Anteproyecto_central Hidroelectrica (Mche).
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IMPLEMENTACION DE LOS PROCEDIMIENTOS DE REGULACIN DE VOLTAJE YFRECUENCIA DE UNA MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCHE).
ESTEBAN ORTIZ CAMPO
HAROLD TEOWALDO ERAZO MUOZ
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
SANTIAGO DE CALI
2010
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IMPLEMENTACION DE LOS PROCEDIMIENTOS DE REGULACIN DE VOLTAJE YFRECUENCIA DE UNA MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCHE).
.
ESTEBAN ORTIZ CAMPO
HAROLD TEOWALDO ERAZO MUOZ
Propuesta de proyecto de grado presentado como requisito para optar al ttulo de
INGENIERO ELECTRICISTA
DIRECTOR:
Ing. RAMIRO ORTIZ FLOREZ. Ph.D
CODIRECTOR:
Ing. ALVARO BERNAL NOREA. Ph.D
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
SANTIAGO DE CALI
2010
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Visto Bueno al anteproyecto de grado
Ing. RAMIRO ORTIZ FLOREZ. Ph.D
Director del Proyecto.
Ing. ALVARO BERNAL NOREA. Ph.D
Codirector del Proyecto.
Ing. JAIRO PALACIOS PEARANDA. Ph.D
Coordinador de rea
Ing. JAIRO PALACIOS PEARANDA. Ph.D
Director del grupo de Investigacin
Converga
Ing. RAMIRO ORTIZ FLOREZ. Ph.D
Director del Programa acadmico de Ingeniera
Elctrica
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CONTENIDO
1 FORMULACIN DEL PROBLEMA. .................................................................................................. 52 JUSTIFICACIN. ................................................................................................................................... 63 OBJETIVOS. ........................................................................................................................................... 7
3.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................. 73.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ........................................................................................................................ 7
4 MARCO TERICO. ............................................................................................................................... 84.1 GENERALIDADES. ............................................................................................................................ 8
4.1.1 Elementos de un sistema de generacin de energa hidroelctrica.. .............. 84.2 REGULACINDETENSINYFRECUENCIA. .............................................................................. 9
4.2.1 Mtodos de regulacin. ................................................................................ 104.3 LABORATORIODEMICROCENTRALESENLAUNIVERSIDADDELVALLE. ................... .. 12
4.3.1 Regulacin de Voltaje y Frecuencia en el laboratorio de MCH. .................... 135 METODOLOGA. ................................................................................................................................. 186 RESULTADOS ESPERADOS. ............................................................................................................ 197 PRESUPUESTO. ................................................................................................................................... 208 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES................................................................................................ 219 BIBLIOGRAFA. .................................................................................................................................. 22
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1 FORMULACIN DEL PROBLEMA.
En los sistemas de generacin uno de los objetivos es conservar la tensin y lafrecuencia de la red elctrica dentro de los niveles de variacin permitidos.
Las variaciones de tensin y frecuencia se producen principalmente por
alteraciones del equilibrio entre generacin y consumo (demanda de potencia), es
por ello que se debe garantizar unos mecanismos de control que le permitan
adaptarse a la generacin en funcin de los distintos estados de carga que se
presenten.
En los grandes sistemas de potencia de variaciones incrementales de carga son
pequeas y la correccin de los parmetros de tensin y frecuencia se realizan
con un gran nmero de unidades de generacin y con un conjunto adicional de
recursos operativos.
En los pequeos sistemas con MCHs las variaciones incrementales de carga
pueden ser muy grandes. Es decir que conexiones de cargas significativas
tendern a frenar el sistema reduciendo tensin y frecuencia y desconexiones decarga significativas tendern a embalar el sistema aumentando tensin y
frecuencia.
En este proyecto se pretende implementar un mtodo de regulacin que evite que
el sistema de generacin se salga de esos parmetros establecidos de tensin y
frecuencia.
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2 JUSTIFICACIN.
La importancia de este proyecto radica en seleccionar un mtodo para darsoluciones concretas al problema de regulacin de voltaje y frecuencia en una
(MCH) ubicada en la universidad del valle, adems de garantizar que el sistema
de generacin se mantenga dentro de sus parmetros establecidos.
La tensin y la frecuencia con la que se suministra energa para los usos
domsticos y productivos de la electricidad en corriente alterna, son los
parmetros de la calidad del servicio.
El excesivo apartamiento de los valores nominales para los que estn diseados
los artefactos y equipos que utilizan corriente alterna, producen alteraciones en la
funcin que estos prestan como tambin daos permanentes y reduccin de la
vida til de los mismos.
Tensiones elevadas pueden daar la aislacin de los bobinados de los motores
elctricos y sacarlos de servicio. Tensiones muy bajas provocansobrecalentamiento de los motores con la consiguiente reduccin de su vida til.
El mismo efecto de sobrecalentamiento de los motores se produce cuando hay un
descenso marcado de la frecuencia, no ya por incrementos en la corriente activa,
sino por aumento del reactivo.
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3 OBJETIVOS.
3.1 Objetivo General
Implementar el algoritmo de control para los procedimientos de regulacin de
voltaje y frecuencia de una MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCH) ubicado
en la Universidad del Valle.
3.2 Objetivos especficos
Estudiar el funcionamiento de la MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCH)
ubicado en la Universidad del Valle, adems de los mtodos de regulacin de
voltaje y frecuencia en centrales hidroelctrica que utilicen generadores
Asncronos.
Definir y realizar la estrategia de control, obtener el algoritmo para los
procedimientos de regulacin de voltaje y frecuencia de la MICRO CENTRAL
HIDROELECTRICA (MCH).
Realizar las pruebas que evalen el funcionamiento de la estrategia de control
en la MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCH) en los procedimientos de
regulacin de voltaje y frecuencia por medio de simulaciones.
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4 MARCO TERICO.
4.1 GENERALIDADES.
La generacin hidroelctrica en pequea escala, en potencias por debajo de los
500kW constituye una alternativa a la solucin del problema del suministro de
energa en regiones aisladas, especialmente en los pases en vas de desarrollo,
constituyndose as en una de las bases principales para la electrificacin rural.
Los sistemas hidroelctricos pueden ser clasificados de diferentes maneras, por
ejemplo de acuerdo con la potencia instalada. La siguiente tabla muestra la
clasificacin de centrales hidroelctricas de a cuerdo a su potencia.
Potencia Tipo
0 50 Kw Micro central
50 500 Kw Mini central
500 5000 Kw Pequea central
Arriba de 5000 KW Centrales
Hidroelctricas
Tabla 1. Clasificacin de las Centrales Hidroelctricassegn la organizacinLatinoamericana de Energa OLADE
4.1.1 Elementos de un sistema de generacin de energa hidroelctrica.
Los componentes que conforman un SGEH estn divididos en dos grandes
grupos, el primero lo integran los sistemas de captacin y conduccin de agua
referentes a las obras de tipo civil que incluyen el embalse, canales de derivacin
de agua y tuberas principales. En el segundo grupo est la casa de mquinas
donde se encuentran instalados los sistemas mecnicos, elctricos y electrnicos
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de la central dentro de los cuales est el grupo turbina-generador, sistemas de
excitacin, sistemas auxiliares, la estacin de servicio, el sistema de rels y
contactores, as como los sistemas de control, instrumentacin y proteccin de la
central.
4.2 REGULACIN DE TENSIN Y FRECUENCIA.
La tensin y la frecuencia con la que se suministra energa para los usos
domsticos y productivos de la electricidad en corriente alterna, son los
parmetros de la calidad del servicio. El excesivo apartamiento de los valores
nominales para los que estn diseados los artefactos y equipos que utilizancorriente alterna, producen alteraciones en la funcin que prestan, daos
permanente y alteracin o reduccin de la vida til de los mismos.
La causa de las variaciones de tensin y de frecuencia del sistema es la variacin
de la carga que debe alimentar el generador. En los grandes sistemas de potencia
las variaciones incrementales de carga son pequeas y la correccin de los
parmetros de tensin y frecuencia se realiza con un gran nmero de unidades de
generacin y con un conjunto adicional de recursos operativos.
En los pequeos sistemas como MCHs las variaciones incrementales de carga
pueden ser muy grandes. Es decir que conexiones de cargas significativas
tendern a frenar el sistema reduciendo tensin y frecuencia y desconexiones de
carga significativa tendern a embalar el sistema aumentando tensin y
frecuencia.
Por ejemplo una plancha (1.000 W) que se conecta a una red que opera en ese
momento con una carga de 10 kW, provoca un incremento de carga del 10%.
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4.2.1 Mtodos de regulacin.
Existen dos mtodos bsicos para mantener los parmetros elctricos del sistema
dentro del rango admisible de calidad.
La Regulacin por Carga
Figura 1. Esquema regulacin por carga.
El primer sistema consiste en mantener carga constante, ya sea durante todo el
tiempo de operacin o en escalones de carga constante durante ciertos perodos.
De este modo, si el generador ve una carga constante, no se producir variacin
de tensin y frecuencia. Este sistema se denomina de regulacin por carga.
Para mantener la carga constante pueden incorporarse al sistema usos
alternativos de la electricidad o bien dispersar los excedentes de potencia no
utilizados en cargas balasto resistivas.Los usos alternativos pueden colocarse tanto en la red de alimentacin de
usuarios como en la misma sala de mquinas. Estos usos permiten un
aprovechamiento ms eficiente de la energa que la solucin de despejar calor
para mantener la carga constante.
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Se pueden usar sistemas ms sofisticados usando circuito alternativo en las
viviendas uno destinado al calentamiento de agua o a cocinas elctricas de
acumulacin que funcionan durante el da y otro circuito cuya potencia es de lamisma magnitud y que corresponde a la carga de iluminacin que se usa durante
la noche.
Se puede tambin instalar un banco de bateras adecuadamente dimensionado
para que absorba los excedentes de energa, complementando un servicio mixto
de redes y de carga de bateras. Tambin puede disearse un banco de bateras
para cargarse durante las horas de baja demanda y mediante un inversor inyectarenerga a la red durante las horas de mayor demanda.
Regulacin por Caudal
El segundo sistema, cuando la carga que ve el generador es variable, es la turbina
la que debe suministrar una potencia variable durante la operacin. La variacin
de la potencia de la turbina se obtiene variando el caudal de agua que ingresa al
rotor. Este sistema se denomina de regulacin por caudal.
La adopcin de uno u otro mtodo de regulacin dependen de la abundancia o
escasez del recurso hdrico y la curva de carga del sistema. Si el recurso hdrico
es escaso es conveniente regular por caudal, para hacer ptimo el
aprovechamiento del mismo.
En cambio, con recurso hdrico abundante, puede incrementarse el factor de cargamediante usos alternativos de la electricidad, la regulacin por carga resultar ms
conveniente.
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4.3 LABORATORIO DE MICRO CENTRALES EN LA UNIVERSIDAD DELVALLE.
Figura 2. Diagrama del laboratorio de micro centrales hidroelctricas
El funcionamiento del laboratorio puede ser descrito as: El aguaes almacenada
en un tanque principal, desde donde es impulsada por una bomba centrifuga
movida por un motor trifsico, con esto se simula la energa potencial del recurso.
El agua es llevada a travs de una tubera de presin hasta una turbina Pelton y
una bomba que opera como turbina.
Como equipo de generacin se tiene un motor asncrono operando en rgimen de
generador acoplado a la turbina por medio de poleas y una correa de transmisin.
El flujo de agua hacia a la turbina puede ser variado por medio de una vlvula de
control.
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4.3.1 Regulacin de Voltaje y Frecuencia en el laboratorio de MCH.
La siguiente figura ilustra un diagrama general de cmo se piensa regular voltaje
y frecuencia en este laboratorio.
Figura 4. Diagrama regulacin de voltaje y frecuencia de la MCH.
En la figura se puede observar la bomba que opera como turbina conectado a un
generador asncrono. A su vez a este generador va a ir conectada una carga que
simulara la demanda de potencia activa. Entre el generador y la carga est
conectado un banco de bateras adems de capacitores conectados en serie y en
paralelo con el generador.
Bajo condiciones de una demanda de potencia constante, variables como el
voltaje, la corriente y la frecuencia se comportan tambin de manera constante.
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Figura 7. Comportamiento del voltaje, la corriente y la frecuencia para una
disminucin en la demanda de potencia.
En el laboratorio se pretende implementar el mtodo de regulacin por carga que
consiste en mantener carga constante, 5 Kw en este caso ya que es la mxima
potencia que puede generar la MCH. De este modo, el generador vera una carga
constante, y as no se producir variacin de tensin y frecuencia.
Adicionalmente la MCH cuenta con un banco de bateras, una de las funciones de
este banco es proporcionar un tiempo t cuando haya una variacin en la
demanda, este tiempo t es el tiempo necesario para que el Pac sea capaz de
aumentar o disminuir la carga lastre.
PAC (del ingls Programmable Automation Controller) es una tecnologa industrial
orientada al control automatizado, al diseo de prototipos y a la medicin. El PAC
se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU tpicamente), mdulos
de entradas y salidas, y uno o mltiples buses de datos que lo interconectan todo.
Este controlador combina eficientemente la fiabilidad de control de un autmata
(controlador lgico programable o PLC) junto a la flexibilidad de monitorizacin y
clculo de un PC. Los PACs pueden utilizarse en el mbito investigador, pero es
http://es.wikipedia.org/wiki/PLChttp://es.wikipedia.org/wiki/Ordenador_personalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ordenador_personalhttp://es.wikipedia.org/wiki/PLC -
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sobre todo en el industrial, para control de mquinas y procesos, donde ms se
utiliza.
La siguiente grafica muestra un aumento en la carga, pero debido a la inclusindel banco de bateras el voltaje, la corriente y la frecuencia tardaran un tiempot
antes de disminuir.
Figura 8. Efecto en el voltaje, la corriente y la frecuencia debido a la inclusin del
banco de bateras.
Por otro lado al grupo bomba- turbina va conectada una vlvula que se abrir o
cerrara de acuerdo al nivel de corriente que se mida en terminales del generador.
Figura 8. Proceso de conversin de energa.
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La anterior grafica muestra el proceso de conversin de energa, lo que la grafica
pretende mostrar es como un cambio en la demanda de potencia activa (carga)
traducido en un nivel de corriente en terminales del generador, esta informacin le
llega al Pac que a su vez hace que haya un aumento en la potencia hidrulica pormedio de un control en el flujo de agua hacia a la turbina variado por medio de una
vlvula.
Devolvindonos a la figura 8 diagrama regulacin de voltaje y frecuencia de la
MCH. Se ve como el PAC est conectado a la vlvula, controlando el flujo de
agua, tambin est conectado a el regulador de carga variando la carga lastre
como se explico antes, el PAC adems est conectado a un banco de
condensadores regulando la excitacin de la maquina, ya que el generador
asncrono requiere siempre energa reactiva para su excitacin magntica,
energa reactiva que recibe de la red a la que est conectada. Por ello cuando
trabaja como generador aislado de una red elctrica, requiere de un suministro
externo de energa reactiva, como son los condensadores, en lo que se denomina
como autoexcitacin.
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5 METODOLOGA.
Primero se realizara un estudio del funcionamiento de la micro central
hidroelctrica de la Universidad del Valle, con esto se busca tener losconocimientos necesarios para poder comprender y as proceder obtener lasvariables ms adecuadas que sern utilizadas dentro del proceso que se pretendecontrolar.
Recopilacin bibliogrfica donde se analizara los diferentes mtodos existentespara el control de regulacin de voltaje y frecuencia, con esta informacin sepretende escoger la estrategia ms adecuada para solucin del problema y la cualse va a utilizar dentro del proyecto.
Comprensin del funcionamiento PAC (controlador programable para la
automatizacin), este cuenta con el software que se va a utilizar para laautomatizacin de la planta, ya que un estudio previo de su metodologa detrabajo nos ayudara a la realizacin del algoritmo de control.
Definida la estrategia de control que se va a utilizar en el proceso de regulacin devoltaje y frecuencia, el siguiente paso es implementarla en el PAC y as obtener elalgoritmo de control de las variables que se pretenden fijar en el proceso degeneracin del laboratorio de la universidad del valle.
Elaboracin del documento escrito y conclusiones a partir de los informes previosobtenidos hasta el momento.
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6 RESULTADOS ESPERADOS.
Al final del proyecto se dispondr de una estrategia de control que da
soluciones especficas al problema de regulacin de voltaje y frecuencia en
una (MCH) ubicada en la universidad del valle, por los mtodos de
regulacin de caudal y carga lastre.
Contar con el algoritmo de control para la regulacin de voltaje y frecuencia
de una MICRO CENTRAL HIDROELECTRICA (MCH) ubicado en laUniversidad del Valle.
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7 PRESUPUESTO.
PERSONAL
Nombre Funcin Formacin Dedicacin ValorRamiro
Ortiz Flrez Director Doctorado 1h/semana $ 1.700.000
Alvaro Bernal
Norea. Codirector Doctorado 1h/semana $ 1.700.000
Harold ErazoMuoz Estudiante Pregrado 10h/semana $ 5.600.000
Esteban OrtizCampo Estudiante Pregrado 10h/semana $ 5.600.000
Total $ 14.600.000
MATERIAL BIBLIOGRFICOMaterial Descripcin Valor
Libros Universidad delvalle
Libros tcnicosrelacionados $ 500.000
Normas Universidad delvalle
Normas ANSI, ANSI/IEEE,IEC $ 500.000
Artculos Universidad delvalle
Artculos tcnicosrelacionados $ 1.500.000
Total $ 2.500.000
EQUIPOS
Equipo Descripcin ValorUso de los equipos de
prueba Pruebas de laboratorio $ 4.000.000
Uso del computadorpersonal
Trascripcin, consultas,internet $ 500.000
Uso del computadorlaboratorio de generacin
Trascripcin, consultas,internet $ 500.000
Total $ 5.000.000
El costo por los materiales es un aporte en especie totalmente del estudiante.
MATERIALES
Equipo Descripcin ValorMateriales y gastos
administrativos Fotocopias, impresin $ 500.000
Total $ 500.000
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8 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.
ACTIVIDADES MES1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Conceptualizacin del
problema.
Recopilacin
bibliogrfica, definicin
de la estrategia de
control a utilizar.
Comprensin del
funcionamiento del PAC
(controladorprogramable para la
automatizacin).
Implementacin de la
estrategia de control en
el software para la
obtener el algoritmo de
regulacin de voltaje y
frecuencia de la (MCH).
Realizar las
simulaciones que
evalen elfuncionamiento de la
estrategia de control
Elaboracin de Informes
de seguimiento.
Elaboracin del
documento escrito y
conclusiones.
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9 BIBLIOGRAFA.
[1] FLIX ANDRS CORREA VALENCIA, ALEJANDRO RAFAEL GARCIA IBARRA
Diseo de un sistema automtico de control para la operacin remota de un sistema de
generacin de energa hidroelctrica, (feb. 2010):pp. 26-95.
[2] DANIEL MUGUERZA Micro Centrales Hidroelctricas (1999):pp. 157-189.
Disponible en Internet http://microcentraleshidroelctricas.blogspot.com/.
[3] TEODORO SANCHEZ, JAVIER RAMIREZ GASTON Manual de mini y micro centrales
hidrulicas (feb. 2010):pp. 157-189.
[4] STEPHEN J. CHAPMAN. MAQUINAS ELECTRICAS tercera edicin, pp. 272-476.
[5] JESUS FRAILE MORA, MAQUINAS ELECTRICAS quinta edicin, pp. 259-477.
