CONTROL DE POTENCIA ACTIVA Y FRECUENCIA Ing. Reynaldo Ormeño Berrocal
1. INTRODUCCIÓN 2. REGULACION PROPIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO 3. LOS REGULADORES DE VELOCIDAD 4. CARACTERÍSTICA DE REGULACIÓN EN UN SISTEMA ELECTRICO 5. DIVISIÓN DE LA CARGA ENTRE LOS GENERADORES 6. REGULACIÓN EN UN SISTEMA INTERCONECTADO (RSI) 7. RESERVA ROTANTE EN UN SISTEMA ELECTRICO (Rr) 8. RECHAZO DE CARGA 9. RESUMEN
1.-INTRODUCCION Un sistema interconectado está formado por la unión de varios sistemas eléctricos de potencia (SEP) lo que significa que se encuentran muchas centrales eléctricas grandes y pequeñas conectadas sincrónicamente a la misma frecuencia, unidos mediante líneas de transporte abasteciendo de energía eléctrica a cargas que varían constantemente con el tiempo La operación síncrona del sistema eléctrico de potencia se debe básicamente a que la potencia generada por las centrales eléctricas es igual a la potencia solicitada por las cargas más las pérdidas de potencia, es decir, que existe una especie de equilibrio en el sistema eléctrico
Ecuación de Equilibrio
Con la finalidad de que la frecuencia no tome valores prohibitivos se debe tratar de mantener la velocidad de los generadores dentro de los valores nominales ante perturbaciones de la red para lo cual se emplean los siguientes métodos: • Los reguladores de velocidad • La reserva rotante del sistema. • El rechazo de carga Sistema Interconectado en Operación Normal
El sistema eléctrico sale de su operación normal si: ΣPG ≠ Σ PL + Σ∆P Se pueden presentar dos casos si asumimos que las pérdidas son despreciadas por lo que se tiene: 1.- Que la potencia generada sea mayor que la potencia de la carga, debido básicamente a una falla en la línea, desconexión de un bloque de carga se observa que la frecuencia se incrementa instantáneamente y luego retorna a su estado normal. ΣPG 〉 Σ PL + Σ∆P 2.- Que la potencia generada sea menor que la potencia de la carga, debido básicamente a la falla en generadores, conexión de cargas o incrementos debido a la máxima demanda. ΣPG < Σ PL + Σ∆P En este caso, la frecuencia disminuye y por acción de los reguladores de velocidad debe amortiguarse y la frecuencia trata de retornar al valor nominal caso contrario se tendrá que recurrir a un regulación secundaria y si aún así no se logra conseguir que la frecuencia es igual a la nominal se tendrá que recurrir a la regulación terciaria.
2. REGULACION PROPIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO Coeficiente de Amortiguamiento del Sistema (D): La potencia consumida en un sistema eléctrico varía en función del tiempo. Como se vio en la parte introductoria una diferencia entre la potencia consumida y la potencia generada causa una variación de frecuencia, ya que a esa diferencia corresponde un desequilibrio entre el par resistente y el par motor de las unidades generadoras. Si partiendo de un estado de equilibrio en el que el par motor es igual al par generador y al que corresponde un valor determinado, constante, de la frecuencia, se produce un cambio de la potencia consumida y si la posición de las válvulas de admisión de agua o de vapor de las turbinas; no se modifica, la frecuencia del sistema variará.
Definición de Coeficiente de Amortiguamiento (D) Es la posibilidad, inherente del sistema o máquina, de alcanzar un nuevo estado de.equilibrio de operación frente a un disturbio que caracteriza la ley de variación de la carga eléctrica en función de la frecuencia.
Donde: ∆f = Incremento de la frecuencia en por unidad ó HZ ∆PL = Incremento de la carga eléctrica por unidad o en MW
Regulación Primaria (Rp) Con la finalidad de evitar variaciones de frecuencia excesivas, que resultarían si la adaptación de la generación a la carga se realizase únicamente por autoregulación del sistema, las turbinas están provistos de reguladores de velocidad automáticos que actúan sobre los órganos de admisión de vapor o agua cuando la velocidad de la turbina se aparta de la velocidad de referencia del regulador. CASO MÁS CRÍTICO
Fig. 1.2 Variación de la frecuencia con el tiempo ante un disturbio
Definición de Regulación Primaria (Rp) Regulación automática efectuada por los reguladores de velocidad o gobernadores de las turbinas, las que actúan sobre órganos de admisión de agua o vapor cuando la frecuencia toma valores prohibitivos debido a que la potencia generada es diferente a la potencia consumida. Se debe aclarar que los reguladores de velocidad, o gobernadores, de las turbinas, son dispositivos individuales, instalados junto a cada turbina que regulan la velocidad de la máquina que controlan. La velocidad angular de todos los generadores conectados al sistema es igual a la frecuencia del sistema dividida por el número de pares de polos del generador.
3. LOS REGULADORES DE VELOCIDAD Principio de Funcionamiento Los reguladores al detectar una variación de velocidad, pone en funcionamiento un conjunto de aceite a presión que da orden al distribuidor de esta forma gobierna, controla y regula la admisión de agua o vapor a las turbinas hasta conseguir la frecuencia nominal, estos reguladores pueden clasificarse en astáticos y estáticos según el tipo de regulación que efectúen. En términos generales, se puede mencionar que un regulador de velocidad está esencialmente constituido de tres elementos: 1.- Un elemento sensible a la velocidad de rotación de la máquina. 2.- Un servomotor que accionado por una señal del primotor abre o cierra el distribuidor de la turbina. 3.- Un dispositivo de accionamiento que se encuentra conectado a la posición de apertura de la turbina, tal cuando esta ha encontrado la nueva posición de equilibrio, regresa al servomotor a la posición de reposo.
Esquema elemental de un regulador de velocidad S = servomotor P= Bomba de Aceite A = Dispositivo de acercamiento o ajuste V = Variador de Velocidad D = Distribuidor de la turbina T = Péndulo taquimétrico C = Embolo de distribuidor del aceite al servomotor
a. Regulación Astática o Isodrómica (igual recorrido)
Partimos de una situación inicial de funcionamiento normal, en la que el conjunto se encuentra tal y como indica la fig. 3.a, consideremos, como principal referencia, la horizontalidad de la palanca abc, sobre cuyo extremo fijo C esta se apoya y puede girar hacia arriba o hacia abajo, según actuación del tacómetro, al que, por medio de un collar deslizante sobre su eje por la acción de las masas giratorias, se une la palanca en su extremo a, mediante una conexión adaptable y con libertad de movimiento sobre este punto, la conexión del vástago de la válvula distribuidora sobre la palanca, en el punto b, también es deslizante. En el caso de disminuir la carga, la turbina tenderá a aumentar su velocidad, lo cual será detectado por el tacómetro, cuyo eje girará más rápido, elevándose los péndulos y el collar solidario a los mismos, debido a la fuerza centrífuga desarrollada y por consiguiente, el extremo a de la palanca. Fig. 3.b
3.a Regulador Astático (Regulador de una Turbina Francis)
3. b Actuación del regulador astático, al disminuir la carga
b. Regulación Estática Para hacer posible el trabajo en común de varias máquinas, debe evitarse la indeterminación que presenta el regulador astático, en el que un número de revoluciones por minuto dado, corresponden tantos valores de potencia como se deseen, dentro de los límites del grupo. Debe conseguirse que, a cada valor de potencia, le corresponda la adecuada velocidad o frecuencia respectiva. Esta condición viene realizada por una característica ligeramente descendente, la cual recibe el nombre de característica ESTATICA, se representa por una curva, prácticamente una línea recta, que indica la ley de dependencia entre la velocidad del grupo y la potencia, de tal modo que se aprecia como la frecuencia o el número de revoluciones por minuto desciende al aumentar la potencia suministrada (Fig. 3.c)
3.c Característica astática de la frecuencia o rpm en función de la potencia
Regulación Estática Para hacer posible el trabajo en común de varias máquinas, debe evitarse la indeterminación que presenta el regulador astático, en el que un número de revoluciones por minuto dado, corresponden tantos valores de potencia como se deseen, dentro de los límites del grupo. Debe conseguirse que, a cada valor de potencia, le corresponda la adecuada velocidad o frecuencia respectiva.
Regulador Estático A distintas posiciones de c corresponden distintos posiciones de A´ siempre y cuando los émbolos de la válvula distribuidora se sitúen en el punto medio después de cada actuación, las posiciones del extremo a son más bajas a medida que se abre el distribuidor, de donde se deduce, que la velocidad del tacómetro dependerá de la carga, y consecuentemente la velocidad del grupo, de tal modo que a mayores cargas corresponderán velocidades menores. Pero, sin embargo, será necesario que el regulador disponga de un control de velocidad para que se mantenga constante el valor de la frecuencia a una referencia dada, lo que es lo mismo, el número de revoluciones por minuto cualquiera que sea el valor de la carga.
Regulador con dispositivo de amortiguación o estatismo transitorio
Características de los Reguladores de Velocidad Estáticos o con Retroalimentación • Un aumento de potencia corresponde a una disminución de frecuencia y viceversa. • Permite distribuir las variaciones de potencia entre varias unidades en paralelo en forma adecuada. • Los reguladores Estáticos son más rápidos y no tienen problemas con oscilaciones, es decir, son más estables.
4. CARACTERÍSTICA DE REGULACIÓN EN UN SISTEMA ELECTRICO Estatismo (S) Se define el estatismo de un regulador de velocidad, como el cambio de velocidad que se tiene al pasar la carga de cero a 100% de carga y se puede expresar como:
11 Estatismo del Regulador
Equivalente en Potencia del Estatismo del Regulador
Fig. 1.12 Equivalente en Potencia
:
Energía Reguladora (K) Otra forma de definir la característica de un regulador de velocidad es en términos de la Energía reguladora. La energía reguladora es la relación que existe entre la variación de la potencia generada en MW y la correspondiente variación de frecuencia en HZ.
Si consideramos el cambio de carga cero a plena carga (100%) tendremos:
Por lo tanto, dividiendo se tiene:
Regulación Secundaria Como se acaba de ver, si de dispone únicamente de la regulación primaria proporcionada por los reguladores de velocidad de las turbinas, la diferencia entre el consumo real y el programa de generación causará una desviación de la frecuencia con respecto a la frecuencia nominal. Si esta situación no se corrige, el error de frecuencia puede llegar a alcanzar valores intolerables. Para establecer la frecuencia a su valor será necesario actuar sobre el dispositivo de reajuste hasta que el equilibrio entre generación y carga se restablezca a la frecuencia nominal. Generalmente, el dispositivo de reajuste es actuado por un pequeño motor de corriente continua llamado de sincronización.
5. DIVISIÓN DE LA CARGA ENTRE LOS GENERADORES El empleo del regulador de velocidad permite que se cambie según se necesite la entrada de agua o vapor y la salida de potencia eléctrica a una frecuencia determinada. La influencia de esto sobre las máquinas puede verse en la Fig.
Dos generadores conectados a una barra de potencia infinita. El mecanismo acelerador de la máquina A se ajusta de modo que las máquinas soporten la misma carga.
Fig. 7.14 Dos centrales generadoras enlazadas por una interconexión de impedancia (R+jx) Ω. El rotor de A está en avance de fase respecto a B y V1 > V2
6. REGULACIÓN EN UN SISTEMA INTERCONECTADO (RSI) En un sistema interconectado los reguladores de velocidad con que participa cada central ante una pérdida de generación depende de la posición del estatismo asignado a su regulador de velocidad y de la magnitud de reserva rotante disponible al ocurrir la perturbación. Según su participación en la regulación de la frecuencia, las centrales puede ser: • Centrales que regulan la frecuencia del sistema : Son las que asumen la pérdida de generación en forma inmediata, requieren tener estatismo bajo y la mayor proporción de reserva rotante. Ejemplo en el sistema interconectado centro norte (SICN) la Central HUINCO regula la frecuencia y es la barra de referencia del sistema. • Centrales que ayudan a regular la frecuencia del sistema : Tendrán un estatismo medio, y un margen de reserva rotante menor grupo: en el SICN. Las centrales de Mantaro, Carhuaquero, Aguaytía son las que ayudan a regular la frecuencia luego de un disturbio.
Centrales que no intervienen en la regulación de frecuencia del sistema : Pueden tener valores altos de estatismo, no requieren mantener reserva rotante, y deben generar al máximo su capacidad en forma constante. Es importante, notar que si el estatismo de los reguladores de velocidad de varias unidades fuesen iguales la carga absorbida por acción de la regulación primaria por cada unidad sería por igual con respecto al aumento total de la carga. Mientras menor sea el estatismo de cada una de las unidades mayor será la porción del aumento de carga que tome y en el límite, si el estatismo de una de las unidades es cero, es decir, si la característica es una recta horizontal, la variación de carga sería absorbida totalmente por esta unidad.
Por lo tanto, el estatismo y energía reguladora de un sistema se pueden expresar como:
Donde: Ss : Estatismo del sistema Pn : Carga nominal o de referencia Ps : Carga del Sistema fn : Frecuencia nominal En el caso de la energía reguladora del sistema
en la que: Ks = K1 + K2 + K3 + .... Kn (Energía reguladora de todo los generadores)
Por lo tanto, también se puede expresar. El Estatismo del Sistema como:
7. RESERVA ROTANTE EN UN SISTEMA ELECTRICO (RR) Al existir un disturbio en un sistema eléctrico de potencia, como se explicó anteriormente, para que la frecuencia no tome valores prohibitivos deben actuar los reguladores de velocidad y esto depende de la ubicación del estatismo asignado al regulador de la central que regula la frecuencia del sistema, asimismo, depende de la reserva rotante del sistema que ayudará a retornar a la frecuencia a su condición nominal después del disturbio. Definición: Es la diferencia entre la potencia en caliente garantizada del sistema y la potencia que se está generando a solicitud de la demanda.
CRITERIOS PARA ESTABLECER LA RESERVA ROTANTE Existen varios criterios para establecer la reserva rotante del sistema, según la experiencia se puede recomendar los siguientes criterios: • La reserva rotante de generación debería ser no menor que la unidad más grande del sistema. • Cuando la carga total del sistema interconectado sobrepasa diez veces el tamaño de la unidad más grande, la reserva mínima será 10% de la máxima demanda. Para lo cual, debe tenerse oferta de generación en caliente. • Cuando en la práctica por razones ya sea técnica o económica no es posible tener esta oferta de generación como reserva se debe recurrir a su racionamiento de la energía para pasar la horas de punta o máxima demanda y evitar colapso del sistema
8. RECHAZO DE CARGA En situaciones cuando no existe reserva rotante suficiente, esto en caso de pérdida de generación, actuará el sistema de rechazo de carga para mantener operativo el sistema eléctrico de potencia. Esta situación generalmente es típica en las horas de máxima demanda del sistema o cuando hay fallas en el sistema de generación.
CRITERIOS PARA DESARROLLAR UN PROGRAMA DE RECHAZO DE CARGA Antes de desarrollar un programa de rechazo de carga, es necesario determinar: • El nivel máximo de sobrecarga que debe proteger el programa • El nivel de frecuencia al cual se iniciará el rechazo de carga. • La máxima caída permisible en la frecuencia
MAXIMA CARGA A SER RECHAZADA • La magnitud de carga a ser rechazada debe ser suficiente para restaurar la frecuencia del sistema a su valor normal o cercano a lo normal (encima del 59 Hz). Para efectuar esto, significará que la carga que es rechazada debería ser aproximadamente igual a la magnitud de la sobrecarga. • No es esencial que la frecuencia sea restaurada exactamente a 60 Hz. Si la frecuencia es restaurada encima de 59 Hz, la generación remanente del sistema puede eliminar la sobrecarga permanentemente por medio de la acción de los reguladores de velocidad y restaurar la frecuencia a un valor normal. Si la generación no tiene capacidad de levantar la frecuencia, la operación encima de 59 Hz no será detrimental y el operador del sistema tendrá amplio tiempo para desprender carga adicional o adicionar generación. • Debido a la flexibilidad de daño a las turbinas de vapor, no es recomendable que menos carga sea rechazada y de este modo permitir a la frecuencia estabilizarse en algún nivel debajo de 59 Hz.
EJEMPLO DE RECHAZO DE CARGA PL = Demanda del sistema eléctrico. PG = Generación remanente ó reserva rotante. PA = Pérdida de generación OL = Sobrecarga del sistema en % de la generación Remanente. Fig. 1.15 Sistema eléctrico de potencia para el rechazo de carga.
PREMISAS . • El programa de rechazo automático de carga (RAC) debe proteger una sobrecarga del 50% • La carga debe ser rechazada en 4 etapas y la magnitud de cada paso serán como sigue:1° - 10% ,2° - 10%, 3° - 15% ,4° - 15% • El programa de RAC se iniciará con una frecuencia de 59.3 Hz • La caída de frecuencia máxima permisible es de 57.0 Hz • La constante de inercia ponderada del sistema se asume de 5 segundos • El tiempo de retardo mínimo requerido (to ride through frecuency oscilations) se asume de 0,3 segundos. • El tiempo de operación del interruptor se asume de 0.100 segundos aunque este tiempo depende de la tecnología del interruptor
I. ETAPA DE RECHAZO DE CARGA (10%) • Ajuste : 58.3 Kz • Tiempo de retardo del relé : 0.30 s. • Tiempo operación interruptor : 0.100 s. II ETAPA DE RECHAZO DE CARGA (10%) • La II etapa debe ajustarse de manera que no opere para una sobrecarga que solamente requiere el rechazo de la I etapa. En otras palabras, para un 10% de sobrecarga, el ajuste de la II etapa debería ser tal que la I etapa de carga es rechazada antes que la frecuencia alcance el ajuste de la II etapa. • Para una condición de 10% de sobrecarga, el relé de la I etapa R1 (picks up a 1.15") y la carga es rechazada a 59.05 Hz y 1.55" de tiempo. • El relé de la II etapa puede ajustarse a 59.0 Hz o ligeramente menor. En este caso se escoge un ajuste de 58.9 Hz para prever un margen adicional. • El tiempo de ajuste de esta carga es también 0.3“.
III ETAPA DE RECHAZO DE CARGA (15%) • La III etapa debe ajustarse de manera que no opere ante una sobrecarga que solamente requiere rechazos de las dos etapas precedentes. • Para una sobrecarga del 20% se obtiene que la I etapa rechazará carga a T1, la pendiente de la curva cambia en este punto. • La II etapa (will pick - up) a 58.9 Hz. y rechazará carga a T2 (58,63 HZ). • El relé de la III etapa puede ajustarse en 58,5 Hz en esta instancia y un ajuste de tiempo de 0,3". IV ETAPA DE RECHAZO DE CARGA (15%) • Como antes, esta etapa debe ajustarse tal que no opere frente a una sobrecarga que puede ser aliviada por las tres etapas precedentes. • En este caso, el ajuste es determinado por la asunción de una sobrecarga del 35%. • La III etapa rechazará carga a 58.0 Hz y por esto se elige un ajuste de 57.9 Hz para la IV etapa. El tiempo del relé nuevamente es ajustado a 0.3"
9. RESUMEN - Al ocurrir un disturbio, el sistema eléctrico sale de su operación normal y la frecuencia puede tomar valores prohibitivos si no se controla la velocidad de los generadores ya sea actuando sobre los reguladores de velocidad, con la reserva rotante del sistema o el rechazo de carga. - La regulación primaria es la regulación automática efectuada por los reguladores de velocidad cuando la frecuencia toma valores prohibitivos debido a que la potencia generada es diferente a la consumida, los reguladores de velocidad tienen dos características de trabajo que pueden ser estática o astática. - El estatismo de un regulador de velocidad es el cambio de velocidad que se tiene al pasar la carga desde cero hasta el 100% de carga, otra forma de definir la característica de un regulador de velocidad es la energía reguladora. - La regulación secundaria es necesaria cuando luego de la regulación primaria aun la frecuencia no alcanza el valor nominal esperado, ésta regulación puede ser manual o automática. - El reparto del incremento de carga entre generadores interconectados está en función a su estatismo, esto significa que mientras menor sea el estatismo de una unidad, mayor será la porción de aumento de carga. - La diferencia entre la potencia en caliente y garantizada del sistema y la potencia que se está generando, es la reserva rotante. - En situaciones cuando no existe reserva rotante suficiente, se estila por el rechazo o desconexión de carga a fin de regular la frecuencia en el sistema, que se efectúa en varias etapas.
