Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la

122 Pages·2013·2.26 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA

METODOLOGÍA DE SUPERVISIÓN DE
TURBOGENERADORES EN LOS SISTEMAS
ELÉCTRICOS DE POTENCIA ANTE LA PRESENCIA DE
RESONANCIA SUBSÍNCRONA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A N

SERGIO IVÁN CERÓN GONZÁLEZ
FRANCISCO JAVIER LÓPEZ CABRERA

ASESOR: M. en C. JOSÉ ANTONIO CASTILLO JIMÉNEZ
ASESOR: ING. VALENTINA CASTILLO LÓPEZ

MÉXICO, D. F. 2012
Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona
Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

AGRADECIMIENTOS

En primer plano a mis padres Leticia y Sergio por ser lo más importante en mi vida ya que
siempre me han apoyado en todas las acciones que he emprendido, a Abigail y Arturo,
porque más que mi hermana y su esposo son mis amigos. Gracias por no dejarme rendir y
tener las palabras necesarias para mí en los momentos de mayor adversidad, nunca dejo de
aprender de ustedes, pero sobre todo, gracias por alegrarme la vida.

A toda mi gran familia que a lo largo de todo este tiempo y a pesar de las diversas
circunstancias de la vida, siempre los sentí muy cerca de mí, de manera muy especial
quiero agradecer a mis abuelos Celia, Abundio, Juana, Alejo (†), por brindarme el mejor
regalo, mis padres.

A la Ing. Valentina Castillo López por su valiosa ayuda y apoyo para la culminación de este
trabajo. Al M. en C. José Antonio Castillo Jiménez por confiar en nosotros, por la manera
de transmitirnos su conocimiento, ya que sin su orientación nada de lo que queda plasmado
en esta tesis hubiera sido posible; pero sobre todo por su gran calidad humana, sin duda un
gran ejemplo a seguir, gracias ‘Capitán’.

A Francisco López, que más que un compañero es sin duda uno de mis mejores amigos ya
que juntos pasamos por buenas y malas experiencias a lo largo de nuestra formación
académica y siempre tuvimos lo necesario para salir adelante, también agradezco a mis
demás amigos y compañeros por hacer de la estancia en la ESIME una experiencia
inolvidable, me quedo con lo mejor de cada uno de ustedes, gracias amigos.

Sergio Iván Cerón González
Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

A mis padres Javier, María y hermanas Yessica y Janet por su apoyo en todo momento de
mi vida, porque con ellos y por ellos se que los límites sólo los marco yo, por ser mi más
grande apoyo y motor en mi existencia; porque gracias a ellos pude soportar esas noches de
desvelo y esos días de cansancio en los que pensaba renunciar y me impulsaron a seguir
adelante, porque su apoyo es la más grande fortaleza que puedo tener ante cualquier
adversidad y por más palabras que escriba no podría expresar mi infinito agradecimiento.

A mi tío Baltazar López, quien al estar involucrado en el rubro eléctrico tuvo siempre la
intención de ayudarme ante cualquier problema y aspecto académico que pudiera él
auxiliarme a lo largo de mi carrera.

A mis amigos, los cuales me enseñaron que ir a la escuela es más allá de ir a aprender
aspectos de la carrera y que ellos siempre serán un importante apoyo día a día, en especial a
Sergio Cerón uno de mis grandes amigos que conocí y con quien compartí de los mejores
momentos en la ESIME y con quien en esta ocasión tuve la oportunidad de compartir este
gran logro de realizar nuestra tesis, ¡Lo logramos mi buen amigo!

Al M. en C. José Antonio Castillo Jiménez quien en el momento en que más nos sentíamos
perdidos y con pocas esperanzas para terminar nuestra tesis nos apoyo brindándonos su
completa ayuda, creyendo en nosotros para obtener un muy buen trabajo de calidad y
aunque en ocasiones parecía interminable pudimos llegar al final, “el capitán que nos ayudó
a sacar este barco a flote”.

A mis compañeros, profesores y demás personas que creyeron y creen en mi desarrollo y
superación profesional, tomando en cuenta que este no es el final sino tan solo el comienzo
de toda una carrera de ingeniería.
A todos GRACIAS.

Francisco Javier López Cabrera
Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

RESUMEN

El presente trabajo presenta un análisis del problema de Resonancia Subsíncrona (RSS) y
además se estudia la interacción de diversos elementos que comprenden un Sistema
Eléctrico de Potencia (SEP). Abordando dicho problema desde el estudio de sus causas
primarias hasta plantear el diseño de una solución general del problema.

El problema de la RSS, se ve reflejado directamente en los rotores de los generadores
síncronos en las plantas de generación ya que experimentan oscilaciones poco
amortiguadas a frecuencias entre 3 y 50 Hz, la causa de posibles inestabilidades en esta
clase de oscilaciones son del tipo eléctrico.

El rotor de un turbogenerador que es accionado por turbinas mediante vapor, es un sistema
mecánico complejo formado por varios elementos de enormes dimensiones acoplados a lo
largo de su eje, siendo la aproximación del conjunto de masas acopladas mecánicamente lo
que permite determinar los modos mecánicos que se presentan de forma natural en el
mismo ante la presencia de perturbaciones. Dichos modos presentan frecuencias naturales
en el rango subsíncrono, esto es, inferiores a la frecuencia fundamental del sistema.

La RSS es un fenómeno de inestabilidad en generadores síncronos que afecta a los modos
mecánicos del sistema que se sitúan en el rango de frecuencias inferiores a la de
sincronismo. Que se produce por una interacción entre el sistema mecánico y eléctrico
asociados al generador síncrono que implica un intercambio de energía entre el generador y
el sistema eléctrico compensado a una o más frecuencias naturales del sistema por debajo
de la frecuencia fundamental del mismo SEP.

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Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

Siendo la situación más común en la que se puede presentar la RSS en turbogeneradores
que estén conectados al sistema a través de líneas con compensación serie, siendo la
compensación la que se utiliza para reducir la reactancia inductiva de la conexión de un
generador a una red cuando la longitud de las líneas de transmisión es muy grande.

ii
Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

ÍNDICE
Página
Resumen i
Índice iii
Índice de figuras v
Índice de tablas vi
Símbolos y siglas vii
Glosario viii
Introducción xiii
Planteamiento del problema xiii
Objetivo general xv
Objetivos particulares xv
Justificación xv
Alcances xvi
Estado del arte xvii
Estructura del trabajo xxi
Capítulo I. Consideraciones Teóricas 1
1.1 Introducción 2
1.2 Sistema Eléctrico de Potencia 2
1.2.1 Subsistema de Generación 3
1.2.2 Subsistema de Transmisión 4
1.2.2.1 Efectos de las Líneas de Transmisión 5
1.2.3 Subsistema de Compensación Serie 6
1.2.4 Subsistema de Bus Infinito 6
1.3 Resonancia 7
1.3.1 Frecuencia Resonante 8
1.3.2 Resonancia Subsíncrona 10
1.3.2.1 Fenómenos asociados a la Resonancia Subsíncrona 11
1.3.2.2 Fenómeno Generador de Inducción 11
1.3.2.3 Interacción Torsional 11
1.3.2.4 Pares Eléctricos Transitorios 12
1.3.2.5 Diferentes Resonancias en los Sistemas Eléctricos de Potencia 12
1.3.2.5.1 Resonancia Producida por Reactor en Paralelo 13
1.3.2.5.2 Resonancia Producida por Capacitor en Paralelo 13
1.3.2.5.3 Resonancia Producida por Capacitor en Serie 13
1.4 Ferroresonancia 14
1.5 Estabilidad Dinámica 14
Capítulo II. Resonancia Subsíncrona 16
2.1 Introducción 17
2.2 Planteamiento del problema 17
Capítulo III. Estudio de la RSS en un Sistema de Prueba 21
3.1 Introducción 22
3.2 Planteamiento del Modelo de un SEP 22
3.2.1 Descripción de los Elementos de un SEP 22
3.2.1.1 Generador Síncrono 24
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Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

3.2.1.2 Transformador 28
3.2.1.3 Línea de Transmisión 30
3.2.1.4 Compensación Serie 32
3.2.1.5 Bus Infinito 33
3.3 Influencia de la Compensación Serie 34
3.3.1 Características del Primer Sistema de Prueba IEEE (FBM) 36
3.3.2 Características Generales del Caso de Estudio 36
3.3.3 Efecto de la Compensación Serie Capacitiva (sin Falla) 37
3.3.3.1 Compensación sin falla a X = 0% X 38
C L
3.3.3.2 Compensación sin falla a X = 20% X 39
C L
3.3.3.3 Compensación sin falla a X = 50% X 41
C L
3.3.3.4 Compensación sin falla a X = 74.06% X 42
C L
3.3.3.5 Compensación sin falla a X = 100% X 44
C L
3.3.4 Efecto de la Compensación Serie Capacitiva (con Falla) 45
3.3.4.1 Características de la falla 46
3.3.4.2 Compensación con falla a X = 0% X 47
C L
3.3.4.3 Compensación con falla a X = 20% X 48
C L
3.3.4.4 Compensación con falla a X = 50% X 50
C L
3.3.4.5 Compensación con falla a X = 74.06% X 52
C L
3.3.4.6 Compensación con falla a X = 100% X 54
C L
Capítulo IV. Supervisión de la RSS en un Sistema de Prueba 57
4.1 Introducción 58
4.2 Supervisión Mecánica del Sistema de Prueba de IEEE para el Estudio 58
de RSS
4.3 Determinación del Contenido Subsíncrono del Par Eléctrico 59
4.3.1 Determinación del Contenido Subsíncrono del Par Eléctrico sin 59
Compensación
4.3.2 Determinación del Contenido Subsíncrono del Par Eléctrico con 62
Compensación Serie del 20 %
4.3.3 Determinación del Contenido Subsíncrono del Par Eléctrico con 64
Compensación Serie del 50 %
4.3.4 Determinación del Contenido Subsíncrono del Par Eléctrico con 65
Compensación Serie del 70 %
4.4 Comparación de resultados a X = 50% X 67
C L
4.5 Diagrama de Flujo Propuesto para la Supervisión del Régimen de RSS 70
en SEP
4.5.1 Descripción del Diagrama de Flujo Propuesto para la Supervisión del 71
Régimen de RSS en SEP
Capítulo V. Costo - Beneficio 74
5.1 Introducción 75
5.2 Generador Fuera de Operación 75
5.2.1 Potencia de los Turbogeneradores 75
5.2.2 Cobro de kW/h 76
5.2.3 Pérdidas Misceláneos 77
5.3 Costo Proyecto 78
5.4 Ahorro y Beneficio 79
iv
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Subsíncrona

Conclusiones 80
Trabajos Futuros 81
Bibliografía y Referencias 82
Anexo A. Parámetros de Operación del Sistema Propuesto de la IEEE, FBM 89
Anexo B. Herramienta Computacional DSITOOLS (ANÁLISIS DE FOURIER Y 90
PRONY).

ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1.1 Sistema Eléctrico de Potencia básico 2
Figura 1.2 Subsistema de Generación 3
Figura 1.3 Líneas de transmisión 4
Figura 1.4 Circuito equivalente de una línea de transmisión de dos cables 5
paralelos
Figura 1.5 Compensador serie ideal 6
Figura 1.6 Respuesta a la frecuencia de circuitos RLC serie y paralelo 8
Figura 1.7 Circuitos RLC en serie y paralelo en estado resonante 9
Figura 1.8 SEP en estado resonante 10
Figura 2.1 Sobre esfuerzo mecánico en flecha de un turbogenerador 19
Figura 2.2 Daño en el colector 20
Figura 3.1 Máquina síncrona, mostrando los ejes d y q 24
Figura 3.2 Diagrama fasorial de E (tensión total del devanado) 25
Figura 3.3 Circuito equivalente del transformador 29
Figura 3.4 Circuito π de parámetros concentrados 31
Figura 3.5 Compensación serie 32
Figura 3.6 Diagrama propuesto por la IEEE 35
Figura 3.7 Eje mecánico del circuito FBM, IEEE 36
Figura 3.8 Modelo de la IEEE sin la habilitación de la falla 37
Figura 3.9 Compensación sin falla a X = 0% X 38
C L
Figura 3.10 Compensación sin falla a X = 0% X a diferentes frecuencias 39
C L
Figura 3.11 Compensación sin falla a X = 20% X 40
C L
Figura 3.12 Compensación sin falla a X = 20% X a diferentes frecuencias 40
C L
Figura 3.13 Compensación sin falla a X = 50% X 41
C L
Figura 3.14 Compensación sin falla a X = 50% X a diferentes frecuencias 42
C L
Figura 3.15 Compensación sin falla a X = 74.06% X 43
C L
Figura 3.16 Compensación sin falla a X = 74.06% X a diferentes frecuencias 43
C L
Figura 3.17 Compensación sin falla a X = 100% X 44
C L
Figura 3.18 Compensación sin falla a X = 100% X a diferentes frecuencias 45
C L
Figura 3.19 Modelo de la IEEE con un bloque de falla a la derecha entre el 46
capacitor en serie de compensación y la representación del bus
infinito
Figura 3.20 Compensación con falla a X = 0% X 47
C L
Figura 3.21 Compensación con falla a X = 0% X a diferentes frecuencias 48
C L
Figura 3.22 Compensación con falla a X = 20% X 49
C L
Figura 3.23 Compensación con falla a X = 20% X a diferentes frecuencias 50
C L
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Metodología de Supervisión de Turbogeneradores en los Sistemas Eléctricos de Potencia ante la Presencia de Resonancia
Subsíncrona

Figura 3.24 Compensación con falla a X = 50% X 51
C L
Figura 3.25 Compensación con falla a X = 50% X a diferentes frecuencias 52
C L
Figura 3.26 Compensación con falla a X = 74.06% X 53
C L
Figura 3.27 Compensación con falla a X = 74.06%X a diferentes frecuencias 54
C L
Figura 3.28 Compensación con falla a X = 100% X 55
C L
Figura 3.29 Compensación con falla a X = 100% X a diferentes frecuencias 56
C L
Figura 4.1 Señal del par eléctrico en terminales del turbogenerador sin 61
compensación serie
Figura 4.2 Respuesta del par eléctrico al barrido de frecuencias sin 61
compensación serie
Figura 4.3 Respuesta del par eléctrico al barrido de frecuencias al 20% de 63
compensación
Figura 4.4 Respuesta del par eléctrico al barrido de frecuencias al 50% de 64
compensación
Figura 4.5 Respuesta del par eléctrico al barrido de frecuencias al 70% de 66
compensación
Figura 4.6 Metodología propuesta para la supervisión de RSS en un SEP 70

ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 3.1 Circuitos del generador síncrono 26
Tabla 4.1 Modos de Oscilación asociados al par eléctrico sin compensación, 62
X = 0% X
C L
Tabla 4.2 Modos de Oscilación asociados al par eléctrico con compensación, 64
X = 20% X
C L
Tabla 4.3 Modos de Oscilación asociados al par eléctrico con compensación, 65
X = 50% X
C L
Tabla 4.4 Modos de Oscilación asociados al par eléctrico con compensación, 66
X = 70% X
C L
Tabla 4.5 Modos de Oscilación asociados al par eléctrico con compensación 67
(X =50%)
C
Tabla 4.6 Eigenvalores torsionales 68
Tabla 4.7 Comparación de las frecuencias del par eléctrico supervisado y 69
frecuencias mecánicas
Tabla 5.1 Capacidad efectiva por tecnología y área de control, servicio público 76
Tabla 5.2 Datos de consumo de energía 76
Tabla 5.3 Modificación de costo con base a pérdida supuesta 77
Tabla 5.4 Pérdidas económicas no eléctricas 77
Tabla 5.5 Conceptos aplicables del proyecto 78
Tabla 5.6 Ahorro Beneficio 79

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