Control de Voltaje Mediante Transformador Con Taps_14!11!2015

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Control de Voltaje mediante Transformador con Taps

– Universidad Politécnica Salesiana – 2015 – Electrónica de Potencia II

INFORME 1 - CONTROL DE VOLTAJE

MEDIANTE TRANSFORMADOR CON TAPS

Freire [email protected]

RESUMEN: Power Factory ofrece una alta gama de simulaciones para diseños de alta tensión en la industria. Se analizará así, un control de voltaje mediante la variación de los taps de un transformador.

PALABRAS CLAVE: Sistemas Eléctricos de Potencia, Tap y Transformador.

ABSTRACT: Power Factory offers a variety of simulations to high voltage designs in the industry. Voltage control will be analyzed by varying the transformer taps.

OBJETIVOS: Mediante el software Power Factory realizar el control de voltaje en una barra de un sistema de potencia mediante la variación del tap del transformador

1 INTRODUCCIÓN

La variación de voltaje en la tecnología HVDC también se la puede dar mediante el cambio de taps en el transformador.

Para este caso, el sistema consiste en un generador equivalente que alimenta una carga, a través de un transformador de dos devanados con intercambiador de taps y una línea de transmisión de doble circuito.

Un generador de 13,8 kV de voltaje nominal alimenta una carga a través de una línea de 230 kV y dos transformadores.

El circuito propuesto se muestra en la Fig. 1.

Figura 1: Sistema Eléctrico de Potencia Propuesto

Los datos necesarios para el control de voltaje de una barra de un sistema de potencia mediante la variación del tap del transformador son los siguientes:

Tabla Nº1: Datos de barras del Sistema de la Fig 1.

Tabla Nº2: Datos Nominales del Generador del Sistema de la Fig.1.

Tabla Nº3: Datos de las líneas de trasmicion del Sistema de la Fig. 1.

Tabla Nº4: Datos de los Transformadores del Sistema de la Fig. 1.

Adicionalmente, se tiene que a carga se puede modelar como de potencia constante. El transformador 1 tiene tap en el lado de alto voltaje de ± 5 % con pasos de 2,5 % y el transformador 2 tiene tap en el lado de bajo voltaje de ± 10 % con pasos de 0,625 %.

Ajustar el tap del transformador t2 de modo que el voltaje en la carga sea lo más próximo posible a 1 pu.

2 DESARROLLO

Mediante el software Power Factory se realizó el diseño del circuito eléctrico de potencia mostrado en la Fig. 1. Se procede a insertar elemento por elemento.

2.1 Barras

Las barras son conductores de baja impedancia al cual se conectan separadamente varios circuitos eléctricos. Es aquel punto del sistema eléctrico preparado para entregar y/o retirar energía eléctrica.

Se procedió a insertar 4 barras en la ventana de gráficas, como se muestra en la Fig. 2.1.

Figura 2.1: Barras

Una vez colocadas se procedió a configurar

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una por una como se plantea en el ejercicio, se muestra en la Fig. 2.1.1.

Figura 2.1.1: Configuración de las barras

2.2 Líneas de Transmisión

Las líneas de transmisión son estructuras materiales utilizadas para dirigir la transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas. Se puede apreciar en la Fig. 2.2 la inserción de las líneas en la ventana de gráficas.

Figura 2.2: Líneas de Transmisión

Una vez colocadas se procedió a configurar una por una como se plantea en el ejercicio, se muestra en las Figs. 2.2.1.

(a)

(b)

(c)Figura 2.2.1: Configuración de las Líneas de Transmisión

2.3 Transformadores

Los transformadores son dispositivos eléctricos que permiten aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

Se puede apreciar en la Fig. 2.3 la inserción de los transformadores en la ventana de gráficas.

Figura 2.3: Transformadores

Una vez colocadas se procedió a configurar una por una como se plantea en el ejercicio, se muestra en las Figs. 2.3.1.

-

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(a)

(b)Figura 2.3.1: Configuración de los Transformadores

2.4 Generador

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos, transformando la energía mecánica en eléctrica. Se puede apreciar en la Fig. 2.4.

Figura 2.4: Generador

Una vez colocado se procedió a configurar

como se plantea en el ejercicio, se muestra en las Figs. 2.4.1.

(a)

(b)

-

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(c)Figura 2.4.1: Configuración del Generador

2.5 Carga

Se puede apreciar en la Fig. 2.5:

Figura 2.5: Carga

Una vez colocada se procedió a configurar como se plantea en el ejercicio, se muestra en la Fig. 2.5.1.

Figura 2.5.1: Configuración de la Carga

2.6 Cálculo del Flujo de Carga

Una vez realizado el sistema de potencia, se procede a realizar el cálculo del flujo de carga, como se aprecia Fig. 2.6.

Figura 2.6: Cálculo del Flujo de Carga

3 RESULTADOS

Se puede observar en la Fig. 3 el resultado de la simulación.

Figura 3: Resultado del Cálculo del Flujo de Carga

4 PREGUNTAS4.1 Presente los cálculos de los parámetros

del sistema en p.u., para los diferentes componentes

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Para el Generador:V Generat ∨¿=13.8KV ¿

SGenerator=10000MVAfp=0.9

X d=0.019044 pu−ReactanciaSincrónicaX q=0.01 pu−ReactanciaSincrónica

V Basegenerator=13.8KV

V Generator pu=

V Generator

V Base generator

=1 pu

SGenerator pu=

SGenerator

SBase

=100 pu

Para el Transformador 1:V b1t 1

=13.8KVV b2t 1

=230KVSt 1=200MVA

X%t1=10∗i100

=0.1i

TAP HV ±5%

V 1pu=13.813.8

=1 pu

V 2pu=230230

=1 pu

St 1pu=S t1

Sbase

=2 pu

Para el Transformador 2:V b1t 2

=230KVV b2t 2

=69KVSt 2=200MVA

X%t2=10∗i100

=0.1i

TAP LV ±10%

V 3pu=230230

=1 pu

V 4 pu=6969

=1 pu

St 2pu=S t2

Sbase

=2 pu

Para las Líneas de Transmisión:V base line

=230KV

Zbaseline=

V baseline

2

Sbase

=529Ω

Y baseline= 1

Zbaseline

=1.89×10−3 S

Z sline=(0.1+0.5 i )∗150=15+75 i

X c=[ 1

(2π∗60∗8.2∗10−9 )∗150 i ]=−2.157 i ×103

Y c line= 1

Xc

=4.637 i ×10−4

-

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Zline pu=

Zsline

Zbase line

=0.028+0.142 i

Y linepu=

Y c line

Y baseline

=0.245 i

Para la Carga:fpload=0.8

Pload=100MWV load=69KV

Sload=Pload

fpload

=125MVA

Qload=Sload∗sin (acos (fpload))∗i=75 i MVA r

Sloa d pu=

S load

Sbase

=1.25

Ploa dpu=

Pload

Sbase

=1

Qloa dpu=

Qload

Sbase

=0.75 i

Para B1:

UI=14.813.8

=1.072 p .u .

Para B2:

UI=229.4230

=0.9974 p .u .

Para B3:

UI=215.7230

=0.9378 p .u .

Para B4:

UI=70.269

=1.0174 p .u .

4.2 Deduzca el modelo π de un transformador con intercambiador de taps y aplique dicho modelo a los transformadores del ejemplo analizado

El sistema magnético monofásico de la Fig. 4.2.1 contiene dos devanados concéntricos. Se puede observar las trayectorias del flujo dentro de la estructura magnética y la de los flujos de dispersión que se cierran a través del aire.

Figura 4.2.1: Núcleo Magnético con Devanados Concéntricos

En la Fig. 4.2.2 se muestra el circuito magnético de la estructura anterior, R1 y R2 son las reluctancias no-lineales que representan las secciones del núcleo magnético.

Figura 4.2.2: Circuito Magnético. Devanados Concéntricos

Los acoplamientos magnéticos a través del aire se representan con las reluctancias lineales R3 y R4. Las fuentes de corriente 1 y 2 representan los devanados primario y secundario respectivamente. Aplicando los criterios de dualidad se puede obtener el circuito eléctrico equivalente que se muestra en la Fig. 4.2.3. El circuito resultante es un esquema en “PI”

Figura 4.2.3: Circuito Equivalente Eléctrico PI

Figura 4.2.4: Transformador con tap

Figura 4.2.5: Transformador con tap con corrientes

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Para la obtención de las ecuaciones recurrimos a la ley de Ohm:

t 1 I 1=(V 1

t 1+V 2)∗Y

Al dividir para t1 se obtiene:

I 1=(Yt 12 )∗V 1−(Yt1 )∗V 2

Ahora la corriente I2 está establecida por:

I 2=(V 2−V 1

t1 )∗Y=V 2Y −Y∗V 1

t 1

Las ecuaciones se pueden escribir en forma matricial.

Se puede aplicar un modelo circuital de PI para las ecuaciones

Figura 4.2.6: Transformador con tap en modelo PI

Los valores de Y1 y Y2 están dados por:

Entonces los datos en el transformador serán.

Figura 4.2.7: Transformador con modelo Pi

CALCULO EN EL TRANSFORMADOR 1

Tap 5%

X t=10i100

=0.1 i

X tpu=X t( 13.813.8 )2

∗( 100200 )=0.05 i

Y t=1

X tpu

=−20 i

t= 95100

=0.95

Y 112=Y t( 1−t

t 2 )=−1.108i

Y 212=Y t( t−1t )=1.053 i

Y line=Y t

t=−21.053 i

Figura 4.2.8: Cálculo del Transformador 1 con tap en modelo PI

CALCULO EN EL TRANSFORMADOR 2

Tap 10%

X t 2=10 i100

=0.1i

X t 2 pu=X t( 230230 )2

∗(100200 )=0.05 i

Y t 2=1

X t2 pu

=−20i

t 2= 90100

=0.9

Y 134=Y t 2(1−t 2

t 22 )=−2. 496 i

Y 234=Y t ( t 2−1t 2 )=2 .222 i

Y line 2=Y t2

t 2=−22.222 i

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Figura 4.2.8: Calculo del Transformador 2 con tap en modelo PI

4.3 Calcule manualmente el valor del tap t2: plantear un voltaje 1,0<θ en la barra 4 y utilizar el modelo π del transformador. Compare los resultados con los obtenidos por medio de la simulación digital: voltajes de nodos (módulos y ángulos), flujos y pérdidas por las líneas y transformadores (en p.u. y en magnitudes reales)

Dada la ecuación:

Y el circuito de potencia:

Figura 4.3: Circuito establecido

Tabla N5: Datos del Transformador 2 con un voltaje en la barra 4 de 1 pu

Entonces tenemos que:

I b=Sbase

V base line

=0.435 pu

I 1t=0.30I b

=0.69 pu

I 2t=1.049

I b

=2.413 pu

[ I 1t

I 2t]=[−20 i

tt220itt

20 itt

−20i ] [ 11.06 ]tt=( I 2t

1−20)

−1

∗20=−1.137

t c=tt∗100+100=−13.718t c=13.7%

5 CONCLUSIONES

Los valores por unidad están dados por el cociente entre el valor que se mide en el flujo de carga y el valor nominal de dicha medida.La variación del tap del transformador de la barra 1 en efecto modifica la señal de salida resultante, sin embargo, hay que considerar si satisface con los valores que se solicita.Para modificar o regular la tensión en una barra o bus del Sistema siempre se debe tomar en cuenta los elementos más próximos a la barra o a la carga en este caso los transformadores con tap.

6 REFERENCIAS[1]. Enlace web:

http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/redelec91/redes2cap3.pdf

[2]. Enlace web: http://www.xm.com.co/MemoriasCapacitacionEMSA/Control_Voltaje/Control_Voltaje.pdf

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http://www.xm.com.co/MemoriasCapacitacionEMSA/Control_Voltaje/Control_Voltaje.pdf

http://www.xm.com.co/MemoriasCapacitacionEMSA/Control_Voltaje/Control_Voltaje.pdf



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