Modelado de un sistema de rebombeo y su esquema de protección diferencial

Abstract

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.