Estabilidad y dinámica de los sistemas de potencia (4ª PARTE)

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Estabilidad de frecuencia

La estabilidad de frecuencia es relativa a la habilidad de un sistema de potencia en mantener una frecuencia estacionaria dentro de un rango nominal siguiendo un trastorno del sistema severo resultando un desequilibrio significativo entre generación y carga. Depende de la capacidad para restaurar el equilibrio entre la generación del sistema y carga, con pérdida mínima y carga.

El sistema severo trastorna generalmente los resultados en grandes excursiones de frecuencia, flujo de potencia, voltaje, y otras variables del sistema, por lo tanto invocando las acciones de procesos, controles, y protecciones que no son modeladas en estudios de estabilidad transitoria convencional o estudios de estabilidad de voltaje. Estos procesos pueden ser muy lentos, tales como la dinámicas de la caldera, o sólo disparados por condiciones del sistema extremas, tales como los generadores de disparo de protección voltio/hercios. En grandes sistemas de potencia interconectados, este tipo de situación está mayormente asociada con el efecto islanding. La estabilidad en este caso es una cuestión de si o no cada island alcanzará un estado aceptable de equilibrio de operación con pérdida mínima de carga. Esto se determina por la respuesta total de la isla como se evidencia en su frecuencia media, en vez que en el movimiento relativo de las máquinas. Generalmente, los problemas de estabilidad de la frecuencia están asociados con inadecuación en las respuestas del equipo, pobre coordinación del equipo de control y protección, o reserva de generación insuficiente.

En el curso de una inestabilidad de frecuencia, los tiempos característicos de los procesos y dispositivos que se activan por grandes cambios en la frecuencia y otras variables del sistema tendrán un rango que variará de segundos a varios minutos.

Comentarios en clasificación

La clasificación de la estabilidad se ha basado en varias consideraciones que la hacen conveniente para la identificación de causas de inestabilidad, la aplicación de herramientas de análisis convenientes, y el desarrollo de medidas correctivas apropiadas para un problema específico de estabilidad. Hay claramente algún solapamiento entre las varias formas de inestabilidad, ya que cuando el sistema falla, más de una forma de inestabilidad puede en último término emerger. Sin embargo, un evento del sistema se clasificará basándonos principalmente en el fenómeno de la iniciación dominante, separado en aquellos relacionados principalmente con el voltaje, ángulo del rotor, o frecuencia.

Si bien la clasificación de la estabilidad del sistema de potencia es un método efectivo y conveniente de tratar con las complejidades del problema, la estabilidad total del sistema debe siempre mantenerse en mente.

Consideraciones de estabilidad en el diseño y operación del sistema

Ya que los sistemas de potencia eléctrica deben quedar intactos son capaces de resistir una amplia variedad de perturbaciones. Debido a las limitaciones técnicas y económicas, ningún sistema de potencia puede ser estable para todas las perturbaciones o contingencias posibles. En la práctica, los sistemas de potencia están diseñados para ser operados de forma que sean estables para una lista seleccionada de contingencias, normalmente referidas como “contingencias de diseño”.

La experiencia dicta su selección. Las contingencias se seleccionan sobre la base de que tienen una probabilidad significativa de ocurrencia y suficiente alto grado de severidad, dado el gran número de elementos que comprenden el sistema de potencia. El propósito total es golpear un equilibrio entre costes y beneficios de alcanzar un nivel seleccionado de seguridad del sistema.

Estabilidad transitoria

Como hemos discutido anteriormente la estabilidad de los sistemas de potencia se ha reconocido desde hace muchos años. Las antiguas centrales alimentaban centros de cargas situados a largas distancias. Estos primeros problemas de estabilidad, a menudo son un resultado de par de sincronización insuficiente, a menudo un resultado de insuficiente par de sincronización, fueron la primera emergencia de inestabilidad transitoria. Como se define en las secciones previas, la estabilidad transitoria es la capacidad de un sistema de potencia de quedar en sincronismo cuando están sujetos a grandes perturbaciones transitorias. Estas perturbaciones pueden incluir fallos en los elementos de transmisión, pérdida de carga, pérdida de generación, o pérdida de componentes del sistema tales como transformadores o líneas de transmisión.

Aunque han emergido formas muy diferentes de estabilidad del sistema de potencia, la estabilidad transitoria todavía queda en lo básico. Si bien es verdad que la operación de muchos sistemas de potencia está limitada por fenómenos tales como la estabilidad del voltaje o estabilidad de pequeñas señales, la mayoría de los sistemas son propensos a inestabilidad transitoria bajo ciertas condiciones o contingencias y de aquí la compresión y análisis de la estabilidad transitoria queda como un asunto fundamental. Asimismo, veremos posteriormente que la inestabilidad transitoria puede ocurrir en un marco de tiempo corto (unos pocos segundos), sin dejar tiempo a la intervención del operador para mitigar los problemas. Es por lo tanto esencial tratar con el problema en la etapa de diseño.

Teoría básica de estabilidad transitoria

La mayoría de los ingenieros están familiarizados con gráficas que muestran el ángulo del rotor (δ) del generador respecto al tiempo. Con un ejemplo de este diagrama abrimos este artículo. Estas curvas de oscilación trazadas por un generador sujeto a una perturbación del sistema particular muestran si el ángulo del rotor del generador se recobra y oscila alrededor de un nuevo punto de equilibrio como en traza “a” o si se incrementa aperiódicamente tal como la traza “b”. El primer caso se considera estable transitorio, y el último caso inestable transitorio. ¿Qué factores determinan si la máquina es estable o inestable? ¿Cómo puede la estabilidad de los grandes sistemas de potencia ser analizada?

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