Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 07-03-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Chiza, L.; Llagua, J.; (2022). “Co-simulación entre PowerFactory y Matlab/Simulink para la
simulación de un enlace HVDC integrado al sistema de 39 barras”. Revista Técnica “energía”. No. 19, Issue I, Pp. 150-157
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.505
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Co-simulation between PowerFactory and Matlab/Simulink for the simulation
of an HVDC link integrated to the 39-bus system
Co-simulación entre PowerFactory y Matlab/Simulink para la simulación de
un enlace HVDC integrado al sistema de 39 barras
L. L. Chiza
1
J. L. Llagua
1
1
Escuela Politécnica Nacional, Quito
E-mail: luis.chiza@epn.edu.ec; jose.llagua@epn.edu.ec
Abstract
This paper focuses on the use of the co-simulation
tool through the OPC Communication Protocol in its
data acquisition (DA) variant, to integrate the
Matlab/Simulink and PowerFactory models. Thus, a
HVDC link is modeled in the Matlab environment
and the 39-bus model is available in PowerFactory.
Having this co-simulation environment operational,
dynamic tests of the link operation can be
performed, and consequently the performance of the
controllers on each of the stations of the link can be
determined.
Resumen
El presente artículo se enfoca en el uso de la
herramienta de co-simulación a través del Protocolo
de comunicación OPC en su variante de data access
(DA), para integrar los modelos de Matlab/Simulink
y PowerFactory. De manera que en el entorno de
Matlab se modela un enlace HVDC y en
PowerFactory se dispone del modelo de 39 barras.
Teniendo operativo este entorno de co-simulación se
procede a realizar pruebas dinámicas de
funcionamiento del enlace, consecuentemente se
puede determinar el rendimiento de los
controladores sobre cada una de las estaciones del
enlace.
Index terms hvdc link, opc da, Matlab,
powerfactory
Palabras clave enlace hvdc, opc da, Matlab,
powerfactory
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se aplica una metodología que
permite la integración de sistemas dinámicos modelados
en distintos entornos de simulación. A partir del uso de
los entornos de programación tales como
Matlab/Simulink y PowerFactory de DIgSILENT, y el
entorno de co-simulación a través del protocolo de
comunicación de OPC (OLE for Process Control). El
objetivo de este trabajo es el de la integración de un
sistema de transmisión HVDC (High Voltage Direct
Current) modelado en Matlab/Simulink hacia la red de
prueba de 39 Barras modelada en PowerFactory.
El sistema de transmisión HVDC emplea
específicamente la tecnología de tipo VSC (Voltage
Source Converter), la misma que representa una
alternativa de alta factibilidad debido a sus ventajas de
controlabilidad y flexibilidad. Entre los principales
beneficios de su implementación en la red AC se
encuentra el de tener un control independiente de
potencia activa y reactiva, respuestas de control rápidos,
entre otros.
De acuerdo con los adelantos en las tecnologías de
semiconductores tales como los tiristores, se presenta la
posibilidad de aportar reactivos al sistema y de
alimentación a redes pasivas. Reduciéndose las
corrientes armónicas por la aparición de sistemas de tipo
multinivel. Entre los aspectos fundamentales está su
sistema de control, que permite definir y establecer el
comportamiento de las variables de operación: voltaje,
corriente y potencia, considerando que los convertidores
de transmisión VSC (rectificador e inversor)
proporcionan un control independiente de la potencia
reactiva en los dos extremos e independiente de la
transferencia de potencia activa sobre la transmisión de
AC.
En [1] efectúan una modelación de un sistema
HVDC integrado a la red, en donde se efectúa un
análisis del impacto operativo en la estabilidad del
sistema. El sistema de control, así como también del
modelo del sistema HVDC lo han modelado en
PowerFactory. Los sistemas de control se los han
programado a través del lenguaje de programación DSL
(DIgsILENT Simulation Language).
Por otra parte, en [2] se efectúa una modelación del
sistema HVDC dentro del entorno de simulación de
Matlab/Simulink, basándose en las ecuaciones
esenciales de HVDC y su control, para de sta manera
tener una perspectiva para selección del sistema HVDC.
Realiza un modelado a detalle, considerando los
elementos semiconductores tales como de los diodos
IGBT.
A través del protocolo de comunicación OPC se
puede efectuar una vinculación entre entornos de
programación o softwares de simulación, en los cuales
se encuentren modelados sistemas. Tal es el caso
práctico del presente trabajo, en donde se tiene
modelado en detalle (electrónica de potencia, sistema de
control y sistema eléctrico) del sistema HVDC en
Matlab/Simulink, y por otra parte en el entorno de
PowerFactory se tiene modelado el sistema de 39 barras
“New England” que será la red eléctrica a la cual se
integrará el sistema HVDC.
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Sistemas HVDC
Se tratan de sistemas de tecnología eficiente,
además, las pérdidas de transmisión DC son menores en
consideración a las pérdidas en las líneas de transmisión
AC, diseñados para transmisión a grandes distancias.
Existen dos tipos de tecnología HVDC, relacionados
con los dispositivos de conmutación empleados en el
convertidor. Estos pueden ser: CSC (LCC)-HVDC
(Current Source Converter) y VSC-HVDC (Voltage
Source Converter) [1] [2].
A. VSC-HVDC
Emplean dispositivos semiconductores de
conmutación tales como de los IGBTs. Manteniendo el
voltaje con una misma polaridad, de tal forma que la
dirección del flujo de potencia es determinada a través
de la polaridad de la corriente DC.
Este tipo de sistema se compone de una parte AC en
el lado del rectificador, y la parte DC que sirve de unión
entre los dos conversores, además de una red AC en el
lado del inversor [5].
Control del VSC-HVDC
Cada una de las estaciones pueden trabajar en
control de voltaje o control de potencia reactiva. Se
tiene que el control de potencia activa de intercambio es
independiente en cada estación [6].
Control de Voltaje Local
En este punto se efectúa un reajuste de las variables,
con la finalidad de conseguir una inyección o absorción
de potencia reactiva necesaria con la finalidad de
alcanzar las referencias de voltaje Vsetpoint. De manera
que se tiene al vector de estado como [6]:
(1)
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Chiza et al/ Co-simulación entre PowerFactory y Matlab/Simulink para la simulación de un enlace HVDC
Control de Potencia Activa y Reactiva
El intercambio de potencia activa y reactiva entre el
VSC y la red de AC se lo realiza a partir del control del
ángulo de fase y amplitud del voltaje de salida del VSC
en referencia al voltaje de la red de AC [5][6]. En la Fig.
1 se muestra el principio de operación de un sistema
VSC-HVDC.
Figura 1: Principio de transferencia de potencia y operación
de un sistema HVDC [6]
En el lado de DC de un enlace VSC-HVDC se tiene
que la magnitud y la dirección de la potencia pueden ser
variados de manera proporcional a partir de la magnitud
y la dirección de la corriente DC.
Las potencias activa y reactiva (PCONV y QCONV)
que son intercambiadas entre el convertidor VSC y el
sistema AC se detallan a partir de las siguientes
expresiones [6]:
(2)
(3)
Donde:
: Potencia activa de transferencia entre VSC y red
AC
: Potencia reactiva de transferencia entre VSC y
red AC
: voltaje de salida en el lado del convertidor VSC
: voltaje de línea de la red AC
: reactancia de fase del transformador
: ángulo de fase
Incorporación de la Transmisión VSC-HVDC al
Sistema Eléctrico de Potencia [4]
El lado primario y secundario del transformador se
los interpreta como lado AC y DC del VSC
respectivamente. Un punto importante por considerar es
que a través del transformador únicamente existe flujo
de potencia activa, esto debido que en su lado
secundario tan solo se tiene voltaje DC.
Existen varias topologías de enlaces HVDC, entre
los cuales están: punto a punto y back to back. Para el
caso de análisis se considerará un enlace HVDC punto
a punto, tal como se muestra en la Fig. 2.
Figura 2: Esquema de transmisión VSC punto a punto [4]
En relación con los enlaces VSC-HVDC, se tiene
que la polaridad de voltaje DC es siempre la misma, de
esta manera se tiene que el flujo de potencia en la línea
de DC se determina a partir de la dirección de la
corriente DC. La dirección del flujo de corriente del
convertidor 1 (VSC 1) al convertidor 2 (VSC 2) está
dada por la siguiente expresión:
(4)
Se tiene por lo tanto que a dirección de la corriente
DC se da desde el convertidor de voltaje DC más alto al
convertidor de voltaje DC más bajo. De esta manera es
necesario que el voltaje DC en el rectificador sea mayor
que el voltaje DC en el inversor.
Considerando que el inversor inyecta potencia activa
en el sistema AC se tiene que Pconv> 0, por otra parte,
el rectificador absorbe potencia activa del sistema de
AC se tiene que Pconv <0. Entre las formas de
funcionamiento de los convertidores se tiene el modo
capacitivo cuando Qconv> 0, o en modo inductivo
cuando Qconv <0 [5].
2.2. OPC Communication Standard (Object
Linking and Embedding for Process Control)
A través del estándar OPC se puede realizar un
intercambio de información de manera fácil y segura
entre plataformas de diferentes proveedores, de manera
que se logra su integración sin un desarrollo de software
excesivo y costoso [7].
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 3: Esquema de sistema HVDC en Matlab/Simulink
Arquitectura OPC
El interfaz OPC es estandarizado, en donde se
implementa aplicaciones cliente-servidor OPC, los
cuales permiten la comunicación entre los dispositivos
conectados a la interfaz, además de la interacción y el
acceso a los datos en tiempo real.
El principio de funcionamiento de la arquitectura
cliente-servidor OPC tiene analogía a la arquitectura
maestro-esclavo, en donde se tiene que el cliente es el
maestro y el servidor es el esclavo [7].
La comunicación es de tipo bidireccional, de manera
que los clientes tienen la capacidad de lectura/escritura
en los dispositivos a través de la red. El protocolo OPC
empleado es del tipo Data Access (DA), que permite un
intercambio de datos y valores en tiempo real [8].
Servidor OPC: se trata de un interfaz de software
para la integración de una o más fuentes de
datos, que se puedan integrar en sus protocolos
nativos (por ejemplo: PLCs, DCs, IEDs,
Módulos I/o, etc.).
Cliente OPC: tiene la capacidad de
lectura/escritura de datos en el servidor OPC.
Gestiona el inicio y control de la comunicación a
través de las peticiones que realiza desde la
aplicación al servidor.
3. APLICACIÓN METODOLÓGICA
3.1. Descripción del Sistema de Prueba
Dentro del entorno de simulación de
Matlab/Simulink, se tiene modelado un sistema de
prueba, el cual utiliza un VSC de conmutación forzada
de 200 MVA (+/- 100 kV CC) para la transmisión de
energía desde un sistema de 230 kV, 2000 MVA, 50 Hz
a otro sistema de AC de idénticas características. Por
otra parte, se tiene que el rectificador y el inversor son
convertidores VSC de punto neutro sujeto (NPC de tres
niveles que utilizan diodos/IGBT cercanos, lo cual se
puede observar en la Fig. 3.
3.2. Entorno de co-simulación
El entorno de co-simulación se basa en la
arquitectura de comunicación del protocolo OPC.
Considerando que se empleará los conceptos de cliente-
servidor OPC.
El servidor OPC que se empelará es Matrikon OPC,
el mismo que tiene la capacidad de emplear OPC DA,
además de permitir amular clientes OPC dentro de sus
características. Dentro del servidor se definen los tags
(nombre identificador) de las variables a emplearse en el
intercambio de datos.
Los clientes OPC dentro del entorno de co-
simulación serán por un lado a Matlab/Simulink, en
donde está modelado el sistema HVDC, empleando el
toolbox OPC. Por otra parte, se emplea el módulo OPC
DA disponible en el software PowerFactory. En cada
uno de los clientes se asocia las variables que
intervienen en el intercambio de datos con los tags
definidos en el servidor OPC.
En la Fig. 3 se dispone un esquema del entorno de
co-simulación empleado.
Figura 4: Esquema de co-simulación
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Chiza et al/ Co-simulación entre PowerFactory y Matlab/Simulink para la simulación de un enlace HVDC
De acuerdo con la Fig. 4, se tiene que la
configuración y conceptos de los interfaces OPC de los
clientes son distintos para cada entorno de simulación.
Se debe considerar que el interfaz de comunicación
y la vinculación hacia el modelo de PowerFactory se lo
realiza a través de la estación 1, como se muestra en la
Fig 3.
Para el caso específico del cliente OPC de
PowerFactory, aparecen los conceptos de:
External Data Link: se trata del objeto de enlace
de comunicación, en donde se configura, activa o
desactiva los parámetros del cliente OPC.
External Dat Measurement: se trata de los
objetos de comunicación vinculados con las
variables del modelo de la red y los tags
definidos en el servidor OPC.
4. RESULTADOS
Los resultados obtenidos de la simulación se van a
enfocar a los obtenidos en el lado de Simulink, debido a
que el control y señales resultantes en su mayoría se
encuentran en este entorno.
4.1. Rendimiento dinámico
Para determinar el rendimiento dinámico del sistema de
transmisión se verifica simulando y observando
inicialmente las siguientes condiciones de operación:
Respuesta dinámica a los cambios de paso a las
principales referencias del regulador, como
potencia activa/reactiva y tención CC.
Recuperación de perturbaciones menores y
graves en el sistema de AC.
Respuesta rápida de inicio y pasos de P y Q en la
Estación 1.
Esta prueba se la realiza bajo el modo de control de
Potencia Activa y Reactiva, de manera que se tiene los
siguientes gráficos.
Figura 5: Potencia Activa en la Estación 1
Figura 6: Potencia Reactiva en la Estación 1
Figura 7: Voltaje DC en la Estación 1
De la Fig. 5, se tiene que, frente a cambios de
referencia, las acciones de los controladores tienen un
buen rendimiento tanto en sus estados transitorios, con
tiempos de establecimiento adecuados para la
operación, además de obtenerse valores picos que no
superan el 10% sobre la referencia.
De la Fig. 6, se tiene que, frente a los cambios de
referencia los controladores tienden a seguir el
comportamiento, aunque a diferencia de la potencia
activa, en este caso se producen valores picos que en
ciertos casos superan al 10% del valor nominal, además
de tenerse valores de tiempo de establecimiento más
elevados.
Con relación a la Fig. 7, se tiene que, la acción del
controlador permite que los valores de voltaje se
mantengan en valores adecuados, y frente a la variación
de la referencia de voltaje, no existe un valor excesivo
en el sobre pico, además de un tiempo de
establecimiento bajo en el caso de su comportamiento
transitorio.
154
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
En general, se puede observar que la operación y
vinculación de la red modelada en PowerFactory con el
enlace HVDC de Matlab/Simulink presenta resultados
aceptables, en cuanto a la acción de los controladores.
Perturbaciones laterales en el sistema de AC
El paso de voltaje de AC (-0.1 pu) se aplica en t =
1.5 s durante 0.14 s (7 ciclos) en la estación 1. Los
resultados muestran que la desviación de la potencia
activa y reactiva de la perturbación previa es inferior a
0.09 pu y 0.2 pu respectivamente. El tiempo de
recuperación es inferior a 0.3 s y el estado estable se
alcanza antes del siguiente inicio de la perturbación, lo
cual se puede observar en la Fig. 8.
Falla trifásica a tierra en el bus de la estación 2
La falla se aplica en t = 2.1 s durante 0.12 s (6
ciclos) en la estación 2. Se debe tener en cuenta que,
durante la falla trifásica, la potencia de CC transmitida
casi se detiene y el voltaje de CC tiende a aumentar (1.2
pu) ya que la capacitancia del lado de CC se está
cargando excesivamente. Una función especial
(Anulación del control de voltaje de CC) en el control
de potencia activa (en la estación 1) intenta limitar el
voltaje de CC dentro de un rango fijo. El sistema se
recupera mucho después de la falla, en 0.5 s. Lo cual se
puede observar en la Fig. 9.
Figura 8: Señales de la Estación 1 frente a perturbación de voltaje AC
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Chiza et al/ Co-simulación entre PowerFactory y Matlab/Simulink para la simulación de un enlace HVDC
Figura 9: Señales de la Estación 2 frente a una falla trifásica
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En la actualidad, el continuo desarrollo e investigación
en el área de la electrónica de potencia y
consecuentemente de los semiconductores aplicados a
sistemas eléctricos de potencia, permite el desarrollo de
nuevas tecnologías y la consolidación de las tecnologías
actuales.
La modelación de tipo matemática de los dispositivos
FACTS y de los enlaces, como en el caso práctico del
presente trabajo, permite realizar un análisis del efecto
de los mismo en los sistemas eléctricos de potencia, lo
cual en cierta medida se convierte en una referencia
sobre su principio de funcionamiento en estado estable.
EL desarrollo de las nuevas tecnologías basadas en
electrónica de potencia como el caso de los enlaces
HVDC evitan que los sistemas de potencia operen cerca
de sus límites de operación, de esta manera se puede
mejorar su seguridad y confiabilidad tanto en estado
estable como dinámico. De tal manera que la alta
confiabilidad que presentan estos sistemas y
dispositivos sobre los parámetros del sistema de
transmisión se hace posible debido al rápido y suave
control que caracteriza a los controladores basados en
electrónica de potencia.
Dentro de la operación del sistema de transmisión VSC-
HVDC se tiene que se puede desarrollar un esquema de
control desacoplado entre la potencia activa y reactiva.
Por lo cual, se pudo evidenciar de manera práctica
durante las pruebas de variación de referencia, en donde
primeramente al establecer una variación en una de
estas variables, la otra no se ve afectada en mayor
forma. Adicionalmente, el modelo permite realizar
pruebas del sistema mediante los modos de Control de
Potencia Activa y Reactiva, y de control de Potencia
Reactiva y de Voltaje DC.
AGRADECIMIENTOS
A la Escuela Politécnica Nacional por la oportunidad
brindada para nuestro desarrollo profesional a través de
su programa de Maestría en Electricidad mención Redes
Eléctricas Inteligentes.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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OPC DA Interfaces for Pipeline Simulation,
Component Testing, and Operator Certification,»
PSIG Annual Meeting, nº San Antonio, Texas,
2005.
Luis Chiza Segovia. - Nacido en
Atuntaqui, en diciembre de 1993.
Recibió su título de Ingeniero en
Electrónica y Control en la Escuela
Politécnica Nacional; cursa sus
estudios de Máster en Electricidad
mención en Redes Eléctricas
Inteligentes de la Escuela
Politécnica Nacional. Actualmente trabaja en la
Subgerencia Nacional de Investigación y Desarrollo en
convenio entre CELEC EP-Coca Codo Sinclair y
CENACE. Sus campos de investigación son: sistemas
de control, Smart Grids, Redes industriales, control de
máquinas eléctricas
José Llagua Arévalo. - Nacido en
Ambato en abril de 1988. Recibió
su título de Ingeniero en
Mecatrónica en la Escuela
Politécnica del Ejército ESPE en
junio del 2015. Actualmente, está
cursando sus estudios de Máster en
Electricidad mención en Redes
Eléctricas Inteligentes de la Escuela Politécnica
Nacional y en el campo laboral trabaja en el
departamento de Ingeniería y Mantenimiento como
líder. Sus campos de investigación son: Redes Eléctricas
Inteligentes, Internet de las cosas, automatización de
procesos industriales, minería de datos y sus
aplicaciones a la distribución de la energía eléctrica.
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