Aspectos estáticos y dinámicos de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP)

La regulación de frecuencia y la estabilidad de frecuencia es la capacidad que tienen los Sistema Eléctricos para mantener el balance de potencia activa entre la generación y la carga conectada.

Como se observa, el voltaje mide la tensión en las barras del sistema, mientras que, la frecuencia mide el equilibrio carga-generación del sistema, que en nuestro país es de 60 Hz. En el Perú la norma técnica de calidad establece un rango de variación entre +/- 0.6 %, sin embargo, a nivel operativo debido al AGC mantenemos la frecuencia alrededor de un rango de +/-0.1 Hz de desvío. Como se aprecia, el rango de tolerancia operativo es mucho más exigente al que permite la norma, pero es por un tema de seguridad de la operación.

Ilustración 1. Voltaje y frecuencia
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Por otra parte, debido a la variabilidad de la demanda, se efectúa un balance entre la carga y los recursos de generación para mantener el equilibrio de frecuencia en 60 Hz. En ese sentido, la energía eléctrica no resulta económicamente almacenable en grandes cantidades, por ello se trata de producir lo más cercano a la cantidad demandada en cada instante, en base a un pronóstico de su comportamiento.

En torno a esto, un primer aspecto a tomar en cuenta son los periodos de demanda. El primero ocurre durante la madrugada donde suelen haber procesos industriales, presentando variaciones pequeñas pero rápidas, del orden de segundos o algunos minutos, por ende, debe ser regulado. El segundo tipo, tiene una tendencia de minutos a horas, por lo que requiere un Seguimiento permanente del comportamiento de la Carga. En tanto, el tercer tipo tiene una duración de un día, la cual debe ser planificada con anticipación.
A continuación, explicaremos las etapas de control de frecuencia. En primer lugar, el control primario que corresponde al primer tipo de periodo antes mencionado, de variaciones rápidas pero pequeñas. Luego, el control secundario, se encarga del control del segundo tipo de variaciones más lentas; mientras que, el control terciario, atiende los desvíos permanentes de la programación del despacho. Cabe mencionar, que es muy importante que cada una de estas de regulación requieren de unas reservas que las respalden y proporcionen la magnitud de energía que se requiere.
La reserva de generación total  para cubrir fallas , es una reserva momentánea que actúa de inmediato y ayuda a frenar la caída de frecuencia en los primeros segundos. Se encuentra conformada por: La reserva momentánea, la reserva de segundos y la reserva de minutos, y la reserva de horas. La reserva de potencia total final sería la suma de todas las reservas mencionadas. Considerando lo anterior, en cada etapa se modela este diagrama para poder realizar los estudios para efectos de la frecuencia.

Ilustración 2. Diagrama de bloques

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Aquí se muestran las ecuaciones de oscilación de la máquina en la modelación para el generador. En este caso, a la potencia se le da un impulso, el delta muestra esa desviación para cada uno de los efectos. Con estas ecuaciones se puede armar un diagrama de bloques que permite hacer simulaciones más rápidas. Este diagrama de bloques representa al generador y permite ver como se aprecia a través de la potencia mecánica y eléctrica.

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Aparte de ello, otro aspecto a considerar es la inercia. Dentro del generador se encuentra un parámetro, donde la parte inercial es la primera respuesta que tiene el Sistema, a través de un generador o un conjunto de generadores. Entonces, la inercia, que es la energía almacenada en la masa giratoria en una Central, es el primer frente de control de grandes desvíos súbitos de frecuencia del Sistema. En este gráfico se muestra como varia la inercia del generador de las máquinas. La curva celeste que cae en 2,2Hz oscila poco ante una perturbación. Por otro lado, mientras mayor sea la caída de la inercia más oscilará la variación de la misma y su caída es mucho más profunda.

Ilustración 3. Variación de la inercia del generador
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La constante H se puede interpretar como la energía cinética almacenada en la masa rotatoria del grupo turbina-generador a velocidad nominal. Si se va deteriorando la inercia del sistema, entonces la respuesta ante una perturbación será cada vez más débil.
Al respecto, se muestra la característica de dependencia de las cargas con la frecuencia. En el diagrama simplificado se observa el amortiguamiento de carga o (D) incluido en el modelo. Si en el diagrama se empieza a modelar D, esta variación del D tendrá un efecto sobre la respuesta de un evento. Además, un amortiguamiento cero (D=0) tendrá un efecto mayor.

Ilustración 4. Diagrama con amortiguamiento de carga
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Un último aspecto es el estatismo en la regulación de frecuencia. La constante de regulación primaria R, también conocida como estatismo del generador, tiene una influencia directa tanto en la respuesta transitoria como en el error en régimen permanente. Para valores elevados de la constante de regulación, el sistema tendrá una respuesta poco oscilatoria. Por otro lado, para valores R reducidos la ganancia del sistema aumentará, logrando con ello una frecuencia más cercana al valor nominal.

Luego de lo anteriormente expuesto, se procederá a realizar la modelación de una planta hidráulica, Lo importante en este diagrama es apreciar que, no se debe cerrar rápidamente una válvula ante una sobre frecuencia eléctrica súbita, debido a que, existe en la tubería de presión una columna de agua que no se expande rápido, por lo que, para no ocasionar problemas en la tubería no se puede cerrar en tiempo cero, sino que necesita un periodo de tiempo determinado para su correcto cierre.
Ilustración 5. Modelación de Planta Hidráulica
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A continuación, se muestra la fórmula de la velocidad del agua, en la cual, se aprecian que están valores incrementales representando los cambios ocurridos y con estas relaciones, determinamos el diagrama de bloques simplificado del control de velocidad de una central hidráulica con una carga aislada.

Ilustración 6. Diagrama del control de velocidad
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Hasta el momento, se ha modelado el efecto del generador con la inercia y la carga; así como el efecto de la turbina que esta dado por la función de transferencia. Ahora, faltaría modelar al regulador de velocidad para tener el modelamiento completo y poder realizar simulaciones de una determinada planta.

En turbinas hidráulicas es necesario incluir un estatismo transitorio para asegurar el comportamiento estable para valores pequeños de estatismo permanente. Por ello, se utiliza este sistema hidroneumático para poder ejercer la suficiente fuerza para cerrar una válvula de agua. Este control de cierre esta ajustado al diseño de las tuberías, para evitar problemas de resonancia hidráulica.

El siguiente gráfico representa el diagrama de bloques del regulador de velocidad, que se obtiene de la modelación. Asimismo, se muestra la fórmula del estatismo transitorio y del tiempo de restablecimiento de la planta hidráulica. Luego, se muestra el diagrama de bloques simplificado con estatismo permanente.

Ilustración 7. Diagrama del regulador de velocidad
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Ilustración 8. Diagrama simplificado del regulador de velocidad
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