Estabilidad y dinámica de los sistemas de potencia (2ª PARTE)

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Estabilidad del ángulo del rotor

La estabilidad del ángulo del rotor está relacionada con la capacidad de las máquinas síncronas interconectadas de un sistema de potencia de quedar en sincronismo bajo condiciones de operación normales y después de ser sometidas a perturbación. Depende de la capacidad de mantener/restaurar el equilibrio entre par electromagnético y par mecánico de cada máquina síncrona en el sistema. La inestabilidad que puede resultar ocurre en la forma de incrementar las oscilaciones angulares de algunos generadores llevando a su pérdida de sincronismo con otros generadores.

El problema de la estabilidad del ángulo del rotor implica el estudio de las oscilaciones electromecánicas inherentes a los sistemas de potencia. Un factor fundamental en este problema es la manera como la salida de energía de las máquinas síncronas varía cuando los ángulos del rotor cambian. El mecanismo por el que las máquinas síncronas mantienen el sincronismo con otra es a través de las fuerzas de restoring, que actúan cuando hay fuerzas que tienden a acelerar o decelerar a una o más máquinas con respecto a otra máquina. Bajo condiciones de estado estacionario, hay equilibrio entre el par mecánico de entrada y el par eléctrico de salida de cada máquina, y la velocidad se mantiene constante. Si el sistema es perturbado, este equilibrio se trastorna, resultando en aceleración o deceleración de los rotores de las máquinas de acuerdo con las leyes del movimiento de acuerdo con el cuerpo en rotación. Si un generador temporalmente funciona más rápido que otro, la posición angular de su rotor relativo al de la máquina más lenta avanzará. La diferencia angular resultante transfiere parte de la carga desde la máquina lenta a la máquina rápida, dependiendo de la relación del ángulo de potencia. Esto tiende a reducir la diferencia de velocidad y de aquí la separación angular. La relación ángulo de potencia, tal y como discutimos anteriormente, es altamente no lineal. Más allá de un cierto límite, un incremento en la separación angular viene acompañada por la disminución en la transferencia de potencia; esto incrementa la separación angular y lleva a la inestabilidad. Para cualquier situación dada, la estabilidad del sistema depende de si la desviación en las posiciones angulares del rotor resultan en pares de restauración suficientes.

Se notará que la pérdida en sincronismo puede ocurrir entre una máquina y el resto del sistema, o entre grupos de máquinas, posiblemente con sincronismo mantenido dentro de cada grupo después de la separación cada uno de otro.

El cambio en el par eléctrico de una máquina síncrona siguiendo una perturbación puede ser resuelta en dos componentes:

• Componente del par de sincronización, en fase con una perturbación del ángulo del rotor.
• Componente del par de amortiguación, en fase con la desviación de velocidad.

La estabilidad del sistema depende de la existencia de ambos componentes del par para cada una de las máquinas síncronas. La falta de par de sincronización suficiente da como resultado inestabilidad aperiódica o no oscilatoria, mientras que la falta de par de amortiguación resulta en inestabilidad oscilatoria.

Por conveniencia en el análisis y para ganar una perspectiva útil en la naturaleza de los problemas de estabilidad, es útil caracterizar la estabilidad del ángulo del rotor en términos de las siguientes dos categorías:

1. Estabilidad de la señal pequeña (o estado estacionario) está relacionado con la capacidad del sistema de potencia en mantener sincronismo bajo pequeñas perturbaciones. Las perturbaciones se considera son suficientemente pequeñas que la linearización de las ecuaciones del sistema son permisibles para propósitos de análisis. Tales perturbaciones se encuentran continuamente en operación del sistema normal, tal como pequeños cambios en carga. La estabilidad de señal pequeña depende del estado de operación inicial del sistema. La inestabilidad que puede resultar puede tener dos formas: (1) Incremento en el ángulo del rotor a través de un modo no oscilatorio o aperiódico debido a la falta de par de sincronización, o (2) oscilaciones del rotor de amplitud incrementada debidas a la falta de suficiente par de amortiguación.
2. La estabilidad del ángulo del rotor de gran perturbación o estabilidad transitoria, está relacionada con la capacidad del sistema de potencia para mantener el sincronismo cuando está sometido a una perturbación transitoria severa. La respuesta del sistema resultante implica grandes excursiones del ángulo del rotor del generador y viene influido por la relación del ángulo de potencia no lineal. La estabilidad transitoria depende tanto del estado de operación inicial del sistema como de la severidad de la perturbación. Usualmente, la perturbación altera el sistema tal que la operación en estado estacionario post-perturbación será diferente de la anterior a la perturbación. La inestabilidad está en forma de rumbo aperiódico debido a un par de sincronización insuficiente, y viene referido como primera estabilidad swing. En sistemas de potencia grandes, la inestabilidad transitoria puede no siempre ocurrir ya que la primera inestabilidad swing asociada con un modo simple; puede ser el resultado de una desviación pico incrementada causada por la superposición de varios modos de oscilación causando grandes excursiones del ángulo del rotor más allá de la primera oscilación. El marco de tiempo de interés en los estudios de estabilidad de transitorios está usualmente limitado a 3 – 5 segundos siguiendo a la perturbación. Puede extenderse a 10 segundos para sistemas muy grandes con oscilaciones inter-área dominantes. Los sistemas de energía experimentan una gran variedad de perturbaciones. No es práctico ni económico diseñar sistemas que sean estables para cada contingencia posible. Las contingencias de diseño se seleccionan sobre la base de que hay una probabilidad razonablemente alta de ocurrencia.

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