Identificación de circuitos equivalentes de máquinas síncronas usando elementos finitos

Abstract

La determinación precisa de los parámetros de los circuitos equivalentes de un generador síncrono es crucial para una representación adecuada de esta máquina en un análisis del sistema eléctrico de potencia. Aunque el problema de la identificación de parámetros no es nuevo, continuamente se desarrollan diversas metodologías para mejorar la identificación de parámetros. En este trabajo se emplea una prueba de cortocircuito trifásico simétrico en las terminales del generador, cuya condición de prefalla es en circuito abierto, es decir, antes de provocar el cortocircuito, el generador está girando a velocidad nominal constante, con una excitación de campo constante, que induce en sus terminales un voltaje menor al voltaje nominal. Para simular la dinámica electromagnética del cortocircuito se utilizó un modelo de elementos finitos en dos dimensiones. Esta prueba se realizó con base en los procedimientos estandarizados IEEE Std 115® para la determinación de parámetros subtransitorios, transitorios y en estado estable. Para validar el modelo de elementos finitos se realizó un estudio paramétrico magnetostático en el que se obtuvo la curva de operación sin carga del generador y se comparó con la curva de un modelo ya validado. Una de las principales ventajas del uso de elementos finitos es la capacidad de aplicar una amplia variedad de pruebas al generador, lo que permite reducir el uso de recursos económicos, naturales y humanos. Con la simulación usando el método de los elementos finitos (MEF), se obtuvieron los oscilogramas de las corrientes de cortocircuito, para posteriormente, pasar estos datos por una etapa de postprocesamiento y calcular su componente simétrica RMS. Una vez determinada la componente simétrica, se aplicó el método de ajuste de curva con mínimos cuadrados para la identificación de reactancias y constantes de tiempo subtransitorias, transitorias y de estado estable, utilizando el algoritmo de Levenberg-Marquardt. Finalmente, se comparó la componente simétrica RMS de corriente, entre los datos obtenidos de la simulación con el MEF y el modelo analítico de dicha componente. El generador síncrono bajo estudio es de rotor cilíndrico, cuyas características nominales son: 13.8 kV, 2 polos, 50 Hz y 150 MVA.

The accurate determination of the equivalent circuit parameters of a synchronous generator is crucial for an adequate representation of this machine in power system analysis. Although the issue of parameter identification is not new, various methodologies are continuously being developed to improve parameter identification. In this work, a symmetrical three-phase short-circuit test is employed at the generator terminals, with the pre-fault condition being open circuit; this means that before causing the short circuit, the generator is spinning at a constant nominal speed with constant field excitation, which induces a voltage at its terminals that is lower than the nominal voltage. To simulate the electromagnetic dynamics of the short circuit, a two-dimensional finite element model was used. This test was conducted based on the standardized procedures outlined in IEEE Std 115®for the determination of subtransient, transient, and steady-state parameters. To validate the finite element model, a magnetostatic parametric study was conducted in which the no-load operation curve of the generator was obtained and compared with the curve of an already validated model. One of the main advantages of using finite elements is the ability to apply a wide variety of tests to the generator, which helps reduce economic, natural, and human resource consumption. With the simulation using the finite element method (FEM), the oscillograms of the shortcircuit currents were obtained. These data were then processed through a post-processing stage to calculate their symmetrical RMS component. Once the symmetrical component was determined, the curve fitting method with least squares was applied to identify the subtransient, transient, and steady-state reactances and time constants, using the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, the symmetrical RMS current component was compared between the data obtained from the FEM simulation and the analytical model of this component. The synchronous generator under study is a cylindrical rotor type, with nominal characteristics of: 13.8 kV, 2 poles, 50 Hz, and 150 MVA.