Estabilidad transitoria y de pequena senal

La estabilidad transitoria y de pequeña señal en la operación de un SP 1

La estabilidad transitoria y de pequeña señal en la operación de un SP

Juan Gonzalo Londoño Estrada

I.E. MSc

RESUMEN

Resumen  La estabilidad transitoria y de pequeña señal en un

sistema de potencia son uno de los puntos más álgidos a ser

afrontados por los operadores de una sala de control; sin

embargo mediante unas cuantas consideraciones practicas en la

operación de un sistema de potencia es posible conservar un

margen adecuado y mantener el sistema operando de manera

segura y confiable. Tanto las pequeñas como grandes

perturbaciones afectan la estabilidad de un sistema, tanto la de

pequeña señal como la transitoria, pero es finalmente el

operador de la sala de control el encargado de afrontarlas y

buscarle una solución rápida, práctica, segura, confiable y

económica. Este artículo recoge un poco de todo esto con el

objetivo de darle al operador de la sala de control un repaso

teórico acerca de la estabilidad y mostrarle los posibles

caminos a tomar en caso de tener que intervenir el sistema para

lidiar con algunos de estos molestos problemas.

I. INTRODUCCION A LA ESTABILIDAD

TRANSITORIA

Uno de los índices más importantes en la seguridad eléctrica de

un sistema de potencia es el que este posea suficiente reserva

de estabilidad transitoria en caso de presentarse algún evento

que perturbe la operación normal del mismo. La estabilidad

transitoria en un sistema de potencia es la capacidad que tiene

el sistema de volver a su punto de equilibrio o condición inicial

después de una perturbación fuerte y súbita, tal que los valores

pos alteración queden sino iguales muy próximos a los valores

iniciales antes de la perturbación.

A diferencia de la estabilidad transitoria, la estabilidad de

pequeña señalen un sistema de potencia es la capacidad de

mantener los valores de los parámetros del sistema muy

próximos a los valores nominales en caso de pequeñas

perturbaciones, es decir, cambios lentos que se den en el

sistema. Acá se debe entender que cuando se habla de todo el

sistema no solamente se refiere a los nodos principales sino a

todo al conjunto en general. Es obvio que un sistema que es

capaz de soportar alteraciones fuertes manteniendo la

estabilidad, va a ser estable cuando las alteraciones sean

pequeñas. Por eso, si el sistema dispone de una reserva de

estabilidad transitoria, esto quiere decir, que cuenta

implícitamente con cierta reserva de estabilidad estática.

Cuando hablamos de estabilidad, tenemos que tener en cuenta

todo el sistema como un conjunto único y no solo a los

generadores sincrónicos; antes por estabilidad, se comprendía

como la capacidad de mantener en sincronismo los generadores

del sistema. Esta limitación del concepto de estabilidad no es

del todo exacta y se puede explicar porque históricamente

cuando de abordaron los primeros estudios eléctricos de

estabilidad en un sistema de potencia, el sincronismo de los

generadores se destacaba como el factor más importante,

luego y después de estudios más profundos se pudo

comprobar la importancia que tienen las cargas asíncronas y

otras en la estabilidad transitoria y de pequeña señal.

II. LOS CORTOCIRCUITOS Y SU EFECTO EN LA

ESTABILIDAD TRANSITORIA

Vamos a hacer un pequeño análisis general de los fenómenos

físicos que se producen en un sistema eléctrico durante un

cortocircuito y su efecto sobre la estabilidad transitoria del

sistema.

En caso de un cortocircuito en el sistema, en los generadores

surgen grandes corrientes, tanto en las bobinas del estator con

en las del rotor; la aparición de estas súbitas corrientes en las

bobinas del rotor del generador, se explica por la

imposibilidad de un cambio instantáneo de la corriente de

magnetización en la bobina de excitación del generador.

Desde el punto de vista de la estabilidad transitoria lo más

esencial es el cambio brusco y súbito del par electromagnético

de freno en el eje del generador. Cuanto más cerca se

encuentre el generador del punto de cortocircuito, tanto mayor

es la disminución relativa del par electromagnético. Esta

disminución está condicionada por el debilitamiento de los

enlaces del generador con el sistema y es por lo tanto más

grave cuanto más grande sea el cortocircuito y más próximo

al generador de haya producido. Además es necesario señalar

que el tipo de cortocircuito tiene una importancia esencial

desde el punto de vista del aumento de los enlaces reactivos y

por consiguiente de la disminución del par electromagnético.

Como resultado del cortocircuito, en el sistema surgen

oscilaciones electromagnéticas complejas provenientes de los

generadores que van acompañadas de alteraciones de todos

los parámetros del sistema. Estas oscilaciones se llaman

penduleo y provocan un aumento de los ángulos relativos de

desplazamiento de los rotores de diferentes generadores entre

si y el debilitamiento de sus pares de sincronismo que

representan en si una especie de enlace flexible que mantienen

a los generadores en sincronismo.

En los generadores sincrónicos que durante el cortocircuito el

ángulo de desplazamiento de los rotores ha aumentado con

respecto al sistema considerablemente después de despejar el

cortocircuito, aumenta bruscamente el par de freno en los ejes.

Este aumento es mayor cuanto mayor haya sido el aumento

del ángulo de desplazamiento de los rotores hasta cierto

límite. Si estos elevados pares electromagnéticos en los ejes

de los generadores se hicieran mayores que los pares

mecánicos desarrollados por las turbinas, los pares excedentes

cambiarían de signo y después de la desconexión del

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cortocircuito comenzarían a frenar. Por esta razón durante el

cortocircuito la velocidad de rotación de los rotores de los

generadores llega a crecer sensiblemente.

Por eso a pesar de que empiece a frenar, los ángulos de

desplazamiento de los rotores con respecto al sistema van a

seguir creciendo hasta que la energía cinética excedente

acumulada no sea consumida completamente en el proceso de

frenado. De todo este proceso podemos tener dos casos:

1. La velocidad de los generadores que durante el

cortocircuito se ha aumentado, disminuye hasta la

velocidad sincrónica (el par electromagnético es aun

superior al par de la turbina)

2. La velocidad del generador no ha descendido hasta la

sincrónica al alcanzar el ángulo de desplazamiento un

valor tan alto, que el par electromagnético de nuevo se

hace menor que el par de la turbina y se produce una

nueva aceleración.

En el primer caso, el ángulo de desplazamiento del rotor de

cada generador después de alcanzar la velocidad sincrónica

comienza a decrecer y después de unos cuantos balanceos se

establece un cierto régimen estable en el cual, todos los

generadores se encuentran en sincronismo.

En el segundo caso, el ángulo de desplazamiento de los

generadores después que comienzan de nuevo a acelerarse,

cuando la velocidad es todavía superior a la sincrónica va a

crecer ininterrumpidamente y los generadores van a perder el

sincronismo.

Por eso cuanto más rápido se logre frenar los generadores que

se han ido de velocidad sincrónica después de desconectar el

cortocircuito, hay más posibilidades de mantener la estabilidad

transitoria del sistema. En el caso de un resultado no deseado

durante la falla, parte de los generadores del sistema se van de

sincronismo con relación al resto del sistema y se encontraran

unas veces como generador y otras de motor (penduleo) y por

lo tanto las consecuencias de la falla pueden ser muy variadas.

En el peor de los casos puede tener lugar la pérdida del sistema,

esta pérdida se puede producirse como resultado de la perdida

de estabilidad transitoria: primero, en una parte importante del

sistema y después, en el resto del sistema, o bien como el

resultado de la perdida de estabilidad de pequeña señal del

sistema en el régimen posterior a la falla.

Este es términos generales los procesos que se originan durante

un cortocircuito y como afecta este a la estabilidad transitoria

del sistema.

III. RESERVA DE ESTABILIDAD TRANSITORIA

La reserva de estabilidad transitoria se determina por el mayor

evento que el sistema puede soportar sin perder su estabilidad.

Al elegir el evento para el cálculo de la estabilidad

transitoria se debe tener en cuenta lo siguiente:

 No elegir una falla poco frecuente que haga elevar

el costo de las inversiones necesarias para

conservar la estabilidad del sistema.

 No

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