BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE POTENCIA

n los sistemas de potencia varias formas de energía se convierten en energía eléctrica. Este proceso de

conversión se le llama a la generación de energía eléctrica. Existen diferentes formas de energía que puedan estar involucrados en el proceso de generación de energía eléctrica:

E

a) la energía químicab) energía térmicac) mecánica energíad) la energía nucleae) la energía solarf) la energía eléctrica.

La energía eléctrica tiene las siguientes características únicas:

1) Puede ser generado en grandes cantidades en las centrales.

2) Se puede transmitir a grandes distancias con pérdidas relativamente pequeñas mediante el uso de líneas de transmisión de alto voltaje.

3) Es muy versátil y se puede convertir en casi cualquier forma deseada de energía.

4) Es ideal para la codificación, transmisión y procesamiento de la información digital (o analógica).

5) Tiene mínimamente naturaleza intrusiva, estando presente en los hogares, oficinas y zonas industriales sin ocupar mucho espacio y, sin mucho ruido u otros efectos indeseables.

Fig. 1. Transmisión de líneas altos voltajes. Una representación esquemática del modelo más simple (el llamado radial) de sistema de energía eléctrica.

Por lo general la última etapa es la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Esta conversión se lleva a cabo mediante el uso de un generador síncrono y la energía eléctrica se genera como una alimentación de CA trifásica. Esta potencia se transmite y se distribuye por medio de cuatro (o tres) cables. La tensión de salida de los generadores

síncronos es típicamente entre 12 kV y 30 kV. La distribución de energía se produce a diferentes niveles de voltaje con el más alto nivel está entre 4 kV y 35 kV. Usualmente, hay varias etapas de paso de tensión hasta que se lleva a cabo por los transformadores en subestaciones eléctricas o transformadores montados en postes y, por último, la energía eléctrica se entrega a los clientes. Los sistemas de energía tienen tres componentes principales: generación, transmisión y distribución. Estos componentes se analizan a continuación:

1) sistemas de energía eléctrica deben ser diseñadas y operadas para proporcionar energía eléctrica a clientes en el pico más o menos constante (o RMS) valor de tensión y frecuencia constante a pesar de que cambian continuamente y de manera impredecible cargas.

2) Los sistemas de energía eléctrica están diseñados y operados para generar energía eléctrica en la demanda.

3) Generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante el uso de dispositivos de conversión de densidad de alta energía. Esto último significa que es deseable construir generadores con una potencia máxima de salida por unidad de peso.

Históricamente, estos tres principios han sido fundamentales para el diseño y operación de sistemas de energía eficiente, confiable y amigable con el ambiente.

A continuación se repasa brevemente la generación de energía eléctrica que se produce en las plantas generadoras. Hay diferentes tipos de plantas en función de la fuente original

de la energía: En una planta de energía de combustibles fósiles a la fuente original de la energía es la energía química de los combustibles fósiles (carbón, gas natural o petróleo). Hay tres etapas de conversión de energía. La primera etapa de conversión de energía es la combustión en un horno y la energía química se convierte eventualmente en la energía térmica del vapor. En la segunda etapa, el vapor acciona una turbina y de esta manera energía térmica se convierte en energía mecánica. Finalmente, la turbina de vapor (o gas) está acoplado mecánicamente al rotor de un generador síncrono y, en esta etapa, la energía mecánica se convierte en energía

Introducción a los Sistemas de Potencia (Agosto 2015)

Miguel Aparicio Hernández, m_ahdez@hotmail.com , DIE-ITSSNP

eléctrica. Según los datos facilitados por la Administración de Información de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos, en los EE.UU. en 2012 alrededor del 68% de la energía eléctrica fue generada por las plantas de combustibles fósiles. Aquí, el papel previamente dominante de carbón se reduce y se sustituye por gas gradualmente. En 2012, alrededor del 37% de la energía eléctrica fue generada por las plantas de energía de carbón, alrededor del 30% de la energía eléctrica fue generada por las plantas eléctricas de gas y sólo alrededor del 1% fue generada por las centrales. Resultados de generación de gas en menos contaminación por dióxido de carbono y, por esta razón, es más amigable con el medio ambiente. Generación de gas es conducido actualmente por la disponibilidad de gas natural relativamente barata que se ha logrado debido a la dramática avances en la tecnología de perforación horizontal y la fracturación hidráulica.

En las plantas de energía nuclear, la fuente primaria de energía es nuclear. El origen físico de la energía nuclear es la fuerte interacción que mantiene neutrones y protones juntos en el núcleo de un átomo. En los reactores nucleares, una fisión nuclear controlada (división del núcleo) se produce el proceso que da lugar a la conversión de la energía nuclear en calor y la eventual producción de vapor. La segunda etapa es la conversión de la energía térmica del vapor en energía mecánica mediante el uso de turbinas de vapor. Por último, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante el uso de generadores síncronos. En 2012, alrededor del 19% de la energía eléctrica en los EE.UU. se ha generado por el uso de las centrales nucleares.

En las plantas de energía hidroeléctrica, la energía mecánica (gravitacional) de agua que cae se convierte en energía eléctrica. Estas plantas de energía requieren la construcción de represas para desviar y almacenar agua, así como para controlar su flujo, el uso de turbinas de agua (ruedas de agua) y de polos salientes generadores síncronos. En 2012, alrededor del 7% de la energía eléctrica en los EE.UU. fue generada por plantas hidroeléctricas. Este porcentaje se reducirá con el tiempo porque la mayoría de las fuentes disponibles de energía hidroeléctrica ya se han desarrollado.

Recientemente, un fuerte énfasis se ha puesto en el uso de las energías renovables en la generación de energía eléctrica. Este énfasis ha llevado al aumento de la producción de energía eléctrica mediante el uso de las energías eólica y solar como fuente de energía primaria.

Como se ha mencionado antes, la energía eléctrica se genera como de tres fases de potencia de corriente alterna de frecuencia constante. La frecuencia constante se logra manteniendo constante la velocidad de rotación de los rotores de los generadores síncronos. En los EE.UU. esta frecuencia es de 60 Hz, en Europa y algunas partes de Asia esta frecuencia es de 50 Hz, mientras que en la aviación de alimentación de CA de 400 Hz se utiliza. A frecuencias más altas se pueden utilizar dispositivos de potencia, más ligero y compacto (generadores, motores y transformadores). Sin embargo, las frecuencias más altas resultan en pérdidas de energía más altos (de disipación de calor) y requieren técnicas

de enfriamiento más eficientes.A continuación, se discutira los componentes de transporte

y distribución de sistemas de energía eléctrica. En muchos aspectos, estos componentes son similares. La principal diferencia es que la transmisión de energía eléctrica se produce a voltajes sensiblemente superior a la distribución. En general, cuanto mayor sea la distancia de transmisión, mayor es el nivel de tensión. Además, las líneas de transmisión son por lo general van de la subestación y ofrecen mayor transmisión de potencia, mientras que numerosas líneas de distribución se ejecutan a través de áreas pobladas para llegar a clientes individuales y entregar sólo una pequeña fracción de la energía transmitida a él.

Hay dos tipos de líneas de transmisión y distribución: líneas aéreas y líneas de metro. Las líneas aéreas se construyen mediante el uso de estructuras de apoyo consistentes en torres de acero y / o postes de madera con cuerdas verticales de aisladores de suspensión al que están unidos hilos conductores multifilamento de líneas eléctricas. Las aleaciones de aluminio se utilizan con mayor frecuencia para la realización de cables, mientras que el uso de cobre es rara. El cobre tiene una mejor conductividad, pero el aluminio es más ligero y más barato. Líneas de transmisión y distribución subterráneas están aislados los cables de alta tensión. Se utilizan predominantemente en las áreas metropolitanas densamente pobladas. Su construcción es más cara que la construcción de la transmisión de los gastos generales y las líneas de distribución, pero son mucho menos afectado por las inclemencias del tiempo. ¿Por qué los altos voltajes se utilizan para la transmisión y distribución? La primera razón es que el uso de altos voltajes reduce las pérdidas de transmisión y distribución.

Fig. 1.2.

Fig. 1. 3

La segunda razón para utilizar transmisión de alta tensión es aumentar la capacidad de transmisión de la línea de transmisión. A continuación, vamos a ilustrar esto considerando un modelo muy simplificado de la línea de transmisión de corriente continua se muestra en la Figura 1.2, donde R representa la resistencia total de los cables de conexión y R es la resistencia de la carga

La segunda razón para utilizar transmisión de alta tensión es aumentar la capacidad de transmisión de la línea de transmisión. A continuación, vamos a ilustrar esto considerando un modelo muy simplificado de la línea de transmisión de corriente continua se muestra en la Figura 1.2, donde R representa la resistencia total de los cables de conexión y R es la resistencia de la carga

El modelo de un sistema de potencia se muestra en la Figura 1.1 es bastante simplista en la naturaleza e ilustra la transmisión de energía eléctrica a partir de una planta de energía GLE en una dirección hacia estrechamente cargas localizadas. En realidad, las líneas de transmisión están fuertemente interconectados entre varias plantas de energía y servicios públicos. Estas plantas y compañías eléctricas interconectadas forman redes de energía eléctrica que existen en los EE.UU. a escala continental. Existen las siguientes ventajas de las redes eléctricas: 1) la asistencia mutua en tiempos de emergencia; 2) posibilidades para el comercio de energía a largo plazo entre los diversos servicios públicos; 3) posibilidades de oficios de energía a corto plazo entre los servicios públicos vecinos; y 4) la facilitación de la creación de un mercado eléctrico mundial en el marco de los servicios públicos liberalizados.

Por último, es oportuno discutir brevemente la estructura de empresas de servicios públicos que operan los sistemas de energía y el concepto de desregulación de la industria de servicios públicos. Históricamente, las empresas de servicios públicos fueron creadas y operadas como monopolios regulados y verticalmente integrados. Eran los monopolios naturales, ya que fue reconocido y aceptado que sería perjudicial para el medio ambiente para tener varias utilidades que compiten en la misma zona con diferentes (y redundantes) líneas de transmisión y distribución. Estos monopolios se integraron verticalmente debido a que pertenecen y fueron responsables de la operación de los tres componentes de los sistemas de energía (Generación, transmisión y distribución), así como para servir a todos sus clientes en el área de su monopolio. Estos monopolios se regularon porque comités reguladores especiales controlan la cantidad de estos monopolios verticalmente integrados podrían cobrar a sus clientes por la potencia eléctrica entregada. Esta estructura de los servicios públicos de energía eléctrica tuvo bastante éxito durante muchos años. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, la nueva idea se ha avanzado que la energía eléctrica generada como producto es fundamentalmente distinta de la

transmisión y la distribución como un servicio. Sobre esta base, se sugirió y parcialmente implementado que la generación de energía eléctrica debe estar abierto a la competencia en lugar de ser el monopolio de utilidades locales. Esto dio lugar a la formación de los mercados energéticos mundiales, donde los clientes tienen la oportunidad de comprar energía eléctrica a partir de diferentes proveedores. Se ha argumentado que la competencia en el lado de la generación de la empresa de la red pública eventualmente resultar en la reducción de los costos de la energía eléctrica. Esta reducción de costos aún no se ha materializado. La desregulación plantea muchas cuestiones fundamentales relativas al funcionamiento de los sistemas de energía interconectados.