Estabilidad y dinámica de los sistemas de potencia (1ª PARTE)

En este artículo hacemos una descripción general del fenómeno de la estabilidad de los sistemas de potencia, incluyendo conceptos fundamentales, clasificación, y definición de términos asociados.

Conceptos básicos

La estabilidad de los sistemas de potencia es la capacidad del sistema, para una condición de operación inicial dada, para reganar un estado normal de equilibrio después de haber estado sometido a una perturbación. La estabilidad es una condición de equilibrio entre fuerzas opuestas; la inestabilidad se produce cuando una perturbación lleva a un desequilibrio sostenido entre fuerzas opuestas.

El sistema de potencia es un sistema altamente no lineal que opera en un ambiente cambiante; cargas, salidas de generador, topología, y parámetros de operación claves cambian continuamente. Cuando están sujetos a una perturbación transitoria, la estabilidad del sistema depende de la naturaleza de la perturbación y de las condiciones de operación iniciales. La perturbación puede ser pequeña o grande. Pequeñas perturbaciones en forma de cambios de carga ocurren continuamente, y el sistema se ajusta a las condiciones cambiantes. El sistema debe ser capaz de operar satisfactoriamente bajo estas condiciones y cumplir con éxito la demanda de carga de naturaleza severa, tales como un cortocircuito en una línea de transmisión o pérdida de un gran generador.

Siguiendo una perturbación transitoria, si el sistema de potencia es estable, alcanzará un nuevo estado de equilibrio con el sistema completo prácticamente intacto; las acciones de los controles automáticos y posiblemente los operadores humanos restaurarán el sistema a un estado normal. Por otra parte, si el sistema es inestable, se producirá una situación de descontrol o avería; por ejemplo, un incremento progresivo en separación angular de rotores del generador, o una disminución progresiva en los voltajes del bus. Una condición del sistema inestable puede llevar a pérdidas de energía y paradas en cascada de una porción mayor del sistema de potencia.

La respuesta del sistema de potencia a una perturbación puede implicar mucho en el equipo. Por ejemplo, un fallo en un elemento crítico seguido por su aislamiento mediante relés de protección causará variaciones en el flujo de potencia, voltajes del bus de red, y velocidades del rotor de la máquina; las variaciones de voltaje actuarán en los reguladores del voltaje de la red de transmisión y del generador; las variaciones de velocidad del generador harán actuar los reguladores de la fuerza motriz; y las variaciones de frecuencia y voltaje afectarán las cargas del sistema variando grados dependiendo de sus características individuales. Además, los dispositivos usados para proteger los equipos individuales pueden responder a variaciones en las variables del sistema y por lo tanto afectar al rendimiento del sistema de potencia. Un sistema de potencia moderno típico es así un proceso multivariable de orden alto cuyo rendimiento dinámico está influenciado por un amplio rango de dispositivos con diferentes características y capacidades de respuesta. De aquí, la inestabilidad en un sistema de potencia puede ocurrir en modos muy diferentes dependiendo de la topología del sistema, modo de operación, y la forma de la perturbación.

Tradicionalmente, el problema de estabilidad ha sido importante en la operación síncrona. Ya que los sistemas de potencia dependen de las máquinas síncronas para la generación de energía eléctrica, una condición necesaria para la operación del sistema satisfactoria es que todas las máquinas síncronas quedan en sincronismo o, coloquialmente “en paso”. Este aspecto de estabilidad está influido por las dinámicas de los ángulos del rotor del generador y relaciones del ángulo de potencia.

La inestabilidad puede también ser encontrada sin la pérdida de sincronismo. Por ejemplo, un sistema consistiendo en un generador alimentando un motor de inducción puede llegar a ser inestable debido al colapso del voltaje de carga. En este ejemplo, el asunto es la estabilidad y control de voltaje, antes que el mantenimiento del sincronismo. Este tipo de inestabilidad puede ocurrir en el caso de cargas cubriendo una extensa área en un gran sistema.

En caso de un desacoplamiento de generación/carga significativo, los controles del generador y fuerza motriz llegan a ser importantes, además de los controles del sistema y las protecciones especiales. Si no son apropiadamente coordinados, es posible para la frecuencia del sistema llegar a ser inestable, y las unidades de generación y/o carga pueden en último término dispararse originando posiblemente un corte del sistema. Este es otro caso donde las unidades pueden quedar en sincronismo (hasta que se dispare por tal protección por subfrecuencia), pero el sistema llega a ser inestable.

Debido a la alta dimensionalidad y complejidad de los problemas de estabilidad, es esencial hacer asunciones simplificadas y analizar tipos específicos de problemas usando el alto grado de detalle de la representación del sistema. En la siguiente sección se describe la clasificación de la estabilidad del sistema de potencia en categorías diferentes.

Clasificación de la estabilidad del sistema de potencia

Necesidad de la clasificación

La estabilidad del sistema de potencia es un problema simple; sin embargo, no es práctico tratarlo como tal. 

La inestabilidad del sistema de potencia puede tomar diferentes formas y está influido por un amplio rango de factores. El análisis de los problemas de estabilidad, incluyendo la identificación de factores esenciales que contribuyen a la inestabilidad e idear métodos para mejorar la operación estable son en gran medida facilitados por la clasificación de la estabilidad en categorías apropiadas. Estas se basan en las siguientes consideraciones:

• Naturaleza física de la inestabilidad resultante relacionada con el parámetro del sistema principal en el que la inestabilidad puede observarse.
• El tamaño de la perturbación considerada indica el método más apropiado de cálculo y predicción de la estabilidad.
• Los dispositivos, procesos, y el intervalo de tiempo que debe ser tomado en consideración en orden de determinar la estabilidad.

En la figura con la que abrimos este artículo se muestra una posible clasificación de la estabilidad del sistema de potencia en varias categorías y subcategorías. Las siguientes son descripciones de las formas correspondientes de fenómenos de estabilidad.

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