Estabilidad en Estado Estacionario en Sistemas de Energía: Definición Causas y Métodos de Mejora

Definición de Estabilidad en Estado Estable

La estabilidad en estado estable se define como la capacidad de un sistema eléctrico de potencia para mantener su condición operativa inicial después de una pequeña perturbación, o para converger a un estado que se aproxima estrechamente a la condición inicial cuando la perturbación persiste. Este concepto tiene una importancia crítica en la planificación y diseño de sistemas de potencia, el desarrollo de dispositivos automáticos de control especializados, la puesta en marcha de nuevos componentes del sistema y el ajuste de las condiciones de operación.

La evaluación del límite de estabilidad en estado estable es esencial para el análisis de sistemas de potencia, lo que incluye verificar el rendimiento del sistema bajo condiciones de estado estable especificadas, determinar los límites de estabilidad, evaluar cualitativamente los procesos transitorios y evaluar factores como el tipo de sistema de excitación y sus controles, modos de control y parámetros de sistemas de excitación y automatización.

Los requisitos de estabilidad se determinan por el límite de estabilidad, la calidad de la energía eléctrica bajo condiciones de estado estable y el rendimiento transitorio. El límite de estabilidad en estado estable se refiere al flujo de potencia máximo a través de un punto específico del sistema que puede mantenerse sin desencadenar inestabilidad cuando la potencia se incrementa gradualmente.

En el análisis de sistemas de potencia, todas las máquinas dentro de un segmento se tratan como una sola máquina grande conectada en ese punto, incluso si no están directamente vinculadas al mismo bus y están separadas por reactancias significativas. Los sistemas de gran escala generalmente se asumen con un voltaje constante y se modelan como un bus infinito.

Considere un sistema que comprende un generador (G), una línea de transmisión y un motor síncrono (M) funcionando como carga.

La expresión mostrada a continuación da la potencia desarrollada por un generador G y un motor síncrono M.

La expresión a continuación da la potencia máxima generada por el generador G y el motor síncrono M

Aquí, A, B y D representan las constantes generalizadas de la máquina de dos terminales. La expresión anterior proporciona la potencia en vatios, calculada por fase, siempre que los voltajes utilizados sean voltajes de fase en voltios.

Razones para la Inestabilidad del Sistema

Considere un motor síncrono conectado a una barra colectora infinita, operando a una velocidad constante. Su potencia de entrada es igual a la potencia de salida más las pérdidas. Si se agrega la menor cantidad de carga al eje del motor, la potencia de salida del motor aumenta mientras su potencia de entrada permanece inalterada. Esto crea un par de retardo neto, causando que la velocidad del motor disminuya temporalmente.

A medida que el par de retardo reduce la velocidad del motor, el ángulo de fase entre el voltaje interno del motor y el voltaje del sistema aumenta hasta que la potencia de entrada eléctrica sea igual a la potencia de salida más las pérdidas.

Durante este intervalo transitorio, ya que la potencia de entrada eléctrica del motor es menor que la carga mecánica, la potencia excedente requerida se extrae de la energía almacenada en el sistema rotativo. El motor oscila alrededor del punto de equilibrio y puede eventualmente detenerse o perder sincronismo.

Un sistema también pierde estabilidad cuando se aplica una carga grande o cuando se aplica una carga demasiado repentinamente a la máquina.

La ecuación a continuación describe la potencia máxima que un motor puede desarrollar. Esta carga máxima es alcanzable solo cuando el ángulo de potencia (δ) es igual al ángulo de carga (β). La carga puede aumentar hasta que se cumpla esta condición; más allá de este punto, cualquier aumento adicional de la carga hará que la máquina pierda sincronismo debido a una potencia de salida insuficiente.

La potencia deficitaria será entonces suministrada por la energía almacenada del sistema rotativo, lo que lleva a una disminución de la velocidad. A medida que el déficit de potencia se vuelve mayor, el ángulo disminuye gradualmente hasta que el motor se detiene.

Para cualquier δ dado, la diferencia entre la potencia desarrollada por el motor y el generador es igual a las pérdidas de línea. Si la resistencia y la admitancia en paralelo de la línea son despreciables, la potencia transferida entre el alternador y el motor se puede expresar de la siguiente manera:

Donde, X – reactancia de línea

• V_G – voltaje del generador

• V_M – voltaje del motor

• δ – Ángulo de Carga

• P_M – Potencia del motor

• P_G – Potencia del generador

• P_max – potencia máxima

Métodos para Mejorar el Límite de Estabilidad en Estado Estable

La potencia máxima transferida entre un alternador y un motor es directamente proporcional al producto de sus fuerzas electromotrices internas (FEM) y es inversamente proporcional a la reactancia de línea. El límite de estabilidad en estado estable puede aumentarse a través de dos enfoques principales:

• Aumentar la excitación del generador, el motor o ambos
  Mejorar la excitación aumenta la FEM interna de las máquinas, lo que a su vez aumenta la potencia máxima transferida entre ellas. Además, las FEM internas más altas reducen el ángulo de carga (δ).

• Reducir la reactancia de transferencia
  La reactancia de transferencia se puede reducir mediante:

• Agregar líneas de transmisión paralelas entre los puntos de conexión;

• Utilizar conductores agrupados, que reducen la reactancia de línea;

• Incorporar capacitores en serie en la línea.

Los capacitores en serie se utilizan principalmente en líneas de muy alta tensión (EHV) para aumentar la eficiencia de transferencia de potencia y son económicamente viables para distancias superiores a 350 km.