11. CONTROL DE FRECUENCIA Y DE POTENCIA ACTIVA

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1 11. CONTROL DE FRECUENCIA Y DE POTENCIA ACTIVA Importancia de la Constancia de Frecuencia La constancia de la frecuencia en Sistemas Interconectados, contribuye a lograr el funcionamiento estable de los mismos y facilita su control. Constancia de velocidad de motores sincrónicos y de inducción. En la red, caídas de frecuencia importantes pueden resultar en corrientes de magnetización altas en motores de inducción y en transformadores. El diseño de generadores y turbinas a frecuencia nominal. Funcionamiento de servicios auxiliares en unidades de generación (alimentación de agua, de aire, etc.) Hora sincrónica. Funcionamiento de equipos de electrónica de potencia en sincronismo con la red. Desconexión de cargas por el accionamiento de los relés de baja frecuencia Niveles de Regulación de Frecuencia La frecuencia de un sistema depende del balance de potencia activa. Un cambio en la demanda de potencia activa se refleja en todo el sistema por un cambio de la frecuencia. Los medios que informan a los generadores sobre los cambios producidos en la demanda y que comandan cambios en la generación Sistemas de control para la regulación de frecuencia Sistemas de control para la regulación de frecuencia Regulador de velocidad: Regulación primaria de frecuencia (RPF). Control Automático de Generación (AGC): Regulación secundaria de frecuencia (RSF). Control del error de tiempo: Regulación terciaria de frecuencia (RTF). Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-47

2 11.3. Fundamentos de la Regulación de Velocidad Se presentan los conceptos básicos de la regulación de velocidad considerando una unidad de generación aislada suministrando una carga local. Figura 11.1: Generador alimentando una carga local. P m : Potencia mecánica T m : Cupla mecánica P e : Potencia eléctrica T e : Cupla eléctrica P L : Potencia de la carga Respuesta del generador a un cambio de carga Un cambio de carga se refleja inmediatamente como un cambio en la cupla eléctrica Te en la salida del generador. Esto causa un desbalance entre las cuplas eléctrica y mecánica que resulta en una variación de velocidad determinada por la ecuación de movimiento. La ecuación de movimiento representa la relación entre la velocidad del rotor como función de las cuplas eléctrica y mecánica. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-48

3 Figura 11.2: Función de transferencia que relaciona la velocidad con los torques. En estudios de carga-frecuencia es preferible expresar estas relaciones en términos de potencia P ωr T ( 11 1) ante pequeñas desviaciones P T ω r P T ω P + T + ω r ( 11 2) reemplazando P0 + P ( ω0 + ωr )( T0 + T ) la relación entre las variaciones resulta P ω0 T + T0 ωr (11 3) Entonces el desbalance de cuplas P m P e ω0( Tm Te ) + ( Tm 0 Te 0) ωr (11 4) en estado estacionario T m0 T e0 y la velocidad en pu ω 0 1 Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-49

4 P m P e T m T e ( 11 5) P a P m P e M d ω dt r P a : potencia acelerante + P m 1 ω r M s P e Figura 11.3 Función de transferencia que relaciona la velocidad con la potencia. El desequilibrio entre potencia mecánica y potencia eléctrica es el que produce una variación en la velocidad. Este cambio de potencia eléctrica requerido por la carga es suministrado por la variación de la energía cinética de las masas rotantes. Energía Cinética W f 0 f Relación entre velocidad angular y frecuencia eléctrica ω nom f n : velocidad angular eléctrica nominal 2 Π f n : frecuencia nominal 50 Hz ω m nom : velocidad angular mecánica nominal ω nom /N p : número de polos N p Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-50

5 Respuesta de la carga a desviaciones de frecuencia En general la carga de un sistema eléctrico es una combinación de una gran variedad de dispositivos eléctricos. En las cargas resistivas de iluminación y calefacción la potencia eléctrica es independiente de la frecuencia. En las cargas motóricas como bombas y ventiladores la potencia eléctrica cambia con la frecuencia debido a los cambios de velocidad. La característica de dependencia de las cargas con la frecuencia: P e P L + D ω r ( 11 6) P L D ω r D : cambio de carga no sensible a la frecuencia : cambio de carga dependiente de la frecuencia : factor de amortiguamiento de las cargas. El factor de amortiguamiento se expresa como un porcentaje de cambio en la carga para un porcentaje de cambio en la frecuencia. Son valores típicos de D 1< D < 2 D 2 significa que el 1% de variación de la frecuencia produce que la carga varíe el 2%. Figura 11.4: Diagrama de bloques con el amortiguamiento de la carga Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-51

6 Regulador de velocidad sincrónico (a velocidad constante) Ajusta la posición de las válvulas o distribuidores para que la frecuencia retorne al valor nominal o de referencia. Opera satisfactoriamente cuando un generador alimenta una carga aislada o cuando un sólo generador participa en la RPF. Con dos o más unidades con regulador sincrónico puede conducir a situaciones de oscilación en la generación. Los generador deberían tener exactamente la misma velocidad de referencia. Si sus frecuencias de referencia difieren levemente cada uno trataría de controlar la frecuencia del sistema con su propia referencia, conduciendo a situaciones de oscilación en la generación. Figura 11.6: Esquema de un regulador de velocidad sincrónico. con ω 0 ω r Y K : velocidad de referencia : velocidad del rotor : posición de la válvula o distribuidor : ganancia del amplificador Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-52

7 Figura 11.7: Respuesta de una unidad de generación con regulador de velocidad sincrónico ante un aumento de carga Reguladores de velocidad con estatismo de velocidad Para que exista una distribución estable de cargas entre generadores conectados en paralelo en el sistema, se debe proveer a los reguladores con una característica de regulación. La característica de regulación se obtiene agregando un lazo de realimentación al integrador. Figura 11.8: Regulador de velocidad con realimentación de estado estacionario. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-53

8 Figura 11.9: Diagrama de bloques de un regulador de velocidad con estatismo permanente. El regulador de velocidad responde a un control proporcional con ganancia 1/R. Estatismo de Velocidad R El valor de R establece la relación entre la velocidad de estado estacionario y la carga de la unidad de generación. R también denominado estatismo permanente se define como el porcentaje de cambio en la frecuencia que provoca el 100% de cambio en la potencia de la máquina. % de variación de velocidad o fcia (ω NL -ω FL ) R [%] x x 100 % de variación de potencia de salida ω 0 Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-54

9 ω NL : velocidad de estado estacionario sin carga ω FL : velocidad de estado estacionario a plena carga ω 0 : velocidad nominal R f f n Pn 100 P [%] Por ejemplo R 5% significa que una variación del 5% en la frecuencia causa un cambio de la potencia de salida del 100%. Figura 11.10: Característica de estado estacionario de un regulador de velocidad con estatismo permanente. Debido al estatismo permanente el incremento de potencia generada es acompañado por una desviación de frecuencia de estado estacionario ω SS. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-55

10 Figura 11.12: Respuesta de un generador con regulador de velocidad con estatismo permanente ante un aumento de carga Distribución de Carga entre Unidades en Paralelo Si dos o más generadores con regulador de velocidad con estatismo permanente están conectados a un sistema de potencia existirá una única frecuencia a la cual se distribuirán la carga. La variación de potencia generada por cada unidad con estatismo permanente ante una variación de carga P L es: entonces P 1 P 2 P P P P P P R R f R f R 2 Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-56

11 Figura 11.11: Distribución de cargas entre unidades en paralelo con regulador de velocidad con estatismo permanente Control de la Potencia de salida del Generador La relación entre velocidad y carga puede ser ajustada modificando la entrada de referencia "setpoint" de carga o variador de carga de la unidad. La potencia de salida de la unidad a una velocidad dada puede ser ajustada a cualquier valor deseado ajustando la referencia o variador de carga de la unidad. El ajuste de la referencia de carga de la unidad es realizado a través del motor del variador de velocidad. Cuando dos o más generadores están operando en paralelo, el estatismo permanente de cada unidad establece la proporción de carga que debe cubrir ante una variación brusca en la carga del sistema (RPF). La potencia de salida del generador a una frecuencia dada puede ser ajustada a un valor deseado únicamente ajustando la referencia de carga (RSF). Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-57

12 Figura 11.13: Regulador de velocidad con control de carga de referencia. La RSF ejerce su acción de control sobre los variadores de carga de las unidades bajo RSF. Cuando un generador alimenta una carga aislada ajustes en el variador de carga modifican la velocidad de rotación. Sin embargo en un sistema eléctrico ajustes en el variador de carga modifican muy levemente la frecuencia del sistema dependiendo del tamaño relativo de la unidad frente a la generación total del sistema. Los ajustes en el variador de carga son generalmente en forma de rampa. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-58

13 Figura 11.14: Efecto de ajustes en el motor del variador de velocidad en la característica de regulación Reserva para regulación de frecuencia PE de generación programada(t) Demanda pronosticada(t) + Pérdidas pronosticadas(t) Ante un cambio no pronosticado en la demanda resulta: PE de generación programada(t) Demanda pronosticada(t) + Pérdidas pronosticadas(t) Para satisfacer la demanda es necesario planificar reserva de generación Disponible en cantidad suficiente en un instante dado: Potencia de reserva (t) > ó Demanda (t) Potencia de generación programada (t) Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-59

14 Disponible con tiempo de acceso adecuado dpcarga(t) dt ó dpreserva(t) dt Composición de la reserva de generación total P R para cubrir fallas P fal Reserva momentánea: P RMo (t), T RMo 0 potencia de frenado de las masas rotantes dependencia de la carga con la tensión Reserva de segundos: P RS (t), T RS s bloques térmicos e hidráulicos de regulación primaria (RPF) dependencia de la carga con la frecuencia Reserva de minutos: P RM (t), T RM min regulación de bloque, regulación secundaria (RSF) bloques de arranque rápido (reserva fría) Reserva de horas: P RH (t), T RH h bloques térmicos parados (reserva de base) P P ( t) + P ( t) + P ( t) + P ( t) R RMo RS RM RH P fal La reserva de corto alcance (momentánea y de segundos): Debe evitar que la frecuencia alcance valores por debajo de la frecuencia límite admisible f min,adm. Cuando f < f min,adm. actúan las DAG (desconexión automática de generadores), para evitar daños en las máquinas y en los servicios auxiliares. se expande aún más la perturbación hasta que finalmente se produce el colapso del sistema. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-60

15 Cuando la reserva de corto alcance resulta suficiente para restablecer el balance de potencias de generación y de demanda, la frecuencia deja de descender y se equilibra en un valor constante menor que el valor nominal (>f min,adm.). La reserva de largo alcance y en particular la reserva para RSF: Corrige el error final en el valor de la frecuencia. Reestablece la reserva de corto alcance disponible para afrontar eventuales nuevas perturbaciones Desconexión de cargas por baja frecuencia Una perturbación severa puede resultar en la salida en cascada de componentes y en la aislación de áreas formando islas eléctricas. Si las áreas aisladas tienen déficit de generación experimentan una caída de frecuencia determinada por las características de la carga. Las limitaciones existentes para controlar las caídas rápidas de frecuencia son: La generación puede aumentarse sólo hasta los límites de reserva rotante disponible. La velocidad de toma de carga el limitada sobre todo en unidades térmicas. La generación de vapor requiere incrementos en la entrada de combustible a la caldera lo que tarda algunos minutos. La velocidad de respuesta de los reguladores de velocidad tiene un tiempo de retardo de 3 a 5 segundos. Factores que influyen en la caída de la frecuencia: Asumiendo que un área separada del sistema tiene una reserva para actuación del regulador de velocidad prácticamente despreciable. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-61

16 La caída de frecuencia en el área es función del déficit de generación P, de la constante de amortiguamiento de la carga del área D y de la constante de inercia M representante de la inercia total de los generadores del área. Caída de frecuencia debida al déficit de generación f - P (1-e -t/t ) K Figura 11.30: Caída de la frecuencia debida a un déficit de generación. Selección de esquemas de desconexión de cargas. Para prevenir la operación del sistema en áreas separadas a una frecuencia inferior a la normal se emplea un esquema de desconexión de cargas para reducir la carga conectada a un nivel tal que pueda ser satisfecho con la generación disponible. La selección del esquema depende de: Máximo déficit de generación. La frecuencia mínima admisible. Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-62

17 El rango de valores de D y M. Esquema de desconexión de cargas típico para un déficit de generación de aproximadamente el 25%: el 10% de la carga cuando la frecuencia cae a 59.2 Hz un 15% adicional cuando la frecuencia cae a 58.8 Hz un 20% adicional cuando la frecuencia cae a 58.0 Hz Para déficit mayores de generación los esquemas de desconexión de carga incluyen la actuación de relés de desconexión por gradiente de frecuencia. Figura 11.31: Esquema de desconexión de carga. Una vez definidos los bloques de carga a desconectar es necesario realizar estudios dinámicos para asegurar el desempeño satisfactorio del sistema modelando las unidades de generación con sus sistemas de control y protección. Bibliografía adicional Pedro Mercado, Graciela Colomé y Rodolfo Rosés: Estudio en modelo para la regulación secundaria de frecuencia conjunta de las centrales El Chocón y Piedra del Águila, Reporte IEE- UNSJ, enero-agosto Referencia: Power System Stability and Control Prabha Kundur IEE-UNSJ Argentina Ing. D.G.Colomé RV-63