Regulaci´on de frecuencia y potencia - — OCW

1 Regulaci on de frecuencia y potenciaPablo LedesmaUniversidad Carlos III de Madrid21 de septiembre de 2008 Indice1. Fundamentos del control de frecuencia y Equilibrio entre demanda y generaci on .. El generador s ncrono como elemento regulador de potencia .. Regulaci on primaria, secundaria y terciaria .. 42. Regulaci on Funci on de transferencia del generador .. Respuesta de la carga a una desviaci on de frecuencia .. Regulador is ocrono aplicado a un unico generador de un sistema Reguladores con caracter stica frecuencia - potencia negativa .. Participaci on en la regulaci on primaria de generadores en paralelo Cambio de la potencia de referencia .. Regulaci on primaria en un sistema con carga dependiente de lafrecuencia .. 173. Regulaci on Control autom atico de la generaci on en un sistema aislado .. Control autom atico de la generaci on en un sistema condos areas Control autom atico de la generaci on en un sistema conm as dedos areas.

2 Algunos aspectos pr acticos del control autom atico de la generaci on 284. Otros mecanismos de regulaci Regulaci on terciaria .. Control de tiempo .. Reservas de regulaci on en el Sistema El ectrico Espa nol .. Integraci on del control frecuencia - potencia en el mercado el ectri-co espa nol .. 305. Deslastre de cargas e interrumpibilidad3111. Fundamentos del control de frecuencia y po-tenciaLa frecuencia de la onda de tensi on debe permanecer dentro de unos l mitesestrictos para que el suministro el ectrico se realice en condiciones de calidadaceptables. Variaciones de la frecuencia alejadas del valor nominal pueden pro-vocar el mal funcionamiento de diversos equipos industriales o dom esticos. Porejemplo, algunos motores pueden verse forzados a girar a velocidades distintasde aquella para la que fueron dise nados, y relojes y automatismos que miden eltiempo en funci on de la frecuencia de alimentaci on puedenadelantar o Equilibrio entre demanda y generaci onLa frecuencia de un sistema el ectrico est a estrechamenterelacionada con elequilibrio entre generaci on y carga.

3 En r egimen permanente todos los generado-res s ncronos de una red el ectrica funcionan en sincronismo, es decir, la frecuen-cia de giro de cualquiera de ellos multiplicada por el n umero de pares de poloses precisamente la frecuencia el ectrica del sistema (50 Hz). Mientras persisteel r egimen permanente, el par acelerante aplicado por cadaturbina sobre cadagenerador s ncrono es igual, descontando las p erdidas, al par electromagn eticoque tiende a frenar la m aquina. Si en un momento dado aumentala carga, esdecir la potencia el ectrica demandada en el sistema, entonces aumenta el parelectromagn etico en los generadores, estos comienzan a frenarse, y la frecuenciael ectrica disminuye demandadapor las cargasPotencia aportadapor las turbinasSistema el ctrico,incluidas las m quinasrotativasFigura 1: Balance de energ a en un sistema el forma de considerar esta dependencia es en t erminos debalance energ eti-co.

4 Mientras un sistema opera en r egimen permanente, la potencia mec anicaentrante al sistema desde las turbinas es igual a la potenciael ectrica consumidapor las cargas, descontando las p erdidas. Esta relaci on se muestra gr aficamenteen la figura 1. Si aumenta la potencia el ectrica consumida por las cargas, perola potencia mec anica aportada por las turbinas permanece constante, el incre-mento de demanda s olo puede obtenerse de la energ a cin etica almacenada enlas m aquinas rotativas. La reducci on de la energ a cin etica en los generadoress ncronos equivale a la disminuci on de su velocidad de giro, de modo que cae lafrecuencia el ectrica del por ejemplo un sistema un sistema en r egimen permanente,con una frecuencia de 50 Hz, en el que se demandan 10000 MW y en el que laenerg a cin etica almacenada en las m aquinas rotativas esWc= 100000 MJ. Sien un momento dado la demanda aumenta en 100 MW, podemos escribirdWcdt= 100 MW(1)2 Por otro lado, en el instante inicialdWcdt=d(12J 2)dt=J od dt= 212J 2o od dt= 2 100000 MJ1 od dt(2)dondeJes la inercia de todas las m aquinas rotativas, es la frecuencia enradianes por segundo y 0es la frecuencia inicial.

5 Igualando las expresiones 1y 2, y despejando la variaci on inicial de frecuencia respecto a la frecuencia inicial:1 od dt= 100 MW2 100000 MJ= 0,0005 s 1(3)Lo cual indica que, en el sistema considerado, un incrementode demanda de 100MW, es decir del 1 %, provoca que la frecuencia comience a caera raz on de un0,05 % cada segundo, es decir 0,0005 s 1 50 Hz = 0,025 Hz/s = 1,5 no actuase alg un mecanismo corrector, esta peque na variaci on de carga pro-vocar a un colapso del sistema en pocos ejemplo ilustra la necesidad de un sistema de control que regule lapotencia mec anica entrante a los generadores s ncronos,de manera que la fre-cuencia del sistema se mantenga estable al variar la demanda. Este sistema decontrol existe en todos los sistemas el ectricos y trata de mantener una frecuenciade referencia que depende de cada sistema y que es, o bien 50 Hz(por ejemploen Europa), o bien 60 Hz (por ejemplo en Estados Unidos)1.

6 La elecci on delas frecuencias 50 y 60 Hz es arbitraria y responde a razones hist oricas. Losargumentos m as citados a favor de una frecuencia baja son:Incremento lineal de la inductancia de las l neas con la del funcionamiento de motores con on del acoplamiento magn etico entre circuitos vecinos con la con-siguiente disminuci on de interferencias electromagn a favor de una frecuencia alta:Obtenci on de una iluminaci on m as continua en algunas l on de la secci on de hierro necesaria en los circuitos magn eticos delos uni on de dos sistemas el ectricos con frecuencias distintas no puede reali-zarse directamente, y en caso de acoplarse deben hacerlo a trav es de un enlacede alta tensi on de corriente continua (HVDC, High Voltage Direct Current) queact ua como interfaz entre ambos El generador s ncrono como elemento regulador depotenciaEl elemento b asico para ejercer el control frecuencia - potencia en un sistemael ectrico es el generador s ncrono.

7 La figura 2 muestra el esquema b asico de un1La frecuencia el ectrica m as extendida en el continente americano es 60 Hz, salvoen lazona meridional (Argentina, Chile, Uruguay, Paraguay y Bolivia)donde es 50 Hz. En casi todaEuropa, Asia y Africa es 50 Hz salvo algunas excepciones como Arabia Saudita y Corea delSur, donde es 60 Hz. En algunos pa ses incluso coexisten o han coexistido ambas frecuencias,por ejemplo en Jap on o Brasil. En Australia y Nueva Zelanda la frecuencia es50 , etcde vapor,Entradade admisi nV lvulaDevanadode campoTurbinaGeneradors ncronoSalidade vapormec nicaFrecuenciaDevanado inducidoreferenciaPotencia y frecuencia deA la redPotencia y frecuencia el ctricasSistemade controlFigura 2: Elementos principales de un generador s ncrono en el control de s ncrono con una turbina que puede ser de vapor, de gas o de v alvula de admisi on a la turbina permite regular el flujoentrante a la mismay, por lo tanto, la potencia mec anica aportada al generadors la figura 2 pueden verse las principales variables involucradas en el controlde frecuencia - potencia .

8 Es frecuente emplear como entradadel sistema de controlla velocidad de giro del eje, m as f acil de procesar que la frecuencia el entrada al sistema es la consigna de potencia , recibidadesde el exteriorde la planta. La variable sobre la que act ua el control es siempre la v alvula deadmisi on a la elementos que pueden estar presentes en un sistema el ectrico y contri-buir al flujo de potencia activa son los enlaces de corriente continua, los trans-formadores desfasadores y los sistemas electr onicos FACTS (Flexible Alterna-ting Current Transmission System). Sin embargo son menos frecuentes, y suinfluencia sobre el control de frecuencia - potencia en la mayor a de los sistemases reducida en comparaci on con la de los generadores s Regulaci on primaria, secundaria y terciariaComo la frecuencia el ectrica est a ligada al balance de potencia activa en elsistema el ectrico, suele hablarse indistintamente de control de frecuencia , controlde potencia , o control de frecuencia - potencia .

9 De manera breve puede decirseque la frecuencia del sistema y los flujos de potencia por determinadas l neas sonlas variables que se quieren controlar, y la potencias entrantes a los generadoresson las variables empleadas para hablando estrictamente la frecuencia de un sistema el ectrico s olo esla misma en todos sus nudos cuando el sistema se encuentra en r egimen perma-nente, al estudiar el control frecuencia - potencia asumimos que las desviaciones4del punto de equilibrio son peque nas y que la frecuencia puede considerarse lamisma en todos los nudos del sistema. Por ello el control de frecuencia es unproblema que se aborda de manera global. En este sentido es distinto al controlde tensi on, eminentemente local y que afecta, salvo en casos muy especiales co-mo el colapso de tensi on, a un conjunto limitado de nudos. As , los sistemas decontrol de frecuencia y de tensi on se conciben de forma independiente, aprove-chando el d ebil acoplamiento entre el flujo de potencia reactiva y las tensiones,por un lado, y el flujo de potencia activa, los angulos de tensi on y la frecuencia ,por potencia generada en cada planta debe atender tambi en a otros reque-rimientos adem as de la frecuencia , fundamentalmente compromisos adoptadosdurante el funcionamiento del mercado el ectrico.

10 Estos compromisos se refierentanto a la producci on en cada planta como al intercambio de potencia entre areasde control vecinas. En la actualidad, dada la extensi on geogr afica alcanzada porlos sistemas el ectricos modernos y la variedad de instituciones involucradas en suorganizaci on, estos se dividen en areas interconectadas para facilitar su gesti ont ecnica y econ omica. Las transacciones de energ a en un instante determinadoentre areas quedan programadas con antelaci on, y cada area debe disponer delas suficientes reservas de energ a para hacer frente a sus posibles desequilibriosentre generaci on y en cuenta todas estas consideraciones relativas ala potencia , elcontrol de frecuencia debe conseguir queSe mantenga el equilibrio entre generaci on y demandaSe mantenga la frecuencia de referencia en el sistemaSe cumplan los compromisos de intercambio de energ a con las areas ve-cinasSe mantenga la suficiente energ a de reservaTodo ello, adem as, debe organizarse dentro del marco regulatorio vigente quecorresponde a un mercado de energ a cumplir estos objetivos, el control frecuencia - potencia se organiza entres niveles: primario, secundario y terciario.