ES2586469B2 - Load shedding system for networks with high power motors - Google Patents
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Abstract
Sistema de deslastre de cargas para instalaciones consumidoras con motores de elevada potencia.#Sistema de deslastre de cargas para instalaciones aisladas consumidoras con motores basada en la comparación de la velocidad y/o la variación de la velocidad en el tiempo de los motores con unos umbrales previamente ajustados que desconectan los diferentes motores si su velocidad y/o la variación de la misma no supera dichos umbrales.Load shedding system for consuming installations with high power motors # Load shedding system for insulated consumer installations with motors based on the comparison of the speed and / or the variation of the speed in time of the motors with thresholds previously adjusted that disconnect the different motors if their speed and / or the variation thereof does not exceed said thresholds.
Description
SISTEMA DE DESLASTRE DE CARGAS PARA REDES SYSTEM OF DISPLAY OF LOADS FOR NETWORKS
CON MOTORES DE ELEVADA POTENCIA WITH HIGH POWER MOTORS
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
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OBJETIVO DE LA INVENCIÓN OBJECTIVE OF THE INVENTION
La presente instalación pretende desarrollar un sistema de deslastre para redes eléctricas con motores eléctricos de elevadas potencias, basada en la medida de la velocidad de giro y/o la variación de la velocidad de giro con respecto al tiempo en los motores. 10 The present installation intends to develop a system of deslastre for electrical networks with electric motors of high powers, based on the measurement of the speed of rotation and / or the variation of the speed of rotation with respect to the time in the motors. 10
Una clara aplicación son los sistemas eléctricos en redes aisladas con energías renovables, donde se están instalando instalaciones de bombeo para el almacenamiento de energía. En estas redes aisladas puede producirse que, en caso de un defecto en parte de la misma, tras el despeje del defecto, la tensión y la 15 frecuencia vuelvan a su valor asignado. Sin embargo, en otra parte de la red, donde se encuentra la central de bombeo, la tensión no se recupera, quedando en un valor muy inferior a su valor asignado, siendo esta situación insostenible. A clear application is the electrical systems in isolated networks with renewable energies, where pumping installations are being installed for the storage of energy. In these isolated networks, it may occur that, in the case of a defect in part thereof, after the defect has been cleared, the voltage and frequency return to their assigned value. However, in another part of the network, where the pumping station is located, the voltage is not recovered, remaining at a value much lower than its assigned value, this situation being untenable.
Por tanto, en caso de utilización de relés de deslastre basados en medida de la 20 frecuencia, en este tipo de redes no se detectaría el mal funcionamiento del sistema eléctrico tras el defecto. Therefore, in case of use of shedding relays based on frequency measurement, in this type of networks the malfunction of the electrical system after the defect would not be detected.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
En los sistemas eléctricos en redes aisladas donde se pretende instalar energías 25 renovables es necesaria la instalación de centrales de bombeo para el almacenamiento de energía. In electrical systems in isolated networks where renewable energies are to be installed, it is necessary to install pumping stations for the storage of energy.
Estas instalaciones de bombeo son de una potencia reducida (algunos MW) si se comparan con las grandes centrales de bombeo (centenares de MW) en grandes sistemas eléctricos interconectados. Por lo que es muy normal la utilización de máquinas asíncronas para el accionamiento de las bombas. These pumping facilities are of reduced power (some MW) when compared to large pumping stations (hundreds of MW) in large interconnected electrical systems. So it is very normal to use asynchronous machines to drive the pumps.
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Sin embargo, a pesar de esta pequeña potencia, son del mismo orden que la potencia instalada en las centrales de producción de energía de dicha red aislada. However, despite this small power, they are of the same order as the installed power in the power plants of said isolated network.
Durante el análisis de diferentes perturbaciones eléctricas en un sistema eléctrico insular aislado, con una instalación de bombeo de potencia similar a la potencia 10 instalada en generación, se ha verificado la siguiente situación. During the analysis of different electrical disturbances in an isolated insular electrical system, with a power pumping installation similar to the power 10 installed in generation, the following situation has been verified.
Al producirse un defecto en algún punto de la red, la tensión que alimenta la instalación de bombeo desciende y las bombas se frenan. Tras despejarse el defecto puede que la tensión vuelva a su valor asignado, o en algunos casos, se recupere 15 parcialmente quedando en un valor inferior a su valor asignado, siendo esta situación insostenible. When a defect occurs somewhere in the network, the voltage that feeds the pumping installation drops and the pumps slow down. After clearing the defect, the voltage may return to its assigned value, or in some cases, it may recover 15 partially remaining at a value lower than its assigned value, this situation being untenable.
Para solucionar este problema se debe desconectar alguna de las bombas, y de esta forma, se recupera la tensión en dicho punto de la red. 20 To solve this problem, one of the pumps must be disconnected, and in this way, the voltage at that point in the network is recovered. twenty
Sin embargo, en puntos lejanos a la zona de la instalación de bombeo, la tensión y la frecuencia vuelven a su valor asignado tras la eliminación del defecto. Por lo que si se utilizan relés de deslastre basados en la medida de la frecuencia pudiera ser que esta situación no sea detectada y por tanto, no se realice el deslastre de las bombas 25 necesarias para recuperar el sistema eléctrico. However, at points far from the area of the pumping installation, the voltage and frequency return to their assigned value after the elimination of the defect. So, if scale-out relays are used based on the measurement of the frequency, this situation may not be detected and, therefore, the shedding of the pumps necessary to recover the electrical system is not carried out.
Tras el análisis de multitud de simulaciones, se ha comprobado que la mejor forma de detectar este tipo de defecto es analizando la velocidad o la variación de la velocidad de los motores que accionan las bombas. 30 After the analysis of many simulations, it has been proven that the best way to detect this type of defect is by analyzing the speed or variation of the speed of the motors that drive the pumps. 30
Existen diferentes métodos de protección que se basan en la medida de la tensión de los motores, en la medida de la frecuencia de los motores de elevada potencia y una combinación de ambas para detectar si se ha producido una eliminación total del defecto y evitar tener que disparar la instalación eléctrica o si por el contrario, es necesario realizar un deslastre de cargas para prevenir un colapso total del sistema 5 eléctrico. There are different protection methods that are based on the measurement of the voltage of the motors, the measurement of the frequency of the high power motors and a combination of both to detect if there has been a total elimination of the defect and avoid having to trigger the electrical installation or if on the contrary, it is necessary to carry out a load shedding to prevent a total collapse of the electrical system.
En el trabajo realizado por Mario Klaric, Igor Kuzle y Sejid Tesnjak, titulado “Example of Undervoltage Load Shedding Implementation”, se mencionan los problemas que tienen los sistemas de energía con la estabilidad de tensión debido a la cantidad de 10 energía transportada a largas distancias. Esta gran cantidad de potencia transportada provoca que el sistema esté muy sobrecargado y trabajando en situación límite, pudiendo llevar al conjunto eléctrico a una situación de colapso. Este documento muestra que uno de los métodos más económicos para prevenir el colapso de tensión en sistemas de elevada longitud es el deslastre de cargas por baja tensión 15 (Undervoltage Load Shedding). Dicho método está siendo ensayado en New England y forma parte del sistema de energía de Croacia. In the work carried out by Mario Klaric, Igor Kuzle and Sejid Tesnjak, entitled "Example of Undervoltage Load Shedding Implementation", the problems that energy systems have with voltage stability due to the amount of energy transported over long distances are mentioned. . This large amount of power transported causes the system to be very overloaded and working in a limit situation, being able to take the electrical assembly to a collapse situation. This document shows that one of the most economical methods to prevent stress collapse in systems of high length is the low voltage load shedding 15 (Undervoltage Load Shedding). This method is being tested in New England and is part of the Croatian energy system.
En el trabajo elaborado por Hazlie Mokhlis, Mazaher Karimi y Amidaddin Shahriari, “A New Under-Frequency Load Shedding Scheme for Islanded Distribution Network”, se 20 tratan los problemas de protección para las redes aisladas para mantener la frecuencia del sistema. In the work developed by Hazlie Mokhlis, Mazaher Karimi and Amidaddin Shahriari, "A New Under-Frequency Load Shedding Scheme for Islanded Distribution Network", the protection problems for isolated networks are treated to maintain the frequency of the system.
A través del documento realizado por Junjie Tang, Junqi Liu, Ferdinanda Ponci y Antonello Monti, titulado “Adaptative Load Shedding Based on Combined Frequency 25 and Voltage Stability Assessment Using Synchrophasor Measurements”, se muestra un nuevo algoritmo adaptativo centralizado de deslastre de cargas que combina la información suministrada por las unidades de medida de los fasores de la frecuencia y de la tensión para la detección de grandes perturbaciones. Mediante este método se unifican dos esquemas de trabajo que anteriormente se realizaban por separado. 30 Through the document by Junjie Tang, Junqi Liu, Ferdinanda Ponci and Antonello Monti, entitled "Adaptative Load Shedding Based on Combined Frequency 25 and Voltage Stability Assessment Using Synchrophasor Measurements", a new centralized adaptive load shedding algorithm is shown that combines the information supplied by the units of measurement of the phasors of frequency and voltage for the detection of large disturbances. By means of this method, two work schemes that were previously carried out separately are unified. 30
sistema eléctrico aislado ante dicho defecto, se realiza una comparaciónentre los valores medidosy los de referencia, previamente ajustados.Si los valores de velocidadde giroy/o la variaciónde la velocidadde giromedidas en los motores después de producirse el defectoson mayores o iguales a los de referencia de 5dichos parámetros, entonces el sistema eléctrico es capaz de recuperar su correcto funcionamiento estable sin necesidad de realizar un deslastre de potencia de los motores.Si por el contrario los valores de velocidad de giro y/o la variaciónde la velocidad de giro medidas en los motores en dicha situación de defectoson menores que los valores de 10referencia, será necesario realizar un deslastre paulatino de potencia. Después de dicho deslastre de potencia, sevolverá a operar del mismo modo comparando la nueva situación con los valores de referencia determinados hasta conseguir que dichos valores medidos en los motores sean mayores o iguales que los de referencia con el fin de conseguir restablecer el sistema.15Dichos valores de referencia de velocidad de giro y variación de la velocidadde girorespecto del tiempo de los motores de elevada potencia son ajustables, tras el análisis de la red eléctrica,dependiendo de la impedancia de la línea de la instalación consumidora y de la potencia total instalada en dicho sistema eléctrico aislado.20BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASPara complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde 25con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:La Figura1representa uno de losesquemassimplificadosde una de las redeseléctricasaisladas, con una instalación eléctrica consumidora de elevada potencia delasque se han realizadonumerosas simulaciones.Está compuesto por los siguientes elementos:301.Conjunto de generadores. electrical system isolated before said defect, a comparison is made between the measured values and the reference values, previously adjusted. If the values of speed of rotation and / or the variation of the speed of gyrocompasses in the motors after the defects are greater than or equal to the reference values of If these parameters are present, then the electrical system is capable of recovering its correct stable operation without having to carry out a power shedding of the motors. On the contrary, the speed values of rotation and / or the variation of the speed of rotation measured in the motors in this situation of defects are lower than the reference values, it will be necessary to perform a gradual power dissipation. After said power shedding, it will return to operate in the same way comparing the new situation with the determined reference values until achieving that said values measured in the motors are greater than or equal to those of reference in order to get the system restored.15Dichos Reference values of speed of rotation and variation of the speed of time of the high power motors are adjustable, after the analysis of the electrical network, depending on the impedance of the line of the consuming installation and the total installed power in said isolated electrical system.20BREVE DESCRIPTION OF THE FIGURES To complement the description that is going to be carried out next and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, the present specification is included, forming an integral part of it, a set of drawings in which, with an illustrative and non-limiting character, it has been The following is shown: Figure 1 represents one of the simplified schemes of one of the electric-insulated networks, with a high power consuming electrical installation of which numerous simulations have been carried out. It is composed of the following elements: 301. Generator set.
2.Red eléctrica.3.Transformadorelevador de tensión.4.Transformadorreductor de tensión.5.Conjunto de motores.5En laFigura2se representanlas gráficasde la frecuencia en bornes de la generación de la instalación eléctrica ante un defecto sin deslastre de potencia.6.Curva de la frecuencia en bornes de la generación sin deslastre de potencia.La Figura3representa la evolución de la frecuencia de la red eléctrica ante un defecto con 10deslastre de potencia.7.Curva de la frecuencia en bordes de la generación con deslastre de potencia.La Figura4representa la evolución de la frecuencia de la red eléctrica ante un defecto sin deslastre de potencia.158.Curvade la velocidad de giro de los motores ante un defecto sin deslastre de potencia.La Figura5representa la evolución de la velocidad de giro de los motores de elevada potencia ante la situación de un defecto en el sistema eléctrico condeslastre de potencia en 20la instalación.9.Curva de la velocidad de giro de los motores ante un defecto con deslastre de potencia.En la Figura 6 serepresenta la evolución de latensión de alimentación de los motores de la 25instalación ante un defecto en el sistema eléctrico sin deslastre de potencia.10.Curva de la tensión de los motores ante un defecto sin deslastre de potencia.La Figura 7representa la evolución de la tensión de alimentación de los motores de la instalación ante un defecto en el sistema eléctrico con deslastre de potencia.3011.Curva con la evolución de la tensión de los motores ante un defecto con deslastre 2.Red electric.3.Transformed voltage-lift.4.Transformer voltage reducer.5.Motor set.5InFigure2 are shown the graphs of the frequency in terminals of the generation of the electrical installation in the face of a defect without power shedding.6.Curve of the frequency in terminals of the generation without power shedding. Figure 3 represents the evolution of the frequency of the electric network in the face of a defect with power disconnection.7.Curve of the frequency in edges of the generation with power shedding. Figure 4 represents the evolution of the frequency of the electric network in the face of a defect without power loss.158.Curve of the speed of the motors in the event of a defect without power loss. Figure 5 represents the evolution of the speed of the high-power motors before the situation of a defect in the electric system with power disconnect in the installation.9.Curve of the speed of rotation of the engines before a defect with power shedding. Figure 6 shows the evolution of the supply voltage of the installation motors in the event of a fault in the electrical system without power loss.10.Curve of the voltage of the motors in the event of a defect without shedding potencia.La Figure 7 represents the evolution of the supply voltage of the motors of the installation to a defect in the electrical system with power shedding.3011.Curva with the evolution of the voltage of the engines to a defect with shedding
de potencia.En laFigura8se representa unsistema de deslastre para cuatro motorescon el que se realiza la comparación entre la velocidad de giro de losmotores con su valor umbral ajustable y la comparación entre la variación de la velocidadde giro de los motoresrespecto 5al tiempo con su valor umbral autoajustable para ordenar el disparo de los motores correspondientes mediante la apertura del interruptor y así evitar el funcionamiento en condiciones inestablesde la instalación eléctrica aislada.2.Red eléctrica.4.Transformadorreductor de tensión.1012.Interruptor de la acometidaeléctrica.13.Interruptor del motor.14.Motor.15.Equipode medida de la velocidad de giro del motor.16.Subsistema decomparación entre la velocidad de giro y/ola variación de la 15velocidad de giro con sus respectivos valores ajustables.17.Subsistema generador de órdenesde deslastre de potencia.18.Transmisión de la orden de apertura alosinterruptores13.En la Figura9se representa el diagrama de bloques del sistema de comparación de 20velocidad de giro de los motorescon su umbral ajustablepara determinar en cada situación si es necesario o no deslastrar potencia.19.Umbral20.Comparador de la velocidad de giro del motor con su umbral ajustable.25La Figura 10representa el diagrama de bloques del sistema de comparación de la variación de la velocidad de giro de los motores respecto al tiempo con su umbral ajustable para determinar en cada situación si es necesario realizar un deslastre de cargas.21.Elemento calculador de la variacióndela señal de entrada con respecto al tiempo.22.Variación de la velocidad de giro del motor respecto al tiempo.3023.Umbral ajustable de la variación de la velocidad de giro del motor respecto al tiempo.24.Comparador de la variación de la velocidad de giro del motor con su umbral ajustable. In Figure 5, a four-engine shedding system is represented, which compares the speed of rotation of the motors with their adjustable threshold value and the comparison between the variation of the speed of rotation of the motors with respect to the self-adjusting threshold value. to order the triggering of the corresponding motors by opening the circuit-breaker and thus prevent the operation in unstable conditions of the isolated electrical installation. 2. Electric network. 4. Voltage reducer transformer. 1012. Electric power supply switch.13. Motor switch. 14.Motor.15.Equipode measure of the speed of the engine.16.Substitution sub-system between the speed of rotation and / or the variation of the speed of rotation with their respective adjustable values.17.Subsystem generator of power shedding orders. 18. Transmission of the opening command to the switches13. Figure 9 shows the block diagram of the system for comparing the speed of the motor with its adjustable threshold to determine in each situation whether it is necessary or not to lose power.19.Umbral20.Comparator of the speed of the motor with its adjustable threshold.25 Figure 10 represents the block diagram of the motor. system of comparison of the variation of the speed of rotation of the motors with respect to the time with its adjustable threshold to determine in each situation if it is necessary to carry out a load shedding.21.Current calculator of the variation of the input signal with respect to time. 22.Variation of the speed of rotation of the motor with respect to time. 3023. Adjustable threshold of the variation of the speed of rotation of the motor with respect to time.24.Comparator of the variation of the speed of rotation of the motor with its adjustable threshold.
La Figura 11representa la comparación de la velocidad de giro del motor y la variación de la velocidad de giro del motor respecto al tiempo con sus respectivos umbrales ajustables.25.Sistema comparador de la velocidad de giro del motor y/ola variación de la velocidad de giro del motor respecto al tiempo con sus respectivosumbralesajustablesy con diferentes temporizadores para activar la señal de desconexión.Dichos 5temporizadores son preferentemente temporizadores ajustables para retrasar las distintas órdenes de desconexión. La Figura12representa la gráfica de la velocidadde giro del motor ante un defecto en la instalación eléctrica sin deslastre de potencia.1026.Curva de la evolución de la velocidad de giro del motor sin deslastre de cargas.La Figura 13representa la gráfica de la velocidad de giro del motor ante un defecto en la instalación eléctrica con un deslastre de cargas en dos etapas.27.Curva de la evolución de la velocidad de giro del motor ante un deslastre de cargas 15en dos etapas.REALIZACIÓNES PREFERENTES DE LA INVENCIÓNLa idea de la presente invención es conocer mediante la comparación de la velocidad de giro de los motores y/ola derivada de la velocidadde girode estos motores de elevada 20potencia respecto del tiempo con unos valores previamente ajustados, que son dependientesde la impedancia de la línea y de la potencia total conectada, para determinar si cuando se produce una falta en el sistema eléctrico, éste es capaz de despejar el defecto y recuperar el funcionamiento estable, o, si por el contrario, hay que iniciar un deslastre paulatino de potencia desconectando motores para conseguir la recuperación de la 25estabilidad y evitar el disparo de la instalación eléctrica.Sistema de deslastre basado en la medida de la velocidadSistema de deslastre basado en la comparación de la velocidad de giro de los motores con un umbral ajustableque determinará mediante la comparación entre ambos si es necesario 30realizar un deslastre paulatino de cargas cuando el valor medido es menor que el umbral, o Figure 11 represents the comparison of the speed of rotation of the motor and the variation of the speed of rotation of the motor with respect to the time with its respective adjustable thresholds.25. Comparator system of the speed of rotation of the motor and / or the variation of the speed of rotation of the motor with respect to the time with its respective thresholds and adjustable with different timers to activate the disconnection signal. Said 5-timers are preferably adjustable timers to delay the different disconnection commands. Figure 12 represents the graph of the speed of rotation of the engine before a fault in the electrical installation without power shedding.1026.Curve of the evolution of the speed of rotation of the engine without shedding of loads. Figure 13 represents the graph of the speed of rotation of the motor before a fault in the electrical installation with a load shedding in two stages.27.Curve of the evolution of the speed of rotation of the motor before a load shedding in two stages. PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION The idea of the present invention is to know by comparing the speed of rotation of the motors and / or the derivative of the speed of rotation of these high power motors with respect to time with values previously adjusted, which are dependent on the impedance of the line and the total power connected, to determine if when a fault occurs in the electrical system, it is able to clear the defect and recover the operation is table, or, if on the contrary, it is necessary to initiate a gradual deslastre of power disconnecting motors to achieve the recovery of the stability and avoid the firing of the electrical installation.Slaying system based on the measurement of the speedShilling system based on the comparison of the speed of rotation of the motors with an adjustable threshold that will be determined by comparing them if it is necessary to perform a gradual load shedding when the measured value is less than the threshold, or
si por el contrario, la instalación restablece el funcionamiento estable sin la necesidad de realizar un deslastre de cargas cuando el valor medido es mayor que el umbral.Sistema de deslastre basado en la medida de la variación de la velocidadSistema y método de deslastre basado en la comparación de la variación velocidadde giro5en el tiempo de los motores con un umbral ajustableen el cual,si el valor de dicha variación de velocidad de los motoresrespecto del tiempo es menor que el umbral autoajustable,será necesario iniciar un deslastre paulatino de cargas hasta que el valor de la pendiente de la velocidad sea mayor que dicho valor ajustable determinado. if, on the contrary, the installation reestablishes stable operation without the need to carry out a load shedding when the measured value is greater than the threshold. Shedding system based on the measurement of the variation of the speedSystem and method of shedding based on the Comparison of the variation speed of rotation5 in the time of the motors with an adjustable threshold in which, if the value of said variation of speed of the motors with respect to the time is smaller than the self-adjusting threshold, it will be necessary to initiate a gradual deslastre of loads until the value of the slope of the speed is greater than said determined adjustable value.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2586469 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20180216 |