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CAPTULO 2 ESTABILIDAD EN SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA

2.1. INTRODUCCINLa estabilidad es una propiedad innata de los sistemas dinmicos, que son sistemas complejos que presentan un cambio o evolucin de su estado en el dominio del tiempo, el comportamiento en dicho estado se puede caracterizar determinando los lmites del sistema, los elementos y sus relaciones. En efecto los sistemas de energa elctrica son uno de los sistemas dinmicos ms grandes del mundo construidos por el hombre. Los sistemas elctricos de potencia presentan dinmicas en una amplia escala de tiempos. Desde la escala de los microsegundos correspondientes a los sobrevoltajes debidos a la cada de un rayo hasta la escala de las horas correspondiente al seguimiento de la carga a lo largo del da. La inestabilidad de un sistema puede estar entre los segundos e incluso minutos de la escala de tiempo. El objetivo del estudio de estabilidad de un sistema elctrico de potencia es el de conocer si el sistema est en la capacidad de alcanzar un nuevo punto de equilibrio estable o de volver a un punto de equilibrio estable tras la ocurrencia de una perturbacin. El problema de estabilidad es de gran importancia debido a la afectacin en la planificacin, operacin, control y proteccin de los sistemas elctricos de potencia desde el inicio del desarrollo de los sistemas de energa elctrica. La inestabilidad en sistemas de potencia se puede manifestar de diferentes formas, dependiendo principalmente de la configuracin del sistema y del modo

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de operacin. Tradicionalmente, el problema de estabilidad era el mantener el sincronismo en la operacin del sistema. Debido a la utilizacin de mquinas sincrnicas para la generacin de energa elctrica en los sistemas de potencia, se hizo necesaria la condicin de que todas las mquinas sincrnicas permanezcan en sincronismo.

2.2. ANTECEDENTES HISTRICOSLas primeras referencias al problema de estabilidad datan de los aos veinte. El problema que se planteaba era saber si un generador podra mantenerse funcionando en sincronismo tras la ocurrencia de un cortocircuito en algn punto del sistema de transmisin. En otras palabras, si el tiempo que invertan las protecciones e interruptores en el despeje de la falla (si era transitoria) era superior al denominado tiempo crtico de despeje de falla. En el caso de que este tiempo sea superior al tiempo crtico se haca precisa una modificacin del diseo de la citada red de transmisin (construccin de lneas en paralelo a las inicialmente consideradas). Como solucin al problema planteado se logr instalar protecciones e interruptores cada vez ms rpidos, y como resultado se obtuvo una reduccin en los tiempos de despeje. Tambin la instalacin de reguladores de voltaje rpidos y de elevadas ganancias (basados en rectificadores controlados electrnicamente) lograron reducir los tiempos de despeje. Sin embargo, dieron lugar a una nueva forma de inestabilidad; las oscilaciones sostenidas o incluso crecientes del rotor del generador sin que mediara una perturbacin severa alguna (los primeros casos referenciales datan de los aos sesenta) [2]. En realidad, las oscilaciones sostenidas aparecan cuando se aumentaba la potencia generada por encima de un cierto valor. La incorporacin de controles suplementarios a los reguladores de voltaje (los estabilizadores del sistema de potencia) logr amortiguar las citadas oscilaciones. Otra forma de inestabilidad que ha aparecido en los aos setenta y ochenta no est relacionada con la capacidad de los generadores de funcionar en

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sincronismo, sino con la capacidad del sistema de alimentar una carga a un voltaje aceptable. La inestabilidad de voltaje o colapso de voltajes se pone de manifiesto por la cada progresiva e incontrolable del voltaje en la carga tras una perturbacin. Los problemas de estabilidad van aumentando su complejidad, a medida que los sistemas elctricos de potencia van creciendo en extensin, como por ejemplo las interconexiones entre sistemas cada vez ms distantes. La complejidad del problema tambin se ve afectado por la presencia de sistemas de control y de proteccin cada vez ms sofisticados. Debido a lo acotado anteriormente se pasa de hablar de la estabilidad de un generador a la estabilidad del sistema.

2.3. ESTABILIDADLa estabilidad en un sistema elctrico de potencia puede ser definida como la propiedad del sistema que permite a ste, mantenerse en un estado de operacin equilibrado bajo condiciones normales y recuperar un estado de equilibrio luego de estar sujeto a una perturbacin. La inestabilidad en los sistemas de potencia se puede manifestar de distintas formas dependiendo de la configuracin del sistema y el modo de operacin. Los sistemas de potencia deben ser capaces de soportar distintos tipos de perturbaciones tales como: prdida de un generador, prdida de carga o el cortocircuito en una de las lneas del sistema de transmisin sin perder el sincronismo de las mquinas del sistema. La respuesta de un sistema de potencia ante el aparecimiento de una perturbacin involucrar al equipamiento de control y proteccin, por ejemplo un cortocircuito en una lnea de transmisin de un sistema de potencia tendr como respuesta el despeje de la falla por medio de los reles de proteccin, lo que ocasionar variaciones de potencia transferida, velocidad de los rotores de las mquinas sincrnicas y voltajes de barras, y la actuacin de los equipos de control como regulador de voltaje del

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generador y regulador de velocidad del generador. Estas variaciones afectarn de forma directa el comportamiento del sistema. Debido a la cantidad de parmetros que posee un sistema de potencia es necesario realizar una clasificacin de los problemas de estabilidad en varias categoras para tener una comprensin prctica y para el correcto anlisis de los mismos.

2.4. CLASIFICACIN DE LA ESTABILIDADLa estabilidad en sistemas de potencia es de gran complejidad. Existen algunas formas de inestabilidad que se pueden presentar en un sistema de potencia, debido a esto para abordar la comprensin de un problema de estabilidad especfico es de gran ayuda la caracterizacin en trminos de los siguientes criterios [3]: La naturaleza fsica de la inestabilidad resultante (se habla de estabilidad de ngulo y de estabilidad de voltaje). La severidad de la perturbacin considerada, en la que se considera el mtodo de clculo y prediccin de la estabilidad (se habla de estabilidad de gran perturbacin y de estabilidad de pequea perturbacin). Los dispositivos, procesos y el lapso que debe ser tomado en consideracin para determinar la estabilidad. El Grfico 2.1 muestra de forma general el problema de estabilidad de un sistema de potencia, identificando las categoras y sub-categoras. Como una necesidad prctica, la clasificacin se bas en un nmero de consideraciones diversas, haciendo esto difcil para seleccionar con claridad la distincin entre categoras y proveer definiciones rigurosas pero provechosas para el uso prctico. Por ejemplo, hay solapamiento entre la estabilidad de perodo-medio, perodo-largo y estabilidad de voltaje. Con los modelos apropiados de cargas,

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cambiador de toma bajo carga de transformadores y lmites de potencia reactiva de generadores, las simulaciones de medio/largo-perodo son idealmente adecuadas para anlisis dinmico de estabilidad de voltaje. De forma similar aqu hay un solapamiento entre estabilidad transitoria, perodomedio y perodo-largo: las tres usan similares tcnicas analticas para la simulacin de respuesta no lineal en el dominio del tiempo del sistema ante grandes perturbaciones. Aunque las tres perturbaciones son de inters, con distintos aspectos del problema de estabilidad en trminos de anlisis y simulacin, estas son extensiones de una y otra sin fronteras claramente definidas.

Grfico 2.1 Clasificacin de la Estabilidad

Mientras la clasificacin de la estabilidad de sistemas de potencia es un efectivo y conveniente medio para enfrentar la complejidad del problema, la estabilidad completa del sistema debe estar siempre presente para la correcta operacin y

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anlisis del sistema. Es esencial mirar todos los aspectos del fenmeno de estabilidad y de cada uno de estos proporcionar un punto de vista adicional. Esto requiere el desarrollo y el uso eficiente de distintas herramientas analticas.

2.4.1. ESTABILIDAD DE VOLTAJE La estabilidad de voltaje en un sistema elctrico de potencia se define como la habilidad que posee un sistema para mantener voltajes estables y aceptables (dentro de los lmites permisibles) en todas sus barras bajo condiciones de operacin normales y luego de ser sujeto a una perturbacin. Esto depende de la destreza del sistema de mantener o regresar a un punto de equilibrio entre la demanda y la generacin del sistema de potencia. El sistema entra en inestabilidad de voltaje cuando una perturbacin, tal como un aumento de carga, o la salida de algn elemento del sistema causa una cada de voltaje que es progresiva e irreparable. El principal factor que incide en la inestabilidad de voltaje es satisfacer la demanda de potencia reactiva del sistema. El efecto que produce la inestabilidad de voltaje es la cada de voltaje que ocurre cuando la potencia activa y reactiva fluye a travs de las reactancias inductivas de la red de transmisin, lo que limita la capacidad de transportar potencia y mantener los voltajes en la red de transmisin. Como criterio de estabilidad de voltaje se dice que para un punto de operacin o para todos los nodos del sistema, ste es estable si el voltaje de cada nodo aumenta cuando hay una inyeccin de potencia reactiva en el mismo nodo [1]. El sistema es inestable en voltaje si hay un nodo donde el voltaje disminuye al aumentar la potencia reactiva inyectada en el nodo. De este modo se puede decir que la regin de atraccin a la estabilidad de voltaje est dada donde la sensibilidad voltaje-potencia reactiva es positiva y en