Modulo 1 - Recuento General Estabilidad SdeP

5/18/2018 Modulo 1 - Recuento General Estabilidad SdeP

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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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