Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Estabilidad de Sistemas Eléctricos de Potencia PARTE 1 INTRODUCCIÓN 1. Donde nos situamos 1 año • Planeamiento de la Expansión de Sistemas Eléctricos 20 años 1 sem. • Planeamiento de la Operación de Sistemas Eléctricos 1 año 15 min. • Operación Sistema Eléctricos 1 sem. • Unit Commitment • Despacho economico y flujo optimo • Control Automatico de Generación Miliseg. • Estudios Dinámicos Seg. Nanoseg. • Transitorios electromagnéticos Microseg 2. Estructura de un sistema de potencia Ing. Freddy Delgado Pág. 1 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Estructura de un sistema de potencia 3. Que es estabilidad? La estabilidad de un Sistema de Potencia es la habilidad de un sistema eléctrico, para de una condición de operación inicial, retome el estado de operación en equilibrio después de estar sujeto a disturbios físicos (fallas eléctricas o maniobras inadecuadas). Es decir la estabilidad es una condición de equilibrio entre fuerzas opuestas, el mecanismo por el cual las maquinas síncronas interconectadas mantienen sincronismo con otras por fuerzas restauradoras, las Ing. Freddy Delgado Pág. 2 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC cuales tienden a acelerar o desacelerar una o más maquinas con respecto a otras. Bajo condiciones de estado estacionario esto es el equilibrio entre el torque mecánico de entrada y el torque eléctrico de salida de cada máquina y la velocidad constante. Si el sistema es perturbado, este equilibrio termina, resultando en una aceleración o desaceleración de los rotores de las máquinas de acuerdo a las leyes físicas. Por ejemplo si un generador temporalmente se acelera sobre otro, la posición angular de este rotor sobre la maquina más lenta se incrementa. La diferencia angular resultante transfiere parte de la carga de la maquina lenta a las más rápida, dependiendo de su relación potencia ángulo. Esto quiere decir que en todo momento deberá haber un balance entre la producción y los consumos, de forma tal que la frecuencia se encuentre en f=60±0.10 Hz y el voltaje en todas las barras se encuentre en un Voperación±2.5%. Las propiedades de la estabilidad dependen de la dinámica del sistema eléctrico de potencia, la fortaleza del sistema de transmisión (enlace débil o robusto) y el control implementado en este sistema (generadores). - Sistemas Eléctricos cada vez en crecimiento e interconectados Balance entre la oferta y la demanda El operador de un centro de control permanentemente logra balancear el sistema eléctrico entre lo producido y lo demandado por los consumidores. Su objetivo es garantizar que la frecuencia este lo más próximo a 60Hz. En el SEIN esta labor le corresponde al COES. La oferta de generación cada vez es más variada, en el futuro se espera contar con el 100% de producción basado en centrales renovables, lo que adiciona más incertidumbre, complejidad y variabilidad en la generación. Es decir hace más DINAMICO el sistema y por supuesto menos tiempo para poder tomar acciones. 4. Por qué es importante llevar este curso Preguntas que un ingeniero de potencia debe responder: i. Qué sucede cuando un rayo cae en una línea de transmisión? ii. Qué sucede durante un apagón cuando tú cierras un transformador o una línea que está completamente desenergizada? Ing. Freddy Delgado Pág. 3 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC iii. Que sucede cuando inesperadamente 1000 MW de generación salen de servicio? iv. Que sucede cuando prendes la luz de tu casa? Entonces las razones por las cuales es importante llevar es curso permitirán responder a las preguntas anteriores - Es importante entender la dinámica de los sistemas de potencia. - La interconexión, crecimiento de la demanda e incorporación de fuetes renovables hace más dinámico el sistema. - La expansión de nuevas líneas de transmisión son cada vez más difíciles de construir. - Los sistemas se llevan a operación cerca de sus límites técnicos. - Cada vez es más común tener fallas o disturbios en los sistemas eléctricos. - Agrega valor al finalizar la carrera o al momento de buscar trabajo. - Los sistemas eléctricos no son estáticos, son variables a lo largo del día y los días Ing. Freddy Delgado Pág. 4 Estabilidad de Sistemas Eléctricos - UNSAAC La integración del sistema y los mercados posibilita que se logre mayor confiabilidad, mejores precios para los consumidores pero a la vez incrementa los riesgos de colapso del sistema ante disturbios o fallas eléctricas. Ing. Freddy Delgado Pág. 5 Estabilidad de Sistemas Eléctricos Ing. Freddy Delgado UNSAAC Pág. 6 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5. Introducción a la estabilidad y control de un sistema de potencia - Dinámica de los sistemas - Estabilidad - Control - Sistemas Lineales y no lineales - Clasificación de la estabilidad de un SEP - Variables fuertemente relacionadas (P-δ y Q-V ) - La ecuación de oscilación - Entendiendo un análisis simple 5.1. Dinámica de SEP Relacionado con la respuesta del sistema ante variaciones en la carga y disturbios o fallas eléctricas i.e. Salida de líneas, generadores o cortocircuitos. Los componentes del sistema tienen un comportamiento dinámico distinto ante diferentes tipos de disturbios. La dinámica del sistema exige el uso de ecuaciones diferenciales para describir el comportamiento y respuesta del sistema. Dependiendo del tipo de fenómeno es importante decidir que tipo de modelo escogemos para la simulación. El modelo de una planta de generación (Sistema Turbina/generador) Ing. Freddy Delgado Pág. 7 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Diagrama de bloques de una unidad de generación Ing. Freddy Delgado Pág. 8 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Modelo de una turbina a vapor HP: Alta presión IP: Presión media LP: Baja presión MSV: Main Stop Valve GV: Governor Valve IV: Intercep Valve Tipicamente el torque de las turbinas a vapor esta compuesto por: 30% (HP) : 40% (IP) : 30% (LP). SD: speed measuring device. Ing. Freddy Delgado Pág. 9 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Turbina de ciclo combinado Ing. Freddy Delgado Pág. 10 Estabilidad de Sistemas Eléctricos Ing. Freddy Delgado UNSAAC Pág. 11 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC El objetivo es: - Mantener un voltaje deseado (potencia reactiva) Mantener la generación de potencia deseada (velocidad angular- frecuencia de la red) Operación estable (minimiza el estress eléctrico y mecánico del sistema). Mínimo costo operativo 5.2. Las unidades de generación y las redes potencia son un sistema oscilatorio permanente Ing. Freddy Delgado Pág. 12 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5.3. Modelo clásico Ing. Freddy Delgado Pág. 13 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5.4. Arrollamientos de un generador síncrono Secuencia ACB 5.5. Transformación – dq Ing. Freddy Delgado Pág. 14 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5.6. Ecuaciones de Oscilación 5.7. Balance de potencia para un generador (Ecuación de oscilaión) Ing. Freddy Delgado Pág. 15 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5.8. Variables fuertemente relacionadas (P-δ y Q-V ) Puntos de equilibrio para diferentes niveles de potencia mecánica Ing. Freddy Delgado Pág. 16 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC Balance de potencia de un generador conectado a una red eléctrica fuerte (modelo linealizado) Ejemplo de oscilación para diferentes puntos de equilibrio estable Ing. Freddy Delgado Pág. 17 Estabilidad de Sistemas Eléctricos UNSAAC 5.9. Sa Dynamic security assessment DSA - ( Evaluación de la seguridad dinámica) Ing. Freddy Delgado Pág. 18 Estabilidad de Sistemas Eléctricos 5.10. UNSAAC Clasificación de la estabilidad de SEP Estabilidad de SEP Estabilidad de Angulo de Rotor Pequeño disturbio Ing. Freddy Delgado Estabilidad Transitoria (gran disturbio) Estabilidad de Voltaje Gran disturbio Estabilidad de Frecuencia Pequeño disturbio Pág. 19 Estabilidad de Sistemas Eléctricos Ing. Freddy Delgado UNSAAC Pág. 20
