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Estabilidad de Sistemas de Potencia

YOFRÉ JÁCOME [email protected] 1

Introducción a Estabilidad de Sistemas de Potencia

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Estabilidad de Sistemas de Potencia : Conceptos

• Estabilidad de un sistema de potencia es la capacidad del sistema , de llegar a una condición de equilibrio luego de esta sujeta a un disturbio físico. • Estabilidad es una condición de equilibrio entre fuerzas opuestas:  La inestabilidad resulta cuando un disturbio lleva a un desbalance sostenido de fuerzas.

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Estabilidad de Sistemas de Potencia : Conceptos

• Un sistema de potencia es altamente no lineal y opera con constantes cambios:  Cambios de cargas, despachos de generación, topología, etc. • Cuando se produce un disturbio, la estabilidad depende de :  La naturaleza del disturbio  La condición inicial. • El disturbio puede ser pequeño o grande:  Pequeños disturbios ocurren continuamente.  Grandes disturbios pueden ser cortocircuitos en líneas de transmisión.

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Estabilidad de Sistemas de Potencia : Conceptos

• Luego de un disturbio transitorio, si el Sistema es estable alcanzara un nuevo estado de equilibrio con el Sistema intacto:  El elemento fallas y cargas desconectadas  El operador podría restaurar el sistema al estado normal • Si el sistema es inestable, resultara en :  Un incremento progresivo de la separación angular.  Un caída de tensión en la barras del Sistema. • Una condición instable puede provocar en salidas en cascada y apagones 5

Clasificación de la Estabilidad de Sistemas de Potencia

Estabilidad de Sistemas de Potencia

– Capacidad para mantenerse operando en equilibrio – Equilibrio entre fuerzas opuestas

Estabilidad Angular

– Capacidad de mantener sincronismo – Balance de torques de las maquinas síncronas

Estabilidad de Pequeña Señal

– Capacidad de mantener la frecuencia dentro de un rango nominal – Balance Generación/Carga

Estabilidad Transitoria

Corta Duración

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Estabilidad Frecuencia

Estabilidad de Tensión – Capacidad de mantener tensión estacionario – Balance de potencia reactiva – Equilibrio de control de tensión

Grandes Disturbios

Corta Duración

Larga Duración

Consideración para la clasificación

Corta Duración

Pequeños Disturbios

Larga Duración

Naturaleza física/Principal parámetro del sistema

Tamaño del Disturbio

Tiempo

Estabilidad del ángulo del rotor

• Capacidad de las maquinas síncronas de mantenerse en sincronismo en condiciones normales y luego de un disturbio • Depende de la capacidad de mantener/restaurar el equilibrio entre el torque electromagnético y mecánico de cada maquina síncrona en el Sistema • Si el generador se vuelve instable es el resultado de un desbalance de torques • La inestabilidad que resulta ocurre en forma de incremento de oscilaciones angulares para algunos generador que llevan a la pérdida de sincronismo a otros 7

Estabilidad del ángulo del rotor

• En estado estacionario existe equilibrio entre Te y Tm • Si se produce un disturbio el equilibrio se pierde, causando aceleración o desaceleración del rotor

• Un cambio en el Te puede ser resuelto por dos componentes: Te  TS    TD   TS es el coeficiente del Torque Sincronizante TD es el coeficiente del Torque Amortiguante

• Falta de sincronizante resulta en inestabilidad aperiódica • Falta de torque amortiguante resulta en inestabilidad oscilatoria 8

Estabilidad Transitoria

• Terminología usada para denotar la estabilidad ante grandes disturbios. • Capacidad del Sistema de mantener sincronismo ante un disturbio severo. • La estabilidad depende de la condición de operación inicial, severidad del disturbio, Fortaleza del Sistema de transmisión

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Estabilidad de Pequeña Señal

• Estabilidad de pequeña señal es la capacidad del sistema de mantener sincronismo ante pequeños disturbios. • Se analiza usando los métodos de Liapunov’s.

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Estabilidad de Tensión

• Capacidad de mantener la tensión en todas las barras del Sistema luego de un disturbio. • Un Sistema experimenta inestabilidad de tensión cuando un disturbio, incremento de carga o cambio en la condición del Sistema, causa una caída incontrolable en la tensión.

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Estabilidad de Frecuencia

• Capacidad de mantener la frecuencia en un rango nominal luego de un disturbio resultante en un desbalance generación-carga. • En sistemas aislados es un problema para cualquier disturbio de pérdida de carga y/o generación. • En sistemas interconectados puede ser un problema luego de una separación de áreas • Generalmente los problemas de estabilidad de frecuencia son asociados a las respuestas inadecuadas de los equipos de control, pobre coordinación de los sistemas de control y protección 12

Estabilidad de Frecuencia

• Capacidad de mantener la frecuencia en un rango nominal luego de un disturbio resultante en un desbalance generación-carga. • En sistemas aislados es un problema para cualquier disturbio de pérdida de carga y/o generación. • En sistemas interconectados puede ser un problema luego de una separación de áreas • Generalmente los problemas de estabilidad de frecuencia son asociados a las respuestas inadecuadas de los equipos de control, pobre coordinación de los sistemas de control y protección 13

Revisión de Generadores

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Tipos de Generación

Centrales Hidroeléctricas Generación Síncrona 15

Tipos de Generación

Centrales Termoeléctricas Generación Síncrona 16

Tipos de Generación

Grupos Diesel Generación Síncrona 17

Tipos de Generación

Co-Generación Generación Síncrona 18

Tipos de Generación

Generación Eólica Generación No-síncrona 19

Tipos de Generación

Generación Solar Generación No-síncrona 20

Partes de Un Generador Síncrono

El rotor es alimentado con corriente continua (Campo)

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Representación Unifilar de un Generador

Neutro

Generador

Terminal

n

Campo 22

Generadores Síncronos

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Principio de Operación de Un Generador Síncrono

Al hacer girar una espira dentro de un campo magnético se genera la corriente electrica.

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Principio de Operación de Un Generador Síncrono

En el generador trifásico se hace girar el campo en el rotor y al cortar a las bobinas del estator que se encuentran desfasadas 120° se produce la tensión trifásica.

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El rotor y el estator

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Tipos de Rotores Anillos Colectores

Alta Velocidad

Baja Velocidad

Líneas de Fuerza Magnética 27

El Devanado Amortiguador

El devanado amortiguador tiene un papel importante en los generadores síncronos 28

El Devanado Amortiguador

Pueden ser continuos o no-continuos

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El campo en un generador síncrono • El Campo es un circuito simple de múltiples bobinas en el rotor alimentados en Corriente Continua

• El Sistema de Excitación Provee la Corriente Continua para el campo – La fuente DC conectada al circuito de campo produce el campo magnético requerido – El diseño del generador y la excitatriz determinan el método de producir DC y de conexión al campo 30

La transformada de Park-Goreff q-Axis Axis of phase b Field Winding

Armature Winding

a c' b' d-Axis Rotor b c

Air Gap a'

Axis of phase a

Stator

Axis of phase c

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Descripción Matemática del Generador

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Operación de un Generador Síncrono • El Generador Síncrono en estado estacionario

jX q

Rs +

+

Ia

Eq -

-

V -

+

j( X d  X q )I d jX g +

E

Circuito Equivalente (Se muestra una fase). Usado para Polos Salientes y Polos Lizos.

Reactancia Síncrona

Rg I

- | E | E  k  I field

+

V -

Circuito Equivalente Simplificado. Mas valido para polos lizos 33

Operación en Estado Estacionario

S  P  jQ  V  I *  S /  *

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 E/  V / 0   E/  V / 0  S  (V / 0)     (V / 0)    R  jX jX  g   g  g  2   E V E V V  S sin   j   cos    X Xg X g   g

*

Operación en Estado Estacionario La maquina síncrona conectada a un sistema de potencia infinito P

VS