9.

SISTEMAS DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD Y DE CONTROL DE TURBINAS Fuentes de Energía Primaria. • Energía cinética del agua • Energía térmica derivada de combustibles fósiles o de la fisión nuclear.

Generador sincrónico

Turbina

Energía Mecánica

Energía Eléctrica

El conjunto turbina - sistema de regulación de velocidad provee un medio para controlar la frecuencia y la potencia.

Figura 9.1: Diagrama funcional de un sistema de generación de potencia y sus sistemas de control. Se analiza el comportamiento de unidades térmicas, hidráulicas, turbogas y de ciclo combinado en la regulación de velocidad primaria de frecuencia.

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9.1. Turbinas hidráulicas y sus sistemas de regulación de velocidad El desempeño de una turbina hidráulica está influenciado por las características de la columna de agua que alimenta la turbina, incluyendo el efecto de: • La inercia del agua • La compresión del agua • La elasticidad de las paredes de la tubería de presión. La inercia del agua provoca retardo en los cambios en el flujo de agua ante cambios en la apertura de los distribuidores. El efecto de la elasticidad es provocar ondas viajeras de presión y flujo en la tubería fenómeno conocido como golpe de ariete. 9.1.1. Función de transferencia de la turbina hidráulica

Figura 9.2: Esquema de una central hidráulica [II.1]. La representación de la turbina hidráulica y de la columna de agua en los estudios de estabilidad se realiza en base a: • La resistencia hidráulica es despreciable. • La tubería de presión es inelástica y agua incompresible. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-2 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• La velocidad del agua varía directamente con la apertura del distribuidor y con la raíz cuadrada del salto neto, ecuación (9-1). • La potencia de salida de la turbina es proporcional al producto del salto y del flujo del volumen de agua, ecuación (9-3). Las características de la turbina y de la columna de agua se determinan con las siguientes ecuaciones: a) velocidad del agua en el tubo de presión

U = K uG

H

(9 − 1)

donde U: G: H: Ku:

velocidad del agua posición del distribuidor salto constante de proporcionalidad

para pequeños desplazamientos

∆U =

∂U ∂U ∆H + ∆G ∂H ∂G

calculando las derivadas parciales y dividiendo por Uo, valor inicial de estado estacionario

∆U ∆H ∆G = + U 0 2 H 0 G0

o

∆U =

1 ∆H + ∆G 2

(9 − 2)

b) Potencia mecánica de la turbina

Pm = K p HU

(9 − 3)

linealizando para pequeñas variaciones y normalizando con Pm0 ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-3 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

∆Pm ∆H ∆U = + Pm 0 H0 U0 o

∆ Pm = ∆ H + ∆ U

(9 − 4)

substituyendo ∆U desde la ec.(9.2)

∆Pm = 1.5∆H + ∆G

(9 − 5A )

o substituyendo ∆H desde la ec.(9.2)

∆Pm = 3∆U − 2∆G

( 9 − 5B )

c) La aceleración de la columna de agua ante cambios en el salto (2da ley del movimiento de Newton)

(ρLA) d∆U dt

donde L: A: ρ: ag: ρLA: ρag∆H:

= − A (ρa g )∆H

( 9 − 6)

largo del conducto área de la tubería de presión densidad aceleración de la gravedad masa de agua en el conducto cambio incremental en la presión sobre el distribuidor

Normalizando

∆H LU 0 d  ∆U    = − a g H 0 dt  U 0  H0 o

Tw

d∆U = − ∆H dt

(9 − 7)

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La presión aplicada al final de la tubería al cerrar el distribuidor hace que el agua sea desacelerada, un cambio positivo de presión produce un cambio negativo en la aceleración. Con

Tw =

LU 0 ag H0

(9 − 8)

Tw constante de tiempo inicial o de arranque del agua. Representa el tiempo que requiere el salto H0 para acelerar el agua en la tubería desde estado estacionario a una velocidad U0. Tw varía con la carga. Valores típicos son 0.5 s < Tw < 4 s

a plena carga

Reemplazando de la ecuación (9-2)

Tw

d∆U = 2(∆G − ∆U ) dt

( 9 − 9)

aplicando transformada de Laplace

Tw s∆U = 2(∆G − ∆U ) o

∆U =

1 ∆G 1 1 + Tw s 2

( 9 − 10)

substituyendo y reordenando se obtiene la función de transferencia de ec. 9-5B

∆Pm 1 − Tw s = ∆G 1 + 1 T s w 2

(9 − 11)

que representa la función de transferencia clásica de una turbina hidráulica sin pérdidas. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-5 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Muestra como la potencia mecánica entregada por la turbina varía en respuesta a cambios en la apertura del distribuidor para un sistema ideal sin pérdidas. Presenta un cero en el semiplano derecho mínima.

es un sistema de fase no

Turbina no ideal La función de transferencia de la turbina no ideal se puede obtener considerando las siguientes expresiones generales:

∆U = a11∆H + a12 ∆ ω + a13 ∆G

(9 − 12)

∆Pm = a21∆H + a22 ∆ ω + a23 ∆G

(9 − 13)

La desviación de velocidad ∆ω es muy pequeña particularmente cuando la unidad está sincronizada en un sistema interconectado, entonces

∆ U = a11 ∆ H + a13 ∆ G

( 9 − 14 )

∆ Pm = a 21 ∆ H + a 23 ∆ G

( 9 − 15 )

Los coeficientes a11 y a13 son derivadas parciales del flujo respecto al salto y a la apertura del distribuidor, a21 y a23 son derivadas parciales de la salida de potencia de la turbina respecto al salto y a la apertura del distribuidor. Dependen de las condiciones de carga de la máquina y pueden ser calculadas para un punto dado de operación. Varían considerablemente con el tipo de turbina. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-6 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Operando con las ecuaciones (9-14) y (9-15) se obtiene la función de transferencia

∆Pm 1 + (a11 − a13 a21 a23 )Tw s = a23 ∆G 1 + a11Tw s

(9 − 16)

Tabla de valores típicos de los coeficientes para una turbina Francis de una unidad de 40 MW. En una turbina Francis ideal sin pérdidas a11=0.5, a13 =1., a21=1.5 y a23=1. Características especiales de las turbinas hidráulicas La función de transferencia clásica de una turbina hidráulica corresponde a un sistema de fase no mínima, tiene un cero en el semiplano derecho del plano s. Esta característica se puede observar analizando la respuesta a un cambio escalón en la posición del distribuidor. Aplicando el teorema del valor inicial:

∆Pm (0) = lim s s→ ∞

1 1 − Tw s = −2.0 s 1 + 0.5Tw s

y el teorema del valor final

∆Pm ( ∞ ) = lim s s→ 0

1 1 − Tw s = 1.0 s 1 + 0.5Tw s

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La respuesta temporal está dada por

[

]

∆Pm ( t ) = 1 − 3e − (2 T )t ∆G w

Se observa que la ∆Pm inicial es opuesta a la dirección en el cambio de la posición del distribuidor. La apertura no produce un cambio inmediato en el flujo de agua debido a su inercia, sin embargo la presión en la turbina se ve reducida causando una reducción de potencia mecánica.

Figura 9.3: Cambio de Pm en la turbina ante un cambio escalón en la posición del distribuidor.

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Figura 9.4: Respuesta de una turbina hidráulica ante cambios escalón y rampa en la posición del distribuidor con Tw=1.0 s. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-9 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

La ecuación 9.16 representa el modelo lineal aplicable a: • Estudios de estabilidad de pequeña señal. • Sintonización del sistema de control. • Gracias a su simplicidad aporta una visión de sus principales características. Prabha Kundur en 9.1.2. de “Power System Stability and Control” describe el modelo no lineal de las turbinas hidráulicas. En estudios que involucren grandes variaciones en la potencia de salida y de la frecuencia puede ser más conveniente utilizar el modelo no lineal. estudios de estabilidad de frecuencia. 9.1.2 Regulación de velocidad en turbinas hidráulicas • La regulación de velocidad en máquinas hidráulicas involucra la realimentación del error de velocidad para generar una acción de control que actúa sobre la posición del distribuidor. • Para asegurar una operación estable y paralela de múltiples máquinas los reguladores de velocidad están provistos con una característica de estatismo de estado estacionario (estatismo permanente R). Los valores típicos de estatismo permanente son del orden del 5%, una variación de velocidad del 5% causa un cambio del 100% en la posición del distribuidor o en la potencia de salida ganancia=20. Para una turbina hidráulica, un regulador de velocidad sólo con estatismo permanente podría no ser satisfactorio. Ejemplo: La turbina es representada por el modelo ya visto y el regulador de velocidad con una ganancia KG=1/R. El generador es representado por un retardo de primer orden cuya constante de tiempo es función de la inercia de las masas rotantes del generador y de la turbina. Ecuación de movimiento con TM=2H.

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Realizando el análisis de estabilidad de este modelo lineal aplicando la técnica del lugar de las raíces se determina que R>0.2 para que el sistema sea estable R>20%, para los valores típicos el sistema es inestable.

Figura E9.2: Diagrama de bloques simplificado del control de velocidad una central hidráulica con una carga aislada . En turbinas hidráulicas es necesario también incluir un estatismo transitorio para asegurar el comportamiento estable para los valores pequeños de estatismo permanente. Esto se logra con una reducción de ganancia transitoria a través de un lazo menor de realimentación. La realimentación retarda o limita el movimiento de la compuerta hasta que el flujo de agua y la potencia de salida tienen tiempo de crecer.

Figura 9.8: Regulador de velocidad con estatismo transitorio. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-11 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Con este esquema se consigue un estatismo grande (baja ganancia) para desviaciones rápidas de frecuencia y un estatismo normal (alta ganancia) en estado estacionario. Además asegura una regulación de velocidad estable en operación aislada. Como consecuencia la respuesta de la unidad ante cambios en la frecuencia es relativamente lenta. Regulador de velocidad mecánico-hidráulico • Utilizado en unidades viejas. • El censado de la velocidad, la realimentación con estatismo permanente y funciones de cálculo son provistas por elementos mecánicos. • Las funciones que involucran potencias mayores son realizadas por componentes hidráulicos (amplificador), por ejemplo para el movimiento de compuertas. • Se utiliza un amortiguador (dashpot) para proveer la compensación de estatismo transitorio. La función de transferencia entre la válvula y el servomotor de la compuerta es:

g K = 1 a s

( 9 − 37 )

la función de transferencia entre la válvula del piloto y el servomotor del piloto es:

a K2 = b 1 + sT p

( 9 − 38 )

donde K2 está determinada por la relación de los brazos de palanca, combinando se obtiene:

g K1 K 2 Ks = = b s (1 + sTp ) s (1 + sTp )

(9 − 39)

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donde Ks es la ganancia del servo y Tp la constante de tiempo del servo de la válvula piloto. Asumiendo que el fluido del amortiguador que fluye a través de la válvula de aguja es proporcional a la presión del amortiguador resulta:

d sTR = RT 1 + sTR g

( 9 − 40)

Figura 9.9.: Esquema de un regulador mecánico-hidráulico de una turbina hidráulica. El estatismo transitorio RT está determinado por la relación de brazos de palanca, y el tiempo de reset TR (tiempo que demora el estatismo en variar de RT a RP) está determinado por el ajuste de la válvula. • El agua no es un fluido muy compresible, si la compuerta se cierra muy rápido la presión resultante puede dañar la tubería por ello se limita la velocidad de movimiento de la compuerta. • También se limita la posición de totalmente cerrada a totalmente abierta. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-13 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• También se incluye una banda muerta.

Figura 9.10: Diagrama de bloques del regulador de velocidad de una unidad hidráulica, utilizado en estudios de estabilidad. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-14 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Regulador de velocidad electro-hidráulico • Los modernos reguladores de velocidad para turbinas hidráulicas utilizan sistemas electro- hidráulico. • El censado de la velocidad, la realimentación con estatismo permanente y transitorio, y funciones de cálculo son realizadas eléctricamente. → mayor flexibilidad → mejor desempeño en relación con los tiempos de retardo y la banda muerta. • Las características dinámicas son ajustadas para ser muy similares a las de los reguladores de velocidad mecánico-hidráulicos. Sintonización de un sistema de regulación de velocidad En la sintonización de los parámetros del sistema de regulación de velocidad se debe considerar: • Comportamiento estable en operación aislada (la peor situación es alimentando una carga local a potencia máxima). • Aceptable velocidad de respuesta para tomar y liberar carga en operación normal. Para operación estable en condiciones de operación aislada la sintonización del valor de estatismo transitorio y de tiempo de reset se realiza con:

RT = [2.3 − (TW − 1.0)0.15]

TW TM

TR = [5.0 − (TW − 1.0)0.5] TW

( 9 − 41)

( 9 − 42)

Para tomar y liberar carga en operación normal en el sistema interconectado los valores de la ecuación (9.42) arrojan una respuesta ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-15 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

muy lenta (TR = 9 s). Para una razón de toma de carga razonable TR < 1.0 s preferiblemente TR ≅ 0.5 s. → bypass del amortiguador en carga y descarga de la unidad en operación interconectada. Regulador de velocidad PID

Figura 9.11: Regulador de velocidad PID. Algunos reguladores de velocidad electro - hidráulicos están provistos con un controlador PID que permite obtener una respuesta más rápida con una reducción de ganancia transitoria y con un aumento de ganancia de estado estable. La acción derivativa es útil en operación aislada particularmente en unidades con TW elevado (TW ≥3s). Sin embargo valores elevados de KD pueden producir oscilaciones en operación interconectada. Valores típicos: KP=3, KI=0.7, KD=0.5

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Modelación de turbinas hidráulicas en estudios de estabilidad El grado de detalle requerido a un modelo para un estudio dado depende del alcance del estudio y de las características del sistema. • Sintonización del sistema de regulación de velocidad. El ancho de banda de los controladores PID requieren una representación precisa de la columna de agua. • Estudios de estabilidad transitoria: los reguladores de velocidad de las turbinas hidráulicas tienen una respuesta muy lenta para los periodos analizados → modelos no lineal de la turbina (figura 9.7) y modelo del regulador de velocidad con alinealidades (figura 9.10). • Estudios de estabilidad de pequeña señal: los reguladores de velocidad tienen un efecto despreciable en los modos locales de oscilación de frecuencia del orden de 1 Hz. Sin embargo el efecto en modos de oscilaciones interáreas de frecuencias del orden de 0.5 Hz puede ser significativo → modelos linealizados de las figuras 9.7 para la turbina y 9.10 para el regulador de velocidad. • Estabilidad de frecuencia, dependiendo de la naturaleza del problema se requiere una representación detallada de la dinámica de la turbina y de la columna de agua (efecto de ondas viajeras y de chimenea de equilibrio). Estos estudios son apropiados para definir procedimientos de operación.

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9.2. Turbinas a vapor y sus sistemas de regulación de velocidad Una turbina a vapor convierte energía almacenada en el vapor (a alta presión y a alta temperatura) en energía rotante. La energía cinética del vapor a alta velocidad es convertida en la cupla en el eje de la turbina. La fuente de calor de la caldera que provee el vapor puede ser un reactor nuclear o un horno que quema combustibles fósiles (carbón, fuel-oil o gas). 9.2.1. Configuración de las turbinas a vapor Diferentes configuraciones de acuerdo al: • Tamaño de la unidad • Condiciones del vapor • Cantidad de secciones. Consisten normalmente en dos o más secciones de la turbina o cilindros acoplados en serie. Una turbina con múltiples secciones puede ser: • tandem-compound: todas las secciones están en un mismo eje con un mismo generador. • cross-compound: las secciones están en dos ejes, cada uno conectado a un generador que opera como una unidad simple. Las unidades a combustibles fósiles pueden tener un diseño tandemcompound o cross-compound y pueden ser del tipo con recalentamiento o sin recalentamiento.

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Figura 9.16: Configuraciones tandem-compound de unidades a combustible fósil con turbina a vapor. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-19 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Figura 9.17: Configuraciones cross-compound de unidades con turbina a vapor. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-20 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Figura 9.18: Configuración tamdem-compound de unidades nucleares con turbina a vapor. Las grandes unidades a combustibles fósiles (fossil-fuelled) o unidades nucleares están equipadas con un conjunto de cuatro válvulas: • Válvulas de desconexión en emergencia (MSV) • Válvulas de admisión de control del regulador (CV) • Válvulas de parada del recalentador (RSV) • Válvulas de atajo ante sobre velocidad (IV) Las válvulas de parada (MSV y RSV) son válvulas de desconexión de emergencia. Las válvulas CV de actuación continua modulan el flujo de vapor durante la operación normal. Las válvulas CV y las IV limitan la sobre velocidad y presenta características no lineales.

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9.2.2. Modelos de las turbinas a vapor

Figura 9.21: Modelo de turbina a vapor tandem-compound con una etapa de recalentamiento. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-22 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Con TCH: constante de tiempo de admisión principal y almacenamiento de vapor en zona de válvulas. TRH: constante de tiempo del recalentador TCO: constante de tiempo del puente de vapor (crossover piping) y de admisión de la válvula LP Pm:

potencia mecánica total de la turbina en pu con potencia base la potencia máxima de la unidad.

Pmc:

potencia mecánica total de la turbina en pu con la potencia base en MVA del sistema

PMAX: potencia máxima de la unidad en MW FHP, FIP, FLP:

MVAbase:

fracción de la potencia total generada por las secciones de alta, media y baja presión, respectivamente.

base común a todo el sistema en MVA

La respuesta del flujo de vapor a través de la apertura de CV presenta una constante de tiempo TCH debido al tiempo de carga del depósito de vapor y de la tubería de admisión. TCH es del orden de 0.2 a 0.3 s. Las válvulas IV son sólo utilizadas para un control rápido de la potencia de la turbina ante eventos que producen sobre velocidad: • Controla cerca del 70% de la potencia total • El flujo de vapor en las secciones de presión baja e intermedia puede cambiar sólo con la recuperación de la presión en el recalentador. • La constante de tiempo del recalentador es del orden de 5 a 10 s • El flujo de vapor en la sección de baja presión tienen constante de tiempo TCO asociada con el puente para circulación de vapor, del orden de 0.5 s. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-23 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Función de transferencia simplificada Para encontrar la función de transferencia simplificada de la turbina se asume que TCO es despreciable frente al valor de TRH y que la característica de la válvula es lineal.

∆Tm FHP 1 − FHP = + ∆VCV 1 + sTCH (1 + sTCH )(1 + sTRH ) ( 9 − 89) =

1 + sFHPTRH (1 + sTCH )(1 + sTRH )

Con recalentamiento es más lenta, sin recalentamiento TRH=0. 9.2.2.1. Respuesta de la turbina La respuesta de una turbina tandem-compound ante el cierre de la válvula CV en forma de rampa: • No presenta la particularidad provocada por la inercia de la columna de agua en las turbinas hidráulicas.

Figura 9.22: Respuesta de una turbina a vapor a un cambio en la apertura de la válvula CV . ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-24 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• Los requerimientos al regulador de velocidad son más directos. • A valores requeridos de estatismo permanente es estable en operación aislada → no requiere estatismo transitorio. 9.2.2.2. Modelo genérico detallado de la turbina El modelo general para turbinas de la figura 9.23 es el aplicado a las configuraciones más comunes de turbinas a vapor.

Figura 9.23: Modelo general para turbinas a vapor Se puede usar este modelo para representar cualquier configuración de turbina despreciando algunas constantes de tiempo y colocando algunas fracciones de potencia asociadas a distintos niveles de presión en cero. Válido para configuración cross-compound. 9.2.3. Control de las turbinas a vapor El regulador de velocidad del sistema tienen tres funciones básicas: • Control normal de velocidad/carga * • Control de sobre velocidad * • Desconexión ante sobre velocidad ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-25 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

* Su actuación influye sobre la estabilidad transitoria. Otras funciones de control: • Control de arranque y parada • Control auxiliar de presión El control de velocidad/carga es un requerimiento fundamental la señal de actuación es a través del control de la válvula CV (área de apertura). La función de control de velocidad provee al regulador con un estatismo permanente del 4 al 5 % →operación en paralelo con distribución de carga. La función de control de carga de la unidad se realiza ajustando la referencia de carga/velocidad. El control y protección de sobre velocidad es una función particular de las turbinas a vapor: • De importancia crítica para la operación segura • La velocidad debe ser limitada a un valor inferior (110 o 115% de fN) a la máxima velocidad de diseño (valor típico: 120%). El control de sobre velocidad es el primer nivel de defensa: • Involucra el control rápido de las válvulas CV e IV (60 a 80% en IP y LP). • Limita la sobre velocidad producida por un rechazo de carga en un 0.5 a 1.0 % por debajo del nivel de desconexión por sobre velocidad. • Lleva la turbina a una condición de estado estacionario lista para ser cargada nuevamente. La desconexión en emergencia por sobre velocidad es una protección de respaldo: • Su diseño debe ser independiente del control de sobre velocidad. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-26 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• Cierra en forma rápida las válvulas principales y del recalentador y desconecta la caldera (si no hubiera by-pass). Las características de las válvulas de vapor son altamente no lineales: • Se utiliza compensación para linealizar la respuesta del flujo de vapor a la señal de control. • La compensación es realizada en el lazo directo por medio de compensación serie con una función característica recíproca a la de la válvula, o en lazos de realimentación (menor o mayor) con función característica similar a la de la válvula. 9.2.4. Sistema regulador de velocidad Los sistemas utilizados por las funciones de control han evolucionado con los años: • Unidades viejas utilizan sistemas de control mecánico-hidráulicos. • Los sistemas electro-hidráulicos fueron introducidos en la década de los años 60. • La mayoría de los reguladores que se suministran actualmente son electro-hidráulicos o digitales-electro-hidráulicos 9.2.4.1. Regulador de velocidad mecánico – hidráulico

Figura 9.25: Diagrama funcional del regulador de velocidad mecánicohidráulico de una turbina. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-27 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• El regulador de velocidad es un transductor mecánico que transforma velocidad en una posición de salida. • El relé de velocidad es un servomotor que amplifica la señal del regulador de velocidad o “governor”. • El servomotor hidráulico provee la amplificación adicional para mover las válvulas de admisión de vapor.

Figura 9.31: Regulador de velocidad mecánico – hidráulico de una turbina con sistema auxiliar. • Incluye un regulador de velocidad auxiliar para el control de sobre velocidad. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-28 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

• Bloques compensadores para linealizar las características no lineales de las válvulas. • La señal VI se utiliza para aumentar la ganancia de un valor KG a (KG+KAX) cuando la velocidad supera este valor límite ∆ω>VI. • La señal IVOB se utiliza para disparar la actuación de la válvula IV, este lazo de control actúa cuando la salida del relé de velocidad supera a IVOB. En operación normal IVOB comanda apertura total de IV. 9.2.4.2. Regulador de velocidad electro-hidráulico • Utiliza circuitos electrónicos en lugar de componentes mecánicos en la porción de baja potencia. • Tiene mayor flexibilidad y adaptabilidad. Permite la incorporación de mayor cantidad de funciones. • Respuesta más rápida y mayor linealidad. • Tiene dos funciones especiales para limitar la sobre velocidad: el disparo IV y el relé de potencia de carga desbalanceada PLU. •

El disparo IV está diseñado para un cierre rápido de IV cuando la señal de error es menor que –0.1pu, condición que se presenta cuando ∆ω es mayor que 0.05LR+0.002.

• El relé de carga desbalanceada está diseñado para un cierre rápido de CV e IV ante una condición de rechazo de carga. Se desconecta cuando la diferencia entre la potencia de la turbina y la carga del generador excede un valor predeterminado (0.4 pu) y la carga disminuye rápidamente con una razón predeterminada. La potencia de la turbina se mide en base a la presión del recalentador y la carga en base a la corriente. Se utiliza corriente en vez de potencia porque ante fallas la potencia disminuye y la corriente aumenta en cambio ante pérdida de carga ambas magnitudes disminuyen. El bloque derivador censa la pendiente de variación de la corriente. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-29 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Figura 9.33: Regulador de velocidad electro-hidráulico de una turbina con relé PLU y disparo IV. • Al actuar el relé PLU la referencia de carga es removida del control de CV e IV, luego se reduce a un valor mínimo 2.5-5% y finalmente se reconecta. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-30 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

9.2.4.3. Regulador de velocidad digital-electro-hidráulico • Utiliza un controlador digital → mayor flexibilidad. • Respuesta del regulador muy rápida del orden de 0.03 s. • Normalmente filtra la señal de velocidad para eliminar variaciones rápidas y muy pequeñas de la frecuencia medida. • Provistos de banda muerta para prevenir respuestas del regulador ante variaciones muy pequeñas. • La protección de sobre velocidad incluye una función que se anticipa a la sobre velocidad cerrando las CVs e IVs rápidamente cuando el interruptor principal de la máquina es abierto y la carga es mayor al 30% de PN. • También incluye una función de censado de sobre velocidad que cierra las válvulas CVs e IVs cuando la velocidad excede el 103% del valor nominal. Es un control discontinuo que cierra las válvulas rápidamente y luego las abre. 9.2.4.4. Modelo genérico del sistema de control de velocidad • Se adapta a diferentes modos de control. • Permite la representación de lógicas especiales de control tales como: relé de desbalance de carga PLU, control de límites de sobre velocidad sensibles a la velocidad y a la aceleración, disparo de cierre de IV, etc. • Permite la incorporación de compensación de no linealidad y de fase en serie o en lazos menores de realimentación. • Los controles de las válvulas CV e IV se pueden representar con constantes de tiempo y con las ganancias de diferentes etapas de amplificación. • El regulador de velocidad incluye la constante de tiempo del transductor y banda muerta. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-31 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Figura 9.36: Modelo del sistema de control de la turbina a vapor genérica.

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9.2.5. Sistemas y modos de control de una planta térmica de generación • Control de admisión de combustible: el combustible ingresa al horno como un flujo controlado de fuel-oil, gas o carbón en la forma de finas partículas suspendidas en un flujo de aire. Las unidades con combustible sólido responden más lentamente a requerimientos de mayor carga proceso de pulverización y secado. • Control de ingreso de aire: para asegurar una completa combustión. • Control de gases de chimenea: se extrae energía de estos gases a través de distintos sistemas de intercambio de calor (recalentadores de vapor, calentadores de aire, etc.).

Figura 9.41: Subsistemas de una planta de generación térmica ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-33 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

Modos de control de las unidades térmicas Los sistemas de control asociados a las unidades térmicas se clasifican en: • Control global de la unidad • Control de parámetros del proceso Las estrategias de control global o modos de operación de la unidad son: • Turbina guiadora o caldera seguidora: el cambio de generación es iniciado por el control de las válvulas de admisión de vapor a la turbina. El control de la caldera responde a los cambios en el flujo y presión de vapor comandando cambios en la producción de vapor. • Caldera guiadora o turbina seguidora: el cambio de generación es iniciado en las válvulas de admisión de combustible. • Control integrado o coordinado caldera-turbina: integra los dos anteriores.

Figura 9.43: Modos de control del sistema caldera-turbina. ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA – Sistemas de regulación de velocidad y de control de turbinas Ing. D.G.Colomé RV-34 Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina

9.2.6. Unidades térmicas de generación con energía nuclear • Reactor de agua presurizada (PWR): utiliza agua bajo presión (agua pesada) como medio para absorber el calor del núcleo del reactor, la generación de vapor se produce por el intercambio de calor entre el agua a presión y el agua de alimentación. • Reactor de agua hirviendo (BWR): el agua de alimentación entra en contacto directo con el núcleo del reactor (uranio enriquecido) y el calor es transferido al agua hirviendo que genera vapor.

Figura 9.44: Esquema de PWR.

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Figura 9.45: Esquema de BWR.

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