Prácticas de simulación de sistemas de potencia

Práctica No. 1 de Flujos de Carga con PowerWorld Simulator 7.0

• Objetivos
• Prelaboratorio
• Descripción del sistema
• Procedimiento
• Informe

PRÁCTICA No. 1

SIMULACIÓN DE LOS FLUJOS DE CARGA DE UN SISTEMA DE POTENCIA EN POWERWORLD SIMULATOR 7.0

1. OBJETIVOS

• Conocer las acciones básicas para insertar los elementos fundamentales de un sistema de potencia con el programa PowerWorld Simulator 7.0 así como las opciones de simulación necesarias para correr un flujo de carga.

• Simular un sistema básico: Generador – Línea – Carga para obtener la solución de las ecuaciones del flujo de carga.

• Observar el efecto que se produce al cambiar los valores de potencia de la carga así como los parámetros de la línea y la magnitud del voltaje generado.

Contenido Práctica No. 1

2. PRELABORATORIO

• ¿Qué información de cada uno de los elementos de un sistema de potencia se necesita para realizar un estudio de flujos de carga?

• ¿Qué información se obtiene como resultado de un estudio de flujos de carga?

• ¿Cómo son representadas las líneas de transmisión en un estudio de flujos de carga?

• ¿Cuáles son los valores típicos de tensión de salida de un generador y cómo se pueden determinar los límites de reactivos de este?

• ¿Por qué no se incluye la reactancia de los generadores en los estudios de flujos de carga?

Contenido Práctica No. 1

3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

El sistema que se va analizar consiste de un generador alimentando una carga a través de una línea de transmisión. La línea es trifásica y tiene una impedancia serie Z. Los datos de la carga conectada y de los demás elementos se muestran en la Tabla 1. En la Figura 1 se muestra el diagrama unifilar del sistema.

Figura 1. Diagrama unifilar del sistema para la práctica No. 1.

Tabla 1. Datos de los elementos para el sistema de la Práctica No. 1.

Contenido Práctica No. 1

4. PROCEDIMIENTO

1. Suponga unas bases para el sistema de 115 kV y 100 MVA; halle la impedancia y la admitancia de la línea en p.u. Calcule además la potencia reactiva de la carga.

2. Inicie el programa PowerWorld Simulator 7.0. En el menú File escoja la opción New Case para crear un nuevo modelo. Identifique las barras de herramientas que se muestran en la Figura 2.

3. En la barra de herramientas Insert ubique el cursor del Mouse sobre cada botón de la barra para identificar los tipos de elementos disponibles. Haga clic sobre el botón Bus para insertar la primera barra del sistema. Suelte el botón del Mouse y ubique el puntero sobre el lugar donde se quiere insertar la barra; por último haga clic en dicho lugar.

4. Al realizar el paso 4.3 se abre una ventana llamada Bus Options. En dicha ventana verifique y/o modifique los siguientes campos: Bus Name: digite el nombre "Ref" para esta barra. Shape: Seleccione la forma de la barra como Vertical bar. Area Number, Area Name: el número de área para este ejemplo será 1 y el nombre será "Area 1". Nominal Voltage: coloque en este campo el número 115. System Slack Bus: active esta opción haciendo clic sobre ella (esta será la barra de referencia del sistema). Haga clic en el botón OK.

   

   Figura 2. Ambiente de trabajo de PowerWorld Simulator 7.0 y sus barras de herramientas.

5. Haga clic sobre el botón Generator en la barra Insert. Ubique el puntero del Mouse sobre la barra ya insertada y haga clic sobre ella para abrir la ventana Generator Options. En la sección Display Information verifique que el campo Anchored este seleccionado (Ver capítulo 4 – sección Anchored Objects de la guía de usuario). En la sección MW and Voltage Control cambie los siguientes campos: Max MW Output = 80, Regulated Bus Number = 1, Setpoint Voltage = 1, Min Mvars = -94, Max Mvars = 94. Verifique que el campo Use Capability Curve esté desactivado (Ver Capítulo 7 – sección Generator Reactive Power Capability Curve). Haga clic en el botón OK.

6. De la misma forma que insertó la primera, inserte ahora la segunda barra. En la ventana de opciones de barra modifique los siguientes campos: En el campo Shape seleccione la opción Vertical Bar. En el campo Nominal Voltage ingrese 115. Cambie el campo Bus Name a "Carga".

7. Para insertar la carga haga clic en el botón Load de la barra Insert y ubique el cursor del mouse sobre la barra 2. Haga clic sobre ella para invocar la ventana de opciones Load Options. En esta ventana ingrese el valor 60 en el campo MW Value de la sección Constant Power y en el campo MVAR Value el valor hallado en el paso 4.1.

8. Para insertar la línea de transmisión haga clic en el botón AC Transmission Line de la barra de herramientas Insert. Ubique el cursor en la barra 1 y haga clic, suelte el botón y mueva el mouse hacia la otra barra; al llegar a ésta haga doble clic sobre la misma. Se abre entonces la ventana Transmission Line/Transformer Options; ingrese en dicha ventana los datos hallados en el paso 4.1 para la impedancia y admitancia de la línea en p.u. en los campos Resistance (R), Reactance (X), Charging (B o C) (Nota: los valores decimales deben ir separados por comas). Ingrese en el campo Limit A (MVA) el valor 100. Haga clic en el botón OK para grabar los datos y cerrar la ventana.

9. Haga clic en el botón Bus Field de la barra Insert. Ubique el cursor sobre la barra 1 y haga clic nuevamente. Esto abre la ventana Bus Field Options; en ella escoja la opción Bus Voltage. Repita este mismo paso para insertar los siguientes campos: Bus Angle (ángulo del voltaje de barra) y Bus Volt kV (voltaje de la barra en kV), explorando para este último campo la opción Select a Field. Repita este mismo paso para la barra 2.

10. De manera similar a lo realizado en el paso anterior para las barras, abra la ventana Line Field Options para insertar los siguientes campos de información de la línea: AC Line MW Flow y AC Line MVAR Flow en cada extremo de la línea, así como AC Line MW Losses y AC Line MVAR Losses. Seleccione además el campo Line/Xformer Max Percent con la opción Select a Field.

11. Haga clic derecho sobre el campo MW de la carga; coloque en la opción Delta per Mouse Clic el valor 10 (para incrementar la potencia de la carga desde el diagrama unifilar). Haga lo mismo con los MVAR de la carga.

12. Haga clic en el botón Text de la barra Insert, ubique el cursor encima del campo correspondiente a las pérdidas en MVAR de la línea y haga clic nuevamente. A continuación se abre un cuadro llamado Text Options; escriba aquí el texto: "Pérdidas de MVAR" y haga clic en el botón OK. Haga lo mismo para insertar el texto para: "Pérdidas de MW", "Porcentaje de Carga", "Práctica No. 1". También inserte el texto "kV" y ubíquelo enseguida del campo correspondiente al voltaje de barra en kV.

13. En la barra de herramientas Format ubique el botón Default Drawing Options y haga clic sobre él. En la ventana resultante (Default Drawing Values for New Objects) haga clic en la sección Background Object; haga clic nuevamente en el valor del campo Fill Color; escoja un color en la ventana resultante y haga clic en Aceptar y luego en el botón Close.

14. En la barra Insert haga clic sobre el icono Background Rectangle. Ubique el cursor en una esquina y mantenga presionado el clic para dibujar un rectángulo de fondo para el diagrama.

15. Después de haber seguido los pasos anteriores el diagrama unifilar debe verse de manera similar a la mostrada en la Figura 3.

    

    Figura 3. Vista del diagrama unifilar para la práctica No.1 en PowerWorld Simulator.

16. Se va a realizar una simulación sencilla del flujo de carga. En la barra de menús haga clic en Options/Tools y escoja la opción Solution/Environment. En la sección Power Flow Solution active las opciones Restore Initial State on Restart y Initialize From Flat Start Values. Verifique que el campo MVA Convergence Tolerance tenga el valor de 0,1. En el campo Maximum Number of Iterations coloque 25. Ingrese también en el campo Assumed MVA Per Unit Base el valor de 100. Active el campo Do Not Calculate Bus Loss Sensitivities y el campo Full Newton Power Flow. En la sección Limits active las opciones Enforce Generator MW Limits, Automatically Open Overheated Lines during Simulation y Highlight Analogs of Objects with Limit Violations.

17. Seleccione en la barra de programa (Program Palette) la opción Run Mode con el clic izquierdo (si esta barra no se encuentra activa, vaya al menú Window, escoja la opción Toolbars y active la opción Run Mode). Haga clic también en el botón Log de esta misma barra para que se active el cuadro Message Log que muestra un registro de todas las acciones de simulación que se realizan. Estando en modo simulación ejecute el comando Single Solution para correr el flujo de carga. Observe la magnitud de los voltajes y ángulos de barra, los MW y MVAR generados, las pérdidas, el porcentaje de carga y los flujos de MW y de MVAR a través de la línea de transmisión por medio de los campos en el diagrama unifilar. Observe el Message Log y diga ¿cuál fue el número de iteraciones que se realizaron?

18. Seleccione la opción Power Flow List del menú Case Information para visualizar los resultados en forma de tabla. Presione la tecla F1 y haciendo uso de la ayuda del programa, diga ¿qué significa el caracter R que está al lado del valor de MVAR del generador en la barra 1 al ejecutar la opción Power Flow List? ¿Qué otras letras pueden aparecer al lado de los MVAR de un generador y qué significan?

19. En el menú Case Information haga uso de la opción Report Writer para generar un reporte con los datos de todos los elementos del sistema. En la ventana resultante Report Criteria Dialog escoja en el campo Types of Reports to create la opción All. Haga clic en el botón Compile Report para generar el reporte. Después de mostrado el reporte haga uso del clic derecho del mouse y escoja las opciones para seleccionar y copiar la información al portapapeles de windows. Copie esta información a un archivo de texto (informe).

20. Haga clic en la flecha ascendente del campo MW de la carga y aumente su valor a 100. Haga lo mismo con los MVAR y aumente su valor a 85 (puede colocar los valores de inicio plano haciendo uso de la opción Reset to Flat start en el menú Simulation, estando en modo simulación). Ahora vuelva a ejecutar el comando Single Solution y copie los datos de Power Flow List a su archivo haciendo uso del clic derecho del mouse. Respecto a este paso, ¿Qué variables se ven afectadas al aumentar la carga del sistema? ¿Cuáles permanecen iguales y por qué? ¿Qué elementos exceden sus límites al aumentar la carga?

21. Haga la carga igual a cero y vuelva a correr la solución de los flujos de carga. Observe los cambios ocurridos en el sistema. ¿Por qué aparece una cantidad de MVAR en la línea?

22. Aplique el paso 4.9 para insertar un campo de visualización del voltaje de referencia del generador (Gen Setpoint Voltage) y coloque en la opción Delta per Mouse Clic el valor 0,01. Vuelva a colocar los valores de carga nominal. Haciendo uso de este campo determine ¿cuál debe ser la tensión en kV en el generador para que en la carga se tenga una tensión de 115 kV? ¿Cuál será la regulación de tensión? Haga lo mismo para el valor de carga del paso 4.20.

23. Vuelva la carga a condiciones iniciales. Omita el parámetro de resistencia y de susceptancia de la línea y vuelva a ejecutar la opción Single Solution. Actualice su informe con los resultados de este paso haciendo uso de la opción Report Writer. Compare los datos de flujos de carga y de pérdidas con los obtenidos en el paso 4.17. ¿Qué conclusión puede obtenerse al efectuar este paso?

24. Vuelva a las condiciones iniciales del sistema y vaya al menú File. Escoja la opción Save Case. En el cuadro de diálogo resultante asigne el nombre "prac1flu" en el campo Nombre de archivo. Enseguida se le pregunta por el nombre del archivo que almacenará el diagrama unifilar (*.pwd); asigne el mismo nombre para dicho archivo.

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5. INFORME

El informe para esta práctica debe contener:

1. Parte inicial: solución al prelaboratorio de la práctica No. 1.
2. Parte central:

• Los datos del sistema en p.u.

• Los datos obtenidos en el paso 4.19 identificados como: "Datos de flujos de carga para condiciones iniciales del sistema".

• Los datos de los flujos de carga para las condiciones dadas en el paso 4.20 y 4.23, identificados como: "Datos de flujos de potencia para una carga de 100 MW, 85 MVAR" y "Datos de flujos de potencia cuando se omiten R y C en la línea", respectivamente.

3. Parte final:

• Solución de las preguntas del procedimiento.

• Responda las siguientes preguntas:

• ¿Qué opciones se encuentran en la sección Limits de las opciones de simulación y qué significan? (Capítulo 8 – guía de usuario).

• ¿Cómo se puede determinar el límite de potencia a transmitir en una línea de transmisión?

• Conocida la tensión, potencia y factor de potencia de una carga estática, ¿cómo se puede definir esta en ohmios?

• Demuestre que la susceptancia B de una línea de transmisión es igual a la capacitancia cuando se analizan en p.u.

• Compare la información de los pasos 4.19 y 4.20 y diga, ¿qué información es mostrada con las opciones Report Writer y Power Flow List?

• De los casos simulados, ¿Cuál presenta un porcentaje de pérdidas mayor y por qué?

Debe anexar además el archivo pwb (archivo binario que almacena los datos del caso) y el archivo pwd (archivo que guarda el diagrama unifilar del caso) de la práctica No. 1. Para esta práctica los archivos son: "prac1flu.pwb" y "prac1flu.pwd".

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