Capitulo 1. Potencia Activa y Frecuencia. SISTEMAS DE POTENCIAS II

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDADCAPITULO 1 CONTROL DE POTENCIA ACTIVA Y FRECUENCIA El control de la frecuencia esta íntimamente ligado al control de la potencia activa, siendo la frecuencia una variable que se debe mantener constante para garantizar su calidad. El valor del módulo de la tensión es poco significativo en este control, la expresión que relaciona el voltaje con la potencia activa es la siguiente: V1 P12 = X12 P12 V2 Sen ð donde V1 : módulo del voltaje del punto1 V2 : módulo del voltaje del punto 2 X12 : módulo de la reactancia que une los puntos 1 y2 ð : ángulo de la tensión de la barra 2 tomando como referencia la barra 1 en cero grado 1 2 Esta es una ecuación simplificada que permite analizar el sentido del flujo de potencia activa dependiendo del ángulo de la tensión como se detalla a continuación: Cuando ð > 0 0 0 P12 es negativo, indicativo de un flujo del punto 2 a 1 P12 es cero, no hay flujo del punto 1 a 2 P12 es positivo indicativo de un flujo del punto 1 a 2 ð = ð < En esta se observa que el sentido de la potencia activa esta ligada al ángulo de la tensión y no así a su módulo, siendo su dirección del punto de mayor ángulo al punto de menor ángulo. En la práctica la variable ángulo es poco controlable, por lo que el flujo de Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 1 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD potencia activa estará en función de las fuentes de generación y de las impedancias de la red. Entre los objetivos que se persiguen para mantener el control de la potencia activa están los siguientes: 1. Mantener la frecuencia en un valor constante. 2. Garantizar capacidad de regulación. 3. Permitir operar con reserva. 4. Mantener el intercambio entre áreas en el valor programado. 5. Asistir en casos de emergencia. 6. Operar las unidades dentro de su rango de eficiencia económica. A continuación se comentan cada uno de estos factores MANTENER LA FRECUENCIA EN UN VALOR CONSTANTE La frecuencia en una unidad generadora viene esta relacionada con la velocidad de acuerdo a la siguiente expresión: v = 120 f Número de polos En donde el número de polos es un valor fijo una vez que la máquina ha sido construida, por lo que una velocidad constante será indicativo de una frecuencia constante. Asimismo, el equilibrio entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica ( Pmec=Pe ) en un generador no producirá una potencia acelerante manteniendo la velocidad constante, es decir, al garantizar una potencia mecánica en el generador igual a la potencia de carga se obtiene una frecuencia constante. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 2 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD El gobernador de velocidad es un sistema de control asociado a la unidad generadora que permita mantener la velocidad constante, garantizando así el equilibrio entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica a frecuencia constante. Un incremento en la potencia de carga creará un desequilibrio momentáneo entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica ( Pmec<Pe ) originando una potencia desacelerante que reducirá la velocidad y la frecuencia. Esta variación en la velocidad será captada por el gobernador quien ordenará incrementar la potencia mecánica para volver a la condición de equilibrio. De forma similar, una reducción de la potencia de carga originará momentáneamente una potencia acelerante ( Pmec>Pe ) incrementando la velocidad, siendo el gobernador el encargado de reducir la potencia mecánica para volver a la condición de equilibrio. En la industria muchos procesos dependen de un buen control de la frecuencia, un ejemplo de ésto lo constituyen los laminadores utilizados en las empresas del aluminio, estos laminadores tienen una serie de rodillos movidos por motores síncronos que permiten producir láminas de espesor constante, variaciones de cierta magnitud en la frecuencia pudieran variar la velocidad de estos motores produciendo láminas de espesor no uniforme, lo que atentaría contra la calidad del producto. GARANTIZAR CAPACIDAD DE REGULACION En principio cada unidad generadora debe mantener una capacidad de regulación tanto para su control primario ejercido por el gobernador como por el control secundario ejercido por el control automático de generación. Existe una capacidad de regulación inferior y superior que define el rango de actuación del control secundario establecido por el CAG. La capacidad inferior de regulación viene dada por el rango establecido por el valor mínimo de generación permitido en el generador y el valor actual de generación, este valor mínimo es un valor de potencia fuera de la zona de cavitación o vibración y dentro el zona de mejor eficiencia de la máquina, este punto pudiera estar en un valor igual al 60% de la capacidad nominal del generador. La capacidad superior de regulación viene establecido por el rango Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 3 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD comprendido entre el valor máximo de generación que típicamente es el valor nominal del generador y el valor actual de generación (ver figura N° 1.1). RANGOS DE REGULACION valor máximo de generación capacidad superior de regulación valor actual de generación capacidad inferior de regulación valor mínimo de generación Figura N° 1.1 El valor mínimo o máximo de generación utilizados por los controles primario y secundario usualmente no son los mismos, para el control primario se utiliza un valor muy bajo que pudiera ser cercano a cero potencia de modo que la máquina tenga suficiente rango para bajar potencia y responder ante rechazos masivos de carga, mientras que para el valor máximo se utiliza el valor nominal del generador y a veces un valor un poco más grande cuando la turbina presenta un valor de potencia nominal superior al del generador. En el control secundario, establecido por el control automático de generación se usan unos rangos un poco más estrechos, siendo típicamente su valor máximo la potencia nominal de la máquina y su valor mínimo un valor fuera de la zona de cavitación o vibración y cercano a la zona de mejor eficiencia de la unidad (ver figura N° 1.2). Es conveniente recordar que el control automático de generación es un software instalado en un computador trabajando en tiempo real que permite ajustar la generación sobre la base de una consigna de control, que considera elementos tales como el control de la frecuencia, potencia activa, capacidad de regulación, eficiencia económica, etc, la idea es que el control automático de generación mantenga la máquina operando dentro de un rango aceptable sin alcanzar los extremos, a menos que suceda una emergencia donde sea el gobernador quien ejerza el control de forma exclusiva hasta sus valores máximos, en ese caso el control automático de generación se Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 4 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD suspendería. Esta afirmación tiene sus excepciones siendo abordado este tema con mayor profundidad en el capítulo dedicado al control automático de generación. RANGOS DE REGULACION POR GOBERNACION Y POR EL CONTROL AUTOMATICO DE GENERACION (C.A.G.) valor máximo de generación por gobernación capacidad superior de regulación por gobernación capacidad inferior de regulación por gobernación valor mínimo de generación por gobernación Figura N° 1.2 El control de la potencia activa de una forma eficiente permitirá mantener siempre capacidad de regulación para que los sistemas de control puedan ejercer su acción de control. PERMITIR OPERAR CON RESERVA Existen tres categorías para definir la reserva estas son: • • • Reserva rodante. Reserva de arranque rápido. Reserva de arranque lento. valor máximo de generación por C.A.G. capacidad superior de regulación valor actual de generación capacidad inferior de regulación valor mínimo de generación por C.A.G. Esta clasificación esta muy ligada al tipo de turbina asociada a la unidad generadora. En este sentido la reserva rodante se refiere a la potencia que puede suministrar el generador en un determinado momento para lograr el balance generación-carga ante un desbalance en el Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 5 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Sistema, en este caso la reserva se corresponde con la diferencia del valor actual de generación con respecto a los rangos máximos y mínimos de potencia por gobernación. La reserva de arranque rápido se refiere a la potencia de aquellas unidades que están fuera de servicio pero están disponibles para ser sincronizadas en un lapso entre quince y veinte minutos, en esta categoría pueden incluirse los generadores con turbinas hidráulicas o a gas. La reserva de arranque lento se refiere a la potencia de aquellas unidades que están fuera de servicio pero están disponibles para ser sincronizadas, sin embargo por sus procesos de conversión de energía requieren horas de preparación antes de ser sincronizadas, en esta categoría pueden incluirse los generadores con turbinas a vapor. En el capítulo referente a turbina se explica en detalle los procesos correspondientes para cada una de las turbinas. La reserva esta muy relacionada con el arranque y parada de unidades generadoras, la demanda de un sistema eléctrico presenta un ciclo de carga que implica pasar de una demanda máxima en la hora pico del Sistema a una demanda mínima, típicamente la diferencia entre estos dos valores es bastante amplia que no pudiera ser controlada simplemente con reducir la generación, es necesario parar y arrancar unidades diariamente. Para ilustrar estas afirmaciones se puede tomar como ejemplo de análisis el caso del Sistema Eléctrico Venezolano, para esto en la figura N° 1.3 se muestra el ciclo de carga diario de la potencia demandada en el Sistema. De acuerdo a este comportamiento, la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo es de 2800 MW, este valor de potencia representa la generación correspondiente a 4.5 unidades de casa de máquinas N°2 de Guri, cuyas unidades son de una potencia nominal de 630 MW. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 6 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD CURVA DE COMPORTAMIENTO DE CARGA DEL SISTEMA NACIONAL carga (MW) 11000 10000 9000 8000 7000 0 2 4 6 8 10 horas del día 12 14 16 18 20 22 24 Figura N° 1.3 Para el control de la frecuencia dado este ciclo de carga, es necesario reducir o incrementar la generación en concordancia con las variaciones de carga, por lo tanto, si se deseara mantener constante el número de unidades generadoras sincronizadas, debería reducirse la generación a valores que en muchas unidades implica operar por debajo de su nivel mínimo recomendado de generación, originando problemas de cavitación o vibración y provocando operar en la zona de baja eficiencia de la máquina. Para evitar estos efectos se recurre al arranque y parada diario de unidades. Atendiendo a este comportamiento, el arranque y parada de unidades es de acuerdo a la siguiente explicación: a primeras horas de la mañana (07:00 a.m.) cuando la carga empieza a subir se inicia el proceso de arranque de unidades, a eso de las 09:00 a.m. ya se ha culminado el arranque manteniéndose estable con este número de generadores sincronizados durante el día, en estas condiciones las reducciones o incrementos de carga se controlan bajando o subiendo generación pero sin variar el número de unidades sincronizadas. En horas de la noche (06:00 p.m.), cuando comienza el ascenso de la carga en la cercanía de la hora punta del sistema que ocurre a las 08:00 p.m. de la noche, comienza el arranque de las unidades que sólo serán utilizadas para cubrir la demanda pico, una vez que se supera esta condición a eso de las 10:00 p.m. comienza el proceso de parada de aquellas unidades que fueron arrancadas para cubrir el pico de demanda. En la medida Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 7 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD que comienza la madrugada se paran otra serie de unidades por baja carga, las cuales serán arrancadas nuevamente en las primeras horas de la mañana. El tipo de proceso involucrado en la turbina determina que tipo de unidades pueden ser arrancadas y paradas diariamente. En este sentido, las turbinas a vapor no pueden ser consideradas en esta labor, debido a que estas unidades requieren horas de preparación para ser sincronizadas que no garantizarían su disponibilidad inmediata. Por lo tanto, estas unidades se operan en un modo base a potencia constante. Por el contrario, las unidades con turbinas a gas o hidráulica si permiten un arranque en pocos minutos y con costos bajos, utilizándose éstas para el control diario de arranque y parada de unidades. Por ser el combustible utilizado por las turbinas hidráulicas de menor costo con respecto a las turbinas a gas, típicamente se prefiere mantener sincronizadas el mayor número de unidades con turbinas hidráulicas, siendo éstas las unidades que se arrancan a primeras horas de la mañana para garantizar un mayor número de horas en servicio en estas unidades, prefiriéndose el arranque de las unidades con turbinas a gas sólo para la hora punta donde el número de horas en servicio es corto. Sin embargo, no quiere decir esto que durante el día no se tienen unidades con turbinas a gas sincronizadas, dado que por necesidades de soporte de tensiones, limitaciones en la transferencia de potencia entre áreas o criterios estratégicos muchas veces se mantiene un nivel de generación con turbinas a gas en ciertas áreas del Sistema. En el Sistema Venezolano este es el patrón que se sigue, con la diferencia que para la hora punta se sincronizan mayormente unidades con turbinas hidráulicas debido a que el parque generador con turbinas a gas no es muy elevado. En la figura N° 1.4 se muestra gráficamente sobre la curva de demanda del Sistema la forma como se utiliza el parque generador. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 8 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD CURVA DE COMPORTAMIENTO DE CARGA DEL SISTEMA NACIONAL INDICANDO EL TIPO DE TURBINA UTILIZADA PARA GENERAR carga (MW) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Turbina hidraulica Turbina a vapor Turbina a gas horas del día Figura N° 1.4 MANTENER EL INTERCAMBIO ENTRE AREAS EN EL VALOR PROGRAMADO En un Sistema Eléctrico existen áreas bien diferenciadas definidas por las distintas compañías que interactuan en el mercado eléctrico y en algunas ocasiones definidas también por las condiciones topológicas de la red, entre estas áreas típicamente se establece un nivel de intercambio el cual puede ser acotado por: • • • • • Limitaciones de transmisión Costo de la energía Soporte de tensiones Regulación de frecuencia Deficiencias de generación. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 9 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Para entender estos considerandos supóngase una red eléctrica con dos áreas como las indicadas en la figura N° 1.5, entre estas áreas puede establecerse la transferencia de potencia en un valor determinado de una área a otra, como se enumeró anteriormente esto puede ser por: AREAS DE CONTROL CON INTERCAMBIO DE POTENCIA ACTIVA G3 G4 G2 G2 G3 G1 G1 AREA 1 Figura N° 1.5 AREA 2 a) Limitaciones de transmisión En la red indicada, supóngase que las unidades del área 1 son unidades con turbinas hidráulicas donde los costos de producción de energía son bajos en comparación con las unidades del área 2, donde se tienen unidades con turbinas a vapor donde los costos son más elevados; en estas condiciones le convendría a la compañía eléctrica maximizar su compra de energía al área 1 para satisfacer los requerimientos de energía de los clientes de su área, sin embargo pudiera darse el caso que el intercambio máximo entre las dos líneas de interconexión este limitado a un valor inferior a la potencia requerida por el área 2, esta limitación puede venir dada por problemas de capacidad térmica, donde un valor superior al establecido conlleve a problemas de sobrecarga por estas líneas o puede ser que esta limitación venga dada por el límite de transmisión por estabilidad transitoria, donde la violación del límite conllevaría a un apagón en caso de ocurrir una contingencia. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 10 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD En el caso presentado aun siendo conveniente desde el punto de vista económico comprar la máxima potencia posible del área 1, debe limitarse el intercambio al valor máximo posible y garantizar no excederse, permaneciendo en el valor programado, el resto de la potencia requerida por el área 2 debe generarla con las unidades de su área, así ésta sea más costosa de producir. b) Costo de la energía: este considerando se explica fácilmente con el ejemplo anterior, dependiendo de los costos de producción de energía, aun área le convendría dejar de generar en su área para comprar esta energía al área vecina donde los costos de producción son más bajos. En estos casos, se suelen establecer contratos de energía donde se estipula el valor a vender por hora, donde la violación de esta cuota en exceso o en defecto conllevaría en el primer caso a una penalización y en el segundo caso a pagar esa energía así no la haya consumido, como se observa el control fino de la potencia de intercambio es de suma importancia utilizándose para esto el control automático de generación, el cual permite ajustar el intercambio en un valor constante, para mayor información véase el capitulo referente a dicho control. c) Soporte de tensiones : este es el caso donde la producción y transmisión de energía dentro de una área no tiene el suficiente soporte de reactivos, tal vez por falta de equipos de compensación que garanticen la calidad de la tensión, en estos casos la interconexión con otras áreas pudiera cambiar la distribución del flujo de potencia activa por las líneas reduciendo las caídas de tensión por las mismas, a la vez que se tendría el soporte de reactivos del área vecina. En este caso el intercambio debe limitarse al valor necesario para garantizar la calidad de la tensión. d) Regulación de frecuencia: en algunas ocasiones alguna área pudiera no contar con un control automático de generación, que entre otras cosas garantiza mantener la frecuencia constante o puede ser que cuente con este tipo de control pero no tenga suficiente capacidad de regulación, en estas condiciones se establece la interconexión con un intercambio de potencia que pudiera ser cero, simplemente se desea tener la fortaleza del área vecina en el Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 11 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD control de la frecuencia. De ocurrir un desbalance generación-carga se produciría el intercambio de potencia entre las áreas, una vez pasada la situación de desbalance se reajusta la generación entre estas para retornar a intercambio cero o para volver al intercambio programado si este se hubiera establecido con anterioridad por alguno de los considerandos anteriormente explicados. e) Deficiencias de generación: se presenta cuando una área no puede satisfacer su demanda con la generación existente en su área, en ese caso se establece el intercambio por el valor necesario para cubrir la deficiencia. En Venezuela se presentan una combinación de los factores enumerados para establecer el intercambio entre las diferentes áreas definidas por las compañías eléctricas prestadoras del servicio, aunque por no ser el mercado venezolano competitivo sino manejado en su mayoría por el estado, el factor de competencia económica es de poca relevancia. El intercambio se establece desde la empresa EDELCA poseedora de cerca del 70% de la capacidad instalada de energía, con unidades que operan con suficiente regulación con la asistencia de un control automático de generación y con una red de transmisión a 765 kV y 400 kV con alto efecto Ferranti, que permite la producción de reactivos para soportar tensiones hacia las diferentes áreas representadas por las distintas empresas como lo son: CADAFE, ENELVEN, E. De C., ENELBAR, etc. La excepción la constituye la empresa la Electricidad de Caracas, que presenta un alto parque térmico como para cubrir casi toda su demanda a través de unidades generadoras con turbinas a gas y a vapor, utilizando como combustible gas en su mayor porcentaje, donde en el establecimiento de los niveles de intercambio tiene un mayor peso el factor económico, sin embargo para el control de la frecuencia dependen de la empresa EDELCA. ASISTIR EN CASOS DE EMERGENCIA Este considerando se refiere a los intercambios no programados de potencia activa entre áreas producto de una contingencia en cualquiera de las áreas, para explicar esta acción considérese el ejemplo de las dos áreas anteriores, donde por razones económicas se Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 12 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD estableció un intercambio programado desde el área 1 al área 2, sin embargo hay suficiente generación en el área 1 y capacidad de transmisión como para intercambiar mas potencia. A pesar de esta mayor capacidad de transmisión, ésta no es utilizada porque le resulta más conveniente desde el punto económico al área 2 generar en su propia área. En estas condiciones se produce el disparo de un generador del área 2, de forma inmediata se establece un intercambio mayor desde el área 1 hacia el área 2 producto de la respuesta de los gobernadores, la acción a seguir consistiría en incrementar la generación en el área 2 para retornar al intercambio programado, de no existir capacidad de generación en el área 2 esta potencia en exceso transmitida constituye la potencia de emergencia. En los contratos de interconexión este tipo de eventualidades esta previsto, donde se establecen los reglamentos para estas asistencias así como los costos que típicamente son mayores para estos kilovatios-hora extra. En el control de la potencia y la frecuencia es importante que esta potencia de emergencia que constituye la reserva rodante se haya previsto, de lo contrario se produciría racionamientos o desviaciones importantes de la frecuencia. OPERAR LAS UNIDADES DENTRO DE SU RANGO DE EFICIENCIA ECONOMICA El factor económico es cada día un elemento de mayor peso a la hora de decidir que unidades deben utilizarse para ser sincronizadas y así satisfacer los requerimientos de la carga cumpliendo con los parámetros de calidad. En América Latina, casi todos los países han emprendido o están iniciando el cambio en los agentes del mercado para enrumbar el mercado eléctrico hacia una economía abierta, donde todo aquel inversionista que tenga capital y cumpla con una serie de exigencias de orden técnico, que garantice un buen servicio a los usuarios, pueda invertir en la instalación de una planta eléctrica. En Venezuela este proceso se inició con la aprobación de una nueva ley eléctrica que rige el sector eléctrico, aunque su aplicación directa no ha comenzado, en vista que a la fecha Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 13 UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD se están cumpliendo los lapsos de prorroga previstos en la misma ley para que las la venta al sector privado del servicio de compañías adapten sus estructuras para funcionar en un mercado competitivo no verticalizado. Asimismo, se comenzó distribución y generación de ciertas localidades. En un mercado abierto, las posibilidades de generar se basan en ofertar el kilovatio-hora al menor costo posible, esto lógicamente una vez cubiertas los bloques de generación necesarios para mantener el perfil de tensión de una área, se cubran las limitaciones de transmisión, etc quienes impondrán generar en ciertas áreas a pesar de que el costo de producción de energía no sea el más económico. Existen ciertas técnicas que permiten establecer un despacho hidrotérmico basado en conceptos clásicos como lo representa el costo incremental, donde se establece que el esquema adecuado de generación es aquel donde los costos increméntales son iguales en todas las unidades o lo que equivale decir el punto donde producir un kilovatio-hora más en cualquier unidad es el mismo. Al incluir en este análisis unidades hidráulicas debe asignársele un costo al agua, como a cualquier otro combustible, sin embargo este análisis puede complicarse cuando se le añaden otros factores como son los costos de arranque de una unidad, la preservación de los embalses por consideraciones ornamentales y ecológicas, el menor gasto del combustible en especial en las unidades hidráulicas donde el gasto de agua debe ser función de las estaciones hidrológicas, efectos contaminantes de los combustibles fósiles, etc. En conclusión la idea es sembrar la inquietud de que a la hora de definir un esquema de generación no solamente se siguen consideraciones de confiabilidad, seguridad, etc sino que el factor económico juega un papel importante en el control de la potencia activa. Control de potencia activa y frecuencia. Sistemas de Potencia II 14