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11 de septiembre de 2007
RECUENTO GENERAL DE ESTABILIDADEN SISTEMAS DE POTENCIA
Gerencia Centro Nacional de Despacho
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Estabilidad en Sistemas de Potencia. Anlisis y Control
CONTENIDO
1. Recuento general de la estabilidad en Sistemas de Potencia
2. Modelos y caractersticas de los equipos
3. Estabilidad Transitoria
4. Estabilidad de Pequea Seal
5. Estabilidad de Voltaje
6. Estabilidad de Frecuencia
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Recuento General de la Estabilidad en los Sistemas de Potencia
Funcin y desempeo requerido en los Sistemas de Potencia
Control de los Sistemas de Potencia
Estabilidad en los Sistemas de Potencia
Herramientas analticas y procedimientos de estudio
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Funcin de un Sistema Elctrico de Potencia
Convertir energa de una fuente natural disponible a energa elctrica (Generacin).
Transportarla hasta los puntos de consumo (Transmisin - Distribucin)
La energa elctrica no se consume en su forma electromagntica, sino que se
convierte en forma de calor, luz o movimiento (mecnica)
La energa se transforma en elctrica por la relativa
facilidad de transportarla y controlarla con un alto
grado de eficiencia y confiabilidad.
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Desempeo requerido de un Sistema de Potencia
Un Sistema de Potencia diseado y operado con propiedad, debe
cumplir con los siguientes requerimientos fundamentales:
Operar seguro y confiable ante los normales cambios continuos de carga
Suplir la energa demandada con el mnimo costo y el mnimo impacto ambiental
Cumplir con los estndares mnimos de calidad de potencia
Forma de Onda de onda sinusoidal pura (armnicos)
Magnitud de voltaje constante (dentro de un rango)
Frecuencia constante (dentro de un rango)
Nivel de confiabilidad (discontinuidades)
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Controles de los Sistemas de Potencia
Varios niveles de control, incluyendo dispositivos complejos, son usados para
cumplir con el desempeo requerido de un Sistema de Potencia.
Los objetivos del control dependen del estado de operacin del sistema.
En condiciones normales, el objetivo es la operacin segura y eficiente con las
variables del sistema dentro de lmites aceptables.
Cuando una condicin anormal se desarrolla,
nuevos objetivos deben ser establecidos para
retornar el sistema a una condicin normal.
Las nociones de estabilidad y control de los Sistema
de Potencia, estn ntimamente ligadas.
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Subsistemas del Sistema de Potencia y sus controles asociados
Supervisin y Control del Sistema (Centro de Control)Control econmico de frecuencia
FRECUENCIAFLUJOS
(TRANSFERENCIAS) GENERACINDESPACHO
REDESPACHO
FRECUENCIAFLUJOS
(TRANSFERENCIAS) GENERACIN
OtrasUnidades deGeneracin
y susControlesAsociados
Control Suplementario
GeneradorCorriente deCampo
VelocidadVoltaje
Velocidad / Potencia
Controles Unidadesde Generacin
PotenciaMecnica
Control deTurbina
Sistema deExcitacin yControl
Controles de la TransmisinControles de Potencia Reactiva y Voltaje FACTS
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Estados de Operacin de un Sistema de Potencia
Clasificacin conceptual de los estados de operacin de un sistema para anlisis de
seguridad y diseo de los sistema de control
RESTAURATIVO
NORMAL
ALERTA
EMERGENCIACOLAPSO
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Controles en Sistemas de Potencia: Estado Normal
En Estado Normal:
Todas las variables dentro del rango normal.
El sistema opera de manera segura y con
capacidad de enfrentar las contingencias para
las que est diseado.
Controles usados para mantener el estado normal:
Controles de los generadores: de tensin (AVR), de velocidad, estabilizadores
(PSS), suministro de energa primaria (turbinas)
Controles del sistema de transmisin: Tensin y reactivos, FACTS, HVDC
Control automtico de generacin (AGC): prediccin carga y despacho econmico
Control secundario de voltaje: Tap
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Controles en Sistemas de Potencia: Estado Alerta y Emergencia
En estado de alerta
Sistema cargado en un nivel tal que una contingencia puede
llevarlo al estado de emergencia.
Acciones de control preventivas: redespacho de generacin,
incremento de reserva reactiva o reserva rodante
En estado de emergencia
Bajas tensiones, equipos sobrecargados
Sistema puede ser regresado al estado de alerta con controles de emergencia.
Si los controles de emergencia no son aplicados o no son efectivos, el sistema
puede llegar al colapso (salidas en cascada, efecto domin)
Controles de emergencia:
Disparo o disminucin automtica de generacin
Desconexin de carga
Esquemas suplementarios: separacin de reas
Bloqueo de cambiadores automticos de Taps
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Estructura del Sistema de Control
El sistema de control global es altamente distribuido
Depende de muchos tipos de tele medidas y seales de control diferentes
Sistema SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition)
provee informacin sobre el estado del sistema (supervisin)
Los operadores proveen enlaces en varios niveles y localizaciones claves.
Monitoreo del desempeo y el manejo de los recursos del sistema para asegurar la
operacin con calidad y economa
Durante las contingencias del sistema, el operador juega un papel vital
en la coordinacin de la informacin relevante de diversas
fuentes y el desarrollo de estrategias correctivas.
Tendencias en estado de emergencia Control inteligente
Control y monitoreo en tiempo real
DSA (Dynamic Stability Analysis) en lnea para control de emergencias
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Estabilidad en Sistemas de Potencia
Definiciones y conceptos bsicos
Estabilidad es la capacidad de un Sistema de Potencia
de mantenerse en un estado de operacin (equilibrio) bajo
condiciones normales de operacin y de regresar a un estado
aceptable de equilibrio despus de un disturbio.
La inestabilidad puede manifestarse de diferentes maneras,
dependiendo de la configuracin y del modo de operacin del sistema
Tradicionalmente, el problema de estabilidad se ha referido al
mantenimiento de la operacin sincrnica de los generadores
Sin embargo, pude haber inestabilidad sin que ocurra prdida de sincronismo
colapso de tensiones en una regin sin generadores sincrnicos conectados.
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Necesidad de clasificar la Estabilidad
El desempeo de la dinmica en los Sistemas de Potencia
es afectado por el amplio rango de dispositivos con diferentes
caractersticas y velocidades de respuesta.
Debido a la gran complejidad y dimensin del sistema, es esencial asumir
simplificaciones y analizar problemas especficos detallando realmente lo importante
Es imprctico estudiar la estabilidad de Sistemas de Potencia como un solo problema
El entendimiento y la solucin de los problemas de estabilidad se facilita enormemente
con su clasificacin.
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Clasificacin de Estabilidad en Sistemas de Potencia
Clasificar la estabilidad en varias categoras facilita enormemente:
El anlisis de los problemas de estabilidad
La identificacin de los factores esenciales que contribuyen a la inestabilidad.
El idear mtodos para aumentar la operacin estable
La clasificacin est basada en las siguientes consideraciones:
Naturaleza fsica de la inestabilidad resultante
Tamao del disturbio considerado
Mtodo de anlisis ms apropiado
Dispositivos, procesos y lapso de tiempo considerados.
Se debe tener siempre en mente la estabilidad total
Soluciones a problemas de una categora, no deberan ser a expensas de otra
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Clasificacin de Estabilidad en Sistemas de Potencia
Largo Plazo
Capacidad de mantener SincronismoBalance de torque mquinas sincrnicas
Capacidad de mantener frecuenciadentro de rango normal
Balance Carga / Generacin
Capacidad de mantener voltajesconstantes (Rango normal)Balance potencia reactivaEquilibrio control Voltaje
Estabilidad dePequea Seal
EstabilidadTransitoria
Corto Plazo
Estabilidad deFrecuencia
EstabilidadAngular
Estabilidad deVoltaje
EstabilidadVoltaje
Pequeas
Perturbaciones
Estabilidad
Voltaje Grandes
Perturbaciones
Largo PlazoCorto Plazo
Estabilidad en Sistema de Potencia
Capacidad de mantener una condicin de equilibrioEquilibrio entre fuerzas opuestas
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Estabilidad Angular del Rotor
Capacidad de las mquinas sincrnicas interconectadas,
para mantenerse en sincronismo en condiciones
normales y despus de someterse a un disturbio.
Un factor fundamental es la manera como la potencia de salida de las mquinas
sincrnicas vara con la oscilacin de su ngulo rotrico
La inestabilidad que puede resultar ocurre por la forma de
oscilacin creciente de algunos generadores, llevando
a la prdida de sincronismo con otros generadores
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Estabilidad Angular del Rotor (continuacin)
Es una condicin de equilibrio entre fuerzas opuestas
el sincronismo es mantenido a travs de fuerzas
restauradoras desarrolladas cuando el sistema es perturbado.
El cambio en el torque elctrico e puede ser dividido en dos componentes:
e = (s . ) + (TD . )
s: Coeficiente de torque sincronizante
TD: Coeficiente de torque amortiguante
La falta o insuficiencia de torque sincronizante s, resulta en una inestabilidad
aperidica (monotnica)
Insuficiente torque de amortiguacin TD, resulta en inestabilidad oscilatoria.
3.00002.40001.80001.20000.6000.000 [s]
242.00
229.60
217.20
204.80
192.40
180.00
Buena Vista:Line-Line Voltage,Magnitude inkV
ElCorozo:Line-Line Voltage,Magnitude inkV
B1_220:SanMateo
8020:Fundacion
Cuatricentenario:Line-Line Voltage,Magnitude inkV
CUESTEC2:Line-Line Voltage,Magnitude inkV
1.983 s187.677 kV
Fundacin
3.00002.40001.80001.20000.6000.000 [s]
400.00
250.00
100.00
-50.000
-200.00
-350.00
CRZ_MTE_21:Active Power/Terminaljin MW
CRZ_MTE_22:Active Power/Terminaljin MW
CUE_TRC_21:Active Power/Terminali in MW
1.233 s250.317 MW
1.683 s-299.210 MW
3.00002.40001.80001.20000.6000.000 [s]
261.73
206.58
151.44
96.295
41.151
-13.993
Guajira 1-2:Reactive PowerinMvar
Merilectrica:m:Q:bus1
Tasajero:Reactive PowerinMvar
symP.Paez1-2: Reactive PowerinMvar
symSanAgaton 1:Reactive PowerinMvar
3.00002.40001.80001.20000.6000.000 [s]
197.08
118.55
40.014
-38.521
-117.06
-195.59
Guajira 1-2:Rotorangle withreference to reference machine angle in deg
Merilectrica:c:firel
Tasajero:Rotorangle withreference to reference machine angle indeg
symP.Paez1-2: Rotorangle withreference to reference machine angle indeg
symSanAgaton 1:Rotorangle withreference to reference machine angle indeg
Colombia y Venezuela sincronizados por Cuestecitas y San Mateo FallaScarlosCerro
Demanda Mxima -Colombia exporta 250 MWhacia Venezuela Caso:ConTasajero-200MWCaribe-CadafeExtremo
Date: 11/28/2001
Annex: /4
DIgSILENT
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Estabilidad Angular de Pequea Seal
La estabilidad de pequea seal (o pequeo disturbio), es la capacidad de un
sistema de potencia para mantener el sincronismo bajo pequeas perturbaciones.
Este tipo de disturbios ocurren continuamente en el sistema debido apequeas variaciones en la carga o en la generacin.
El disturbio es considerado lo suficientemente pequeo, si la linealizacin de
las ecuaciones del sistema es permitida para los anlisis.
La inestabilidad resultante puede ser de dos formas:
Incremento aperidico en el ngulo del rotor debido a insuficiente torque
de sincronizacin
Oscilacin rotrica de amplitud creciente debido a insuficiente torque
amortiguador.
Corresponde al primer mtodo de Liapunov para anlisis de estabilidad
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Natu
ralezadela
respuesta
aun
disturbio
dep
equease
al
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ESTABILIDAD TRANSITORIA
Trmino usado tradicionalmente para denotar grandes
disturbios de estabilidad angular
Capacidad de un sistema de potencia para mantener
el sincronismo cuando es sometido a severos disturbios transitorios
Provocan grandes excursiones en los ngulos rotricos de los generadores
Afectado por la no linealidad de la relacin potencia-ngulo.
Una amplia variedad de disturbios pueden ocurrir en el sistema, de diversos grados
de severidad y probabilidad de ocurrencia.
El sistema es diseado y operado para ser estable ante un conjunto seleccionado
de contingencias, usualmente fallas en transmisin (mono, bi, trifsicas)
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ESTABILIDAD DE VOLTAJE
Capacidad del Sistema de Potencia de mantener una condicin aceptable de
voltajes en todas las barras del sistema, en condiciones de operacin normal y
despus de haber sido sometido a un disturbio.
Un sistema experimenta inestabilidad de voltaje, cuando un disturbio (incremento
de carga o cambio en la condicin del sistema) causa una progresiva e
incontrolable cada o aumento en el voltaje.
El principal factor que causa la inestabilidad de voltaje, es la incapacidad del
Sistema de Potencia de mantener un adecuado balance de potencia reactiva y
proveer un apropiado soporte de voltaje.
Afectado significativamente por la caracterstica de la carga
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Factores que afectan la inestabilidad de Voltaje
Problemas asociados con la transferencia de potencia
activa y reactiva a travs de redes altamente inductivas.
Redes de transmisin fuertemente cargadas: altos niveles de transferencia
Generacin deficiente de potencia reactiva
Limitaciones en el control de voltaje de los generadores
Caractersticas de la carga
Reguladores de voltaje de los sistemas de distribucin
Accin de los cambiadores de Taps en los transformadores
Caractersticas de los dispositivos de compensacin reactiva
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Estabilidad de Frecuencia
Se ha visto la necesidad de crear una clase especial de estabilidad, que cubra
problemas asociados con sistemas severamente afectados por:
grandes desbalances entre la carga y la generacin
grandes excursiones de la frecuencia.
La estabilidad de largo plazo ha sido empleada para direccionar estos estudios.
Sin embargo, ahora esta no se considera apropiada porque:
No todos los problemas de frecuencia son de largo plazo (duracin del fenmeno)
La estabilidad de largo plazo tambin se asocia con problemas de voltaje.
La solucin conceptual es introducir una categora diferente: Estabilidad de Frecuencia
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Estabilidad de Frecuencia
Capacidad de mantener el estado de la frecuencia dentro
de un rango cercano al nominal, despus de un disturbio que
provoca un desbalance significativo entre la generacin y la carga.
En un sistema pequeo aislado, la estabilidad de frecuencia puede ser el resultado de
cualquier disturbio que cause prdida de generacin o carga.
En grandes sistemas interconectados, la estabilidad de frecuencia puede estar
asociada solamente a un sistema severamente afectado, como resultado de la
separacin del sistema en una o ms islas
Depende de la capacidad de restablecer el balance entre la generacin y la carga en
los sistemas aislados, minimizando la desconexin de carga.
En general, los problemas de estabilidad de frecuencia son asociados con respuestas
inadecuadas o mala coordinacin de los equipos de proteccin y control.
Area1+Area3
Area 1
Sistema de
transmisin
Area 2
Area 3
Area 5 Area 6
Area 4
Area4+ Area6
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Enfoque tradicional de los Estudios de Estabilidad
La mayor atencin se ha prestado solamente a uno de los
aspectos de la estabilidad: la estabilidad transitoria
Otros aspectos han sido abordados cuando los problemas se han presentado.
Los lmites de operacin est basados en estudios fuera de lnea (planeamiento
operativo)
sistemas operados rgidamente dentro de las restricciones establecidas.
Poco esfuerzo sistemtico para coordinar los controles y protecciones del sistema y
de las plantas de generacin.
Ha sido la causa de muchas fallas en los sistemas.
En general, el desempeo dinmico del sistema ha sido adecuado
debido al alto grado conservador usado en el diseo y la operacin
de los Sistemas de Potencia.
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Nuevo ambiente en las empresas elctricas
Las empresas estn experimentando cambios fundamentales, pasando
de una estructura monoplica a una competitiva
Economa en el diseo y la operacin son ahora la clave
de la supervivencia.
Gastar dinero inteligentemente, sin reducir significativamente
la seguridad global del Sistema de Potencia.
La tendencia ser la de considerar no solo la probabilidad de las contingencias, sino lasconsecuencias de la inestabilidad.
Minimizar las consecuencias y restaurar rpidamente el sistema.
Los sistemas futuros sern ms complejos debido a nuevos actores y competidores.
Tomar decisiones de diseo bajo un ambiente de incertidumbres
Operar el sistema en un ambiente menos estructural
Mayor atencin a las decisiones de corto plazo en lugar de las de largo plazo.
Modelos deOptimizacin
Modelos deAnlisis
Elctrico deSeguridad
Despacho de Generacin
Recomendaciones Elctricas
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Herramientas Analticas y Procedimientos de Estudio
Las caractersticas cambiantes de los Sistemas de Potencia requieren cuidadosas
consideraciones de todos y cada uno de los aspectos de la estabilidad.
El diseo de los sistemas har mayor uso de sofisticados sistemas de control y
proteccin y de nuevas tecnologas (FACTS y formas de generacin)
La estabilidad depender de una armoniosa interaccin de todos los elementos de
los Sistemas de Potencia
Es de suma importancia una apropiada seleccin y coordinacin de los
equipos de proteccin y control.
Las herramientas analticas y los modelos empleados, debern ser validados
contra respuestas reales medidas.
Las herramientas analticas deberan:
no solamente determinar si el sistema es estable o inestable
tambin proveer elementos de entendimiento sobre los
factores que afectan la estabilidad.
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11 de septiembre de 2007
Calle 12 Sur N18 168, PBX: 57(4) 317 2929, Medelln Colombia
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