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Ing. Gustavo A. Ramos L. Ph.D.([email protected]) ML-319Profesor AsociadoDepartamento de Ingeniera Electrica y ElectrnicaFacultad de Ingeniera Universidad de Los Andes
SIMULACION DE SISTEMAS ELECTRICOS STRA-5428
APLICACIN AL ANLISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA
CASO DISTORSIN ARMNICA Y TRANSITORIOS ELECTROMAGNTICOS
ESPECIALIZACIN EN SISTEMAS DE TRANSMISIN Y DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA 2014-I
PROMOCIN 22
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CONTENIDO
Introduccin Tendencias en simulacin de sistemas Distorsin Armnica Transitorios electromagnticos Tcnicas de simulacin
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Simulacin de sistemas elctricos
Proceso de clculo que reproduce el comportamientoy los fenmenos que se presentan en un sistemaelctrico.
El modelo permite conocer la respuesta antecondiciones de funcionamiento normal o anmala.
On-Line vs. Off-Line: Anloga: modelo fsico reducido Digital: Solucin basada en mtodos numricos Hbrida: rene las capacidades de las anteriores
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C-HIL y P-HIL
Tomado de: IEEE Task force on Interfacing Techniques for Simulation Tools, Interfacing Issues in Real-Time Digital Simulators, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 26, No. 2, pp. 1221-1230, Ap. 2011
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ARQUITECTURATPICADEUNAIMPLEMENTACINHIL
Host PC
Softwarededicado
Monitoreo de Resultados
Generacinde cdigo
Planta
RT Target
Controlador
Seal de control
Salidas Planta
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Aplicaciones Electrnica de Potencia
Tomado de: IEEE Task force on Interfacing Techniques for Simulation Tools, Interfacing Issues in Real-Time Digital Simulators, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 26, No. 2, pp. 1221-1230, Ap. 2011
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Aplicaciones Coordinacin de Protecciones
Tomado: Ocnasu et al., Real-time hybrid facility for the study of distributed power generation systems, Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N3 (2008) 343 356.
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MPPTCarga Batera
8 Emulacin de un sistema fotovoltaico
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Caso: redes de distribucin activas
Tomado de: Yaman, Li, Belanger et al, Smart Grid Laboratory IECON 2011
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P-HIL Amplificador de Potencia
Tomado de: Yaman, Li, Belanger et al, Smart Grid Laboratory IECON 2011
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Estudios de sistemas elctricos
Rgimen Permanente: Flujo de carga Cortocircuito Propagacin distorsin armnica Fenmenos instantneos (sags) ms-s
Rgimen Transitorio: Transitorios lentos (control tensin, frecuencia) s-h Transitorios electromecnicos (oscilaciones electromecnicas) ms-s Transitorios electromagnticos (oscilaciones electromagnticas) ns-
ms
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DISTORSIN ARMNICA
Aumento de cargas no lineales (conversin AC-DC) en sistema de potencia.
Beneficio de conversin de energa por medio de semiconductores.
La conversin de energa distorsiona la onda de corriente a la entrada.
UN REA DEL ANLISIS DE SISTEMAS DE POTENCIA QUE ESTUDIA LOS EFECTOS DE LA CORRIENTE Y VOLTAJE NO SINUSOIDAL EN LOS SISTEMAS ELCTRICOS.
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DISTORSIN ARMNICA13
SERIES DE FOURIER Toda forma de onda peridica puede ser
representada como una serie infinita de funciones senos y cosenos relacionadas armnicamente
Forma trigonomtrica
Forma exponencial
tnbtnaatx nn 000 coscos
tjnnectx 0
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Representacin Onda Cuadrada
Wavemaker
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DEFINICIONES
TRMS dttvTV 021
222
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2 ... NDCRSS VVVVV
RMS: root of the mean of the square. Forma Integral
RMS: root of the mean of the square. Forma Discreta
RSS: root sum square.
N
nRMS NnvV
1
2 /
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POTENCIAS
S60= P60 + jQ60 = V60* I60*
Sh= Ph + jQh = Vh* Ih*
SRMS= VRMS* IRMS
PRMS= P60+ P120 + P180 + P240 ++ P3000
QRMS= Q60+ Q120 + Q180 + Q240 ++ Q3000
SRMS= PRMS+ jQRMS
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222
222
QPSD
SENIVQ
DQPS
KKKK
POTENCIAS18
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FACTOR DE POTENCIA
TOTAL VS. DESPLAZAMIENTO
pfTOTAL= pfRMS = cos(ATAN(QRMS/PRMS))
pfDESP= pfFUND = cos(ATAN(QFUND/PFUND))
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FACTOR DE POTENCIA20
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INDICADORES DE DISTORSIN
1
2
2
M
MTHD
MAXh
hh
21
1
2 1 THDMMRMSMAXh
hh
Hh
pu
H
hpu
I
hIK
1
2
1
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Fuentes de Armnicos
Comerciales: Fuentes monofsicas Iluminacin fluorescente ASD para aire acondicionado y ascensores
Industriales: Conversores trifsicos. Dispositivos de arco. Dispositivos saturables.
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Fuentes (SMPS)23
Conversores ac/dc24
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GENERACIN DE ARMNICOS
EQUIPOS FACTOR K
THD (%)
CONVERSOR 6 PULSOS 5,7 22,5
ASD 8,8 37,7
DRIVE DC 4,8 35,8
ILUMINACIN FLOURESCENTE
2,0 21,5
FUENTES MODO CONMUTADO
12,3 77,3
25
25
COMPONENTES DE SECUENCIA
ORDEN FRECUENCIA SECUENCIA1 60 +3 180 05 300 -7 420 +9 540 011 660 -13 780 +15 900 017 1020 -19 1140 +
SISTEMA BALANCEADO
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26
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CONDICIONES DE RESONANCIA
Otras cargas
Ih
IhIhIhIh
Flujo Normal de Armnicos
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Xc: Reactancia del condensador Xsc: Reactancia de cortocircuito del sistema MVAsc:MVA de cortocircuito del sistema Mvarcap:Capacidad en Mvar del banco de condensadores KVAtx: Capacidad en KVA del transformador reductor Ztx: Impedancia del transformador kvarcap: Capacidad en kvar del banco de condensadores
%var100
var
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txcap
TX
cap
SC
SC
cr
r
ZkKVA
MMVA
XX
h
LCf
CONDICIONES DE RESONANCIA28
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TRANSITORIOS ELECTROMAGNETICOS29
TRANSITORIOS ELECTROMAGNETICOS
Fenmeno que parte del cambio sbito de una variable y que desaparece durante la transicin de una condicin de operacin en estado estable a otra.
Surge Modo Normal y Comn IMPULSOS OSCILATORIOS
Maniobras Conexin: RC, RL, RLC. Maniobras Desconexin: RC, RL, RLC. Despeje de fallas:
Instante del corto: Asimetra Voltaje de recuperacin: TRV
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Transitorios Tipo Impulso
Impulso Rampa Duracin
Nano 5 ns 1 ms
Es un fenmeno repentino a unafrecuencia diferente a la del sistema enestado estable de la tensin, corriente oambos, es unidireccional en su polaridad(negativos o positivos).
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Transitorios Tipo Oscilatorio
Espectro Duracin
Baja frec
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Representacin Equivalente
Parmetros RLC: RI2, CV2, LI2 La gran mayora de componentes elctricos tiene los 3 parmetros. En estado estable uno domina, en estado transitorio difiere.
Balance de energa En estado estable: un circuito DC almacena energa, un circuito AC
la transfiere cclicamente entre L y C. Ante cambios sbitos se redistribuye la energa, lo cual no puede
ocurrir instantneamente: Cambio de campo magntico implica cambio en corriente (L), Cambio
instantneo de corriente- voltaje infinito. Cambio de campo elctrico implica cambio en voltaje (C), Cambio
instantneo de voltaje- corriente infinita. Conservacin de energa: la tasa de energa suministrada es igual a la
tasa de energa almacenada mas la tasa de disipacin de energa.
Transformada de LaplaceAnlisis transitorio en circuitos elctricos se realiza con ecuaciones integro-diferenciales.La transformada de Laplace convierte las ecuaciones en expresiones diferenciales.
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Componente transitoria
Circuito RC:
Circuito RL:
Circuito LC:
RCt
e
LRt
e
21
21
LCjt
LCjt
ee
-Circuito RC y RL tienen constante de tiempo RC y L/R respectivamente
-Circuito LC no tiene constante de tiempo, pero tiene una frecuencia natural de oscilacin de 2(LC)-1/2
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Circuito RC
U
)()()(0
0 tueVVVtvtt
c
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Desarrollo circuito RC con fuente DC
RCtRCt
eVVVV
AeVV
kRCtVV
RCdt
VVdV
dtdVc
dtdQI
VdtdVRCV
IdtC
IRV
)0(
)ln(
1
11
1
1
1
1
1
11
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Circuito RL
U
)()()(222
senetsenLRVmti L
Rt
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Desarrollo circuito RL con fuente AC
2222
2222
222
cos1)(
0)0(
cos)0()()(
cos
sssen
sLRsLVsi
IParasssen
sVLIsLsisRi
tSenVVdtdILRI
LRR
ZR
m
m
m
)()()(222
senetsenLRVmti L
Rt
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Generacin de Transitorios
MANIOBRAS GENERADORES, MOTORES MANIOBRA DE BANCOS DE CONDENSADORES.
ENERGIZACIN CORRIENTE INRUSH (f1) BANK TO BANK (f1-f2) MAGNIFICACIN (f1-f2)
DESENERGIZACIN (f1) FALLAS EN EL SISTEMA DE POTENCIA
Despeje de fallas. TRV f1 o f1-f2 MANIOBRAS DE TRANSFORMADORES
ENERGIZACIN FERRORESONANCIA
DESCARGAS ATMOSFRICAS.
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MANIOBRA BANCO DE CONDENSADORES
Voltaje en t =0 es cero y no puede cambiar instantneamente.
El voltaje del sistema del banco tiende a cero y sube al momento de carga del condensador, oscilando a la frecuencia natural del sistema.
Valores entre 1 y 2 p.u.
En sistema de distribucin 1,3 p.u.
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Inrush Current- 1 frecuencia
Valores entre 1 y 2 p.u.
En sistema de distribucin 1,3 p.u.
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Inrush Current-Damping
Factor de amortiguamiento: =Zo/RZo= (L/C)1/2
>1/2: sub amortiguado=1/2: crticamente amortiguado
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Inrush Current- 2 frecuenciasBack-to-Back capacitor switching
F1F2
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MAGNIFICACIN EN LA MANIOBRA DEL BANCO DE CONDENSADORES
Interaccin con el banco de condensador y el transformador del usuario.
Puede generar sobrevoltajes entre 3 y 4 p.u.
asd report.pdf
imagen tomada de: PQGroup Case History, Utility Capacitor Switching Causes Nuisance Tripping of ASD, TG11049, January 28, 2000
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Caso Electrotek
f1
f2
f1=f2
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Caso Aplicacin: Magnificacin de Voltaje46
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Caso Aplicacin: Magnificacin de Voltaje47
Voltaje de Recuperacin TransitorioTRV 1 frecuencia- Desarrollo Laplace
tCostCosVtVVConV
ssVsVVsVsVs
tCosLCV
LCV
dtVd
dtdVCI
tCosVVdtdIL
mC
CC
mCCCC
mCC
CC
mC
0220
20
2220
20
2
2
)(
0)0(0)0(
)()0()0()(
Como 0>>, entonces:02/(02- 2)=1 y cos t=1Vc(t)=Vm[1-Cos0t]
imagen tomada de: D.L. Swindler, P. Schwartz, P.S. Hamer, S.R. Lambert, Transient Recovery Voltage Considerations in theApplication of Medium-Voltage Circuit Breakers, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 33, No. 2, pp.383-388, March- April 1997
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Voltaje de Recuperacin Transitorio-TRV
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=VC-PvBdM63Y
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