Por: Ing. Rubén Rojas
Resumen
El
problema de control de voltaje en estado estable es mantener el voltaje en los
nodos de carga dentro de los límites operativos, utilizando estrategias de
control. Para entender un método para mantener los voltajes de nodos de cargas
dentro de los límites operativos, se utiliza el sistema de nueve nodos de la
IEEE, en la cual se simula parámetros del sistema de potencia, condiciones
iniciales del sistema y una contingencia.
Adicional a lo anterior, se explica el control de voltaje por conexión y desconexión de condensadores e inductancias.
INTRODUCCIÓN
En
sistemas eléctricos de potencia, los voltajes fuera de sus límites operativos pueden
ocasionar daños a equipos, y otras veces el “blackout”
(salida del sistema eléctrico) temporal a un número considerable de usuarios
del servicio. Para asegurar la calidad y la confiabilidad del sistema, los operadores
de los Centros de Despacho de Carga deben mantener los voltajes de los nodos de
carga dentro de los límites de operación permitidos. Los cambios de la carga y/o
la topología del sistema pueden ocasionar variaciones no aceptables en los
voltajes del sistema de potencia. El operador generalmente mejora esta
situación de reacomodar los flujos de potencia reactiva mediante cambios en los
voltajes de generación, ajustando los taps de los transformadores y conectando
y desconectando bancos de condensadores y/o inductancias.
El control automático de
voltaje, es un sistema de control de lazo cerrado, el cual, en el pasado, fue
implementado manualmente mediante tecnología electrónica analógica, y
actualmente está disponible con tecnología esencialmente digital.
Especialmente, el proceso de evaluación de la condición carga-voltaje de nodos
existente en el sistema de potencia, y el cálculo de las acciones de control a
ejecutar sobre las unidades generadoras, se realiza actualmente, empleando
programación digital.
Este escrito está
organizado de la siguiente manera:
- El problema de control de voltaje mediante cambios en los nodos de generación y conexión y desconexión de condensadores e inductancias.
- Simulación de diferentes contingencias en la red de nodos de la IEEE.
- Propuestas de acciones correctivas en la red de nodos de la IEEE.
- Un ejemplo de compensación serie en líneas de transmisión larga.
EL PROBLEMA DE CONTROL DE VOLTAJE EN ESTADO ESTACIONARIO
EN SISTEMAS DE POTENCIA
Cuando
el voltaje de un nodo de carga viola los límites operativos, se deberán
ejecutar acciones de control que mejoren esta condición anormal colocándola
dentro de los límites de operación del sistema. Reacomodar los flujos de
potencia reactiva en el sistema de potencia, se puede llevar a cabo mediante
los cambios en los voltajes de generación, ajustando los taps de los
transformadores y conectando y desconectando bancos de condensadores y/o
inductancias. En esta investigación se realizará solamente a través de analizar
el efecto del control de voltaje a través de cambios en el voltaje de nodos de
generación que se puede determinar mediante el análisis de sensibilidad
obtenido en la solución de flujos de potencia y la conexión y desconexión de
condensadores e inductancias.
Consideremos
un sistema de N nodos, con L nodos de carga, N-L-1 nodos de
generación, siendo N el nodo compensador. Para el ajuste del elemento de control
en el nodo j, el cambio de voltaje del nodo i está dado por:
En
esta investigación, los voltajes de los nodos se controla dentro del rango [0.95 1.05] por unidad (p.u.) de los
voltajes nominales (1p.u.).
En
la Figura Nº1 se muestra un diagrama esquemático del proceso de simulación.
Dada la información del sistema de potencia (topología, líneas de transmisión,
cargas y generación), se realiza un cálculo de flujos de potencia para
determinar el estado de operación del sistema, y así identificar los nodos de
carga con violación de voltaje (vv).
Con
la detección de una violación del voltaje vv (fuera de los límites operativos) se inicia la operación de SLD. Los valores
de los voltajes de los nodos de carga obtenidos en la solución de flujos de
potencia y seguido de ello se utilizan las funciones de variables de
lingüísticas Vb, Vn y Va. Esta información se emplea para evaluar las reglas
de la base de conocimiento (el conocimiento de la operación del sistema de
potencia) obteniéndose para cada regla una salida del cambio en el voltaje de
generación correspondiente a la regla.
Con los nuevos voltajes
de generación (vng) se procede a
realizar nuevamente el estudio de flujos de potencia para obtener los cambios
en los nodos de carga.
Si los problemas de
voltaje continúan, se realiza otra iteración del proceso con los nuevos
voltajes fuera de los límites operativos (vv);
de lo contrario, los últimos voltajes de nodos de generación representan la solución problema inicial.
Para la aplicación de
control de voltaje se utiliza el sistema de potencia de 9 nodos de la IEEE que
se muestra en la figura Nº2.
Los nodos 1, 2 y3 son
los nodos de generación, y el nodo 1 actúa como nodo compensador. Los nodos de
carga son los nodos del 4 al 9. La tabla Nº1 muestra los Parámetros del Sistema.
Con el fin de mostrar la
metodología en la solución del problema de control de voltaje, se resuelven el
siguiente caso y en la tabla Nº2 se muestran los datos del sistema donde el
generador Nº1 está apagado y se incrementa la carga en un 90% en el nodo 7. El
problema se resuelve por dos métodos: SLD y minimización de pérdidas de
potencia activa (MPPA).
Los resultados de ambos
métodos se dan en la tabla Nº3. En esta tabla, la segunda columna contiene los
valores de los voltajes de la solución de los flujos de potencia con las
condiciones iniciales.
En la cuarta columna se
presenta la solución de cada caso mediante la minimización de pérdida de
potencia activa. En la columna 2, se muestra que el voltaje del nodo 7 es
anormal (0.9774 abajo del límite inferior – dato en negrita) ambos métodos
resuelven el problema satisfactoriamente: 0.9767 por el método SLD y 1.008 por
el MPPA. Las pérdidas de potencia activa son muy cercanas pero el método MPPA
coloca a los voltajes de generación en su límite superior.
CONTROL
DE VOLTAJE CONECTANDO Y DESCONENTANDO CONDENSADORES E INDUCTANCIAS
Un avanzado software de
computación proporciona conocimientos detallados tales como cálculos de
reactancia, pérdidas por corrientes parásitas, puntos calientes del devanado,
campo magnético, resonancia, entre otros, con el objeto de optimizar los
parámetros de diseño para compensar la generación capacitiva en líneas de alta
tensión de transmisión larga o en sistemas de cables de gran longitud.
Optimizando el factor de potencia logramos modificar el consumo de energía reactiva de una instalación eléctrica. Para tal fin, los condensadores se utilizan con mucha frecuencia debido a:
- No consumen energía activa
- Coste
- Fácil instalación
- Vida útil
- Mínimo mantenimiento (dispositivo estático).
El condensador es un receptor compuesto de dos partes conductivas (electrodos) separadas por un aislante. Cuando se somete a una tensión sinusoidal, la corriente (y por consiguiente la potencia capacitiva/ reactiva) se adelanta en 90º respecto a la tensión. En cambio, en otro tipo de receptores (motores, transformadores, etc.) la corriente (y potencia inductiva/reactiva) se retrasa en 90º respecto a la tensión.
CALCULO
DEL FACTOR DEL FACTOR DE POTENCIA PARA MODIFICAR EL VOLTAJE
Cómo calcular la
potencia reactiva
La potencia reactiva QC
que se necesita para la compensación se calcula a partir de la potencia activa P
(KW) y la tg ϕ medidos en la instalación. Estas medidas se realizan aguas abajo
del transformador.
La impedancia del
condensador como se observa en la figura Nº4 es inversamente proporcional a la
frecuencia y su capacidad para bloquear corrientes armónicas disminuye
considerablemente al aumentar la frecuencia. Por consiguiente, las corrientes
armónicas en frecuencias altas se desvían hacia el condensador, actuando el
mismo como un «amplificador» de armónicos. Para evitar que el condensador se
dañe, se debe proteger con una inductancia antiarmónicos.
COMPENSACIÓN
REACTIVA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
El comportamiento de las
líneas de transmisión, en especial las de longitud media y larga, se puede mejorar
por la compensación reactiva del tipo serie o paralelo. La compensación serie
consiste en un banco de capacitores colocado en serie con cada conductor de
fase de la línea. La compensación en paralelo se refiere a la colocación
de inductores de cada línea a neutro para reducir, parcial o completamente, la
susceptancia paralelo de una línea de alto voltaje, lo cual resulta particularmente
importante a baja carga, cuando el voltaje en el extremo receptor sería de otra
manera muy elevado.
La compensación serie
reduce la impedancia serie de la línea, la cual es la causa principal de caída
de voltaje y el factor más importante en la determinación de la potencia máxima
que puede transmitir la línea. Con el fin de entender el efecto de la
impedancia serie Z en la máxima transmisión de potencia, se examinará la
ecuación:
Como las constantes A,
C
y D
son funciones de Z, también cambiarán en valor, pero estos cambios serán
pequeños en comparación con el cambio en B.
Se puede determinar la
reactancia deseada del banco de condensadores compensando para una cantidad específica
de la reactancia inductiva total de la línea. Esto conduce al término “factor
de compensación”, que se define por Xc/XL, donde Xc es la reactancia capacitiva
del banco de condensadores serie por fase y XL es
la reactancia inductiva total de la línea por fase.
Cuando se usa el
circuito nominal π para representar la línea y el banco de condensadores, la
localización física del banco a lo largo de la línea no se toma en cuenta.
Ejemplo:
Una línea de
transmisión de un circuito a 60Hz tiene una longitud de 370km (320millas). Los
conductores son del tipo Rook con
espaciamiento plano horizontal y 7.25m (23.8pies) entre ellos. La carga en la
línea es de 125MW a 215kV con un factor de potencia de 100%. Con el fin de
mostrarlos cambios relativos en la constante B con respecto al cambio
en las constantes A, C y D de una línea, se aplica una compensación serie. Encuentre las
constantes para la línea cuando está sin compensar y cuando tiene una
compensación serie del 70%.
La compensación serie
solamente altera la rama serie del circuito equivalente π. La nueva impedancia
de la rama serie es también la constante generalizada B. Así,
El ejemplo muestra que
la compensación ha reducido la constante B en aproximadamente un tercio de su
valor para líneas no compensadas, sin afectar de modo apreciable a las
constantes A y C. Así, la potencia máxima que puede transmitirse se incrementa
cerca de 300%.
Cuando una línea de transmisión (con o sin compensación serie) tiene la capacidad de transmisión de carga deseada, la atención se pone en la operación bajo cargas ligeras o sin carga. La corriente de carga es un factor importante por considerarse y no se debe permitir que exceda a la corriente nominal de plena carga de la línea.
Los reactores de potencia son el medio más compacto y de mejor relación costo-eficacia para compensar la generación capacitiva en líneas de alta tensión de transmisión larga o en sistemas de cables de gran longitud. Las soluciones alternativas son más costosas, se traducen en mayores pérdidas, requieren más equipos y exigen recursos adicionales. Usados en servicio permanente para estabilizar la transmisión de potencia, o conectados solamente en condiciones de carga ligera para control de tensión, los reactores de potencia combinan alta eficacia con bajos costes de ciclo de vida para reducir los costes de transmisión y aumentar los beneficios.
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