Simulación de la Asimilación de Demanda de la Batería de Grupos Electrógenos Moa en Isla (página 2)

Esta última se introduce a través de ventanas sobre el diagrama monolineal del circuito, el que se edita de una forma simple, ágil y de fácil manipulación. [24] Es un programa que se utiliza para la simulación de los sistemas de distribución, es decir desde la subestación de distribución hasta los consumidores, pero tiene un inconveniente a la hora de obtener las gráficas lo más cerca de la realidad, ya que, cuando se inserta la generación de la Batería de Grupos Electrógenos al sistema de distribución es posible acceder a la excitación y otros parámetros de los generadores para observar el comportamiento real de estos.

El software Power Systems Explorer (PSX) cuenta con cuatro estudios fundamentales las cuales se explican a continuación:

• 1- FLUJO DE CARGA. Soluciona el flujo de potencia, a partir de la información introducida en las tablas, reconociendo un nodo de balance para cada sección aislada de la red. Permite controlar opcionalmente los límites de reactivo en los nodos PV. Se caracteriza por tener una alta convergencia para cualquier relación X/R de los elementos de la red. En caso de no-convergencia brinda información acerca de los nodos que tienen déficit de potencia activa o potencia reactiva. Indica además si la información anterior corresponde para una solución en la zona estable o inestable de voltajes.

• 2- CORTOCIRCUITO. Es posible realizar el cálculo de todos los niveles de cortocircuitos, trifásico, monofásico, bifásico y bifásico a tierra en todos los nodos de la red que se deseen. Además mediante los switchings es posible representar diferentes condiciones anormales, aisladas o simultáneas, que permiten calcular todas las variables de la red en el momento de producirse o en un momento posterior aprovechando las facilidades de simulación en el tiempo de la estabilidad.

• 3- ESTABILIDAD. Se realiza una simulación del comportamiento del sistema eléctrico durante un período de tiempo que establece opcionalmente el analista y que debe estar en correspondencia con la representación que se haga de las máquinas, sus motores primarios y dispositivos de regulación y control. Mediante los switchings es posible representar diferentes condiciones anormales, aisladas o simultáneas, en cualquier instante de tiempo del estudio, que pueden resumirse en:

• a) Fallas Series.- Permiten representar aperturas de conductores o introducción de resistencias series de forma simétrica o asimétrica en líneas y transformadores.

• b) Fallas Shunts.-Estas fallas Permiten representar corto-circuitos simétricos o asimétricos, limpios o a través de resistencias, en barras, terminales de las máquinas o cualquier punto de las líneas.

• c) Interruptores.- Permiten representar aperturas o cierres, de una, dos o tres fases, de cargas, líneas, transformadores, máquinas, capacitores shunt, capacitores serie, reactores shunt y reactores serie.

• 4- MONOLINEAL. El diagrama monolineal está concebido para sistemas alargados y relativamente poco mallados, como el sistema Electroenergético Nacional de Cuba. Este diagrama se construye automáticamente a partir de los datos de las filas y las columnas que se especifican en las tablas del flujo de carga. De esta forma el usuario define la posición de las barras mediante las columnas y la interconexión entre ellas de líneas, transformadores, capacitores y reactores series, mediante filas, al igual que la conexión de los generadores a las barras. Los restantes elementos shunts (capacitores y reactores) se conectan en una posición única a las barras. Para cada nivel de voltaje aparece definido el color en las opciones generales. Además de los elementos de la red y los nombres de las barras, aparecen como resultados de los estudios de flujo realizados los valores de voltajes en cada barra en módulo y ángulo, así como las transferencias por las líneas, las generaciones de las máquinas y los consumos de potencia activa y reactiva de las cargas, todos con valores positivos pero indicando su sentido de flujo mediante flechas. Se muestran además los

valores de los taps variables bajo carga. También aparecen los interruptores de cada elemento, los cuales se muestran rellenos cuando están cerrados y en blanco cuando están abiertos. [23] Se utiliza para la simulación de cualquier tipo sistema, pero la mayoría de los datos a introducir son máximos y mínimos, sin hacer énfasis en la excitación de los generadores y su principal estudio es el flujo de carga.

MATLAB: es un programa interactivo para computación numérica y visualización de datos. Es ampliamente usado por Ingenieros de Control en el análisis y diseño, posee además una extraordinaria versatilidad y capacidad para resolver problemas en matemática aplicada, física, química, ingeniería, finanzas y muchas otras aplicaciones. Está basado en un sofisticado software de matrices para el análisis de sistemas de ecuaciones. Permite resolver complicados problemas numéricos sin necesidad de escribir un programa. Es un entorno de computación y desarrollo de aplicaciones totalmente integrado orientado para llevar a cabo proyectos en donde se encuentren implicados elevados cálculos matemáticos y la visualización gráfica de los mismos.

Goza en la actualidad de un alto nivel de implantación en escuelas y centros universitarios, así como en departamentos de investigación y desarrollo de muchas compañías industriales nacionales e internacionales. En entornos universitarios, por ejemplo, MATLAB se ha convertido en una herramienta básica, tanto para los profesionales e investigadores de centros docentes, como una importante herramienta para la impartición de cursos universitarios, tales como sistemas e ingeniería de control, álgebra lineal, proceso digital de imagen, señal, etc. En el mundo industrial, MATLAB está siendo utilizado como herramienta de investigación para la resolución de complejos problemas planteados en la realización y aplicación de modelos matemáticos en ingeniería.

Los usos más característicos de la herramienta los encontramos en áreas de computación y cálculo numérico tradicional, prototipaje algorítmico, teoría de control automático, estadística, análisis de series temporales para el proceso digital de señal.

Dispone también en la actualidad de un amplio abanico de programas de apoyo especializado, denominados Toolboxes, que extienden significativamente el número de funciones incorporadas en el programa principal. Estos Toolboxes cubren en la actualidad prácticamente casi todas las áreas principales en el mundo de la ingeniería y la simulación, destacando entre ellos el 'toolbox' de proceso de imágenes, señal, control robusto, estadística, análisis financiero, matemáticas simbólicas, redes neuronales, lógica difusa, identificación de sistemas, simulación de sistemas dinámicos, etc.

Además también se dispone del programa Simulink que es un entorno gráfico interactivo con el que se puede analizar, modelar y simular la dinámica de diferentes sistemas lineales y no lineales. [25] Permite acceder a cada elemento de las máquinas eléctricas para su configuración, es un programa que está en constante cambio y aumentando su librería para la simulación y modelación de distintos tipos de sistemas, casi en cualquier rama de la ciencia y obteniendo resultados reales.

• Normas de operación de los grupos electrógenos MTU – Marelli

Existen algunas normas que rigen el trabajo del motor diesel y el generador por separado, equipos que conforman un grupo electrógeno.

• Motor Diesel

Condiciones normalizadas de referencia. De acuerdo con la norma ISO 3046 Parte 1 (1986) [8], estas condiciones son las siguientes:

Como el fabricante de un motor diesel declara en sus catálogos la potencia referida a las condiciones anteriores y las condiciones reales en el lugar de montaje del motor suelen ser distintas a las normalizadas, la potencia que el motor puede entregar en las condiciones de Cuba (con temperatura de 24º C a 34 º C en la zona oriental y humedad relativa 60% a 90%) resulta ser menor que la declarada en estos documentos.

Potencia declarada por el fabricante.

La norma ISO 3046 Parte 1, establece tres regímenes de trabajo para los motores diesel.

• Potencia continua

• Potencia principal (PRP)

• Potencia de emergencia

Potencia continua.

La potencia declarad por el fabricante para este régimen lo puede entregar el motor al 100% de su potencia nominal durante un tiempo ilimitado.

Potencia principal (PRP).

La potencia declarada por el fabricante para este régimen lo puede entregar el motor una determinada potencia base durante un tiempo no limitado y el 100% de la potencia nominal durante un tiempo limitado.

Potencia de emergencia.

La potencia declarada por el fabricante para este régimen lo puede entregar el motor es la potencia máxima que la maquina puede entregar durante un tiempo limitado, generalmente menos de 500 horas al año.

Para este régimen conviene aplicara un factor de seguridad de al menos un 10% para la determinación de la potencia de emergencia necesaria.

Capacidad de sobrecarga.

La capacidad de sobrecarga que puede entregar un grupo se define como la potencia nominal adicional de un 10% durante 1 hora en una pérdida de 12 horas de funcionamiento. Si la potencia nominal se determina por la potencia de funcionamiento, ya no queda margen para la sobrecarga.

Ajuste de la potencia del motor.

La potencia del motor diesel se publica en los catálogos referidos, generalmente, a las condiciones que se mencionan anteriormente. Al variar estas condiciones cambia la potencia que el motor puede entregar.

La potencia del motor varía en función de los valores de la presión barométrica, de la humedad relativa y de la temperatura del aire aspirado.

La norma ISO 3046/1 (1986) [8] establece un método para ajustar la potencia de un motor diesel a las condiciones reales existentes en el lugar que se instalará el motor.

En Cuba, al ser la temperatura del aire y la humedad relativa mayores que las normalizadas, la potencia que el motor puede entregar es inferior a la publicada en los catálogos. En una oferta comercial, lo común es que el fabricante declare una potencia ya ajustada a las condiciones reales en el lugar de la instalación.

Ajuste del consumo de combustible.

El consumo de combustible también cambia cuando varían las condiciones ambientales en el lugar del montaje con respecto a las condiciones normalizadas de referencia.

La norma ISO 3046/1 (1986) [8] establece la forma en que se calcula este ajuste.

Ahora bien este aspecto no es determinante para grupos electrógenos que trabajaran solo en condiciones de emergencia, cuando falla el suministro normal de energía eléctrica.

Potencia declarada por el fabricante.

La norma ISO 3046 Parte 2 [8], establece entre otros, dos regímenes de trabajo para los motores diesel:

• Régimen continuo (código ICXN)

• Régimen continuo de tiempo limitado (código IXN)

Las potencias declaradas para cada régimen son potencias netas al freno. Hay que tener en cuenta las potencias de los medios auxiliares impulsados por el propio motor diesel, cuyas potencias han de deducirse de la potencia declarada; por ejemplo, el accionamiento de los 3 ventiladores. Hay otros medios que se consideran como partes componentes del motor y que ya han sido tomados en cuenta por el fabricante al declarar la potencia: por ejemplo, la bomba de inyección del combustible, el cargador de aire enfriado.

Potencia de régimen continuo (ICXN).

La potencia declarada por el fabricante para este régimen la puede entregar el motor continuamente, sin límite de tiempo con una sobrecarga del 10% admisible durante una hora cada 12 horas de funcionamiento continuo.

Este sería el régimen de un grupo electrógeno empleado para generar energía eléctrica durante 24 horas diarias y 365 días al año.

Potencia de régimen continúo de tiempo limitado (IXN).

La potencia declarada por el fabricante para este régimen la puede entregar el motor continuamente, pero sin sobrepasar un número de horas de funcionamiento al año, la que se puede exceder en un 10% solo para recuperación (periodos de segundos).

Hay fabricantes que declaran hasta 1000 horas anuales para este régimen, otras 500 horas, otras 300 horas.

Este sería el caso de un grupo electrógeno empleado para generar energía eléctrica solo durante una situación de emergencia; por ejemplo, cuando falla el suministro normal proveniente del S.E.N.

• Alternador sincrónico.

Potencia especificada de un alternador sincrónico. Una parte importante de los fabricantes de alternadores sincrónicos especifican las potencias de sus máquinas para servicio continuo, según lo establecido en la norma NEMA MG 1/Parte 22 [13].

Esta norma señala los incrementos de temperatura que pueden tener los alternadores sincrónicos en sus partes principales de acuerdo con la clase de aislamiento. Ver tabla 1.3

Tabla 1.3 Relación entre incremento de la temperatura en º C y el aislamiento de un alternados sincrónico

Los incrementos de temperatura están referidos a una temperatura del ambiente de 40º C. Si la temperatura del ambiente es superior, hay que reducir, los incrementos de temperatura: Ver tabla 1.4

Tabla 1.4 Relación de reducción de la temperatura en º C del alternados sincrónico y la temperatura del ambiente

Los fabricantes de alternadores sincrónicos especifican la potencia de régimen continuo sobre la base de las temperaturas señaladas para cada clase de aislamiento pero permiten una sobrecarga de hasta el 10% de manera continua en el caso de alternadores que van a trabajar sólo cuando hay condiciones de emergencia o están en calidad de reserva.

Esta sobrecarga puede provocar que el incremento de temperatura, sobre la temperatura del ambiente sea 25°C mayor que el señalado anteriormente. Trabajar en este régimen de sobrecarga significa gastar, en cada hora, el equivalente de 4 -.8 horas de la vida del alternador. Un alternador con expectativa de vida útil normal de 100,000 horas debe esperarse que tenga una vida útil en el intervalo de 12,500 – 25,000 horas si trabaja continuamente con una potencia del 110% de su potencia especificada.

Capítulo II.

Demanda y límites permisibles de generación

2.1 Caracterización del sistema de distribución municipal.

El suministro de energía del SEP centralizado al territorio moense proviene de la subestación de Cueto (a una distancia de 125 km), con un nivel de tensión de 220 kV hasta la subestación ubicada en Punta Gorda, donde se reduce la tensión a 110 kV. Desde allí se alimentan las Empresas Comandante Ernesto Che Guevara (110 kV) y la Moa Níquel SA (110 kV), una línea que va para la Subestación 110 kV de Baracoa y otra doble circuito hasta la subestación Moa 110 kV, en la entrada oeste del municipio, a esta última se conecta un sistema de Generación Distribuida formado por una Batería de Grupos Electrógenos Diesel. La instalación alimenta 16 subestaciones de distribución que suplen a diez circuitos residenciales, por más de 87.465 km de líneas eléctricas con más de 75 061 consumidores.

2.1.1 Características de las líneas de subtransmisión.

Las líneas de subtransmisión que parten de la subestación Moa 110 kV tienen las siguientes características mostradas en la tabla 2.1.

TABLA 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN.

De estas seis líneas principales se derivan las subestaciones encargadas de la distribución hacia los circuitos residenciales, las que cuentan con los datos que se muestran en la tabla 2.2. A partir de la subestación Moa 110 kV, las subestaciones Moa Vieja, Vivienda Checa y Rusky, encargadas de los principales circuitos residenciales, cuentan con una alimentación simple circuito y una configuración de barra simple.

Tabla 2. 2 Subestaciones de distribución.

Todas estas subestaciones excepto la conocida por Cayo Chiquito, cuentan con dispositivos modernos de protección, cuyo módulo comprende la instalación de interruptores de Hexafluoruro de Azufre (SF6) y analizadores Nulec, acción que ha permitido mejorar los índices de protección de las instalaciones del territorio y de sus 10 circuitos de distribución, los cuales se aprecian a continuación.

• Características de los circuitos de distribución.

La U.E.B. Moa situada en el municipio de Moa, al noreste de la provincia de Holguín, cuenta con dos subcentros, tres sucursales, una subestación de 110 kV y dieciséis de distribución, tiene instalados 764 transformadores de distribución y una red de líneas eléctricas con 57.08 km de transmisión, 88 km de subtransmisión y más de 88 km de distribución. Se atienden 37 grupos electrógenos de emergencia instalados en objetivos importantes del territorio moense, los cuales solo entran en funcionamiento cuando el sistema es incapaz de satisfacer la demanda y se procede a la desconexión de los circuitos donde se encuentren estos grupos de emergencia.

Las características de las líneas de distribución de los circuitos del municipio, se presentan en la tabla 2.3.

Tabla 2.3 Características de las líneas de distribución por circuitos.

A pesar de que los circuitos 7 y 8 son los de mayor longitud, ambos no suman la demanda del circuito 1, tercero en extensión pero primero en consumo.

• Circuitos residenciales del municipio Moa.

Como se dijo anteriormente se cuenta 10 circuitos residenciales, cuyos límites se pueden conocer a continuación.

Circuito 1. Es alimentado por la Subestación Moa Vieja, el cual comprende el centro de la ciudad, los repartos Armando Mestre, Los Mangos, Haití Chiquito, La Laguna, Pueblo Nuevo y La Playa. Este cuenta con 216 transformadores para una capacidad de 8 835.5 kVA. El mismo posee conexión con el circuito 2 a través de los desconectivos 2030 y 1791, y con el circuito 9 a través de los desconectivos1791 y 2050.También es posible la interconexión con el circuito 6. En él se encuentran la sede del gobierno municipal y la UJC.

Circuito 2. Energizado por la Subestación Moa Vieja. El mismo se extiende por todo el reparto Caribe, una porción al este noreste de la Avenida Mariana Grajales. Integrado por 103 transformadores para un total de 4 814.5 kVA. Este se puede conectar con los circuitos 1 y 9 a través de sus desconectivos y con el 21. En este circuito se encuentran además del hospital Guillermo Luis, la telemisora TV Moa.

Circuito 3. El mismo está encargado de alimentar el sector residencial de Punta Gorda, La Veguita y los pozos de agua potable, es energizado por la Subestación Rusky posee un total de 15 transformadores, haciendo entrega de 622.5 kVA de capacidad de distribución. A través del enlace H1770 es posible la conexión con el interruptor que alimenta al circuito 6.

Circuito 5. A través de la Subestación de Cayo Chiquito es alimentado el poblado del mismo nombre, donde se utilizan 5 transformadores que entregan una potencia de 147,5 kVA.

Circuito 6. La Subestación Rusky es la encargada de energizar el reparto Rolo Monterrey muy cercano a objetivos económicos de gran importancia como son la fábrica Moa Níquel SA y el Puerto, las cuales tienen una conexión a través del circuito especial OH2, que se extiende por las calles principales del reparto. El circuito 6 cuenta con 84 transformadores para una capacidad de 2 985 kVA. Comprendido también por lugares de importancia social como el Hospital Pediátrico y el Policlínico integral, que cuentan con generación propia para casos de emergencia.

Circuito 7. Alimentado por la Subestación Miraflores, suministrándole energía eléctrica a los poblados de Centeno y Pueblo Nuevo. Para lo que se emplean 72 transformadores para un total de 2 797.5 kVA. Alimentando a la Torre de comunicaciones de Miraflores.

Circuito 8. Se alimenta por medio de la Subestación del Comando 30, la que está encargada de hacer llegar la energía eléctrica a los pueblos de Punta Gorda y de Yamanigüey, a través de 81 transformadores para una potencia de 4 031.5 kVA.

Circuito 9. Se extiende por los repartos Atlántico, Vivienda Checa, una parte de las Coloradas Nuevas y desde las Coloradas Viejas hasta la Empresa Pesquera. La Subestación Vivienda Checa es la encargada de alimentar a este circuito. Encontrándose en el mismo 83 transformadores para una capacidad de 3 140.5 kVA. Se conecta entre sí con el circuito 21 y el 2.

Circuito 10. Comprende los territorios de Cayo Grande y Farallones, se alimenta desde la Subestación de Farallones, para lo cual emplea 9 transformadores que suman un total de 220.0 kVA.

Circuito 21. Este circuito es energizado por la Subestación Vivienda Checa. Cuenta con 98 transformadores, cuyas potencias alcanzan los 5 472 kVA, estos se reparten por todo el reparto Miraflores así como también el ISMM y comunales, y una porción del reparto Coloradas Nuevas, llegando una de sus ramificaciones hasta el Hospital Guillermo Luis Fernández, que además posee generación propia para casos de emergencia. También comprende el Triángulo del Caribe y posee conexión con los circuitos 2 y 9.

• Cantidad de transformadores total, principales suministradores o marcas.

En la red de distribución del territorio intervienen 764 transformadores de distintos niveles de tensión y fabricantes, tal como se puede apreciar en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Principales suministradores.

Los circuitos residenciales de Moa cuentan con 764 transformadores instalados, de los cuales los más utilizados son los de marca: Latino, Aichi, Chino, Cooper, Prolec y otros que se han recuperado en las instalaciones reparadoras de la Unión Eléctrica (Ver tabla 2.4), en su mayoría con una potencia de 10 kVA, 15 kVA, 25 kVA, 37.5 kVA, 50 kVA, 75 kVA, 100 kVA (Ver tabla 2.5). En resumen, los 764 transformadores de los diez circuitos de distribución, que son alimentados por las subestaciones de distribución, suman una capacidad de distribución equivalente a 33 004.5 kVA.

Tabla 2.5 Circuitos residenciales. Transformadores y capacidad.

• Circuitos por subestaciones.

Las subestaciones Moa Vieja, Vivienda Checa y Rusky, se encargan de los circuitos urbanos 1, 2, 3, 6, 9, y 21, como se puede apreciar en la siguiente tabla. Junto a las subestaciones Farallones y Miraflores, constituyen las que mayor peso tienen en el comportamiento de la demanda residencial.

Tabla 2.6 Demanda de circuitos residenciales por subestaciones.

Atendiendo a los datos de las subestaciones en la tabla 2.2, es de destacar el grado de carga con que cuenta la subestación Moa Vieja, por encima de su potencia nominal. Esta situación evidencia el aumento de demanda que ha ido experimentando el territorio año tras año.

• Ubicación Geográfica y Flujo Tecnológico de los Grupos Electrógenos Moa.

La batería de grupos electrógenos diesel (GED) del municipio Moa, fue construida entre noviembre del 2005 y enero del año 2006 en que se pone en funcionamiento. La misma fue creada con el fin de generar electricidad según el Programa de la Revolución Energética.

Esta instalación ocupa un área de 9450 m2, está ubicada al sur de la carretera Moa –Sagua de Tánamo, a 1.5 km del poblado Los Pinos de Centeno. Limita al este con la Subestación de 110 kV, al sur con una zona despoblada conocida como barrio Nengón, y al oeste con un afluente del río Cabaña.

En su proceso tecnológico intervienen una estación de combustible con cinco tanques para la recepción del diesel, ubicados a 2 m de altura, de capacidad 100 m3 cada uno, de los cuales se utiliza uno para las operaciones y los cuatro restantes se encargan de almacenar el combustible, el cual llega a la Batería de GED por medio de carros cisternas, este es succionado de la paila por una bomba de recepción de 60 m3/h a una presión de 2.5 bar, pasando por un filtro (estos tienen un manómetro antes y después de ellos para medir la diferencia de presión y para determinar el grado de suciedad) después es impulsado por los impelentes de la bomba receptora hacia los cuatro tanques de recepción a través de una válvula por medio de un cabezal con dos secciones y válvulas independientes, lo que permite el llenado de los tanques en cada sección. Estos depósitos suministran el combustible a una estación centrífuga de bombeo, la cual es la encargada de separar el agua y los productos sólidos del combustible, por diferencia de densidad, hasta alcanzar una concentración de 300 partes por metro (ppm) de los sólidos y 0% de agua.

El agua que sale de la centrífuga se drena a la red fluvial mientras que los líquidos oleaginosos que esta separa se depositan en un tanque, de este se succiona su contenido con una bomba de desplazamiento positivo de tornillos de 2 m3/h hacia los tanques de recepción, donde también se vierten todo los derrames del sistema (del cubeto, de los drenajes y el aparcadero de las pailas). El combustible limpio que sale de la centrífuga es succionado por dos bombas de impulso a una presión de 2.5 bar hacia el tanque de operación, de este se envía hacia los ochos tanques de uso diario (cuatro por cada sección) con capacidad de 2000 L.

Este combustible llega con una presión de 0 a 0.15 atm a la succión de la bomba eléctrica (y una bomba manual para caso de avería) que se encuentran en cada una de las ochos unidades generadoras, las mismas tienen un sistema automático para cuando el nivel de estos tanques está al 40% de su capacidad, arranquen automáticamente pasando el combustible a un filtro y luego a cada motor de combustión interna diesel.

En los ocho Motores de Combustión Interna (MCI) se quema el combustible a través de los procesos del ciclo de trabajo de los MCI:

• Admisión.

• Compresión.

• Explosión o fuerza.

• Escape.

El combustible (diesel) que se quema se convierte en energía mecánica útil, para generar una potencia de 1990 kW. Estos motores diesel son estacionarios, de cuatro tiempos, con dieciséis cilindros. Poseen un sistema de enfriamiento con aire y con líquido refrigerante. La refrigeración directa con aire se emplea en motores Diesel con potencias de hasta 200 kW y la cantidad de aire de refrigeración ronda los 70 m3/kWh. Tienen además un sistema de regulación: que controla el motor, vigila los estado operativos, la velocidad de rotación (en dependencia del estado operativo), y visualiza los estados de funcionamiento erróneos (códigos de fallo), además de tener un sistema de inducción o aspiración que suministra aire limpio al motor a la temperatura y cantidad correcta, cuenta también con un sistema de lubricación que reduce la fricción entre las partes móviles del motor, y un sistema para el combustible que lo regula y transporta en tiempo y con suficiente presión a la cámara de combustible de cada cilindro.

Además cuenta con una Unidad de Control del Motor (ECU) en el Sistema de Gestión del Motor (MDEC), que garantiza la operatividad y protege al motor. La transformación de la energía mecánica que inyectan estos motores en energía eléctrica ocurre en los ocho generadores que componen la Batería, los cuales son sincrónicos, trifásicos, tetrapolares, con una potencia activa al 75% de 1,416 MW y nominal de 1,888 MW. El rotor de cada una de estas máquinas está directamente acoplado al eje de los MCI, por lo que gira a la misma velocidad que estos, es decir, a 1800 r.p.m.

Tiene un sistema de enfriamiento por aire, además de tener un sistema auto excitado que mantiene una excitación constante en dependencia de la demanda de la carga. Están asegurados por treinta protecciones que garantizan la seguridad de estos.

Una vez garantizado la velocidad sincrónica y teniendo como referencia el voltaje, frecuencia, y la secuencia de fase, los generadores se sincronizan (presentan dos modos de sincronización en paralelo al SEN o en isla ) cerrando los interruptores que los enlazan a los trasformadores de 0,48/13,8 kV , que son los encargados de elevar la tensión de 0,48 kV a 13,8 kV, con una potencia de 2,5 MVA, alimentan a través de un sistema trifásico de barras ocho paneles (K02 a K09), que se encuentran dentro de un Contenedor de Media Tensión (MV) de 13,8 kV.

Los interruptores que están en estos paneles son los que enlazan con la barra totalizadora y esta posee un interruptor totalizador que enlaza con el transformador de fuerza de 20 MVA, que es el encargado de elevar la tensión de 13,8 kV a 34,5 kV. Además se encarga de conectar la Batería a la subestación de 110 kV que alimenta la red de distribución del municipio Moa. También se alimenta de este un transformador reductor para el Uso de Planta de 13,8/0,48kV, con una potencia de 0,25 MVA, para la alimentación de cargadores de baterías, ventiladores del trasformador de fuerza de 20 MVA y el suministro del sistema de control y los ocho contenedores (nueve AGC, que gobiernan todas las operaciones y las toma de decisiones del sistema de generación) y tres transformadores monofásicos de 13,8/0,240/0,120 kV, con una potencia de 37,5 kVA cada uno, que alimentan el Panel General de distribución (PGD), desde donde energiza el alumbrado, las garitas, las máquinas centrífugas y las bombas de succión del diesel y las casetas de los interruptores. [6]

Capacidad de sobrecarga.

Los fabricantes dan, generalmente, una información más amplia sobre las posibilidades de sus alternadores en cuanto se refiere a las sobrecargas que pueden soportar.

Dentro de esa información, tiene una importancia relevante la que se refiere a las sobrecargas de corta duración (hasta 10 seg.), por la relación que guarda con el comportamiento del alternador sincrónico durante el proceso de instalación de la carga. En dependencia de la magnitud de la sobrecarga momentáneamente impuesta por la carga, así será la depresión de la tensión eléctrica en los terminales del alternador.

En las condiciones establecidas en estas Bases de Diseño, la Batería de GED asumirá la entrega de energía eléctrica de los receptores de la zona residencial del Municipio de Moa, que se han quedado sin energía al fallar la fuente de suministro normal.

El cálculo de la potencia del alternador de un G.E.D es un proceso en el que se han de tener en cuenta, los MW demandados, los % a los que el Despacho Provincial necesita que trabajen los grupos, para esta operación se analiza cuántas máquinas estarán en mantenimiento y de reserva, además se tendrá en cuenta cómo se sincronizarán los grupos, si será en Paralelo o en Isla.

Para estar en condiciones de evaluar correctamente el número de grupos que conforman la Batería hay que contar con la información necesaria de todas las cargas eléctricas que serán alimentadas por los G.E.D.

• Es necesario conocer la demanda, el factor de potencia (cos f) y la tensión de alimentación (Un) de las cargas.

• Resulta fundamental conocer cuántos MW demanda la carga principalmente en el horario de máxima demanda (5:00 p.m. a 11:00 p.m.), o sea, en el horario pico.

• Entre la información que es necesaria ha de estar incluida la del tipo de conexión y la potencia MW de los transformadores de la subestación 110 kV y de la Batería (estrella

– delta, estrella – estrella; etc.)

• Es necesario conocer el régimen de funcionamiento de la Batería (Modo Paralelo o Isla).

Se analizará el régimen de operación de los G.E.D. frente a la carga demandada y el por ciento de trabajo de las máquinas, datos que controla el Despacho Provincial.

En el régimen de arranque de los G.E.D. en el instante t 0 en que se conecta la carga y en los instantes subsiguientes, en que se demanda de los alternadores una corriente de alta intensidad a factor de potencia muy bajo y se cumple que:

Q(t0 ?= S(t0 ?, donde Q(t0

) es la

potencia reactiva yS(t0 )es la potencia aparente de los alternadores, S(t0 ?= S(kVA(AS) ) yS(kVA)es la potencia aparente de arranque de los alternadores, a partir de este tiempo

comienza a incrementarse la velocidad de rotación (n) hasta alcanzar su valor nominal (1800 rpm.). Para (t t ( 0 ) ) los alternadores alcanzan su régimen estable de operación con una carga máxima alimentar de 13.9 MW (MW máximos que puede entregar la Batería manteniendo los 1.2 MW de reserva establecidos por su automática). El trabajo de la máquina sincrónica dependerá de la disponibilidad del SEN y de los posibles estados de emergencia que puedan presentarse en el territorio con la posible desconexión de la red nacional.

• Estimación de demanda.

En el transcurso de los años los picos de demanda en el municipio se ha ido incrementando en los horarios picos de la mañana, el mediodía y la tarde, no así el promedio de demanda, que no ha sufrido cambios considerables en los últimos 3 años.

La curva de la gráfica 2.1 representa la demanda del municipio, observándose en esta que durante los meses de invierno alcanza valores más elevados que en los meses de primavera, a partir de los cuales comienza a disminuir.

Figura. 2.1 Comportamiento de la demanda residencial. Diciembre 2009/Abril 2010.

Esta demanda es muy superior a la capacidad instalada en la Batería Moa.

Tabla 2.7 Comportamiento de la demanda por circuito.

Figura. 2.2 Demanda por circuitos.

Como es apreciable en las curvas anteriores el mayor peso de la demanda lo lleva el circuito 1, que comprende Moa Centro, los repartos Armando Mestre, Los Mangos y Joselillo, su mayor demanda es residencial, no sin despreciar el consumo de pequeñas empresas y organismos estatales que forman parte del mismo.

Figura. 2.3 Comportamiento de la demanda por subestaciones principales.

Como se puede ver en la figura anterior la demanda en las subestaciones Moa Vieja, Vivienda Checa y Miraflores está por encima de sus capacidades nominales, lo que representa un problema para el funcionamiento y la vida útil de los transformadores de dichas instalaciones. En la subestación Farallones que tiene dos transformadores en paralelo no existe este problema, la demanda es muy inferior a sus capacidades.

• Modelos para la simulación.

Para la exitosa simulación del proceso de asimilación de demanda es necesario confeccionar modelos que respondan a las condiciones reales de los dispositivos que intervienen en el mismo. Las necesidades de acceso a la excitación de los generadores y las posibilidades que brinda, hacen que el Matlab sea el software apropiado para el desarrollo de estos modelos, tal como se muestra en las siguientes figuras.

Figura. 2.4 Modelo del Motor de Combustión Interna.

La figura anterior representa el esquema para la simulación del motor diesel que acciona al generador, entregando su potencia mecánica y la posibilidad de medir su velocidad.

Figura. 2.5 Modelo del Generador Sincrónico.

El modelo del generador sincrónico va acompañado de su excitación. Separada en esta figura pero es parte interna del bloque diesel engine como se ve en la figura siguiente, que además representa la conexión del grupo electrógeno con su transformador elevador de 480 V a 13.8 kV, con 2.5 MVA. En la Batería Moa, los 8 grupos electrógenos tienen las mismas características constructivas, por lo que este bloque es aplicado a todas las máquinas restantes. En su operación en tiempo real, solo se ve afectada la generación por los por cientos de explotación y el estado técnico del conjunto motor-generador.

Figura. 2.6 Modelo de un grupo electrógeno y su transformador.

Figura. 2.7 Modelo de la Batería. Los grupos electrógenos con su transformador elevador de 2.5 MVA, se conectan a través de sus interruptores extraíbles a la barra de 13.8 kV, dentro del contenedor de operaciones, seguidamente se encuentra el totalizador que une a los grupos en funcionamiento con el transformador de fuerza de 20 MVA, y de este a las barras de la subestación Moa 110 kV y de aquí a las subestaciones de distribución, como se puede ver en la figura siguiente.

Figura. 2.8 Modelo de la Batería de GED y subestaciones de distribución.

• Simulaciones en Matlab.

Empleando el software Matlab se procede a realizar la simulación del comportamiento de los parámetros de la Batería ante diferentes por cientos de carga y explotación.

• Simulación para 100 % de la demanda y explotación.

Tabla 2.8. Por cientos de explotación de la Batería de grupos electrógenos.

Las normas establecidas para este tipo de generación establecen que solo deben operar a potencia nominal por tiempo determinado, ya que están concebidos para casos de emergencia, no para la explotación continua como sucede desde su instalación en emplazamientos y Baterías. [8]

Tabla 2.9. Por cientos de demanda de las subestaciones.

A continuación se muestran las curvas obtenidas en las simulaciones para los por cientos de carga preestablecidos en la tabla anterior, siempre considerando la explotación de la Batería al 85%.

a

b

Figura. 2.9 Simulación para el 100 % de demanda a 85 % de explotación de la Batería.

• Tensión en los bornes del generador. b) Uf en transformador de 2.5 MVA.

a

b

Figura. 2.10 Simulación para el 85 % de demanda a 85 % de explotación de la Batería.

a) Tensión en los bornes del generador. b) Uf en transformador de 2.5 MVA.

a

b

Figura. 2.11 Simulación para el 75 % de demanda a 85 % de explotación de la Batería.

a) Tensión en los bornes del generador. b) Uf en transformador de 2.5 MVA.

a

a

a

Capítulo III.

Análisis de los resultados

• ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN AL 100%.

La operación de la Batería al 85% de su capacidad posibilita que este entregue una potencia de 12. 8 MW, considerando que la demanda a suplir es del orden de los 15. 58 MW, potencia que prevalece en la mayor parte del año, se puede inferir que dejarían de alimentarse 2.78 MW, que es equivalente al consumo promedio de la subestación Vivienda Checa y superior al de la subestación Rusky. La explotación a este nivel de carga provoca una caída de tensión en la salida de los bornes del generador de 130 V, y de 3. 74 kV en el transformador de 2.5 MVA. Provocando que en los bornes secundarios de los transformadores de las subestaciones de distribución existan 10.06 kV, en lugar de 13.8 kV. A este análisis no se le añaden las posibles caídas de tensión por la longitud de las líneas hacia las subestaciones de distribución, pues esta es relativamente corta, solamente la subestación Rusky pudiera tenerse en cuenta, pero no se hace necesario porque a su barra de 13.8 kV se conecta la Pequeña Central Hidroeléctrica Nuevo Mundo. Si la demanda aumentase aún más durante el horario pico las máquinas podrían operar a potencia nominal para suplir 15.104 MW, pero solo por tiempo determinado, si se mantiene el ritmo de consumo a ese nivel, se debe proceder a la desconexión de circuitos.

• ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN AL 85%.

Cuando la demanda alcanza el 85 %, es decir, 13.243 MW, aún es superior a la capacidad de la Batería al 85%, 12.8 MW. Esto provoca que en los bornes del generador exista un déficit de tensión de 55 V y en los terminales de los transformadores de las subestaciones de distribución es de 12.219 kV, en lugar de 13.8 kV.

• ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN AL 75%.

Para el caso en el que la demanda constituye el 75%, se tendrían 11.685 MW, que pueden ser suplidos por la Batería al 85%, quedando 1.115 MW más de reserva. Sin embargo se experimenta una pequeña caída de tensión por la proximidad de lo que se está demandando con respecto a la potencia de la instalación.

• ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN AL 70%.

Si la demanda alcanza valores de 10.9 MW (70%), en la Batería operando al 85 % quedarían 1.9 MW, además de la reserva, esta diferencia es vista por el Gestor de Control Automático (AGC) y desconecta la máquina que más horas lleve trabajando. Operativamente no es posible reducir el por ciento de explotación sin previa desconexión de la carga, por lo que es preferible trabajar al 85% y bajar en número de máquinas. Se aprecia en la simulación una despreciable caída de 10 V en el generador.

• ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN AL 65%.

Cuando se tiene una demanda del 65%, todas las subestaciones están por debajo de sus potencias de distribución nominales. Esta condición también puede ser dada por alguna situación excepcional. La capacidad instalada es suficiente para garantizar esta demanda operando con 7 máquinas. No se experimentan caídas de tensión ni en el generador ni en el transformador.

A partir de este valor cualquier demanda inferior puede ser suplida por la Batería manteniendo una calidad de energía acorde a las normas de caídas admisibles de tensión y con suficiente potencia rodante para responder ante la conexión de carga hasta el 75%, es decir 11. 685 MW.

• Valoración técnica y social.

Considerando que los grupos electrógenos son máquinas de emergencia, con limitaciones de tiempo de operación, la sobrexplotación reduce considerablemente su vida útil. Con este trabajo se demuestra mediante simulaciones con los datos reales de cada elemento que compone el modelo, que para la capacidad instalada en la Batería Moa el por ciento de demanda que debe asumir no superará los 11.685 MW, en caso contrario se experimentarán caídas de tensión, reducción de reserva rodante y disparos innecesariamente, atentando contra la disponibilidad de la instalación.

Es importante considerar que una desconexión del SEN no está exenta de ocurrir, ya ha sucedido, y se ha conectado el 100% de la demanda con el consecuente disparo de la Batería, hasta finalmente quedar solo supliendo la demanda de la subestación Vivienda Checa, por disponibilidad de máquinas en la Batería.

Conclusiones

• Se simuló en Matlab la relación establecida entre capacidad instalada en la Batería de Grupos Electrógenos Moa y demanda en las cinco Subestaciones de distribución principales del municipio.

• Se analizaron las características de las redes eléctricas de distribución y sus componentes.

• Se caracterizó el sistema de distribución del municipio.

• Se obtuvo la demanda de las subestaciones objeto de estudio mediante descargas de los Nulecs.

• Se simuló en Matlab el comportamiento de los parámetros eléctricos en función de diferentes por ciento de demanda y generación.

• Se establecieron los límites de operación sin riesgos para la Batería.

Recomendaciones

• 1. Considerar lo establecido en este trabajo como material de consulta en la Batería Moa.

• 2. Realizar la simulación para la operación de la Batería solamente con los clientes de primera categoría.

• 3. Simular la asimilación de carga desconcentrando la Batería por subestaciones de distribución.

Bibliografía

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• 2. CADAFE. Normas para el diseño de subestaciones de distribución.

• 3. Copyringht MTU Friedrchshafen GMBH Daimler Chrysler off – Highway (Alemania). Descripciones de Funcionamiento. Motor Diesel 2005.

• 4. DE ARMAS, M. Temas especiales de Sistemas Eléctricos Industriales. Centro Estudio de Energía Medio Ambiente. Universidad de Cienfuegos. Cuba 2006. pp 63

• 5. Explotación de una batería de GED. Cuba: CNCI, Febrero 2006.

• 6. González Fuentes, Yasel Alfonso. Trabajo de diploma 2008. Impacto de la introducción de la Generación Distribuida en el Sistema Eléctrico de Potencia.

• 7. I. M.Marcovich, Los regímenes de operación de los sistemas energéticos. La Habana, 1972.

• 8. ISO 3046 parte 1-2: Motores alternativos de combustión interna.

• 9. IVANOV; SMOLENSKI. Máquinas Eléctricas. Pueblo y Educación. Tomo II.

• 10. IEEE Transaction on power delinery, vol 20, Janury 2005.

• 11. KOSTENCO, M. y PIOTROVSKY, L. Máquinas Eléctricas. Ciudad de la Habana: Editorial Pueblo y Educación, 1982.

• 12. Marelli Generators (ITA). FKI Energy Technology, Three Phase Synchronous Generators.

• 13. NEMA MG1-22. Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets part 22: application and performance.

• 14. Operator"s Manual. DEIF A/S Frisenborgvej. 2006.

• 15. Reglamento de la Ley General de Servicios Eléctricos (Decreto Supremo Nº 327).

• 16. Tutorial de MATLAB R2008b v 7.7.

• 17. Unión Eléctrica. Dirección de Generación Distribuida. Generación Distribuida en Cuba julio 2007. PPT. Julio, 2007.

• 18. VOLDEK, A. I. Máquinas Eléctricas. Tomo I.

Sitios Web.

19. http://www.google.com/translate/distributionsystems.htm

20. http://www.wikipedia.org/wiki/electricidad/generacion_a_pequeña_escala.htm

21. http://www.emgister.com/redes_y_sistemas_distribucion.htm

22. http://www.Monografias.com/grupos_electrogenos_diesel_oil.htm Softwares utilizados.

23. Power Systems eXplorer v.2.75 (PSX)

24. Radial v.8.0

25. Matlab R2008b v.7.7 26. Win SOS v.5.1.2600

Anexos

Anexos #4 Modelo de los interruptores.

Anexo #6 Gráfica de la velocidad de la batería de grupos electrógenos.

Anexo #7 Gráfica de la potencia mecanica de la bateria de grupos electrogenos.

Anexo #8 Gráfica de la Fem de excitación de la batería de grupos electrógenos.

Anexo #9 Tabla de la demanda máxima registrada por los Nulec

Anexo #14 Monolineal del municipio.

Anexo #15 Imagen de la Batería de Grupos Electrógenos Diesel.

Anexo #16 a) Rotor de seis polos salientes en maquina sincrónica. b) Fotografía de un rotor de maquina sincrónica de ocho polos salientes que muestra los devanados en los polos individuales del rotor (cortesía de General Electric Company). c) Fotografía de un polo saliente individual de un rotor en el cual no se han colocado aun los devanados de campo (cortesía de General Electric Company). d) Polo saliente individual mostrado después que se ha instalado el devanado de campo, pero antes de ser instalado en el rotor (cortesía de General Electric Company).

REPÚBLICA DE CUBA. INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO

Dr. Antonio Núñez Jiménez

FACULTAD DE METALURGIA ELECTROMECÁNICA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Declaración de Autoridad.

Yo: Andrisley Rosales Núñez.

Autor de este Trabajo de Diploma, certifico su propiedad a favor del Instituto Superior Minero Metalúrgico Dr. Antonio Núñez Jiménez, el cual podrá hacer uso del mismo con la finalidad que estime conveniente.

Pensamiento. "Mientras no seamos un pueblo realmente ahorrativo, que sepamos emplear con sabiduría y con responsabilidad cada recurso, no nos podemos llamar un pueblo eternamente revolucionario. " Fidel Castro Ruz.

Dedicatoria. Dedico este trabajo de diploma de una forma muy especial y antes que nada en este mundo a mi madre Ada Iris Núñez Rosabal y a mi padre Osbel Amado Rosales García, los cuales supieron educarme y comprenderme con su amor y cariño. A mi hermana Adislenys Rosales Núñez quien como yo se gradúa este año, y me ha brindado su apoyo en todo este tiempo de mi superación. También a todos mis familiares y amigos que de una forma u otra me han ayudado para alcanzar el éxito.

Para todos Gracias.

Andrisley Rosales Núñez.

Agradecimientos. Al Comandante en jefe Fidel Castro Ruz, a mis familiares, quienes siempre han sido mi inspiración a superar cualquier dificultad a que me enfrentado, durante toda mi vida. A la Revolución un agradecimiento especial, por haberme dado la posibilidad de estudiar y a mi tutor el ingeniero Yordan Guerrero Rojas por ayudarme a que este sueño se haga realidad y formarme como un profesional. A mis amistades allegadas, y muy en especial a mi queridísima amiga Yanet Silega Almenares que siempre ha estado en los momentos que la he necesitado. A todas aquellas personas que de una forma u otra han colaborado para que este trabajo de diploma se realizara satisfactoriamente.

A todos Muchas Gracias.

Trabajo de Diploma en Opción al Título Ingeniero Eléctrico.

Tema: Simulación en Matlab de la Asimilación de Demanda de la Batería de Grupos Electrógenos Moa en Isla.

Moa – 2010.

"Año 52 de la Revolución" Tutor: Ing. Yordan Guerrero Rojas.

Autor:

Andrisley Rosales Núñez.