En el contenido de este trabajo encontraremos como es el comportamiento de la tensión con respecto a la variación de la potencia reactiva en las cargas del sistema eléctrico de potencia de la ciudad de Pereira en una hora pico momento en el cual el sistema se encuentra más exigido lo que nos permitirá tener una visión general de cómo es el comportamiento de los diferentes elementos que conforman el sistema eléctrico de potencia en términos de su cargabilidad y estabilidad

Castro Rodríguez, Edgar Rafael

Repositorio academico de la Universidad Tecnológica de Pereira

    Sistemas Eléctricos de Potencia. Variación de tensión con respecto a la potencia reactiva. Electrical Power Systems. Voltage Variation in Regard to Reactive Power.  Edgar Rafael Castro Rodriguez Tecnología Eléctrica, Universidad tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia. ercastro@utp.edu.co  Resumen- En el contenido de este trabajo encontraremos como es el comportamiento de la tensión con respecto a la variación de la potencia reactiva en las cargas del sistema eléctrico de potencia de la ciudad de Pereira en una hora pico momento en el cual el sistema se encuentra más exigido lo que nos permitirá tener una visión general de cómo es el comportamiento de los diferentes elementos que conforman el sistema eléctrico de potencia en términos de su cargabilidad y estabilidad.  Palabras clave—Potencia activa, Potencia reactiva, Tensión, Cargabilidad, Carga.   Abstract— In this research we found how the voltage behavior is in regard to reactive power in electrical power system charges of Pereira city in rush time, in this specific time the system is more demanded of using, then we are able to have general vision about the all elements of the electrical power system in terms of its chargeability and its stability.  Key Word — Reactive power, Active power, Voltage, Chargeability, Charge.   I. INTRODUCCIÓN  El sistema eléctrico de potencia es un conjunto de elementos que tiene como fin generar, transformar, transmitir, distribuir y consumir la energía eléctrica de tal forma que se logre la mayor calidad al menor costo posible [1].  Un sistema eléctrico de potencia consta de plantas generadoras que producen la energía eléctrica consumida por las cargas, una red de transmisión y de distribución para transportar esa energía de las plantas a los puntos de consumo, así como el equipo adicional necesario para lograr que el suministro de energía se realice con las características de continuidad de servicio, regulación de tensión y control de frecuencia requeridas [1].  La carga de un sistema está constituida por un conjunto de cargas individuales de diferentes tipos, industrial, comercial y residencial. En general, una carga absorbe potencia activa y potencia reactiva; es el caso de las cargas con dispositivos de estado sólido, por ejemplo. Las cargas puramente resistivas absorben únicamente potencial activa. De aquí que las cargas de un sistema eléctrico también se clasifiquen en lineales y no lineales. [1] El análisis de los sistemaseléctricos de potencia son de mucha importancia con el fin de garantizar la operación normal del sistema y de prevenir fallas dentro del sistema o mejorar condiciones que puedan llevar al sistema a los límites de operación de algunos de sus elementos, también se pueden utilizar estos análisis con fin de planear su operación futura. En este trabajo se realiza un análisis de un sistema de potencia el cual involucra al sistema de transmisión y de generación de energía. En particular se analiza el impacto en la tensión del sistema producido por el consumo de potencia reactiva en las cargas.    II. CONTENIDO   Este trabajo se presenta en 5 secciones:  1. Estabilidad en un sistema electico de potencia 2. Curvas Q-V 3. Metodología 4. Sistema de prueba 5. Resultados  6. Conclusiones  7. Referencias          2 1. Estabilidad de unSistema Eléctrico de Potencia.  La estabilidad de los sistemas eléctricos de potencia está ligada a la relación generación-consumo y a las pérdidas de energía dentro del sistema  La estabilidad de la tensión es la capacidad que tiene el sistema para permanecer en niveles de tensión adecuados bajo operación normal o bajo condiciones de fallaen el sistema. Las anomalías dentro del sistema generan variaciones de los parámetros básicos de la electricidad como lo son la potencia, la tensión, la corriente y la frecuencia, generando cambios en la magnitud o alterando el ángulo de fase de la tensión. El ángulo de fase se ve más afectado por el cambio de la potencia activa mientras que sumagnitud se ve más afectada por el cambio de potencia reactiva lo que genera enlaces fuertes y enlaces débiles entre ángulo de fase, tensión, potencia activa y potencia reactiva, por lo cual nos centraremos en el enlace fuerte que existe entre la magnitud de la tensión y la potencia reactiva [2].  La estabilidad de la tensión se mantiene principalmente con los niveles adecuados de potencia reactiva en los nodos con carga esto evita la aproximación de las magnitudes de la tensión a los límites de operación, los niveles de operación deben mantenerse fijos para evitar que el elemento alcance puntos críticos que puedan llevar a un colapso [2].   2. Curvas Q-V.  Las curvas Q-V se utilizan para determinar los márgenes de potencia reactiva de una barra específica y también para encontrar el nivel de tensión al cual ocurre el colapso de tensión en ese nodo. Esta curva se realiza haciendo un barrido de tensión en la barra bajo estudio [3].  Figura 1. Curva Q-V para un nodo del sistema • A corresponde a tensión nominal y el consumo de potencia reactiva igual a cero. • B corresponde al punto de operación de una carga inicial • C corresponde al punto máximo de cargabilidad El estudio de estas curvas se basa en interpretar el colapso de tensión como un indicador de que existe un inadecuado balance de potencia reactiva en uno o más nodos de un sistema [3].  Es importante tener en cuenta que en la curva Q-V, la variable independiente es latensión, y la variable dependiente es la potencia reactiva.Las curvas Q-V se construyen simulando un generador síncrono en el nodo de estudio, este generador no tendrá límites de potencia reactiva [3].  3. Metodología. Para el desarrollo de todo el análisis se tomó el caso base del sistema eléctrico de potencia de la ciudad de Pereira  a las 19:30, teniendo ya un punto de partida se empezó a variar la potencia reactiva en los nodos que tuvieran carga, incrementado y disminuyendo la potencia reactiva hasta que todo el sistema colapsara por completo, este procedimiento se hizo individualmente para todas las cargas, este proceso fue posible gracias a software NEPLAN que nos permite simular el funcionamiento de un sistema eléctrico de potencia. La variación se fue dando, de manera tal que la resolución de los datos fuera la mejor, para ello se incrementó o redujo de potencia reactiva en valores de 1MVAR una vez distanciados alrededor de 200MVAR del el punto de operación, la variación aumento a 2MVAR luego a 5MVAR y por último a 10MVAR hasta que el sistema colapsara, y cada vez que se hacía una variación de potencia reactiva en la carga se registraban en tablas lo resultado arrojados por el simulador, haciendo a si un que la cantidad de datos fuera considerable. Una vez se terminó el proceso de recolección de datos se clasificaron los mismos y luego se graficaron, en la Tabla 1. Se puede apreciar que el nodo Ventorrillo_13.2 es el que hace que el sistema colapse por completo a menor variación de potencia reactiva reflejando así que el sistema es altamente sensible a esta carga. Por ende nos centraremos en analizar el comportamiento del sistema desde este nodo específico.  En cuanto a las gráficas utilizaremos en concepto de las gráficas Q-V para los diferentes elementos que conforman el sistema elementos tales como: líneas, nodos, trasformadores, generadores, entre otros. Para esto nos apoyaremos en el software MATLAB®.   Universidad Tecnológica de Pereira.  3 NODOS  Consumo de MVAR Punto de operación Inyección de MVAR Cuba_13,2 79 10,4 -3837 Doquebradas_33 295 2,4 -8180 Doquebradas_13,2  52 9.64  -6766  Naranjito_13,8 18 2,83 -3808 Rosa_33 434 1,48 -17900 Pavas_13,6 146 1,17 -5969 Ventorrillo_13,2 61 3,9 -2688 Ventorrillo_33 204 3,62 -7493 Centro_13,2  59  5.18 -3640  Tabla 1. Tabla de colapsos por consumo o por inyección de MVAR  4. Sistema de prueba.  El sistema de prueba es el sistema eléctrico de la ciudad de Pereira, este está conformado por: 13 líneas de transmisión que operan a 115kV, 33kV, 13.8kV y 13.2kV,  20 barras con niveles de tensión de 115kV, 33kV, 13.8kV y 13.2kV, 15 transformadores de 115kV-13.8kV, 33kV-13.2kV, 115kV-33kV y 33kV-13.8kV, sistema cuenta con 4 generadores, que se distribuyen en 2 generadores locales y 2 generadores externos. En la Figura 1 se muestra el diagrama del sistema eléctrico de la ciudad de Pereira, en este diagrama se puede observar la distribución de todos los elementos dentro del sistema.   Figura 2. Diagrama sistema eléctrico de la ciudad de Pereira.  5. Resultados.  Se presentan las gráficas más relevantes para cada uno de los elementos y nodos del sistema, a la vez que se muestran las menos relevantes para dichos elementos.Esto con el fin de tener un contraste entre elementos con alta sensibilidad y baja sensibilidad dentro del sistema. Los datos presentados en las gráficas correspondientes a las líneas de transmisión son un porcentaje de cargabilidad respecto a una variación de la potencia reactiva (MVAR). El punto de operación admisible para una línea de transmisión es menor o igual al 100%. Líneas Consumo de MVAR Punto de operación Inyección de MVAR LBE-CU32 18.12 17.18 12.84 CA-PA115 23.39 21.13 23.84 LDQ-CU33 112.39 52.98 24.38 LDQ-ROS15 10.16 33.64 200.73 LDQ-CENT33 59.68 47.41 52.49 LLIB-VEN32 94.88 57.5 15.1 LCU-NA33 71.54 66.66 355.76 LNA-VENT33 29.75 20.68 346.89 PA_DQ115 20 17.72 22.89 LCU-ROS15 99.14 71.93 146.09 LROS-CEN33 78.24 66.89 80.38 DQ-VE33 234.43 81.1 1108.15 RO-VE33 98.98 9.72 755.01 Tabla 2. Tabla de comportamientos de las líneas respecto a la variación de potencia reactiva  Los valores coloreados de rojo en la Tabla 2 corresponden a aquellos elementos que salen de su umbral de operación sean por adsorción o por inyección de potencia de potencia reactiva    4  Figura 3. Gráfica de comportamiento de la línea DQ-VE33. En la Figura 2 podemos apreciar como el punto de operación está señalado por la línea azul, que mientras absorbe alcanza el valor 17MVAR y admite una inyección de potencia reactiva de 109MVAR, esto sin superar el límite de cargabilidad,siendo esta una sensibilidad muy alta dado a que la línea se encuentra cerca de del el nodo donde se está variando la potencia reactiva.  Figura 4. Gráfica de comportamiento de la línea CA-PA115. En la Figura 3 podemos apreciar como la variación de la cargabilidad en términos de la potencia reactiva, es muy bajo,alcanzando apenas un 6% durante todo el barrido de potencia reactiva lo que determina que su sensibilidad es muy baja para el nodo de Ventorrillo a 13.2 (VE-13.2). Los datos presentados en las gráficas correspondientes a los nodos representan el porcentaje cargabilidad con respecto a una variación de la potencia reactiva El punto de operación admisible para un nodo esta entre 105% y 95%. Nodos Consumo de MVAR Punto de operación Inyección de MVAR BE_13,2 96.31 101.58 136.04 BE_2,4 93.9 99.04 132.66 CA_115 101.87 101.87 101.87 CE 94.77 99.74 133.11 CE_13,2 96.86 102.17 137.51 CU_115 97.52 98.22 102.42 CU_13,2 94.52 99.88 134.78 CU_33 96.14 101.28 135.14 DQ_115 100.12 100.49 102.71 DQ_13,2 94.62 100.72 140.45 DQ_33 92.71 98.09 133.85 LIBARE 61.46 101.42 386.25 NA_13,8 78.05 102.31 157.89 NA_33 87.52 97.14 159.61 PA_115 100.94 101.12 102.21 PA_13.6 103.32 103.5 104.63 R_115 100 100 100 R_33 97.95 102.33 132.32 VE_13,2 58.73 99.72 385.79 VE_33 86.06 98.48 181.94 Tabla 3. Tabla de comportamientos de los nodos respecto a la variación de potencia reactiva Los valores coloreados de rojo en la Tabla 3 corresponde aquellos elementos que salen de su umbral de operación sean por adsorción o por inyección de potencia de potencia reactiva  Figura 5. Gráfica de comportamiento del nodo VE-13.2.  Universidad Tecnológica de Pereira.  5 La figura 4 corresponde al comportamiento del nodo VE-13.2 y como era esperar es el nodo donde la cargabilidad se ve más afectada por la variación de la potencia reactiva.Puesto que, es desde la carga de este nodo donde estamos llevando a cabo todo el análisis, y por ende la variación,el nodo permanece estable hasta que consume 14MVAR y cuando se inyecta 9MVAR esto refleja lo sensible que es este nodo con respecto a la variación de potencia reactiva.  Figura 6. Gráfica de comportamiento del nodo DQ-115. La figura 5 corresponde al comportamiento del nodo DQ-115, en el cual la variación de la cargabilidad no supera el 3%, lo que demuestra la baja sensibilidad que presenta este nodo cuando se presentan variaciones de potencia reactiva en el nodo de VE-13.2 Los datos presentados en las gráficas correspondientes a los transformadores representan el porcentaje cargabilidad con respecto a una variación de la potencia reactiva El punto de operación admisible para una línea de transmisión es menor o igual al 100%. Transformadores Consumo de MVAR Punto de operación Inyección de MVAR TBE1 33.27 31.55 23.57 T1CENT 55.82 52.84 40.86 T3CU 105.33 76.42 155.21 T2CU 62.93 59.22 42.71 T1CU 63.14 59.42 42.86 T3 28.48 45.27 311.12 T1 71.12 66.15 46.63 T2 30.5 49.43 335.53 T1NA 100.46 87.69 49.66 T1PA 6.01 6.01 5.95 T2LAR 87.25 45.78 299.58 T1LAR 91.23 47.86 314.16 T3VEN 320.53 27.92 2157.63 T1VEN 315.51 27.48 2123.87 T2VEN 240.02 20.9 1615.87 Tabla 4. Tabla de comportamientos de los transformadores respecto a la variación de potencia reactiva  Los valores coloreados de rojo en la Tabla 3 corresponde aquellos elementos que salen de su umbral de operación sean por absorción o por inyección de potencia de potencia reactiva  Figura 7. Gráfica de comportamiento al transformador T3VEN. La figura 5 corresponde al comportamiento del transformador 3 de Ventorrillo (T3VEN), se puede apreciar como a partir de la potencia reactiva alcanza el valor de 27MVAR en absorción el transformador pasa de su punto de operación al igual que cuando se inyectan 36MVAR   Figura 8. Gráfica de comportamiento al transformador T1PA.    6 La figura 7 corresponde al comportamiento del transformador 1 Pavas (T1PA), se puede apreciar como la variación que presenta en su cargabilidad es de 0.07%, lo que indica que este elemento no compromete en absoluto con respecto a las variaciones que se den la carga de Ventorrillo_13.2. 6. Conclusiones  • Pudimos apreciar como los elementos más cercanos a la carga en la que se hace la variación de la potencia reactiva son los más sensibles a los cambios de su cargabilidad. • Evidenciamos como los elementos salen de su punto de operación con menor variación de potencia reactiva, cuando la carga absorbe MVAR, a diferencia de cuando le son inyectados los mismos. • Determinamos que el sistema en general soporta en mayor medida, la inyección de potencia reactiva. • Destacamos la importancia que tiene la potencia reactiva con respeto a la cargabilidad, lo que en sí, representa el cambio de magnitud de la tensión, lo cual confirmar la relevancia de mantener la potencia reactiva en valores fijos, para garantizar la estabilidad del sistema.   7. Referencias  [1]http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/293/A4.pdf?sequence=4 [2] http://159.90.80.55/tesis/000133633.pdf [3]http://fglongatt.org/OLD/Archivos/Archivos/SP_II/Captiulo5.pdf [4]https://manautomata.files.wordpress.com/2012/10/stivenson3.pdf [5]http://fglongatt.org/OLD/Archivos/Archivos/SP_I/PPT-IntroSP.pdf             

Sistemas eléctricos de potencia. Variación de tensión con respecto a la potencia reactiva

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