Trabajo de grado - Pregrado
Analisis de una estrategia de protección de micro-redes basada en la aplicacion de componentes superpuestas y la energía reactiva superpuesta
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Andrés Vladimir Luna Muñoz
Institución
Resumen
El aumento en el uso de fuentes no convencionales de energía renovable (FNCER), como la energía solar y eólica, trae un cambio en las redes de distribución tradicionales, evolucionando hacia micro-redes (MG - Microgrid). La MG, además de facilitar la disponibilidad de energía a lugares de difícil acceso, brindan soporte y continuidad de suministro, ya que pueden operar conectadas a la red principal o en modo aislado. Sin embargo, las MG traen consigo nuevos retos, tanto a nivel de control, operación y protección de las mismas. Este trabajo se concentra en los desafíos de las protecciones. Desde el punto de vista de las protecciones, los problemas están asociados a los cambios en la magnitud de la corriente de cortocircuito, que será distinta en los dos modos de operación de la MG. Estos modos de operación cambian de acuerdo con la conexión o desconexión de las FNCER a la red. También, el flujo de potencia en la MG será bidireccional, debido a las diferentes fuentes de generación contenidas en la MG. En este contexto, en este trabajo se analiza una estrategia de protección de MG que usa las componentes superpuestas, las cuales se aplican para detectar e identificar la zona en falla. Adicionalmente, el esquema aprovecha las características de los coeficientes de energía reactiva superpuesta, para detectar la direccionalidad independientemente del modo que esté operando la MG y del tipo de falla. La estrategia de protección es validada en el alimentador de prueba IEEE de 34 barras. Los resultados muestran una adecuada operación del esquema de protección analizado, resaltando el potencial del esquema para la aplicación en contextos reales. Finalmente, como trabajo futuro, se propone mejorar el esquema eliminando la comunicación entre los relés de la zona principal y el relé de la zona de respaldo para obtener una estrategia de protecciones más económica. The increase in the use of unconventional sources of renewable energy (FNCER), such as solar and wind energy, brings a change in traditional distribution networks, evolving to microgrids (MG). The MG, in addition to facilitating energy availability to places of difficult access, provides support and continuity of supply, since they can operate connected to the main network or in isolated mode. However, the MG bring new challenges, both at the level of control, operation and protection of them. This work is concentrated in the challenges of protections. From the point of view of the protections, the problems are associated with the changes in the magnitude of the short circuit current, which will be different in the two modes of operation of the MG. These modes of operation change according to the connection or disconnection of the FNCER to the network. Also, the power flow in the MG will be bidirectional, due to the different generation sources contained in the MG. In this context, in this work an MG protection strategy is analyzed that uses superimposed components, which are applied to detect and identify the area in failure. Additionally, the scheme takes advantage of the characteristics of superimposed reactive energy coefficients, to detect directionality regardless of the operation mode and type of failure that happens in the MG. The protection strategy is validated in the test feeder IEEE 34-bus. The results show an adequate operation of the analyzed protection scheme, highlighting the potential of the scheme for the application in real contexts. Finally, as a future work, it is proposed to improve the scheme by eliminating communication between the relays of the main zone and the relay of the backup zone to obtain a more economical protection strategy. Pregrado Ingeniero(a) Electricista Tabla de contenido
1 Introduccion´ 11
1.1 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 12
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Aspectos teoricos 16 ´
2.1 Micro-redes y generacion distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 16
2.2 Componentes superpuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Componentes superpuestas en Filtros Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Transformada rapida de Fourier (FFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 18
2.4 Componentes de secuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Desequilibrio del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Transformada de Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Metodolog´ıa propuesta 20
3.1 Etapa 1: Consideraciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Estudio de fallas y senales de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 21
3.1.2 Senales superpuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 21
3.2 Etapa 2: Unidad de deteccion de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 22
3.2.1 Componentes de corriente superpuestas y previas a la falla . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Transformada rapida de Fourier y componentes de secuencia de corriente su- ´
perpuesta y previas a la falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 Relacion de falla ´ FR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.4 Desequilibrio del sistema Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.5 Relacion de falla con desequilibrio del sistema ´ RFD . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Etapa 3: Unidad de direccion y clasificaci ´ on de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 27
3.3.1 Transformada de Hilbert en senales superpuestas . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 28
3.3.2 Potencia y energ´ıa reactiva superpuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.3 Coeficientes de energ´ıa reactiva superpuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.4 Direccionalidad a trav´es de los coeficientes Kq de energ´ıa reactiva superpuesta 29
3.3.5 Clasificacion de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 29
3.4 Etapa 4: Unidad de identificacion de zona de falla y disparo . . . . . . . . . . . . . . ´ 29
3.4.1 Identificacion de zona en falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 29
3.4.2 Unidad de disparo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5
TABLA DE CONTENIDO
4 Pruebas y analisis de resultados 32 ´
4.1 Red de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Estudio de fallas con estados operativos de la micro-red . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Umbrales de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Secciones de micro-red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.1 Comunicacion y zonas de protecci ´ on del rel ´ ´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5 Resultados obtenidos y analisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 35
4.5.1 Operacion conectado a la red principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 35
4.5.2 Operacion en isla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 40
4.5.3 Operacion con salida de una fuente de generaci ´ on distribuida . . . . . . . . . ´ 44
5 Conclusiones y trabajos futuros 50
5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51