ESTUDIOS DE ESTABILIDAD

UNIVERSIDAD CATOLICA DE CUENCA

El Sistema de Potencia

El objeto de estudio es un sistema elctricoformado por generadores y cargas (industrialesy residenciales) ,las redes (lneas areas, cablessubterrneos, Transformadores) que losconectan en diferentes niveles de tensin, ysus sistemas de control asociados

El nivel de detalle del modelado del sistema depotencia depende del estudio especfico que seest haciendo,pero por lo general llega slohasta la red de Trasmisin (eventualmenteSubtransmisin tambin), incluyendo las cargasconectadas a esos niveles de tensin.

En casos particulares (algunos estudios deestabilidad de tensin) es necesario tambinrepresentar los transformadores de carga con susautomatismos de regulacin de tensin(conmutadores bajo carga)

El sistema de control asociado a esta red de potencia se compone de:

-los sistemas de control individuales de los generadores: reguladores de tensin, de velocidad, estabilizadores de potencia (PSS)

-los sistemas de control asociados a la red: automatismos de maniobra de equipos de reactiva, controles de equipos de electrnica de potencia (compensadores estticos de reactiva, HVDC, etc.)

-los controles centralizados de despacho de generacin: despacho econmico, intercambios entre reas, regulacin secundaria de frecuencia.

-los rels de proteccin de los generadores, cargas y red de Trasmisin.

Resultado de simulacin de un cortocircuito trifsico en la Estacin Montevideo I de 500 kV, en que se ha prolongado artificialmente el tiempo de despeje de falta. Se observa que algunas de las mquinaspierden sincronismo.

Registro de un incidente real (Noviembre 2001): la red uruguaya queda aislada de la argentina. Se mantiene bastante controlada la tensin (grficas superiores) pero la frecuencia desciende a valores inaceptables (las grficas muestran la comparacin de valores registrados con valores obtenidos por simulacin).

Registro de variaciones de potencia en la interconexin AC Pacific Intertie (centrales hidroelctricas del Ro Columbia alimentando California) en el pico de verano 1974.Las oscilaciones se producen en forma espontnea, sin que haya habido incidentes en la red.La frecuencia de las oscilaciones es del orden de los 0,3 Hz.

Registro de una perturbacin importante en la red sueca,1983. La escala de tiempo es : minutos. Sale de servicio una estacin importante de Estocolmo (punto 3),lo que motiva que las cargas de la ciudad se deban alimentar por pocas lneas y desde generadores hidroelctricos lejanos.

El sistema finalmente comienza a colapsar (punto 4) a causa de la actuacin de rels de proteccin que sacan de servicio las lneas sobrecargadas.

Se observa un descenso importante de tensin a partir de la falla inicial, si bien la frecuencia se mantiene bastante constante.

Un sistema de potencia se dice que est funcionando en un estado "estable" si:

-Permanece funcionando en un estado operativo de rgimen aceptable (las variables elctricas del sistema (tensin, corriente, etc.) se mantienen constantes al pasar el tiempo y dentro de un rango de valores aceptables) o

-Cuando es perturbado desde un estado operativo de rgimen aceptable es capaz de retornar en un tiempo aceptable a un estado operativo de rgimen aceptable

Las perturbaciones a que puede estar sometido un Sistema de Potencia se pueden clasificar cualitativamente en: a)Perturbaciones pequeas: variaciones de

carga b)Perturbaciones grandes: cortocircuitos,

salida de servicio de generadores,lneas y cargas, etc.

-Cortocircuito en una lnea:

Actuacin de protecciones Cambio en transferencias de potencia en la red Cambios en velocidad de rotores y tensiones

de barra Actuacin de reguladores de tensin, velocidad Variacin de las potencias de las cargasActuacin de controles centralizados potencia-

frecuencia.Nuevo estado de equilibrio

Las variables que se evalan para decidir si el estado del sistema es estable suelen ser :

-ngulos (posicin) de los rotores de las mquinas (estabilidad "de ngulo").

-Tensin de las barras de la red (estabilidad "de tensin)

Las variables a monitorear son los ngulos (relativos a una mquina de referencia) de los rotores de las mquinas que oscilan luego de una perturbacin (si el sistema es estable las mquinas interconectadas permanecen "en sincronismo").

Este ngulo es funcin del balance entre:-La potencia mecnica aplicada al rotor (mquina primaria) y-La potencia elctrica transferida a la red.

Relacin potencia -ngulo en un sistema radialSi consideramos el sistema radial de la figura, la potencia activa inyectada por la mquina a la carga en rgimen vale: P=EG.EM.sen( )/XT

Siendo: EG , EM: fems atrs de las reactancias del

generador y motor respectivamente. :diferencia de los ngulos de fase de las fems

EG y EM XT: reactancia total (lnea + mquinas)

Se puede ver que representa tambin (a menos deconstantes de proporcionalidad que dependen delnmero de polos de cada mquina) la posicin relativade las mquinas (diferencia entre los ngulos de losrotores de las mquinas).

La relacin potencia-ngulo indicada tiene lassiguientes propiedades importantes: -es fuertemente no lineal -no hay transferencia para =0 -la transferencia es mxima si =90 -es directamente proporcional a las fems, e

inversamente proporcional a la reactancia de la lnea

Supongamos ahora que establecemos una perturbacin cualquiera en el sistema que provoque un aumento en la velocidad del generador (un cortocircuito transitorio en la lnea, por ejemplo).

La ecuacin potencia-ngulo nos permite tener una idea aproximada (dado que es una relacin de rgimen) del comportamiento del sistema:

a) Caso estable: Aumento de velocidad del generador Aumento de ngulo Aumento de potencia elctrica transferida Disminucin de velocidad del generador

Conclusin:En este caso el ngulo se mantiene siempre en la rama creciente de la grfica potencia-ngulo

b)Caso inestable:Aumento de velocidad de un generador: Aumento de ngulo Disminucin de potencia elctrica transferida Aumento de velocidad del generador

ConclusinEn este caso, en cambio, el aumento de la velocidad del generador lleva al ngulo a la rama decreciente de la grfica potencia-ngulo

Las inestabilidades de ngulo se clasifican en funcin de la clasificacin de perturbaciones vista:

A) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeas oscilaciones")

B) Transitoria.

Si las perturbaciones son pequeas, es posible linealizar las ecuaciones que describen al sistema de potencia y a sus controles en torno al estado de rgimen previo.

Los mtodos de anlisis de la estabilidad a la pequea seal son, por lo tanto, los de los sistemas lineales.

Para describir cualitativamente este tipo de fenmenos, consideremos una mquina nica inyectando potencia hacia una red.

El conjunto de ecuaciones que describen al sistema de potencia debe incluir no slo las ecuaciones elctricas (como la relacin potencia-ngulo descrita ms arriba) sino tambin las que describen el comportamiento mecnico de la mquina.

La inestabilidad a las pequeas oscilaciones suele manifestarse de lassiguientes cuatro formas clsicas:1)Modos locales (una mquina oscilando contra las restantes).Suelenser generados por el propio regulador de tensin de la mquina

2)Modos interrea (grupos de mquinas oscilando entre s).Suelen aparecer al intercambiarse potencias importantes entre 2 partes de un sistema unidas por vnculos dbiles (de alta impedancia).

3)Modos de control: inestabilidades generadas en los propios sistemasde control (reguladores de tensin y velocidad, control de tensin enla red)4)Modos torsionales: inestabilidades generadas por la interaccin deelementos de potencia de la red (compensadores serie, p.ej) oelementos de control de la red (controles de sistemas HVDC, p.ej) conlos modos naturales mecnicos de las turbinas.

La inestabilidad transitoria se produce a causa de perturbaciones severas, para las cules dejan de ser vlidos los mtodos de aproximacin lineal.

Los mtodos de anlisis clsicos son las simulaciones numricas en el tiempo, con intervalos tpicos de estudio de entre 3 y 5 seg.

Tipos de inestabilidad transitoria

La inestabilidad transitoria clsica es la llamada a la primera oscilacin ("first swing"):el ngulo de alguna de las mquinas se escapa en su primera oscilacin a causa de una perturbacin severa (en la jerga habitual se dice que la causa es la falta de torque sincronizante, si bien el torque sincronizante es un concepto tpicamente lineal)

El ngulo de alguna de las mquinas, no obstante, puede escaparse luego de varias oscilaciones (ver figura, Caso 3),a causa de que las pequeas oscilaciones luego de terminada la perturbacin son a su vez no estables.

Este caso es, por lo tanto, propiamente un caso de inestabilidad a las pequeas oscilaciones, si bien se suele analizar en conjunto (prolongando la simulacin temporal) con el anlisis de estabilidad transitoria asociado a la perturbacin inicial.

Caso1:Estable Caso2:Inestable a la primera oscilacin Caso 3:Inestable

Dada la enorme variedad de posibles perturbaciones importantes, es habitual normalizar (en los Reglamentos de Trasmisin nacionales) la lista de las grandes perturbaciones que los sistemas deben soportar.

Ejemplo: "El sistema debe ser transitoriamente estable frente a faltas con reenganche monofsico no exitoso, sin necesidad de despejar carga."

SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIANmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6INTRODUCCION-ESTABILIDAD DE SISTEMASELECTRICOS DE POTENCIANmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Ejemplos de perturbaciones a estudiarNmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Definicin de estabilidad de un Sistema de PotenciaTipos de perturbacionesEjemploTipos de estabilidadEstabilidad de nguloEjemplo:Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Presentacin del problemaNmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Tipos de inestabilidad de nguloA) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeas oscilaciones")A) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeasoscilaciones")A) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeasoscilaciones")A) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeasoscilaciones")A) De pequea seal ("inestabilidad a las pequeasoscilaciones")Nmero de diapositiva 35Nmero de diapositiva 36Tipos de inestabilidad a las pequeas oscilacionesB) TransitoriaB) TransitoriaB) TransitoriaNmero de diapositiva 41Criterios de diseo del sistema respecto a la estabilidad transitoria