/s que corresponde a los polos de fijados por los controles de

corriente de los convertidores del estator y de red.

Hay otra pareja de autovalores complejos conjugados cuya frecuencia natural es

próxima a 2.5 rad/s que corresponde a los polos fijados por el control de la tensión en

el condensador.

Finalmente, hay un autovalor real igual a cero debido a que el lazo de control de

velocidad está abierto y corresponde a la dinámica del rotor.

La Tabla 5-2 muestra el módulo de las participaciones de las variables en cada uno

de los autovalores.

Tabla 5-2: Modelo sin lazo de regulación de velocidad: Participaciones.

1 3 5 7 9 11psisd 0.7036 0.0036 0 0 0 0psisq 0 0.0004 0.6999 0 0 0psiad 0 0 0 0.7789 0.0126 0psiaq 0.0037 0.7033 0.0004 0 0 0xa1 0 0 0 0.1306 0.8771 0xa2 0.0037 0.7033 0.0004 0 0 0xa3 0 0 0 0.8599 0.1308 0vc2 0 0 0 0.0109 0.7873 0xs1 0.7036 0.0036 0 0 0 0xs2 0 0.0004 0.6999 0 0 0omegar 0 0 0 0 0 1

Variables

Autovalores

Page 85: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

78

En definitiva, se pone de manifiesto que:

• La pareja (1,2) está asociada a la componente del flujo del estator en eje directo y

a la variable de estado del regulador que controla la componente en eje directo de

la corriente del estator.

• La pareja (3,4) está asociada a la componente del flujo de convertidor de red en

eje transverso y a la variable de estado del regulador que controla la componente

en eje transverso de la corriente del convertidor de red.

• La pareja (5,6) está asociada a la componente del flujo del estator en eje

transverso y a la variable de estado del regulador que controla la componente en

eje transverso de la corriente del estator.

• La pareja (7,8) está asociada a la componente del flujo del convertidor de red en

eje directo y a la variable de estado del regulador que controla la componente en

eje directo de la corriente del convertidor de red.

• La pareja (9,10) está asociada a la tensión del condensador y a la variables de

estado del regulador que la controla.

• El autovalor real (11) está asociado a la dinámica del rotor.

Por lo tanto, se ha visto que todos los autovalores del modelo lineal del generador

síncrono multipolar están dentro del margen de frecuencia del estudio de la

estabilidad de pequeña perturbación: entre 3,98 Hz (corresponde a 25 rad/s) y 0,39

Hz (corresponde a 2,5 rad/s).

El amortiguamiento de todos los autovalores es elevado, y tanto la frecuencia como

el amortiguamiento corresponden a los requeridos en el ajuste de los reguladores PI.

Los lazos de control de corrientes son rápidos (25 rad/s) mientras que el lazo de

control de tensión del condensador (2,5 rad/s) es lento.

Page 86: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

79

5.3 Modelo con lazo de regulación de velocidad

5.3.1 Simulación

Se estudia en segundo término el caso en el que hay lazo de regulación de velocidad.

En primer término se ha procedido a la simulación en el dominio del tiempo para la

validación del modelo de simulación no lineal. Se ha aplicado un escalón en el par

mecánico.

La Figura 5-4 muestra la evolución de la velocidad. Se comprueba la actuación del

regulador PI. La respuesta es estable y más lenta que la de la corriente (el regulador

ha sido diseñado para una pulsación natural de 2.5 rad/s y un amortiguamiento del

70%).

Figura 5-4: Modelo con lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en el par

mecánico. Velocidad.

A continuación, en la Figura 5-5, se muestra la evolución de las componentes en eje

directo y transverso de la corriente del convertidor de red. Se comprueba que la

componente en eje directo (proporcional a la potencia activa suministrada a la red)

varía por la variación de par mecánico suministrado por la turbina. Su respuesta está

determinada por el regulador PI de control de velocidad. Se comprueba también que

Page 87: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

80

la componente de eje transverso (proporcional a la potencia reactiva suministrada a

la red) no varía.

Figura 5-5: Modelo con lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en el par

mecánico. Componentes en ejes directo y transverso de la corriente del convertidor de red.

En la Figura 5-6 se muestra la evolución de las componentes en eje directo y

transverso de la corriente del convertidor de máquina. Se comprueba que como la

componente de la corriente en eje transverso (componente de par) varía para

mantener la velocidad constante. Su respuesta está determinada por el regulador PI

de control de velocidad. También se aprecia que la componente en eje directo no se

ve afectada por la modificación de la componente en eje transverso de la corriente

del convertidor de máquina.

En la Figura 5-7 se muestra la evolución de la tensión del condensador. Se

comprueba que la respuesta es estable y más lenta que la de la corriente (el regulador

ha sido diseñado para una pulsación natural de 2.5 rad/s y un amortiguamiento del

70%).

Page 88: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

81

Figura 5-6: Modelo con lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en el par

mecánico. Componentes en ejes directo y transverso de la corriente del convertidor de máquina.

Figura 5-7: Modelo con lazo de regulación de velocidad. Respuesta a un escalón en el par

mecánico. Tensión del condensador.

Page 89: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

82

Ante un escalón en el par mecánico, se aprecia la variación de la componente de eje

transverso de la corriente del convertidor de máquina y la variación de la

componente de eje directo del convertidor de red con una respuesta dinámica

apropiada. La componente en eje directo de la corriente del convertidor de máquina y

la componente en eje transverso de la corriente del convertidor de red no se ven

afectadas. Las respuestas de la tensión del condensador de acoplamiento y de la

velocidad son también estables.

Por lo tanto, se ha comprobado que la respuesta del modelo del generador síncrono

multipolar con lazo de regulación de velocidad corresponde con lo esperado.

5.3.2 Autoanálisis

Una vez validado el modelo no lineal se procede al análisis del modelo linealizado

alrededor del punto de funcionamiento.

Tabla 5-3: Modelo con lazo de regulación de velocidad.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (rad/s)1,2 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00003,4 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00005,6 -15.6949 18.5630 -64.5600 24.31007,8 -15.5295 16.3349 -68.9000 22.5400

9,10 -1.9721 1.9808 -70.5500 2.800011,12 -1.8051 1.8309 -70.2100 2.5700

Autovalores

En la Tabla 5-3 se proporcionan los autovalores del modelo linealizado. El modelo

exhibe catorce autovalores: siete parejas de autovalores complejos conjugados. Una

pareja de autovalores complejos (1,2) es de frecuencia próxima a la frecuencia

fundamental. Hay otras cuatro parejas de autovalores complejos conjugados cuya

frecuencia natural es próxima a 25 rad/s que corresponde a los polos de fijados por

los controles de corriente de los convertidores del estator y de red. Hay otras dos

pareja de autovalores complejos conjugados cuya frecuencia natural es próxima a 2.5

rad/s (0.39 Hz) que corresponde a los polos fijados por el control de la tensión en el

condensador y por el control de velocidad.

Page 90: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

83

Tabla 5-4: Modelo con lazo de regulación de velocidad.

1 3 5 7 9 11psisd 0.6999 0.0009 0 0 0 0psisq 0 0 0.7211 0 0 0.0087psiad 0 0 0 0.7789 0.0126 0psiaq 0.0009 0.6999 0 0 0 0xa1 0 0 0 0.1306 0.8771 0xa2 0.0009 0.6999 0 0 0 0xa3 0 0 0 0.8599 0.1308 0vc2 0 0 0 0.0109 0.7873 0xs1 0.6999 0.0009 0 0 0 0xs2 0 0 0.6946 0 0 0.032omegar 0 0 0.0863 0 0 0.7389xomegar 0 0 0.0066 0 0 0.7206

Autovalores

Variables

En la Tabla 5-4 se muestra el módulo de las participaciones de las variables en cada

uno de los autovalores. Se pone de manifiesto que:

• La pareja (1,2) está asociada a la componente del flujo del estator en eje directo y

a la variable de estado del regulador que controla la componente en eje directo de

la corriente del estator.

• La pareja (3,4) está asociada a la componente del flujo del convertidor de red en

eje transverso y a la variable de estado del regulador que controla la componente

en eje transverso de la corriente del estator.

• La pareja (5,6) está asociada a la componente del flujo de convertidor del estator

en eje transverso y a la variable de estado del regulador que controla la

componente en eje transverso de la corriente del convertidor de estator.

• La pareja (7,8) está asociada a la componente del flujo del convertidor de red en

eje directo y a la variable de estado del regulador que controla la componente en

eje directo de la corriente del convertidor de red.

• La pareja (9,10) está asociada a la tensión del condensador y a la variable de

estado del regulador que la controla.

• La pareja (11,12) está asociada a la dinámica del rotor y a la variable de estado

del regulador que la controla.

Page 91: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

84

Se ha encontrado que todos los autovalores del modelo lineal del generador síncrono

multipolar están dentro del margen de frecuencia del estudio de la estabilidad de

pequeña perturbación: entre 3,98 Hz (corresponde a 25 rad/s) y 0,39 Hz (corresponde

a 2,5 rad/s). El amortiguamiento de todos los autovalores es elevado. Tanto la

frecuencia como el amortiguamiento corresponden a los requeridos en el ajuste de

los reguladores PI. Los lazos de control de corrientes son rápidos (25 rad/s) mientras

que los lazos de control de tensión del condensador y de velocidad (2,5 rad/s) son

lentos.

En consecuencia, a la vista de todo lo anterior, se deduce que no es necesario

proceder a la reducción del modelo como sí es necesario en el caso del generador de

inducción de jaula de ardilla (ver [13] y [23]) y en el generador de inducción

doblemente alimentado (ver [21] y [29]).

Page 92: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

85

6 Estabilidad de pequeña perturbación con generadores síncronos multipolares

Este capítulo aborda el desarrollo del modelo del generador síncrono multipolar para

estudios de estabilidad de pequeña perturbación y su incorporación a la Small Signal

Stability Toolbox (SSST).

La SSST es una colección de funciones Matlab para el análisis y control de la

estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica (ver [26], [27]).

Tras la incorporación del modelo del generador síncrono multipolar se realiza un

estudio fundamental de la estabilidad de pequeña perturbación de un sistema que

incluye un generador síncrono y un generador síncrono multipolar conectados a un

nudo de potencia infinita cuando varía la proporción de generación eólica en el

sistema. De forma más precisa, se plantea el estudio de la variación de la frecuencia

y amortiguamiento del modo electromecánico al aumentar la generación eólica.

Page 93: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

86

6.1 Modelo del sistema de energía eléctrica para estudios de estabilidad de pequeña perturbación

Equation Chapter (Next) Section 1

El modelo del sistema de energía eléctrica se obtiene por interconexión de los

modelos de los componentes del sistema (generadores síncronos, dispositivos

FACTS paralelo y serie, cargas y red).

La estructura de los modelos de los componentes es respectivamente:

• Generadores síncronos:

g g g g g

g g g g g

∆ = ∆ + ∆∆ = ∆ + ∆x A x B vi C x D v&

• Cargas:

J∆ = ∆i vl l l

• Dispositivos FACTS paralelo:

1

2

1

2

shsh sh sh sh

sh

shsh sh sh sh

sh

∆ ∆ = ∆ + ∆

∆ ∆ = ∆ + ∆

vx A x B

v

vi C x D

v

&

• Dispositivos FACTS serie:

1

2

1 1

2 2

serser ser ser ser

ser

ser serser ser ser

ser ser

∆ ∆ = ∆ + ∆

∆ ∆ = ∆ + ∆ ∆

vx A x B

v

i vC x D

i v

&

• Red:

gg gsh gser gg g

shg shsht shser shsh sh

serg sersh serser serser ser

g sh serser

∆ ∆ ∆ ∆ = ∆ ∆ ∆ ∆

J J J Ji vJ J J Ji vJ J J Ji vJ J J Ji v

l

l

l

l l l ll l

donde:

Page 94: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

87

g∆i es el vector de corrientes suministradas por los generadores

sh∆i es el vector de corrientes suministradas por los dispositivos FACTS shunt

ser∆i el vector de corrientes suministradas por los dispositivos FACTS serie

g∆v el vector de tensiones en los nudos de los generadores

sh∆v es el vector de tensiones en los nudos de los dispositivos FACTS shunt

ser∆v es el vector de tensiones en los nudos de los dispositivos FACTS serie y

∆vl es el vector de tensiones en los nudos de las cargas.

El modelo del sistema de energía eléctrica se obtiene en dos etapas. En primer

término se escriben juntas las ecuaciones de los componentes eliminando las

corrientes inyectadas por los dispositivos:

g gg

sh shsh

serser

g gg g gsh gser g

sh shg shsht sh shser sh

ser gsh sersh serser ser ser

g sh ser

∆ ∆ ∆ − −= − − − − −

A 0 0 B 0 0 0x0 A 0 0 B 0 0x0 0 A 0 0 0 0x

C 0 0 J D J J J00 C 0 J J D J J00 0 C J J J D J00 0 0 J J J J J0

l

l

l

l l l ll l

&

&

&

g

sh

ser

g

sh

ser

∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

xxxvvvvl

o en forma compacta:

1 2

3 4

∆ ∆ = ∆

A Ax xA A0 v

&

En segundo término se eliminan las tensiones de los nudos:

11 2 4 3

−∆ = − ∆x A A A A x&

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88

6.2 Modelo del generador síncrono multipolar para estudios de estabilidad de pequeña perturbación

El modelo del generador síncrono multipolar para estudios de estabilidad de pequeña

perturbación tiene la estructura del modelo de un generador síncrono:

∆ = ∆ + ∆∆ = ∆ + ∆x A x B vi C x D v&

(6.1)

Para obtener el modelo del generador síncrono multipolar en la forma de la ecuación

(6.1) el conjunto de ecuaciones diferenciales y algebraicas (4.20) se debe reescribir

de la siguiente forma:

( )( )

, , ,

, , ,

=

=

x f x z v u

0 g x z v u

& (6.2)

donde:

x es el vector de variables de estado

z es el vector de variables algebraicas

v es el vector de componentes de la tensión de red

u es el vector de variables de entrada

• Sin control de velocidad:

Tsd sq ad aq C a a a s s rv x x x x xψ ψ ψ ψ ω = x 2

1 2 3 1 2

*Tsd sq ad aq ad aq sd sq sd sq ad e s ai i i i v v v v v v i t p p′ ′ = z

Td qv v = v

( )** * *Tm rd aq C sd sqt i i v i i =

u 2

• Con control de velocidad:

r

Tsd sq ad aq C a a a r r rv x x x x x xωψ ψ ψ ψ ω = x 2

1 2 3 1 2

* *Tsd sq ad aq ad aq sd sq sd sq ad e s a sqi i i i v v v v v v i t p p i′ ′ = z

Td qv v = v

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89

( )** * *Tm rd aq C sd rt i i v i ω =

u 2

Además se debe expresar el vector de corrientes inyectadas en la red como:

d ad

q aq

i ii i

− = = −

i1 00 1

(6.3)

Si las ecuaciones (6.2) y (6.3) se linealizan alrededor del punto de funcionamiento

resultan:

[ ]

∆ ∆ ∆ = + ∆ ∆

∆ ∆ = ∆

A A B Bx x vA A B B0 z u

xi 0 C

z

& 11 12 11 12

21 22 21 22

2

(6.4)

Si de las ecuaciones (6.4) se eliminan las variables algebraicas z , resulta:

( )

( )( ) ( )

− − −

− − −

− −

= ∆ + ∆ + ∆ + ∆

∆ = − ∆ − ∆ − ∆∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆

= ∆ + − ∆ − ∆ − ∆

+ ∆ + ∆

= − ∆

+ − ∆ + − ∆

∆ =

0 A x A z B v B uz A A x A B v A B ux A x A z B v B u

A x A A A x A B v A B u

B v B u

A A A A x

B A A B v B A A B u

i

&

21 22 21 221 1 1

22 21 22 21 22 22

11 12 11 12

1 1 111 12 22 21 22 21 22 22

11 12

111 12 22 21

1 111 12 22 21 12 12 22 22

( )− − −

− − −

∆ = − ∆ − ∆ − ∆

= − ∆ − ∆ − ∆

C z C A A x A B v A B u

C A A x C A B v C A B u

1 1 12 2 22 21 22 21 22 22

1 1 12 22 21 2 22 21 2 22 22

o en forma compacta:

∆ ∆

∆ ∆

∆ = ∆ + ∆ + ∆∆ = ∆ + ∆ + ∆

v u

v u

x A x B v B ui C x D v D u&

(6.5)

Por tanto las matrices de la representación en espacio de estado resultan ser:

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90

−∆

−∆

−∆

−∆

= −

= −

= −

= −

= −

= −

v

u

v

u

A A A A A

B B A A B

B B A A B

C C A A

D C A B

D C A B

111 12 22 21

111 12 22 21

112 12 22 22

12 22 21

12 22 21

12 22 22

Las ecuaciones (6.5) están escritas en un sistema de referencia que gira a la velocidad

de sincronismo y que toma como referencia la tensión en bornes de la máquina. En el

modelo de un sistema multimáquina se toma como referencia la tensión de un

generador para todo el sistema. Por tanto, es preciso establecer una transformación

de las tensiones y corrientes de máquina de la referencia en bornes de máquina a la

referencia común del sistema:

cos sensen cos

cos sensen cos

dR

qI

dR

qI

iiii

vvvv

θ θθ θ

θ θθ θ

= −

= −

(6.6)

Si las ecuaciones (6.6) se linealizan alrededor del punto de funcionamiento entonces

quedan:

cos sensen cos

cos sensen cos

dR

qI

dR

qI

iiii

vvvv

θ θθ θ

θ θθ θ

∆∆ = ∆−∆

∆∆ = ∆−∆

0 0

0 0

0 0

0 0

(6.7)

o en forma compacta:

g

g

∆ = ∆

∆ = ∆

i T i

v T v (6.8)

Cuando las ecuaciones (6.8) se incorporan a las ecuaciones (6.5), éstas resultan en la

siguiente forma:

g

g g

−∆ ∆

−∆ ∆

∆ = ∆ + ∆ + ∆

∆ = ∆ + ∆ + ∆v u

v u

x A x B T v B u

i TC x TD T v TD u

& 1

1

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91

6.3 Estudio de estabilidad de pequeña perturbación con generadores síncronos multipolares

6.3.1 Generador síncrono multipolar conectado a un nudo de potencia infinita

Se considera el generador síncrono multipolar del apartado 5.1 conectado a un nudo

de potencia infinita a través de un transformador (es el transformador MT/AT) de

100 MVA cuya tensión de cortocircuito es del 10% de y una línea cuya reactancia es

0.05 pu en base de 100 MVA que corresponde con la impedancia equivalente que

representa la potencia de cortocircuito de 20 veces la potencia nominal.

Tabla 6-1: Autovalores del modelo de un generador síncrono multipolar conectado a un nudo de

potencia infinita a través de una reactancia.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (rad/s)1,2 -27.2652 19.3720 -81.5200 33.45003,4 -17.5000 17.8536 -70.0000 25.00005,6 -15.6949 18.5630 -64.5600 24.31007,8 -6.1583 21.0861 -28.0300 21.9700

9,10 -1.8051 1.8309 -70.2100 2.570011,12 -1.5781 1.4508 -73.6200 2.1400

Autovalores

La Tabla 6-1 muestra los autovalores del modelo de un generador síncrono

multipolar con lazo de regulación de velocidad cuando se conecta a un nudo de

potencia infinita a través de un transformador y una línea. Se tienen 12 autovalores:

seis parejas de autovalores complejos conjugados.

Tabla 6-2: Participaciones de los autovalores del modelo de un generador síncrono multipolar

conectado a un nudo de potencia infinita a través de una reactancia.

1 3 5 7 9 11psisd 0 0.7001 0 0 0 0psisq 0 0 0.7211 0 0.0087 0psiad 0.367 0 0 0.2681 0 0.0043psiaq 0.3993 0 0 0.216 0 0.0016xa1 0.1248 0 0 0.266 0 0.5034xa2 0.2231 0 0 0.2798 0 0.2201xa3 0.2555 0 0 0.4134 0 0.0569vc2 0.007 0 0 0.0221 0 0.6133xs1 0 0.7001 0 0 0 0xs2 0 0 0.6946 0 0.032 0omegar 0 0 0.0863 0 0.7389 0xomegar 0 0 0.0066 0 0.7206 0

Autovalores

Variables

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92

En la Tabla 6-2 se muestran las participaciones de las variables en cada uno de los

autovalores. Se pone de manifiesto que:

• La pareja (1,2) está asociada a la componente del flujo del convertidor de red en

eje directo y a la variable de estado del regulador que controla la componente en

eje directo de la corriente del convertidor de red.

• La pareja (3,4) está asociada a la componente del flujo del estator en eje directo y

a la variable de estado del regulador que controla la componente en eje directo de

la corriente del estator.

• La pareja (5,6) está asociada a la componente del flujo de convertidor del estator

en eje transverso y a la variable de estado del regulador que controla la

componente en eje transverso de la corriente del convertidor de estator.

• La pareja (7,8) está asociada a la componente del flujo del convertidor de red en

eje transverso y a la variable de estado del regulador que controla la componente

en eje transverso de la corriente del estator.

• La pareja (9,10) está asociada a la dinámica del rotor y a la variable de estado del

regulador que la controla.

• La pareja (11,12) está asociada a la tensión del condensador y a la variable de

estado del regulador que la controla.

A continuación, en la Figura 6-1, se muestra la variación de los autovalores del

modelo de un generador síncrono multipolar al variar la reactancia de conexión a red.

Se aprecia que la frecuencia de los autovalores complejos conjugados baja y la

constante de tiempo del autovalor real aumenta.

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93

Figura 6-1: Variación de los autovalores del generador síncrono multipolar al variar la

reactancia de conexión a la red.

Se aprecia que al conectar el generador síncrono multipolar a través de una

impedancia a una red infinita se ven afectados los autovalores asociados a los

controles de corriente del convertidor de red.

6.3.2 Sistema con generadores síncronos y aerogeneradores síncronos multipolares conectados a un nudo de potencia infinita

Se considera el sistema representado en la Figura 6-2.

Figura 6-2: Sistema con un generador síncrono y un generador eólico síncrono multipolar

conectados ambos a un nudo de potencia infinita.

Page 101: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

94

Se tienen un generador síncrono y un generador eólico conectados a través de los

correspondientes transformadores elevadores a una barra colectora. La tensión de

cortocircuito del transformador del generador síncrono es del 12% mientras que la

tensión de cortocircuito del transformador del generador eólico es del 10%. Una línea

cuya reactancia es de 0.05 pu en 100 MVA conecta la barra colectora a un nudo de

potencia infinita.

En la Tabla 6-3 se muestran los autovalores del sistema de la Figura 6-2.

Tabla 6-3: Autovalores de un sistema con un generador síncrono y un generador eólico síncrono

multipolar conectados a un nudo de potencia infinita.

Nº Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (Hz)1,2 -7.8286 20.2283 36.09 3.223,4 -25.8312 19.0504 80.48 3.035,6 -15.6949 18.5630 64.56 2.957,8 -17.5000 17.8536 70.00 2.84

9,10 -0.5220 7.2170 7.21 1.1511,12 -1.8051 1.8309 70.21 0.2913,14 -1.6646 1.5740 72.66 0.2515,16 -37.9777 1.3236 99.94 0.2117,18 -0.3605 0.5848 52.48 0.09

Nº Real Constante de tiempo (s)19 -0.1424 7.024320 -3.2227 0.310321 -5.6998 0.175422 -10.1379 0.098623 -99.8782 0.0100

Autovalores reales

Autovalores complejos

Se tienen veintitrés autovalores, de los cuales, once provienen del modelo del

generador síncrono y doce del modelo del generador síncrono multipolar. Se tienen

nueve parejas de autovalores complejos conjugados y cinco autovalores reales. A

continuación, en la Tabla 6-4 se muestran las participaciones de los autovalores

contenidos en la Tabla 6-3. A la vista de ello, se pone de manifiesto que:

• Las parejas de autovalores complejos (1,2), (3,4), (5,6), (7,8), (11,12) y (13,14)

están asociadas al generador síncrono multipolar.

• Las parejas de autovalores complejos (9,10), (15,16) y (17,18) y todos los

autovalores reales están asociados al generador síncrono.

Page 102: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

95

• La pareja de autovalores complejos (11,12) está participada por ambos

generadores.

Tabla 6-4: Participaciones de los autovalores de un sistema con un generador síncrono y un

generador eólico síncrono multipolar conectados a un nudo de potencia infinita.

GS GE1,2 0.01 0.993,4 0.01 15,6 0.01 17,8 0 1

9,10 0.99 0.0111,12 0.72 0.7113,14 0 115,16 1 0.0117,18 1 0

19 1 020 1 021 1 022 1 023 1 0

Generator

Eigenvalue

Tabla 6-5: Variación del autovalor electromecánico al variar la generación eólica con

generadores eólicos síncronos multipolares.

GE(%) Real Imaginaria Amortiguamiento (%) Frecuencia (Hz)0 -0.3714 6.8855 5.3855 1.0959

25 -0.4821 7.1334 6.7427 1.135350 -0.522 7.217 7.2137 1.148675 -0.5441 7.3214 7.4109 1.1652

Autovalor electromecánico

La Tabla 6-5 proporciona la variación del autovalor electromecánico del sistema

representado en la Figura 6-2 cuando la generación eólica se incrementa.

A continuación, en la Figura 6-3, se muestra la variación de los autovalores

electromecánicos del sistema representado en la Figura 6-2 cuando la generación

eólica se incrementa y los compara con la variación del autovalor electromecánico

cuando se considera que el generador eólico utiliza generadores asíncronos de jaula

de ardilla o generadores asíncronos doblemente alimentados.

Page 103: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

96

Figura 6-3: Variación del autovalor electromecánico al variar la generación eólica con

generadores eólicos asíncronos de jaula de ardilla, asíncronos doblemente alimentados y

síncronos multipolares.

Se han utilizado los resultados correspondiente a los generadores de inducción de

jaula de ardilla y doblemente alimentados presentados en [28].

En primer término, se aprecia que hay un subconjunto de autovalores asociados al

generador síncrono (11) y que hay otro subconjunto de autovalores asociados al

generador síncrono multipolar (12). En otras palabras, no hay interacciones entre

ambos componentes del sistema eléctrico.

Se observa además que la incorporación de generación eólica basada en generadores

síncronos multipolares da lugar a un aumento de la frecuencia y del amortiguamiento

de la oscilación electromecánica del generador síncrono.

En consecuencia, se puede afirmar que el efecto de los generadores síncronos

multipolares es muy similar al de los generadores de inducción doblemente

alimentados.

Page 104: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

97

7 Conclusiones

Este proyecto ha abordado el estudio del impacto de la generación eólica basada en

generadores síncronos multipolares en la estabilidad de pequeña perturbación de

sistemas eléctricos.

La estabilidad de pequeña perturbación está interesada en el análisis y control de

oscilaciones naturales poco amortiguadas que pueden aparecer en los sistemas

eléctricos.

La energía eólica ha experimentado un desarrollo espectacular en los últimos diez

años, en el mundo y en España en particular. A finales de 2005 había instalados

10027 MW y las previsiones esperan que se duplique en sólo 5 años más.

Es de gran interés conocer cómo afecta la generación eólica con generadores

síncronos multipolares a la frecuencia y amortiguamiento de las oscilaciones

naturales en los sistemas eléctricos.

Aún cuando la generación eólica basada en generadores síncronos multipolares es

pequeña, sus prestaciones auguran un futuro muy prometedor a esta tecnología.

Se han desarrollado dos modelos no-lineales y lineales de orden 11 (sin lazo de

regulación de velocidad) y de orden 12 (con lazo de regulación de velocidad) y se ha

procedido a su simulación y análisis.

La simulación de los modelos no lineales ha confirmado el comportamiento

esperado.

Se han encontrado que todos los autovalores del modelo lineal del generador

síncrono multipolar están dentro del margen de frecuencia del estudio de la

estabilidad de pequeña perturbación: entre 3,98 Hz (corresponde a 25 rad/s) y 0,39

Hz (corresponde a 2,5 rad/s). El amortiguamiento de todos los autovalores es

elevado. Tanto la frecuencia como el amortiguamiento corresponden a los requeridos

en el ajuste de los reguladores PI. Los lazos de control de corrientes son rápidos (25

rad/s) mientras que los lazos de control de tensión del condensador y de velocidad

(2,5 rad/s) son lentos.

Page 105: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

98

De todo lo anterior se deduce que no es necesario proceder a la reducción del modelo

como es necesario en el caso del generador de inducción de jaula de ardilla y en el

generador de inducción doblemente alimentado.

Se ha desarrollado un modelo lineal del generador síncrono multipolar para el

estudio de la estabilidad de pequeña perturbación con la SSST. Se ha realizado un

estudio fundamental de la estabilidad de pequeña perturbación variando la

generación eólica en un sistema. Los resultados de dicho estudio fueron:

• No hay interacciones entre los generadores síncronos y síncronos multipolares.

• La incorporación de generación eólica basada en generadores síncronos

multipolares da lugar a un aumento de la frecuencia y del amortiguamiento de la

oscilación electromecánica del generador síncrono.

• El efecto de los generadores síncronos multipolares es muy similar al de los

generadores de inducción doblemente alimentados.

Page 106: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

99

8 Referencias bibliográficas

[1] S. Achilles, M. Pöller, “Direct Dirve Synchronous Machine Models for

Stability Assessment of Wind Farms”, 4th International Workshop on Large

Scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for Offshore

Wind-Farms, Billund, Denmark, 2003.

[2] The Boston Consulting Group y Plataforma Empresarial Eólica, “Nuevos

Vientos para el Desarrollo Sostenible”, 2003,

www.plataformaeolicaempresarial.com.

[3] H. Breulmann, E. Grebe, M. Lösing, P. Dupuis, , M.P. Houry, T. Margotin, J.

Dudzik, J. Machowski, W. Winter, R. Witzmann, J. Zerenyi, L. Martín, J. M.

Rodríguez, E. Urretavizcaya, “Analysis and Damping of Inter-area

Oscillations in the UCTE/CENTREL Power System”, Cigré Session 2000,

Paper 38-113.

[4] M. Diez Martínez, “Modelos de generadores asíncronos doblemente

alimentados para estudios de estabilidad de pequeña perturbación de sistemas

eléctricos”, Proyecto Fin de Carrera, E.T.S. de Ingeniería, Universidad

Pontificia Comillas, Junio 2005.

[5] European Wind Energy Association, “Wind Force 12”, 2004, www.ewea.org.

[6] A. Gómez Expósito (Editor), “Análisis y operación de sistemas de energía

eléctrica”, Mc Graw Hill, Madrid, 2002.

[7] M. González, L. Rouco, M. Alonso, J.R. Diago y F.J. Pérez, “Modelos de

parques eólicos. estudios de estabilidad de sistemas eléctricos”. Actas de las

Quintas Jornadas Hispano-Lusas de Ingeniería Eléctrica, Salamanca, 3-5 Julio,

1997, páginas 1211-1218.

[8] S. Hünemörder, M. Bierhoff, F. W. Fuchs, “Drive with Permanent Magnet

Synchrnous Machine and Voltage Source Inverter for Wind Power

Application”, Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics,

Stockholm, Sweden, 2002.

[9] IDAE, “Wind Energy in Spain: Current Status and Prospects”, May 2005.

Page 107: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

100

[10] IEEE Power Engineering Society, “IEEE Guide for Synchronous Generator

Modeling Practices in Stability Analyses”, IEEE Std. 1110-1991, New York,

November 1991.

[11] IEEE Working Group on Prime Mover and Energy Supply Models for System

Dynamic Performance Studies, “Dynamic Models for Fossil Fueled Steam

Units in Power System Studies”. IEEE Transactions on Power Systems, Vol.

PWRS-6, No. 2, May 1991, pp. 753-761.

[12] IEEE Power Engineering Society, “IEEE Recommended Practice for

Excitation System Models for Power System Stability Studies”, IEEE Std.

421.5-1992, New York, August 1992.

[13] P. Kundur, “Power System Stability and Control”, Mc Graw Hill, New York

1994.

[14] P. Kundur, J. Paserba, V. Ajjarapu, G. Andersoom, A. Bose, C. Cañizares, N.

Hatziargyriou, D. Hill, A. Stankovic, C. Taylor, T. Van Cutsem, V. Vittal,

“Definition and Classification of Power System Stability”, IEEE Transactions

on Power Systems, Vol. 19, No. 2, May 2004, pp. 13871401.

[15] Ministerio de Economía, “Planificación de los sectores de electricidad y gas:

Desarrollo de las redes de transporte: 2002-2011”,

www.mineco.es/energia/planificacion, 2002.

[16] Ministerio de Industria y Energía 1985, Orden de 5 de septiembre de 1985 por

la que se establecen normas administrativas y técnicas para el funcionamiento

de conexión a redes eléctricas de centrales hidroeléctricas hasta 5000 KVA y

centrales de autogeneración eléctrica. BOE nº 219 de 12 de septiembre de

1985.

[17] Ministerio de Economía, Real Decreto 436/2004, de 12 de marzo, por el que

se establece la metodología para la sistematización y actualización del

régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía

eléctrica en régimen especial, BOE nº 75 de 27 de marzo de 2004, páginas

13217-13238.

Page 108: Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos ... · PDF filei Resumen El tema del proyecto es la estabilidad de pequeña perturbación de sistemas de energía eléctrica

101

[18] Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, Resolución de 11 de febrero de

2005, de la Secretaría General de Energía por el que se aprueba un conjunto de

procedimientos de carácter técnico e instrumental para realizar la adecuada

gestión técnica del Sistema Eléctrico, P.O. 12.2: Instalaciones conectadas a la

red de transporte, requisitos mínimos de diseño, equipamiento, seguridad y

puesta en servicio, BOE 51, 1 de marzo de 2005, páginas 7405-7430.

[19] MTorres, www.mtorres.es.

[20] P. Ledesma Larrea, “Análisis Dinámico de Sistemas Eléctricos con

Generación Eólica”, Tesis Doctoral, Universidad Carlos III de Madrid,

Leganés, 2001.

[21] P. Ledesma and J. Usaola, “Doubly Fed Induction Generator Model of

Transient Stability Analysis”. IEEE Transactions of Energy Conversion, Vol.

20, No. 20, June 2005, pp. 388-397.

[22] I. J. Pérez-Arriaga, G. C. Verghese, F. C. Schweppe, ``Selective Modal

Analysis with Applications to Electric Power Systems. Part I: Heuristic

Introduction. Part II: The Dynamic Stability Problem''. IEEE Transactions on

Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, No. 9, September 1982, pp.

3117-3134.

[23] M. Pérez González, “Estabilidad de pequeña perturbación de sistemas

eléctricos con generación eólica”, Proyecto Fin de Carrera, E.T.S. de

Ingenería, Universidad Pontificia Comillas, Junio 2004.

[24] Red Eléctrica de España, www.ree.es.

[25] J. L. Rodríguez Amenedo, J. C. Burgos Díaz, S. Arnalte Gómez, “Sistemas

Eólicos de Producción de Energía Eólica”, Editorial Rueda, Madrid, 2003.

[26] L. Rouco, “Small Signal Stability Toolbox: Reference Manual”, Madrid,

2000.

[27] L. Rouco, “Small Signal Stability Toolbox: Users Manual”, Madrid, 2000.

[28] L. Rouco, M. Pérez, M. Diez, “Contribution of Wind Power Generation to

Power System Stabilization”, IFAC Workshop on Control Applications of

Optimisation (CAO’06), Paris-Cachan, France, 26-28 April, 2006.

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[29] L. Rouco, J. L: Zamora, “Dynamic Patterns and Model Order Reduction in

Small-signal Models of Doubly Fed Induction Generators for Wind Power

Applications”, IEEE Power Engineering Society 2006, Montreal, 18-22 June,

2006.

[30] L. Rouco, P. García, J. L. Zamora, J. J. Rodríguez, M. Rodríguez, J. A. Torres,

“Estudio fundamental de la respuesta de aerogeneradores basados en máquinas

asíncronas de jaula de ardilla ante huecos de tensión”, XI Encuentro Regional

Iberoamericano de Cigré, Hernandarias, Paragüay, 22-26 mayo 2005.

[31] L Rouco, F. Fernández, J.L. Zamora, P. García, “Comparison of the dynamic

response of wind power generators of different technologies in case of voltage

dips”, Cigré Session 2006, Paris, France, paper A1-304.

[32] UCTE, “UCTE Position Paper on Integrating wind power in the European

power systems - prerequisites for successful and organic growth”, May 2004,

www.ucte.org.

[33] J. L. Zamora, “Estimación en tiempo real de parámetros y variables de estado

en un motor de inducción”, Tesis Doctoral, E. T. S. de Ingenieros Industriales,

Universidad Pontificia de Comillas, Madrid, 1997.

[34] J. L. Zamora, “Sistemas de control de aerogeneradores de velocidad variable”,

Curso de Especialista en “Planificación y Gestión de Proyectos de Parques

eólicos”. Instituto de Postgrado, Universidad Pontificia Comillas, 2004.

[35] Global Wind Energy Council, “Global Wind 2005 Report”, www.gwec.net

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Agradecimientos.

En primer lugar, me gustaría agradecer a mi familia las continuas muestras de apoyo,

aliento y comprensión ofrecidas durante estos años; en especial a mis padres y a mi

hermana, quienes me ayudaron determinantemente durante estos años; sin ellos no

habría sido posible concluir con estas líneas este proyecto fin de carrera.

Quisiera también mostrar mi agradecimiento a algunos de los compañeros de clase

con los que me he cruzado estos años y han marcado sin duda mi etapa universitaria.

En especial, a Miguel Ángel, Juan y Joan, de quienes siempre guardaré un buen

recuerdo por tantas buenas horas de trabajo en grupo en los comienzos y que

propiciaron un ambiente ideal en el que desarrollar mi actividad académica. A

Rafael, Elisa, Jasmina y Manuel, por sus continuas muestras de amistad y ánimo, su

contagiosa actitud y su ejemplar esfuerzo por la excelencia. A Víctor, Alejandro y

Luis, por su inestimable apoyo en los momentos difíciles. A María, Antonio, Álvaro,

Antonio, y Fernando, por hacer que tantas mañanas y tardes pasadas en estos últimos

años en el ICAI sean inolvidables. A Javier, Miguel, Carlos, Rocío, Iñigo, Cristina,

Miguel, y Fran, por tantos otros buenos momentos pasados.

Debo agradecérselo también a Luis, gran profesional y mejor persona, que con su

apoyo, entusiasmo y dedicación, ha sabido motivarme en todo momento para el

estudio y desarrollo de la materia aquí presentada.

Además, me gustaría recordar aquí a algunos profesores que han influido

decisivamente en mi carrera. A Francisco, por sus inolvidables clases de física en los

años previos a la universidad. A Santiago y a Maidagan, por su contagiosa pasión

explicando en sus clases, que hicieron amenas e interesantes muchas de las mañanas

de primero. A Fidel, por muchas razones, en especial por sus clases de máquinas

eléctricas. A Damián, Chacón, Sancha, Barquín, Pagola, y Michel, porque gracias a

ellos puedo decir que me alegro de haber elegido el itinerario eléctrico.

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Tengo también palabras de agradecimiento para los integrantes del departamento de

Mercados de Operación de REE, por su sentido de la responsabilidad, afán de

superación o el gusto por el trabajo en equipo, que durante este curso provocaron que

cada mañana levantarse de la cama fuera mucho más fácil.

Por último, agradecer a todos aquellos que se alegraban o entristecían conmigo según

obtuviera éxitos o reveses en mi vida, porque del mismo modo que yo significaba

algo para ellos, ellos significaban mucho para mí. En especial, tengo que dar las

gracias a César y a David, por su amistad y apoyo continuo, que han hecho posible

que haya alcanzado muchas de mis metas.

Madrid, a 28 de Junio de 2006