Desarrollo de un programa híbrido de simulación de sistemas de potencia en dos escalas de tiempo

Abstract

RESUMEN: Actualmente, se están instalando componentes del sistema eléctrico de potencia que tienen convertidores electrónicos, como es el caso de las líneas de corriente directa en alta tensión, los sistemas flexibles de transmisión en corriente alterna y los generadores eléctricos a partir de fuentes renovables. En este trabajo se desarrolló una herramienta de simulación híbrida que permite evaluar el efecto en la estabilidad del sistema de potencia, de fallas internas en los componentes con convertidores de electrónica de potencia. En este programa híbrido los componentes con convertidores electrónicos se representan en el programa de transitorios electromagnéticos PSCAD® (con transitorios en una escala de tiempo rápida de microsegundos), y el resto del sistema de potencia se modela en el programa de estabilidad TRANSTAB, desarrollado en la SEPI-ESIME-Zacatenco (con transitorios en una escala de tiempo de milisegundos). La herramienta de simulación híbrida del presente trabajo propone un enfoque novedoso en la integración del programa PSCAD® y el programa de estabilidad TRANSTAB, en la que ambos programas son compilados en un solo programa. Esto permite evitar errores de interfaz en el intercambio de información entre ambos programas. Adicionalmente, se integró en el programa híbrido el programa FLUJOS, de flujos de potencia, desarrollado en la SEPI-ESIME-Zacatenco, el cual permite establecer de manera adecuada las condiciones iniciales de los modelos dinámicos de los programas TRANSTAB y PSCAD®. Para validar el desempeño del programa híbrido, se desarrollaron dos modelos del sistema de potencia de prueba completamente en PSCAD®: uno empleando modelos detallados de los generadores síncronos con controles de excitación y velocidad, y otro que incluye además el modelo detallado de una línea de transmisión de corriente en alta tensión, basada en el modelo de referencia del CIGRE. Los resultados de la validación de flujos de potencia, condiciones iniciales y simulación dinámica de los sistemas de prueba, mostraron que el programa híbrido mantiene un alto grado de exactitud en la representación del sistema de potencia con elementos de electrónica de potencia, reduciendo de manera importante el tiempo de simulación. ABSTRACT: Nowadays, electric power system components with power electronic converters, like HVDC lines, Flexible ac Transmission systems and renewable electric power generators are being installed all around the world. In this thesis work, a hybrid simulation tool, that allows assessing the effect on power system stability of the internal faults in the devices with power electronics converters, was developed. In this hybrid program, the components having power electronics converters (with fast transients, in the microseconds time-scale) are simulated by PSCAD® electromagnetic simulation program, while the rest of the electric power system (with slow transients, in the miliseconds time-scale), is simulated by TRANSTAB, a stability program developed at SEPI-ESIME-Zacatenco. The hybrid simulation tool developed in this work proposes a novel approach to integrate PSCAD® with TRANSTAB stability program in which both programs are compiled as a single program. This approach allows avoiding interface errors in the information exchange between both programs. Besides, FLUJOS, a power flow program developed at SEPI-ESIME-Zacatenco, was also included in the hybrid simulation program, allowing computing the initial conditions of the dynamic models of PSCAD® and TRANSTAB correctly. In order to validate the performance of the hybrid program, two power system test models were developed in PSCAD®: a stability model with the detailed representation of synchronous generators and their excitation and frequency control systems, and another model that additionally includes a detailed model of a high voltage dc transmission line based on the HVDC benchmark model of CIGRE. Results of the validation process of power flow, initial condition computation and the dynamic time-domain simulation, showed that the hybrid program maintains a high accuracy degree in modeling the components with power electronics converters, while importantly reducing the simulation time.