Capitulo 2. Gobernador de Velocidad. SISTEMAS DE POTENCIAS II

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

CAPITULO 2 GOBERNADOR DE VELOCIDAD El gobernador es un sistema de control asociado a la unidad generadora que permite mantener constante la velocidad de la máquina. En el diagrama esquemático mostrado a continuación: Pmec

voltaje terminal potencia eléctrica

GENERADOR

velocidad

TURBINA

accionador

regulador

+

_ GOBERNADOR

velocidad de referencia

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO INDICANDO LA RELACIÓN GENERADOR-GOBERNADOR-TURBINA Figura N° 2.1 Se observa que el gobernador recibe como entrada la señal de velocidad de la máquina y la compara con la velocidad de referencia, si estas son iguales la señal de error será cero indicativo que el gobernador no debe originar cambios en las condiciones de operación, dado que la máquina está en la velocidad deseada. De ser diferentes estas señales se generará un error, la misma será captada por el regulador que ejercerá la función de control ordenando al accionador a través del servomotor abrir o cerrar la paleta o válvula ya sea una turbina hidráulica o térmica respectivamente. Esta acción permitirá en la turbina incrementar o decrementar la potencia mecánica de la unidad para corregir la desviación de velocidad.

El gobernador de velocidad. Sistemas de Potencia II

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El gobernador indirectamente permite mantener la frecuencia constante y satisfacer la carga. La expresión que relaciona la velocidad sincrónica con la frecuencia viene dada por: velocidad =

120 * frecuencia número de polos

Al analizar esta expresión se concluye que al ser el número de polos una vez que la máquina esta construida un parámetro fijo, una velocidad constante indicará una frecuencia constante, es decir, al controlar la velocidad se garantiza el control de la frecuencia De igual forma sucede con el control de la carga. De ocurrir en un Sistema Eléctrico un incremento de la potencia eléctrica de carga, se tendrá momentáneamente una potencia eléctrica mayor a la potencia mecánica ( Pe > Pmec ), provocando una potencia desacelerante que reducirá la velocidad en la máquina. Esta variación en la velocidad será sensada en el gobernador, quien ordenará un incremento en la apertura de paleta o válvula para incrementar la potencia mecánica y de esta forma retornar la velocidad al valor de referencia, este equilibrio se alcanza cuando la potencia mecánica y eléctrica son iguales ( Pmec=Pe ), con lo cual se satisface la carga. El gobernador al igual que los diferentes sistemas de control como la excitatriz han tenido cambios tecnológicos que han mejorado su comportamiento. Los primeros gobernadores eran enteramente electromecánicos, evolucionando a lo largo de los años a gobernadores de tipo electrónicos, hasta alcanzar los existentes hoy en día de tipo numérico. En principio la estructura de estos gobernadores es similar a la indicada en la figura Nº 2.2., esta consta de una unidad reguladora que tiene como función detectar las variaciones de velocidad de la unidad, de forma tal de originar una señal de corrección la cual es enviada a la unidad accionadora para corregir la desviación. El accionador esta constituido por equipos mecánicos que tienen como función convertir las señales eléctricas del regulador en señales mecánicas para accionar los servomotores y mover las paletas en la turbina. Las diferencia entre los diferentes tipos de gobernador se encuentran a nivel del regulador como se explica a continuación.


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velocidad de referencia velocidad actual

regulador de velocidad

señal del operador o C.A.G.

accionador

servomotor

apertura o cierre de paleta o válvula

droop

DIAGRAMA GENERAL DEL GOBERNADOR Figura N° 2.2

2.1 EL GOBERNADOR MECÁNICO Este tipo de gobernador esta descontinuado del mercado y es posible encontrarlo en Plantas de más de treinta años de funcionamiento, como es el caso de los gobernadores de las unidades generadoras de la casa de máquinas Nº 1 de la Planta Macagua ubicada en el estado Bolívar, cuya puesta en servicio data de los años 60. En esta se distinguen los siguientes elementos •

Regulador

•

Detector de velocidad

•

Regulador propiamente dicho

•

Droop

•

Accionador

•

Válvula piloto

•

Servomotor


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El proceso comienza en el detector de velocidad (ver figura Nº 2.3), este equipo está compuesto de dos esferas girando a una velocidad proporcional al eje del generador separados por una distancia “d”, cuando la máquina experimenta una aceleración o desaceleración, las esferas se alejarán o acercarán por efectos de la fuerza centrífuga, atenuado en su movimiento por la acción de un resorte que las une. Este desplazamiento en la distancia entre las esferas producirá un movimiento lineal en una serie de varillas asociadas a este mecanismo. Las varillas actuarán como elementos reguladores de la acción de comando. Estas en un efecto similar al producido por una serie de engranajes con ruedas dentadas cada vez más grandes, están colocados en serie e incrementando en tamaño de forma tal que por este efecto multiplicador el movimiento se ira transmitiendo cada vez con más fuerza, caracterizado por una ganancia y una constante de tiempo. El resultado de este movimiento se ejecutará sobre la válvula piloto. El desplazamiento hacia arriba o hacia abajo de la válvula piloto permite el paso en uno u otro sentido del aceite a presión hacia el servomotor, que por el efecto de la diferencia de presiones moverá un mecanismo en forma de pistón que transmitirá un movimiento lineal para accionar los gatos hidráulicos que cerrarán o abrirán las paletas en el anillo distribuidor de la turbina. El movimiento lineal producido por el servomotor puede ser realimentado hacia la entrada a través de un varillaje, esta realimentación es conocida como el droop del gobernador o estatismo. Este mecanismo permite transmitir la acción de conversión producido por el servomotor hacia el elemento detector de velocidad atenuando el desplazamiento de éste, con lo cual se crea una diferencia entre la desviación de velocidad real y la desviación de velocidad medida. El resultado de esta alteración es que la máquina corregirá en función de la desviación de velocidad medida, que al ser diferente de la desviación de velocidad real, impedirá que la máquina retorne a su velocidad de referencia ante la ocurrencia de un desbalance generación-carga. Es decir, de producirse un rechazo de generación que produzca una reducción de la frecuencia, el gobernador recuperará la misma a un valor ligeramente por debajo de 60 Hertz. De igual forma de producirse un rechazo de carga que origine un ascenso de la frecuencia, el gobernador recuperará la misma a un valor ligeramente por encima de 60 Hertz. Este fenómeno será analizado más adelante con mayor detalle.


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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN GOBERNADOR MECÁNICO

droop

EMBALSE detector de velocidad

d

GENERADOR

EJE

válvula piloto

tanque de aceite

SERVOMOTORES apertura o cierre de paleta TURBINA TUBERÍA FORZADA Figura N° 2.3 El gobernador de velocidad. Sistemas de Potencia II

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2.2 EL GOBERNADOR ELECTRÓNICO Esta clase de gobernador sustituyó al gobernador mecánico, puede encontrarse fundamentalmente en Plantas construidas en los años 70, tal es el caso de las unidades generadoras de la Planta Guri ubicada en el estado Bolívar. El cambio radical en este gobernador se presenta a nivel del regulador de velocidad, donde los elementos mecánicos fueron sustituidos por componentes electrónicos que le agregaron una mayor velocidad de respuesta y una mayor sensibilidad a variaciones de la velocidad. A pesar de estas mejoras el gobernador sigue siendo, al compararlo con la excitatriz, un sistema de control lento con tiempos de respuesta en el orden de los segundos. Desde el punto de vista del sistema de regulación los elementos electrónicos permiten tiempos de respuesta en milisegundos; sin embargo, los elementos restrictivos están a nivel del servomotor y en la turbina. Estos componentes son mecánicos y requieren grandes niveles de energía para variar su condición de operación, en este sentido a pesar que el regulador pueda responder en milisegundos, es necesario colocarle constantes de tiempo que permitan una respuesta en segundos, para que la señal de corrección pueda ser seguida por la velocidad de respuesta de los elementos mecánicos. Este tipo de gobernador puede ser representado a través del siguiente modelo. velocidad de referencia velocidad actual

PID

Kp apertura o cierre de paleta

Ki 1+sTg

Ki 1+sTi

servomotor

limitador

sKd droop

señal del operador o C.A.G.

R

MODELO GENERAL DE UN GOBERNADOR Figura N° 2.4 El gobernador de velocidad. Sistemas de Potencia II

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Donde el elemento regulador de velocidad es representado por un proporcional-integrativoderivativo (PID), el servomotor es modelado por un integrador con su limitador a la salida y cuenta con el lazo de realimentación representado por el droop. 2.3 GOBERNADOR NUMÉRICO Este representa la última tecnología y al igual que en los casos anteriores el cambio drástico está a nivel del regulador de velocidad. En el gobernador electrónico el regulador estaba compuesto por tarjetas electrónicas que manejaban

señales analógicas, la nueva

concepción hacia el gobernador numérico se basa en la digitalización de la señal analógica para convertirla en un número, cuyo valor es procesado por el regulador, que no es más que un microcomputador donde las funciones de transferencia constituidas por componentes electrónicos se convierten ahora en ecuaciones y modelos matemáticos que realizan el cálculo, para una vez obtenida la respuesta convertir este dígito en una señal analógica para ser enviada hacia el accionador. Entre las ventajas que se originan con estos nuevos gobernadores están las siguientes: a) las funciones de transferencia son ecuaciones establecidas en un programa de computación (software), por lo que cambiar su respuesta es sólo cambiar el programa sin alterar el hardware. b) Por ser el control a través de un software puede ser cambiado y mantenido a distancia, mediante la utilización de una vía de comunicación como puede ser Internet. c) Es fácil acceder las señales internas para su monitoreo en caso de una investigación de falla. d) Se puede autodiagnosticar señalando preventivamente cualquier anomalía. La parte de fuerza constituida por la válvula piloto, servomotores, etc es en esencia similar en los diferentes gobernadores, lógicamente las técnicas y elementos constructivos han sido mejorados con el fin de tener un mejor comportamiento de estos. Asimismo, los elementos


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auxiliares y de control a nivel del accionador, servomotor, etc están adaptados a los avances tecnológicos. 2.4. EFECTO DEL DROOP EN UN GOBERNADOR El droop se define como la variación de velocidad cuando la unidad pasa de la condición de cero carga a la condición de carga nominal y viene expresado matemáticamente por la pendiente de la característica velocidad/potencia, o partiendo que la velocidad es directamente proporcional a la frecuencia, se puede expresar igualmente por la característica frecuencia/potencia, como se indica en la grafica a continuación. frecuencia

60

potencia Pnominal CARACTERÍSTICA POTENCIA-FRECUENCIA (DROOP) Figura N° 2.5

La característica del droop debe definir una pendiente muy pequeña para que la máquina conserve una buena calidad en la regulación. Este efecto se denota al suponer una pendiente muy pronunciada en la característica del droop, esto indicaría que cada vez que la máquina cambia su condición de operación incrementando o decrementando su potencia, la unidad experimentará variaciones significativas en la velocidad que afectarían la frecuencia, desmejorando la calidad del servicio eléctrico. Por el contrario, una pendiente pequeña entre el 2% y el 5% que es el rango normalmente usado para ajustar esta pendiente, permitirá pequeñas variaciones de velocidad al variar la carga, lo cual tendrá poco impacto sobre la frecuencia.


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¿ Cuál es la utilidad del droop dentro de la respuesta del gobernador sobre el generador?. Para entender este efecto se simuló un sistema eléctrico con carga y generación propia como el indicado a continuación:

S/E D S/E A

CARGA DEL SISTEMA 450 MW

S/E C

S/E B S/E G

S/E F

S/E E

S/E I

S/E H

generador disparado

S/E K

S/E J

S/E G

RED ELÉCTRICA EJEMPLO Figura N° 2.6 En donde se consideró el disparo de un generador con 60 MW teniendo en un caso los gobernadores de las unidades sin droop y en el otro caso con droop ajustado en 4%. En las figuras Nº 2.7 y 2.8 se observa el comportamiento de la frecuencia para ambos casos. En estas se denota un descenso inicial de la frecuencia a casi 58 Hertz, lo que indica una relación de 3MW/0.1 Hertz, recuperándose al termino de varios segundos, sin embargo esta recuperación no es la misma para ambos casos. En la situación planteada sin droop la frecuencia experimenta una sobrecorrección por encima de 60 Hertz, así como una variación pico-pico de 0.4 Hertz en la primera oscilación una vez recuperada la frecuencia,


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COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA EN EL SISTEMA DE EJEMPLO ANTE UN RECHAZO DE GENERACIÓN DE 60 MW, CON Y SIN CONSIDERAR EL EFECTO DEL DROOP

Figura N° 2.7

Figura N° 2.8


tiempo (seg)

tiempo (seg)

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comparada contra esta misma variación de 0,22 Hertz en el caso con droop. Asimismo se observa que en este último caso la frecuencia tiende a estabilizarse aproximadamente 2.4 décimas de Hertz por debajo de 60 Hertz, al contrario cuando no se considera el droop donde la frecuencia se estabiliza en 60 Hertz. De este análisis puede concluirse que la característica del droop permite a) Evitar la sobrecorrección de la frecuencia b) Contribuir a una respuesta más estable. c) Estabilizar la frecuencia por debajo del valor de referencia, en este caso 60 Hertz. Las dos primeras características denotan una ventaja en cuanto al uso del lazo de realimentación a través del droop en el gobernador. Sin embargo ¿ Cual es la ventaja de la tercera característica presentada?. La idea es que el gobernador permita recuperar la frecuencia hasta un valor aceptable de operación, donde el Sistema se encuentre en una condición segura para que luego sea el control automático de generación o el operador quien lleve la frecuencia, dando ordenes al gobernador de anular el efecto del droop, al valor deseado de forma suave y considerando criterios de economía y de capacidad de regulación en el Sistema. Asimismo, el efecto del droop puede determinar cual unidad responderá en mayor medida a disminuir el balance gobernación-carga que se ha creado producto de ese evento, para recuperar la frecuencia al valor seguro que típicamente es dos o tres décimas por debajo o por encima de 60 Hertz, ya sea que se haya producido un rechazo de generación o de carga respectivamente. Este efecto puede visualizarse observando la característica del droop de dos unidades generadores con diferente pendiente como se indica a continuación:


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frecuencia 60 59.8

P2 P1

P2”

potencia P1”

CARACTERÍSTICA DEL DROOP DE DOS GENERADORES Figura N° 2.9 En estas condiciones de producirse un rechazo de generación que origine la respuesta de los gobernadores producto de la actuación de estos, debido a la reducción de velocidad, donde la frecuencia se estabiliza por debajo de 60 Hertz, supóngase en este caso 59.8 Hertz, el incremento de potencia que cada unidad habrá aportado para eliminar el desbalance generación-carga puede ser controlado a través del droop. Considerando la característica mostrada en la figura Nº 2.9, la potencia habrá aumentado desde un valor P1 a un valor P1’ para el generador G1, de forma similar habrá aumentado de P2 a P2’ para el generador G2. Obsérvese que la máquina Nº 1 por tener menos pendiente y por lo tanto menor droop el incremento de potencia es mayor al compararlo con la máquina Nº 2 que tiene mayor droop. De este análisis se concluye que a menor droop mayor será el aporte para subir o bajar potencia que esta unidad puede proporcionar al Sistema ante la ocurrencia de un desbalance generación-carga. De esta manera, si se tiene en un sistema eléctrico dos unidades generadores de la misma capacidad, estas deberían tener el mismo droop, para que las dos aporten potencia en la misma proporción para eliminar el desbalance. Por el contrario, si una de estas unidades es de una capacidad mayor, convendrá colocarle a ésta un menor droop, para que ésta aporte potencia en mayor proporción para eliminar el desbalance.


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Retomando el ejemplo anterior donde se consideró el disparo de un generador con 60 MW, se observa que el gobernador de las unidades permitió la recuperación de la frecuencia estabilizándola 2.4 décimas de Hertz por debajo de 60 Hertz a través de la característica del droop, siendo el incremento de potencia de cada unidad aproximadamente similar, al estar ajustado el droop de todas las unidades en el mismo valor ( 4% ), en este punto es el control automático de generación el encargado de incrementar la frecuencia a 60 Hertz. Nótese que en la simulación mostrada en la figura Nº 2.7, la frecuencia no retorna a ese valor, dado que no se modelo el efecto del control automático de generación, pero en la práctica este actuaría. La ventaja de realizar la corrección fina de la frecuencia a través del control automático de generación está en que este mecanismo aplicaría criterios económicos, de capacidad de regulación y otros factores que el gobernador por si sólo no consideraría, optimizándose el proceso de recuperación de la frecuencia. 2.5 RESPUESTA DEL GOBERNADOR ANTE LA OCURRENCIA DE UN DESBALANCE GENERACIÓN-CARGA En este punto se presenta la respuesta del sistema gobernación-turbina ante la ocurrencia de un desbalance generación-carga. Tal como el disparo de un generador. Para analizar esta situación se partirá del sistema mostrado en la figura Nº 2.10. En un instante dado (t=0.5 seg) se produce el disparo del generador G1 con 600 MW. Para analizar la respuesta de los gobernadores sobre la base de su sistema de gobernaciónturbina, primeramente se estudiará el comportamiento de un generador el cual servirá de base para estudiar este proceso en los generadores restantes. En este sentido se seleccionará al generador G2 el cual tiene asociado una turbina hidráulica. Al momento de producirse el disparo del generador G1 la respuesta inmediata del generador G2 es subir potencia, para visualizar este efecto en la figura Nº 2.11 se muestra el comportamiento de la potencia eléctrica, potencia mecánica y apertura de paleta de este generador. En este figura se puede apreciar que la potencia eléctrica se incrementa instantáneamente desde un valor inicial de 600 MW a 655 MW, es decir, un incremento de


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55 MW; de hecho al dispararse un generador, esta deficiencia de generación ocasionada por este evento es satisfecha instantáneamente por un incremento súbito de potencia por parte de todos los generadores sincronizados. Sin embargo, la potencia mecánica no incrementa instantáneamente, requiere de la respuesta del sistema de gobernación que ordene una apertura de paleta para que la máquina incremente potencia mecánica.

G1 600 MW turbina hidráulica



G3 100 MW turbina a gas

G4 70 MW turbina a gas

G7 360 MW turbina a vapor



Sistema Eléctrico en estudio Figura N° 2.10

Esta situación origina un desbalance entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica del generador donde la Pe > Pmec. La incógnita que surge en este momento es ¿ Cómo es


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COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA, APERTURA DE PALETA Y POTENCIA MECÁNICA EN UN GENERADOR CON TURBINA HIDRÁULICA ANTE UN RECHAZO DE GENERACIÓN DE 600 MW

Figura N° 2.11

tiempo (seg)

COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA ANTE UN RECHAZO DE GENERACIÓN DE 600 MW frecuencia

Figura N° 2.12


tiempo (seg)

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posible que el generador haya aumentado su potencia eléctrica estando la potencia mecánica constante ?. La respuesta esta en la capacidad del generador de almacenar energía potencial, de hecho cada generador es capaz de almacenar un nivel de energía que ante una exigencia como la planteada pueda convertirla en energía cinética satisfaciendo la carga; sin embargo, esta energía se transforma a expensas de que la máquina pierda velocidad, por lo tanto se producirá un descenso en la frecuencia. La rata en que la máquina pierde velocidad dependerá del desbalance y de la capacidad que tenga la máquina en energía almacenada para satisfacer los requerimientos de la carga. En el sistema eléctrico venezolano, por ejemplo, esta rata es cuantificada en la relación potencia/frecuencia, por cada 100 MW rechazados la máquina reduce velocidad en un valor equivalente a una variación de una décima de Hertz en la frecuencia, es decir una relación potencia/frecuencia de 100MW/0.1Hertz. En este ejemplo, el cual constituye un caso del sistema eléctrico venezolano, se muestra en la figura Nº 2.12 el comportamiento de la frecuencia, donde se observa el descenso de la misma, siendo su valor mínimo 59.38 Hertz que al calcular la relación potencia/frecuencia, 600MW/59.38Hertz= 101MW/0.1Hertz se obtendrá un valor en el orden de 100 MW/0.1Hertz según lo expresado. Una vez superado el instante inicial la máquina experimentará un descenso de su potencia eléctrica de un valor de 655MW a 625MW, variación originada básicamente por dos factores: a) El efecto contrario en la potencia mecánica quien en sus instantes iniciales se reduce. b) El incremento de la potencia mecánica en respuesta a la gobernación originada en las turbinas térmicas como se analizará mas adelante. Para entender el efecto de la potencia mecánica en una turbina hidráulica, obsérvese en la figura Nº 2.11 la respuesta inicial de la potencia mecánica y del movimiento de paleta. Al producirse el desbalance generación-carga y comenzar el descenso de la velocidad en la máquina, el gobernador detectará esta disminución y al ser ésta menor que la velocidad de referencia ordenará una apertura de paleta tal como se observa en esa figura, este


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incremento presenta una rata de apertura más pronunciada en los primeros segundos, debido a que en ese lapso la velocidad va en descenso como se puede apreciar en la figura Nº 2.12, donde se muestra el comportamiento de la frecuencia, la cual es una variable que refleja el comportamiento de la velocidad. Una vez que la frecuencia llega a su valor mínimo y empieza

ascender, igualmente la rata de apertura de paleta disminuirá

continuando con una apertura mas reducida. En principio una mayor apertura de paleta en una turbina hidráulica debería traer consigo un incremento en la potencia mecánica, sin embargo como se observa en la figura Nº 2.11 esto no sucede así en los primeros segundos. Efectivamente durante este intervalo de tiempo se sucede una serie de fenómenos hidráulicos en la turbina que proporciona este comportamiento. Una mayor apertura de paleta requiere de un mayor caudal de agua, por lo tanto, se requiere acelerar la masa de agua para incrementar el flujo. Este cambio no es instantáneo y necesita de una energía aplicada para lograr este efecto, de hecho la turbina proporciona inicialmente la energía mecánica para lograr la aceleración del agua e incrementar el flujo a expensas de restarle potencia mecánica a la turbina, este fenómeno es caracterizado en su tiempo de duración por la constante de tiempo del agua (Tw), como se explicará mas ampliamente en el capitulo Nº 6 referente a las turbinas hidráulicas. Esta disminución de la potencia mecánica también se refleja en un descenso de la potencia eléctrica. Una vez que el agua logra su aceleración la potencia mecánica comenzará su rampa de ascenso en respuesta a la consigna del gobernador de abrir paletas. Ambas señales, potencia mecánica y apertura de paletas, presentan un comportamiento similar siendo muy pronunciado su ascenso en los primeros segundos cuando la velocidad va descendiendo, al revertirse el comportamiento de la velocidad y comenzar su ascenso la velocidad de rata de apertura de paleta y de incremento de potencia mecánica disminuye, siendo en el largo plazo una pendiente muy pequeña consiguiendo llevar la frecuencia de forma suave a un valor estable (ver figura Nº 2.12) dos o tres décimas por debajo de 60 Hertz debido al efecto del droop del gobernador. Posteriormente, se tendría una situación no simulada en las gráficas mostradas, sería el operador o el control automático de generación quien se encargaría de llevar suavemente la frecuencia a su valor deseado de 60 Hertz.


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Un comportamiento similar se presentaría en el resto de las unidades con turbina a gas o a vapor, con pequeñas diferencias caracterizado por el comportamiento particular de su turbina. En la figura Nº 2.13 se muestra el comportamiento de la potencia eléctrica, potencia mecánica y apertura de válvula de la unidad Nº 7 con turbina a vapor. En estas gráficas se puede observar que al producirse el disparo del generador G1 la respuesta inmediata de este generador al igual que en el generador G2 con turbina hidráulica es subir potencia eléctrica, provocando un desbalance entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica del generador, siendo la Pe>Pmec. De manera similar como se explicó para el generador G2 esta energía instantánea suministrada por la máquina proviene de la energía almacenada en el rotor, lo que se traduce en una perdida de velocidad de la unidad, contribuyendo al descenso de la frecuencia. A diferencia del comportamiento observado en el generador con turbina hidráulica este desbalance trae consigo un incremento en la apertura de válvula que provoca un incremento de la potencia mecánica y por lo tanto de la potencia eléctrica. En este caso, no se presentan efectos iniciales que provoquen la pérdida de la potencia mecánica, por lo tanto el incremento es más rápido contribuyendo a reducir el desbalance de potencia mecánica a potencia eléctrica con mayor prontitud. Una vez superados los segundos iniciales el comportamiento de las diferentes variables son similares al explicado para el caso del generador G2 con turbina hidráulica. Un detalle particular que se presenta al observar el comportamiento de la apertura de válvula de este generador, es que ésta alcanza a los tres segundos su valor máximo establecido para esta máquina de 95% de su apertura de válvula, manteniéndose en esta posición por unos segundos para luego iniciar su cierre. La respuesta de los generadores con turbina a gas es similar a la respuesta de los generadores con turbina a vapor, siendo interesante detallar en forma comparativa la respuesta de los tres tipos de turbina. En la figura Nº 2.14 se muestra el comportamiento de la potencia mecánica de las unidades G2, G7 y G4 con turbina hidráulica, a vapor y a gas respectivamente. En los primeros instantes y de acuerdo a lo establecido anteriormente, la


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COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA, APERTURA DE VÁLVULA Y POTENCIA MECÁNICA EN UN GENERADOR CON TURBINA A VAPOR ANTE UN RECHAZO DE GENERACIÓN DE 600 MW

Figura N° 2.13

tiempo (seg)

GRAFICA COMPARATIVA DEL COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LA TURBINA HIDRÁULICA, A VAPOR Y A GAS ANTE UN RECHAZO DE GENERACIÓN DE 600 MW

Figura N° 2.14


tiempo (seg)

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respuesta inicial de la potencia mecánica de las unidades con turbina a gas y a vapor es de incrementar su potencia en respuesta al descenso de velocidad, no sucede así en las unidades con turbina hidráulica, por el efecto de la aceleración del agua, al producirse la apertura de paleta se presenta una reducción de la potencia mecánica. Posteriormente entran las unidades en una rampa de ascenso de la potencia mecánica, siendo más pronunciada la pendiente de incremento en la turbina a gas. Típicamente en esta turbina como sucede en este ejemplo, son unidades de menor capacidad con respecto a las unidades con turbina a vapor, con tiempos de respuesta en sus procesos de conversión de energía en la turbina más rápidos, esto ocasiona que en la turbina a gas la potencia mecánica alcance su valor máximo en menor tiempo y con una mayor magnitud. En este caso el incremento de la potencia mecánica a su valor máximo con respecto a la potencia inicial fue de 26%, 18% y 5% para la turbina a gas, a vapor e hidráulica respectivamente. Una vez superado este pico de potencia como se evidencia en las figuras anteriores la potencia mecánica de las turbinas a gas y vapor empieza a disminuir, no siendo así en la turbina hidráulica la cual continua su ascenso, es de notar que en este tiempo (t=6 seg), la frecuencia aún no se ha recuperado como se indica en la figura Nº 2.12. El proceso de disminución de potencia en estas turbinas se debe a la pérdida de presión y temperatura de la turbina, dado que ante esta apertura de válvula la exigencia de energía ocasiona que la turbina suministre momentáneamente una cantidad de vapor o gas que no es repuesto en la misma proporción por el poder calorífico del combustible que se esta quemando en la caldera, por lo tanto habría una pérdida temporal de la presión y la temperatura que ocasiona su pérdida de potencia mecánica. En la turbina hidráulica una vez acelerado la masa de agua el incremento de la potencia es sostenido. En estas condiciones a pesar que estas unidades empiezan a reducir su potencia mecánica, esta presenta un valor por encima del valor inicial lo que permite que la frecuencia se recupere hasta un valor cercano a 60 Hertz.


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De manera análoga se puede explicar lo que ocurriría en un Sistema de potencia si el evento en análisis hubiera sido el rechazo de carga en vez de un rechazo de generación. Partiendo del ejemplo anterior, en la figura Nº 2.15 se muestra el comportamiento de la frecuencia si el evento es el disparo de 350 MW en una de las barras de carga. En este caso la frecuencia experimenta un ascenso producto que el desbalance ocasionado conllevaría a una aceleración de las unidades al ser la Pmec>Pe, alcanzando en este ejemplo un valor máximo de 60.36 Hertz, para luego descender y estabilizarse producto de la respuesta de la gobernación en un valor ligeramente por encima de 60 Hertz (f=60.12 Hertz). La potencia eléctrica de las unidades experimenta un descenso súbito (ver figura Nº 2.16) debido a la pérdida de carga que precisamente sería el origen del desbalance entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica acelerando la unidad e incrementando la frecuencia. Posteriormente, las unidades con turbina a gas y a vapor seguirán reduciendo su potencia eléctrica en respuesta al cierre de válvula y reducción de potencia mecánica. En las turbinas hidráulicas este fenómeno inicialmente es contrario ocurriendo un incremento de potencia eléctrica, dado que el cierre de paletas produce inicialmente un incremento de potencia mecánica para desacelerar la masa de agua de acuerdo al comportamiento hidráulico de la misma. Al alcanzarse el valor máximo de potencia eléctrica en la turbina a gas y a vapor, de manera análoga, el cierre brusco de válvula producirá un incremento en la presión y la temperatura que conllevará a una apertura de válvula mientras la caldera reduce su poder calorífico, con lo cual la potencia mecánica presentaría un nuevo incremento, en la turbina hidráulica el descenso de potencia es sostenido hasta estabilizar la frecuencia ligeramente por encima de 60 Hertz.


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COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA ANTE UN RECHAZO DE CARGA DE 350 MW

Figura N° 2.15

tiempo (seg)

GRAFICA COMPARATIVA DEL COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LA TURBINA HIDRÁULICA, A VAPOR Y A GAS ANTE UN RECHAZO DE CARGA DE 350 MW potencia (MW)

potencia (MW)

Figura N° 2.16


tiempo (seg)

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Capitulo 2. Gobernador de Velocidad. SISTEMAS DE POTENCIAS II

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