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2014 Material. Curso estabilidad, Frecuencia.pdf
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ESEP. Sistemas de proteccin. Frecuencia.
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CURSO DE ESTABILIDAD DE SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA (ESEP)
UDELAR-FING-IIE 2014
SISTEMAS DE PROTECCIN
ESTABILIDAD EN FRECUENCIA
NDICE
Estabilidad en frecuencia ........................................................................................................... 2
Comportamiento de la frecuencia en un sistema elctrico (corto plazo). .............................. 3
Equilibrio. .......................................................................................................................... 3 Desbalance. ...................................................................................................................... 3
Primer caso. Prdida de generacin. .................................................................. 3 Segundo caso. Prdida de carga. ....................................................................... 4
Protecciones de frecuencia y acciones clsicas de disparo de carga por subfrecuencia. ... 6
Proteccin de generadores. .............................................................................................. 6 Proteccin del sistema. ..................................................................................................... 6
Protecciones de frecuencia. Interaccin con generadores sncronos. ................................... 7
Protecciones de frecuencia. Acciones posibles de WAP (Wide Area Protection). ................. 7
ESEP. Sistemas de proteccin. Frecuencia.
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ESTABILIDAD EN FRECUENCIA
La estabilidad en frecuencia es la habilidad de un sistema elctrico de potencia, de
restablecer la frecuencia luego de una perturbacin severa de desbalance entre generacin
y carga.
Estabilidad de un Sistema Elctrico
Estabilidad de ngulo de Rotor
Estabilidad de Tensin
Estabilidad Transitoria
Estabilidad de Pequea Seal
Estabilidad de Frecuencia
de Gran Perturbacin
de Pequea Perturbacin
de corto plazo
de corto plazo de largo plazo
de corto plazo de largo plazo
Clasificacin CIGR de estabilidad.
La estabilidad en frecuencia depende de la habilidad de mantener o restablecer el balance
entre generacin y carga, con mnima prdida de carga. La prdida de carga es un hecho
indeseado pero en muchos casos necesario e inevitable a la hora de preservar el resto del
sistema elctrico.
Este tipo de situaciones puede llevar a la separacin del sistema en islas (subsistemas
independientes) que deben lograr cada una un estado de equilibrio estable con mnima
prdida de carga, equilibrio que queda evidenciado por el comportamiento de la frecuencia
promedio de cada isla.
Generalmente los problemas de estabilidad en frecuencia estn asociados a inadecuada
respuesta de los equipos, coordinacin insuficiente de los controles y protecciones o
insuficiente reserva de generacin.
Los problemas de estabilidad en frecuencia pueden involucrar tiempos de segundos o
fracciones de segundos (fenmenos de corto plazo) como el disparo por subfrecuencia y
los controles de los generadores y protecciones.
O pueden involucrar tiempos del orden de decenas de segundo y hasta varios minutos
(fenmenos de largo plazo) como los relacionados a las plantas motrices de los
generadores (las turbinas, calderas, etc.) y los reguladores de tensin.
La inestabilidad en frecuencia de corto plazo, pude llevar a apagones en cuestin de
segundos en el sistema, en una o varias islas.
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COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA EN UN SISTEMA ELCTRICO (CORTO PLAZO).
Para el caso de mltiples generadores en un sistema elctrico, con simplificaciones
adecuadas, la dinmica del sistema queda representada con ecuaciones de similar forma
que la ecuacin de swing para el modelo mquina bus infinito.
En estos casos multimquina se define un centro de inercia de los rotores (G ), su
ngulo G y velocidad angular G .
n
i
ei
n
i
mii
n
i
iDGT PP
K
dt
dM
111 0
n
i
GGi
i
T
G
n
i
iT
dt
dH
M
HM
1 01 0
212
Los generadores elctricamente cercanos se pueden agrupar ya que se comportan de manera parecida; entonces cada grupo A de generadores puede ser considerado como un
nico gran generador.
eAmAAADA
A PPK
dt
dM
0
Aj
AAj
j
A
A
Aj
jDADA
Aj
jA
dt
dH
MKK
HHM
000
2122
Para el estudio de la estabilidad transitoria, en estas ecuaciones interesara el
comportamiento de los ngulos .
Pero en la estabilidad en frecuencia interesa el comportamiento de la frecuencia
0
2ff
( Hzf 500 ).
Como se ve de las distintas ecuaciones, en el sistema pueden considerarse diferentes
frecuencias, segn se use: i de cada mquina, A de cada grupo de mquinas, G del centro de inercia.
Pero si todas las mquinas estn elctricamente cercanas, existe un nico grupo y
AGi (la frecuencia es aproximadamente la misma en todo el sistema).
EQUILIBRIO.
En equilibrio eAmAn
i
ei
n
i
mi PPPP 11
, por lo que los ydt
d de las ecuaciones
anteriores son cero.
Entonces 0ff (la frecuencia es constante en el sistema elctrico).
DESBALANCE.
PRIMER CASO. PRDIDA DE GENERACIN.
Cuando sale de servicio en forma intempestiva una unidad generadora, se pierde el
balance entre potencias, y eAmAn
i
ei
n
i
mi PPPP 11
.
ESEP. Sistemas de proteccin. Frecuencia.
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Si se desprecia el factor de amortiguacin DK (o si se considera solamente el inicio
de la perturbacin), el andamiento de la frecuencia es A
eAmAA
M
PP
dt
d
con lo que
02
fH
PP
dt
df
A
eAmAA 0
21 ft
H
PPf
A
eAmAA
.
La frecuencia del sistema comienza a disminuir pues el andamiento de la
frecuencia tiene pendiente negativa A
eAmA
H
PP
2
(paramtrica en la inercia AH y en
la sobrecarga mAeA PP ).
Andamiento de la frecuencia en el perodo inicial del transitorio de prdida de carga (paramtrico en H y Pe-Pm).
SEGUNDO CASO. PRDIDA DE CARGA.
Para el caso en que sale de servicio en forma intempestiva una carga, se pierde el
balance entre potencias, pero ahora eAmAn
i
ei
n
i
mi PPPP 11
;
Sigue valiendo la ecuacin 02
1 ftH
PPf
A
eAmAA
con pendiente
A
eAmA
H
PP
2
.
Pero en este segundo caso la frecuencia del sistema comienza a aumentar y pues el
andamiento de la frecuencia tiene pendiente positiva.
Como ya fue indicado, esto corresponde a una simplificacin del modelo de la dinmica
del sistema.
La ecuacin de swing es una simplificacin de la dinmica electromecnica de los
generadores sncronos y a ella se le agregan simplificaciones como despreciar el
coeficiente DK (o lo que es similar en la ecuacin, considerar slo el inicio de la
perturbacin en que A es mucho menor que 0 ).
Por ello la ecuacin y grfica anterior describen satisfactoriamente el andamiento de la
frecuencia slo en el perodo inicial del transitorio.
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Un sistema con un desbalance entre generacin y carga, si no pierde su estabilidad llega a
una frecuencia mnima y posteriormente recupera una frecuencia estable, como se indica
en la siguiente figura.
En verdad la frecuencia no es nica en todo el sistema (se consider anteriormente el
comportamiento del centro de inercia o comportamiento promedio); los distintos
generadores o grupos de generadores oscilan unos contra otros.
Las distintas barras del sistema tienen comportamientos levemente distintos como se
muestra en la siguiente figura
y su ecuacin genrica es
con las fi normalmente entre 0,2 y 5 Hz.
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PROTECCIONES DE FRECUENCIA Y ACCIONES CLSICAS DE DISPARO DE CARGA POR SUBFRECUENCIA.
PROTECCIN DE GENERADORES.
Los generadores elctricos y sus turbinas (plantas motrices) pueden resultar
daados si, estando cargados, funcionan fuera de su frecuencia nominal. Es por ello
que los generadores cuentan con protecciones propias de sobre y subfrecuencia
(que operan por nivel o frecuencia absoluta (f)), que los desconectan del sistema
elctrico si la frecuencia es inadmisible para ellos.
Los conjuntos generador - turbina a vapor tienen rangos admisibles de frecuencia
mucho ms estrictos que los con turbinas hidroelctricas.
Cuando sale de servicio en forma intempestiva una unidad generadora, se pierde el
balance entre potencias y como se vio, la frecuencia del rea comienza a disminuir.
Cuando hay una rpida cada de la frecuencia, la respuesta de los controles de los
generadores del sistema es insuficiente y lenta a la hora de frenar la cada de
frecuencia.
Y es posible que se llegue a los umbrales de disparo de las protecciones de
subfrecuencia de algunos generadores. Si esos generadores son retirados del
sistema por sus protecciones de frecuencia, la situacin del sistema empeorara (se
incrementara el desbalance de potencias) y la velocidad de la cada de frecuencia
aumentara, llevando a ms salidas de generadores por subfrecuencia y al sistema al
apagn.
PROTECCIN DEL SISTEMA.
Por lo antes visto son necesarias acciones complementarias de emergencia para que
la frecuencia no llegue a los umbrales antes mencionados.
La principal proteccin sistmica automtica para prevenir apagones luego de
salidas intempestivas de unidades generadoras son los esquemas de disparo de
carga por subfrecuencia (underfrequency load shedding).
La dinmica del sistema ante una prdida de generacin depende fuertemente de
las condiciones iniciales de operacin, la importancia de la contingencia
intempestiva, la respuesta de los sistemas de control, etc., por lo que por mtodos
clsicos es trabajosa la determinacin de la cantidad mnima de carga a disparar.
El diseo clsico del disparo de carga por subfrecuencia utiliza rels de proteccin
ubicados en distintas subestaciones, cuyo principio de operacin es la deteccin de
subfrecuencia por:
nivel o frecuencia absoluta (f
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La proteccin por subfrecuencia (f subfrecuencia
Subfrecuencia es crtica en turbinas de vapor.
Si las protecciones de subfrecuencia del generador lo sacan de servicio, el dficit de generacin es mayor y el problema empeora.
La subfecuencia puede disminuir el rendimiento de servicios auxiliares de generadores (ventiladores, bombas) y hacer que los generadores tambin salgan de servicio.
Generacin > Carga -> sobrefrecuencia
La sobrefrecuencia no es tan crtica para el sistema, en el sentido de que si un generador sale de servicio por su proteccin de sobrefrecuencia, la generacin total
disminuye.
Pero si esa disminucin de generacin es demasiado grande (salida de varios generadores), puede ocurrir que Carga > Generacin -> subfrecuencia
PROTECCIONES DE FRECUENCIA. ACCIONES POSIBLES DE WAP (WIDE AREA PROTECTION).
Disparo de carga (load shedding). Coordinado con las funciones f< de los generadores
Disparo de lneas de interconexin (f. Para evitar la salida de generadores trmicos (preservarlos en servicio).
Conexin de carga si hay overshot (sobrefrecuencia) luego de las acciones por una subfrecuencia.