Los sistemas de potencia necesitan servicios complementarios. En esta Breve explico qué son y para qué sirven.

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1 Breves de energía 03/17 Qué son los servicios complementarios? Por Ignacio Núñez Los sistemas de potencia necesitan servicios complementarios. En esta Breve explico qué son y para qué sirven. Un sistema de potencia interconecta a las centrales de generación con los centros de consumo mediante líneas de transmisión de alta tensión 1. Para funcionar, en cada momento el operador del sistema debe mantener el balance entre generación y carga, manteniendo la frecuencia y los voltajes dentro de rangos predeterminados. También, si por algún motivo el sistema se apaga, la red debe ser capaz de partir y operar nuevamente. Los servicios complementarios se encargan de esas funciones. Los operadores de los sistemas usan términos distintos para describir a servicios complementarios similares. Sin embargo, tal como muestra la Figura 1, los servicios complementarios más importantes son la regulación de frecuencia, la regulación de voltaje (o compensación de potencia reactiva) y la partida del sistema interconectado 2,3. En esta Breve explicaré para qué sirve cada uno de ellos. La regulación de frecuencia La frecuencia del voltaje es proporcional a la velocidad con que giran las máquinas eléctricas y se mide en Hertz (Hz). La frecuencia es igual en todos los puntos de la red e idealmente se mantendría constante todo el tiempo al nivel impuesto por la norma (en Chile, 50 Hz) 4. Sin embargo, en la práctica la frecuencia varía cada vez que las inyecciones y la carga no son iguales 5. 1 En adelante ignoraremos las pérdidas de transmisión. 2 Otros servicios complementarios incluyen al despacho; el control y monitoreo del sistema; la mantención de la estabilidad del sistema; y la compensación por pérdida de carga. 3 En Chile la Comisión Nacional de Energía (CNE) define el rango de variación de la frecuencia y del voltaje en la Norma técnica de seguridad y calidad de servicio (NTSyC). 4 Cuando las máquinas operan a una frecuencia distinta, aumentan sus pérdidas por calor y se deterioran más rápido. 5 La energía se inyecta, consume o fluye. La potencia mide la tasa instantánea de inyección de energía. Sin embargo, también es usual hablar de "inyección","generación" y "flujos de potencia". En tal caso, se describe el balance de flujos de energía de cada componente eléctrico con el sistema. Hay tres balances de potencia: instantánea, real y reactiva. 1

2 En efecto, cuando la inyección y la carga son distintas, las máquinas eléctricas compensan el desbalance intercambiando energía eléctrica por energía cinética 6. Si las inyecciones son menores que la carga (por ejemplo, porque alguna central falló intempestivamente), el resto de las máquinas conectadas a la red giran más lento y la frecuencia cae. Entonces es necesario aumentar las inyecciones mediante reservas primarias, secundarias y terciarias (véase el Cuadro 1). La reserva primaria la dan centrales que ya están inyectando. Estas centrales deben ser capaces de aumentar automáticamente sus inyecciones en no más de 30 segundos. Su función es igualar inyecciones y carga para detener la caída de la frecuencia. Las reservas secundarias se dan con centrales también conectadas, pero les toma entre 30 segundos y 15 minutos responder. Su función es aumentar la frecuencia hasta devolverla a su nivel normal. En cuanto a las reservas terciarias, son las más lentas y también se pueden dar con capacidad que no se está usando, pero que se puede encender rápido (v.gr. motores diésel). Su finalidad es liberar a las reservas primarias y secundarias cada vez que se usan. Por lo tanto, deben responder entre 15 y 30 minutos después de la caída de la frecuencia 7. Lo opuesto ocurre cuando las inyecciones son mayores que la carga, por ejemplo, porque algún consumo de cierta magnitud se desconectó. Entonces el resto de las máquinas conectadas a la red giran más rápido y la frecuencia del voltaje aumenta. Para detener el aumento de la frecuencia y devolverla a la norma también se activan las reservas primarias y reservas secundarias, pero "de bajada", para reducir las inyecciones 8. A las reservas se le suman los relés de baja frecuencia, interruptores que desconectan consumidores automáticamente y disminuyen cargas del sistema. Se activan cuando la frecuencia cae fuera de un cierto rango. Por ejemplo, en el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) los relés desconectan entre 50 y 100 MW de carga por cada 0,1 Hertz que la frecuencia se desvía por debajo de los 49 Hz. 6 Cuando las máquinas absorben y liberan energía cinética aceleran y desaceleran a tasa inversamente proporcional a su inercia. Por esto, si hay más máquinas conectadas la inercia es mayor y las diferencias entre inyecciones y cargas hacen variar la frecuencia más lento. 7 La clasificación de las reservas y sus requerimientos de tiempos de respuesta varía entre sistemas. Por ejemplo, el operador del sistema eléctrico de California (CAISO) programa cuatro tipos de reserva: frequency response services, regulating reserves, spinning reserves y non-spinning reserves. Los frequency response services ejecutan la función de la reserva primaria. Las regulating reserves y parte de las spinning reserves ejecutan la función de las reservas secundarias. El resto de las spinning reserves junto con las non-spinning reserves ejecutan la función de las reservas terciarias. 8 A las reservas encargadas de aumentar la generación se les llama "reservas de subida". Al contrario, si la disminuyen, se les llama "reservas de bajada". No existen reservas terciarias de bajada porque su función la ejecuta el operador mediante el despacho de las centrales. 2

3 Cuántas reservas debe mantener un sistema? En cada caso depende de la magnitud de la volatilidad de la carga, la magnitud de la volatilidad de la generación intermitente (solar fotovoltaica y eólica) y la distribución de probabilidad conjunta de falla de las unidades que están funcionando. En general, mientras más volátil sea la carga o la generación, mayores son los desbalances, requiriéndose más reservas. La regulación del voltaje La magnitud del voltaje de una red de potencia se mide en Volts (V). A diferencia de la frecuencia, el voltaje es distinto en las distintas partes de una red. Por ejemplo, los generadores funcionan a 13kV, las líneas de transmisión en alta tensión transmiten en 66kV, 110kV, 220kV y 500kV (en alta tensión se pierde menos energía), mientras que los aparatos eléctricos en hogares y oficinas funcionan a solo 220V 9. Idealmente los voltajes se mantendrían dentro del rango definido por la norma técnica. Sin embargo, se desvían de la norma por cambios de las inyecciones y consumos de potencia reactiva 10. En efecto, el voltaje aumenta cuando el flujo neto de potencia reactiva aumenta en un punto de la red y, si la desviación es suficientemente grande, podrían ocurrir cortocircuitos. Por el contrario, el voltaje cae cuando el flujo neto de potencia reactiva cae y, si la desviación es suficientemente grande, el sistema se vuelve inestable y no se puede operar 11. En ambos casos es necesario compensar las fluctuaciones de voltaje variando las inyecciones o consumos de potencia reactiva mediante generadores síncronos 12 y equipos instalados en las subestaciones, tales como inductores, capacitores y compensadores estáticos. La mayoría de las subestaciones cuentan con bancos de inductores y capacitores que los conectan y desconectan según necesiten aumentar o disminuir el voltaje. Los capacitores inyectan potencia reactiva y, por lo tanto, se usan para aumentar el voltaje. Al contrario, los inductores la 9 Los transformadores aumentan y disminuyen el voltaje para ajustarlo al dispositivo eléctrico conectado. 10 Cuando una máquina eléctrica, un transformador o una línea de transmisión se conecta en corriente alterna (AC), consume o genera tanto potencia real como potencia reactiva. La potencia real se mide en Watts (W) y es el flujo de energía que va en un solo sentido, desde el generador que la inyecta hacia la carga que la usa. En cambio, la potencia reactiva se mide en Volt-Ampere reactivo (VAR) y es la energía que va y viene en ambos sentidos y oscila entre, de un lado, el dispositivo que la genera o usa y, del otro lado, el sistema. Cargas inductivas, como motores eléctricos y transformadores "consumen" potencia reactiva; dispositivos capacitivos, tales como capacitores, "inyectan" potencia reactiva. Las líneas de transmisión son una suerte de híbrido, porque consumen reactivos si su flujo de potencia real excede a su potencial natural (alrededor del 30% de la potencia máxima que puede transmitir) e inyectan potencia reactiva si el flujo es menor que su potencia natural. 11 Un sistema eléctrico es estable cuando es capaz de recuperar su estado de equilibrio después de alguna perturbación física (p.ej. la falla de una línea). 12 Los generadores hidráulicos y térmicos usan una máquina síncrona para transformar potencia mecánica en potencia eléctrica. Además de producir potencia real, es capaz de consumir o inyectar automáticamente potencia reactiva. 3

4 consumen y se usan para disminuir el voltaje. Sólo algunas subestaciones cuentan con máquinas síncronas y compensadores estáticos capaces de inyectar y consumir potencia reactiva según sea necesario. Las máquinas síncronas y compensadores estáticos operan más rápido y tienen más capacidad para compensar reactivos que los bancos de inductores y capacitores. Por eso, también se usan para compensar reactivos a distancia (v.gr. en subestaciones vecinas) 13. El reinicio o partida del sistema El tercer servicio complementario enciende el sistema interconectado después de un apagón parcial o total. Se trata de recuperar al sistema lo más rápido posible y al menor costo. Para esto, un plan identifica a las centrales capaces de encenderse sin estar conectadas y define la secuencia de conexión que seguirán centrales, líneas de transmisión y cargas para recuperar al sistema. Típicamente, las turbinas hidroeléctricas, los motores diésel y las turbinas a gas proveen este servicio. Las turbinas hidroeléctricas son las más rápidas, porque para hacerlas funcionar basta con abrir compuertas. Las centrales térmicas parten con energía almacenada en bancos de baterías o motores diésel auxiliares. Además, estas centrales deben regular su potencia real y reactiva, para mantener estable la frecuencia, los voltajes y los ángulos de los rotores. Conclusiones Los servicios complementarios hacen que el despacho de centrales sea factible y mantienen la continuidad y la calidad del suministro eléctrico. En 2014 ENGIE estimó que su costo total varía entre tres y siete por ciento del precio final. Antes, Hirst y Kirby (1996) habían estimado que cuestan entre un cinco y 15% del precio final. Se trata de magnitudes importantes. Por ejemplo, el costo del sistema de transmisión es del orden del 10% del precio final. Sin embargo, mientras la transmisión se tarifica con metodologías de larga data, la tarificación de servicios complementarios está recién en sus inicios. Éste será tema de una próxima Breve. 13 La potencia reactiva desaparece a medida que viaja por las líneas de transmisión. Además al circular aumenta las pérdidas por calor y reduce la capacidad de las líneas de transmitir potencia real. 4

5 Figura 1: Servicios complementarios Regulación de frecuencia - Mantener la frecuencia del voltaje dentro del rango admisible Reserva primaria Reserva secundaria Reserva terciaria Relés de baja frecuencia Servicios complementarios - Hacen el despacho factible. Mantienen la continuidad y calidad del suministro eléctrico Control de voltaje o compensación de potencia reactiva - Mantener los voltajes dentro del rango admisible Reinicio/partida del sistema interconectado -Reinciarel sistemadesde un apagónparcialo total Cuadro 1: Tipos de reserva Reserva Primaria Función - Detiene las desviaciones de frecuencia - Restaurael balance entre carga e inyecciones - Previene la activación de las protecciones Tiempo de respuesta - Responde en 30 segundos entre 10 y 15 minutos Activación Activación local y automática mediante sistemas de control instalados en las centrales Centralesque pueden darla Centrales Secundaria - Devuelve la frecuencia a su valor objetivo (en Chile a 50 Hz) - Liberaa la reserva primaria - Responde en no más de 15 minutos por varias horas Activación centralizada y automática por orden del sistema de control automático de la generación (AGC) Unidades Terciaria - Libera a la reserva primaria y secundaria - Le devuelve al sistema la capacidad de corregir desbalances - Activa entre 15 a 30 minutos después del evento por varias horas Activación manual por orden del operadordel sistema Unidades y no capaces de partir e inyectar en no más de 15 a 30 minutos Fuentes: (1) California ISO, Frequency Response, mimeo, (2) E. Hirst y B. Kirby, Unbundling Generation and Transmission Services for Competitive Electricity Markets mimeo, (3) E. Hirst y B. Kirby Ancillary Services, mimeo, (4) Y. Rebours y D. Kirschen, A Survey of Definitions and Specifications of Reserve Services, mimeo,