Modelado de un sistema de rebombeo y su esquema de protección diferencial
Fecha
2019-10-30Registro en:
Rojas Gallardo, L. A. (2018). Modelado de un sistema de rebombeo y su esquema de protección diferencial. (Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica). Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco. México.
Autor
Rojas Gallardo, Lorenna Aracely
Institución
Resumen
RESUMEN:
El almacenamiento de energía por rebombeo es una de las tecnologías de
almacenamiento con mayor antigüedad y madurez. Hoy en día estos sistemas se han
vuelto de gran interés con la incorporación a la red de las energías renovables, como
la eólica y solar por mencionar algunas, ya que ayuda a reducir el efecto de la
intermitencia de éstas al funcionar como una batería gigante. Este sistema utiliza la
energía eléctrica excedente en la red (cuando la demanda de energía es mínima) para
bombear agua de una reserva inferior a una reserva superior y almacenarla en forma
de energía potencial. Cuando la red no está generando la energía eléctrica suficiente
para cubrir la demanda, el sistema de rebombeo funciona como una planta
hidroeléctrica común, generando energía eléctrica al abrir sus compuertas y permitir
que la caída del agua mueva la turbina hidráulica y que la máquina síncrona opere
como generador eléctrico.
Existen varias configuraciones que se pueden implementar en el sistema de
almacenamiento de acuerdo a los elementos básicos que conforman un Sistema
Eléctrico de Potencia (SEP). Este trabajo simula una configuración binaria ya que usa
una turbina reversible (turbina-bomba) y una máquina síncrona (motor-generador).
La protección del SEP es considerado uno de los temas de mayor importancia en el
área eléctrica. Uno de los elementos fundamentales en el SEP es el generador,
considerado también primordial por su alto costo y su función dentro de la red.
Existen diversos esquemas de protección que se pueden emplear para proteger una
máquina síncrona sin embargo, la protección diferencial es la más usada en estos
equipos de gran capacidad por su eficiencia y confiabilidad.
El presente trabajo modela un sistema de almacenamiento de energía por rebombeo
y su esquema de protección. El modelo considera una planta de rebombeo con
capacidad para generar 300MW y capacidad de almacenar por bombeo 7.2 x 106 m3
a un caudal de 60m3/s y se conecta a un SEP por medio de un transformador trifásico
de 340MVA´s. Se propone una protección diferencial porcentual para proteger la
máquina síncrona. Las pruebas fueron simuladas en Simulink/Matlab y en un
ambiente de Simulación Digital empleando el Simulador en Tiempo Real para
pruebas de lazo cerrado a equipos. En ambos casos se aplicaron fallas internas y
fallas externas a la zona de protección de la máquina síncrona para estudiar el
comportamiento del relevador 87G. Las pruebas incluyen casos de fallas
monofásicas, bifásicas y trifásicas dentro y fuera de la zona, en modo motor y modo
generador. El modelo del sistema de almacenamiento de energía por rebombeo y su
esquema de protección desarrollados en este trabajo pueden ser usados para futuros
proyectos de investigación en el área de operación de mercados de energía.
ABSTRACT:
The pumped hydro energy storage systems is one of the most old and mature
storage technologies.
At present, these systems have become of great interest for the incorporation of
renewable energies, such as wind and solar,into the electric network due to its
helpfull use reducing the intermittence effect since it works like a gigant battery.
These systems use surplus electric power network (when the demand is minimal),
to pump water from a lower reserve to a higher reserve and store it in the form of
potential energy. When the system is not generating enough electrical energy to
meet the demand these systems function as a common hydroelectric plant,
generating electrical power by opening their gates and allowing the fall of water to
move a hydraulic turbine and this energizes the synchronous machine as a generator
electric. .
There are several configurations that can be implemented in the storage system
according to the basic elements that integrate an electric power system, this thesis
simulates a binary configuration since it uses a reversible turbine (turbine-pump)
and a synchronous machine (motor-generator).
The protections of the electric power system is considered one of the most important
issues in the electrical area. One of the fundamental elements in the electric power
system is the generator, considered essential because of its high cost and its role
within the power system. There are several protection schemes that can be used to
protect a synchronous machine however, the differential protection has been the
most used in these high capacity equipment due to its efficiency and reliability.
The present thesis models a pumped hydro energy storage system and its protection
scheme.
The model considers a pumping plant with the capacity to generate 300MW and the
capacity to store 7.2 x 106 m3 at a flow of 60m3 / s and is connected to a SEP by means
of a 340MVA's three-phase transformer. A percentage differential protection is
proposed to protect the synchronous machine. The tests were simulated in
Simulink/Matlab and in a Digital Simulation environment using the Real Time
Simulator for closed loop tests to equipment. In both cases, internal faults and
external faults were determined in the protection areas of the synchronous machine
to study the behavior of the 87G relay. The tests include cases of single-phase, twophase and three-phase faults inside and outside the zone, in motor mode and
generator mode. The model of the pumped hydro energy storage system and its
protection scheme developed in this work can be used for future research projects
in the area of operation in energy markets.