PROYECTO FIN DE MÁSTER:
MODELO INFORMÁTICO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA CON CONTROL DE
VELOCIDAD Y REGULACIÓN PRIMARIA
Ponente:Carlos Eduardo Vásquez Chang
Tutor:José Ignacio Sarasúa Moreno
Madrid, Septiembre 2014
Energía Hidroeléctrica
� Energía proveniente del agua que: es limpia, eficiente y generalmente más barata; No consume materia prima; no produce desechos radioactivos y otorga flexibilidad al sistema.
� Hidroeléctrica en Ecuador: Históricamente alto potencial hidroeléctrico no aprovechado. Actualmente 8 proyectos hidroeléctricos en construcción para cambiar la matriz energética
Fenómeno objeto de estudio
� Regulación primaria: Permanente cobertura instantánea oferta y demanda
� Este continuo control es realizado por el regulador de velocidad de las centrales generadoras
� Interés en aplicación de caso de estudio en la Central Hidroeléctrica Ocaña
Introducción
2
� Proporcionar un marco teórico de las centrales hidroeléctricas.
� Desarrollar el modelo informático de una central hidroeléctrica que refleje su comportamiento dinámico en regulación frecuencia-potencia.
� Calibrar los parámetros del modelo con los de la Central Hidroeléctrica Ocaña en Ecuador.
� Análisis de diversas situaciones utilizando el modelo obtenido.
Objetivos
3
� La variabilidad de las centrales hidroeléctricas es innumerable. Cada proyecto es único por sus características.
� Pueden ser clasificadas en función de varios criterios como: ubicación de la casa de máquinas, régimen de caudales, salto hidráulico, capacidad del embalse, etc.
� Se propone 3 esquemas básicos:1. Saltos a pie de presa
2. Saltos en derivación o fluyentes
3. Saltos con presa y conducción
en presión
1. Centrales Hidroeléctricas
4
1. Centrales Hidroeléctricas
Clasificación2. Por medio de una canal abierto se lleva el caudal del río a una cámara de carga. Luego por tubería forzada a la Central3. El sistema de conducción es completamente en presión: Túnel de carga y Tubería forzada. Entre ellos se encuentra la chimenea de equilibrio.
5
2. La Central Hidroeléctrica Ocaña
Características generales
� Operador: Electro Generadora del Austro S.A. ELECAUSTRO
� Ubicación: Río Cañar, Provincia del Cañar, República del Ecuador
� Caudal medio anual: 18 m3/s
� Caudal nominal: 8,2 m3/s
� Potencia nominal: 26 MW
� Salto neto nominal: 371 m
� Los principales elementos de la misma son: obras de captación, reservorio de regulación, sistema de conducción, chimenea de equilibrio, y zona de casa de máquinas
6
2. La Central Hidroeléctrica Ocaña
Sistema de conducción
En baja presión
� Tubería Baja presión principal L=150 m
� Túnel de carga L=6.400 m
En alta presión
� Tubería forzada L=1.084 m; ϕ=1,9 – 1,6 m
Chimenea de equilibrio
Orificio restringido
Casa de máquinas
Dos grupos turbo-generadores
� Turbinas tipo Pelton; 4 inyectores
� Potencia nominal=13MW
� Caudal nominal=4,1 m3/s 8
3. Desarrollo del modelo informático
Régimen transitorio
� Pequeñas perturbaciones
Generalmente seguimiento de carga. Aproximaciones lineales son válidas.
� Grandes perturbaciones
Por ej. desconexión abrupta de gran consumidor/ generador o rechazo de carga. Predominan comportamientos no lineales
Generalidades
� Software utilizado: MATLAB, versión 8.2. SIMULINK
� Utilización de variables en valores por unidad (v.p.u.)
� Consideración de un solo grupo equivalente
9
3. Desarrollo del modelo informático
Los principales sub-bloques que se ha creado: Interacción Generación-Carga; Regulador de velocidad, Interacción Turbina-Tubería forzada, Chimenea de equilibrio y Galería en presión
10
3. Desarrollo del modelo informático
Interacción Generación-Carga
Modelo inercial; CH conectada a SE y mantienen igual frecuencia.
���� � �� � �� � ��
� � � ����� � ���
�� � ����� � ��
�� � ������ � �����
Regulador de velocidad
El modelo de regulador de velocidad es considerado como un regulador del tipo mecano-hidráulico
� � 1�� 1
� ���� �� � � � ��
Tomado de Análisis de Sistemas Hidroeléctricos
�� � �!"#$"
11
3. Desarrollo del modelo informático
Interacción Turbina-Tubería forzada
Aproximación del IEEE Working Group, para grandes perturbaciones
Aplicando Bernoulli en la tubería forzada:
% � � &�� � '(& % � )*+ � ,��
�%�� � &- � & � �
. % % 1
�� � /"0�12�3"
; 5�2 � 7��/"#3"
12
3. Desarrollo del modelo informático
Chimenea de equilibrio
�&-�� � 1
8%9 � %
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2 %9 %9 � &�-1 ;
Galería en presión
�- � 2-3"/"
�9 � /"091293"
592 � 7�9/"#
3"
13
4. Ajuste de parámetros con la Central Hidroeléctrica Ocaña
Pérdidas de carga
Los coeficientes de pérdidas de carga han sido calculados considerando las alturas de pérdidas de diseño de la Central Hidroeléctrica Ocaña facilitadas por ELECAUSTRO.
� Krg=5,16/Qb2=0,0767 [s2/m5]
� rg=2KrgQb2/Hb=0,0278 [p.u.]
� Krp=6,05/Qb2 =0,0900 [s2/m5]
� rp=2KrpQb2/Hb=0,0326 [p.u.]
Se ha asumido un coeficiente arbritario para la chimenea de equilibrio
� Krc=0,005 [s2/m5]
� rc=2KrcQb2/Hb=0,0018 [p.u.]
Ajustes principales
Descripción Pérdidas (m)
Tubería de baja presión 1,27
Túnel de conducción 3,89
Tubería forzada 5,53
Bifurcador 0,52
TOTAL 11,21
14
4. Ajuste de parámetros con la Central Hidroeléctrica Ocaña
y = 3,566x - 0,4486
15,00
17,00
19,00
21,00
23,00
25,00
27,00
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Po
ten
cia
P(M
W)
Caudal Q (m3/s)
P vs. Q
Puntos de operación Tendencia
Turbina
Se manipula los puntos de operación horarios promedio que ELECAUSTRO ha provisto para obtener las gráficas P vs.Q y P vs.H.
Pasando a v.p.u. de la ecuación del Working Group
� At=3,566·Qb/Pb=1,0536
� qnl=0,45/(3,57·Qb)=0,0153 [p.u.]
� D=0,5
Además vale la pena destacar:
� Tg=909,2·Qb/g/Hb=2,0485 [s]
� Tp=Qb·Lp/(g·Fp·Hb)=1,0159 [s]
� Tc=Fc*Hb/Qb=513,11 [s]
� Tm=93,917/Pb=3,384 [s]
� Tps=6·Ssist [s]
Ajustes principales
15
5. Análisis del comportamientode la Central
Resumen
σ δ Tr Ts g max g min
Caso 12 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 12 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 5,0
Caso 13 0,030 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 10,0
Caso 21 0,010 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 22 0,050 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 23 0,100 0,75 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 31 0,030 0,10 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 32 0,030 0,70 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 33 0,003 1,50 5,08 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 41 0,030 0,70 1,00 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 42 0,030 0,70 10,00 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 43 0,003 0,70 30,00 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 51 0,030 0,70 2,00 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 52 0,030 0,70 4,50 0,50 1,10 0,20 3,0
Caso 53 0,003 0,70 7,00 0,50 1,10 0,20 3,0
MAGNITUDES SUJETAS A VARIACIÓN
Tamaño del
Sistema Eléctrico
Regulador de velocidadSituación
SE
T 5
SE
T 1
SE
T 2
SE
T 3
SE
T 4
16
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 1: Casos 1.1 ; 1.2 y 1.3
� σ=0,03; < � 2,5 ?@?A � 0,751 ; �� � 5�� � 5,080 ; Ssist= 3,0 - 5,0 – 10,0
r
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.998
1
1.002
1.004
1.006
tiempo [s]
n [
p.u
.]
Ssist=3
Ssist=5
Ssist=10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
tiempo [s]
q [
p.u
.]
Ssist=3
Ssist=5
Ssist=10
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.97
0.975
0.98
0.985
tiempo [s]
h [
p.u
.]
Ssist=3
Ssist=5
Ssist=10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
z [
p.u
.]
Ssist=3
Ssist=5
Ssist=10
17
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 2: Casos 2.1 ; 2.2 y 2.3� σ=0,01 - 0,05 - 0,10
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.985
0.99
0.995
tiempo [s]
hc
[p
.u.]
σ=0.01
σ=0.05
σ=0.10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.75
0.8
0.85
0.9
tiempo [s]
pF
[p
.u.]
σ=0.01
σ=0.05
σ=0.10
0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.05
0
0.05
tiempo [s]
q-q
g [
p.u
.]
σ=0.01
σ=0.05
σ=0.10
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.7
0.75
0.8
0.85
0.9
tiempo [s]
q [
p.u
.]
σ=0.01
σ=0.05
σ=0.10
18
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 3: Casos 3.1 ; 3.2 y 3.3� δ=0,1 – 0,7 – 1,5
sist r
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.999
1
1.001
1.002
1.003
1.004
1.005
1.006
tiempo [s]
n [
p.u
.]
δ=0.1
δ=0.7
δ=1.5
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.75
0.8
0.85
0.9
tiempo [s]
q [
p.u
.]
δ=0.1
δ=0.7
δ=1.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.975
0.98
0.985
0.99
0.995
1
tiempo [s]
h [
p.u
.]
δ=0.1
δ=0.7
δ=1.5
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.76
0.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
z [
p.u
.]
δ=0.1
δ=0.7
δ=1.5
19
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 4 y 5: Casos 4.1 ; 4.2 ; 4.3; 5.1 ; 5.2 y 5.3� Tr=1,0 – 10,0 – 30,0 ; Tr=2,0 – 4,5 – 7,0
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
pF
[p
.u.]
Tr=1
Tr=10
Tr=30
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
pt
[p.u
.]
Tr=1
Tr=10
Tr=30
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
pF
[p
.u.]
Tr=2.0
Tr=4.5
Tr=7.0
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
pt
[p.u
.]
Tr=2.0
Tr=4.5
Tr=7.0
20
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 6: Casos 6.1 ; 6.2 y 6.3A manera de comprobación de los resultados obtenidos por el modelo rígido (Caso A) se plantea introducir los fenómenos elásticos y distinguir los 4 diámetros distintos de la tubería forzada (Caso B)De acuerdo a Clifton(1987) , el parámetro de Allievi se encuentra en el rango donde es incierta la idoneidad del modelo rígido que se ha desarrollado.
E � FG#9H � F@IJAK
#9HL@IJA=0,45
De forma análoga a J.I. Pérez Díaz, se modela el sub-bloque de la tubería forzada utilizando parámetros concentrados:
�%M�� � 1
��M&MNO � &M � 5�M
2 %M#
�&M�� � ��M
0�M/QM# %M � %MRO
21
5. Análisis del comportamientode la Central
Set 6: Casos 6.1 ; 6.2 y 6.3� Caso A vs Caso B
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.75
0.8
0.85
0.9
tiempo [s]
q [
p.u
.]
Caso A: cond. rígida
Caso B: cond. elástica
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.76
0.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
z [
p.u
.]
Caso A: cond. rígida
Caso B: cond. elástica
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.999
1
1.001
1.002
1.003
1.004
1.005
1.006
tiempo [s]
n [
p.u
.]
Caso A: cond. rígida
Caso B: cond. elástica
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
tiempo [s]
pt
[p.u
.]
Caso A: cond. rígida
Caso B: cond. elástica
22
� Se ha proporcionado antecedentes ; se ha detallado las ecuaciones que rigen los sub-sistemas de una central hidroeléctrica en derivación y conducción en presión.
� A través del análisis de determinados conjuntos de casos, se ha logrado relacionar directamente las variables modificadas con la respuesta esperada de la Central Hidroeléctrica Ocaña.
� En función de las características particulares de la Central Hidroeléctrica Ocaña se ha ajustado la mayor cantidad posible de variables para que el modelo represente a la misma funcionando en el sistema eléctrico ecuatoriano.
� Se ha observado claramente la influencia directa de estas variables en la respuesta de la Central Ocaña frente a una disminución del 30% en la demanda del sistema eléctrico.
� Las asunciones para simplificar el comportamiento de la tubería forzada en el caso (conducción y fluido rígidos) son consideradas admisibles
� Se pueden generar infinidad de situaciones adicionales al incluir más variables libres.
Conclusiones
23