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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
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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
.
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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.
