Operación de los Sistemas de energía eléctrica - regulación de frecuencia. 1ra Parte

En el análisis que haremos a continuación consideraremos solo generadores sincrónicos. Además, mostraremos en primer lugar los sistemas de energía eléctrica sin almacenamiento y sin regulación de frecuencia. Luego incluiremos regulación de frecuencia y por último, en la 2da parte de la Nota, el almacenamiento de energía.

 

1) Generadores sincrónicos

Los generadores sincrónicos tienen un estator fijo trifásico y un rotor alimentado por una fuente exterior de corriente continua, o bien un imán permanente, que  rota a partir del par producido por una turbina, que puede ser hidráulica, a vapor, a gas o eólica, o bien por un motor. Como resultado se tiene un campo magnético producido por la corriente continua del rotor, que gira con una velocidad angular igual a la velocidad de rotación del rotor. Este campo magnético rotante induce en las bobinas fijas del estator, tensiones y corrientes trifásicas, con una frecuencia: 

   f [Hz] = nG [rpm] p / 60  (1)

Donde nG es la velocidad de rotación del rotor, conocida como velocidad de sincronismo y  p es el número de pares de polos. La velocidad de sincronismo nG es la velocidad a la que tiene que girar el rotor de ese generador para obtener el valor de f deseado (50 o 60Hz).  Si nG baja o sube,  baja o sube la frecuencia f del valor deseado. O sea que hay un sincronismo entre nG y la f deseada. En otras palabras, si queremos tener una frecuencia fija y estable, deberemos tener una velocidad de rotación del rotor fija y estable

 

2) Sistemas de energía eléctrica sin almacenamiento

Un sistema de energía eléctrica sin almacenamiento es, por definición, un sistema en el que la energía se produce, transmite y consume en tiempo real, es decir la energía es intermitente y se produce según lo requiera la demanda. Esto significa que siempre debe mantenerse un equilibrio entre la producción y el consumo de electricidad. Un cambio en este equilibrio, altera la frecuencia del sistema y si esto viola un rango de frecuencia estrictamente predefinido, puede amenazar la estabilidad y por lo tanto la seguridad del sistema de energía.

La frecuencia de estado estacionario de 50 Hz es, por tanto, una indicación de que la generación y el consumo están en equilibrio. Los consumidores también se denominan cargas o demanda.

El mantenimiento del equilibrio de potencia entre generador y carga, implica que en caso de demasiada generación eléctrica (suministro), la frecuencia aumentará, mientras que en caso de demasiado consumo eléctrico la frecuencia disminuirá. El equilibrio del sistema es, en general, responsabilidad de los operadores del sistema de transmisión, que utilizan algunas grandes centrales eléctricas predeterminadas, que existen en el sistema, para mantener la frecuencia constante en su valor nominal. Este equilibrio se asegura típicamente a través de funciones como la activación de generación adicional o la desconexión de cargas, esta última acción se conoce como deslastre de carga. El objetivo del presente informe es ofrecer una introducción sobre cómo se puede mantener el equilibrio del sistema controlando la frecuencia.

 

2-1) Desequlibrio instantáneo entre carga y generación

Se describe la ecuación de movimiento, fundamental para comprender el efecto de un desequilibrio instantáneo entre carga y generación sobre la frecuencia del sistema.

En la Fig.1 se ha representado en forma esquemática y simplificada un sistema de energía eléctrica sin almacenamiento y sin regulación de frecuencia. Observe que el generador es impulsado por un motor primario, que puede ser, por ejemplo, una turbina a vapor, a gas, hidroeléctrica o eólica, o un motor diesel.

Fig. 1 – Sistema de energía eléctrica simplificado con un solo motor primario, generador y carga, sin regulación y sin almacenamiento.

Desde el punto de vista del control de frecuencia, el sistema de energía puede pensarse como una sola gran central eléctrica que suministra electricidad a una carga. Dos pares opuestos actúan sobre la gran masa giratoria, a saber, un par mecánico Tmec y un par eléctrico Telec, como se muestra en la Figura 1. El par mecánico es representativo de la potencia aplicada por el motor primario sobre el rotor del generador y el par eléctrico, que siempre estará en oposición con el mecánico, es representativo de la potencia absorbida por la carga. Llamaremos ω [rad/seg] a la velocidad angular de la masa giratoria. Cuando la carga absorbe exactamente la potencia que genera el generador, ambos pares serán de gual magnitud, pero de sentido contrario.

La relación entre la velocidad angular ω  y la frecuencia f  viene dada por la siguiente ecuación:

 

ω = 2 π f / Nº pp      (2)

 

donde Nº pp es el número de pares de polos. De modo que la relación entre ω y  f  es a través de una constante.    

En caso de un desequilibrio entre estos pares, la masa giratoria experimentará una aceleración o desaceleración angular dω / dt,  según  la Segunda Ley de Newton para sistemas rotativos:

 

Tmec - Telec = I dω / dt [Kg m2 / seg2]           (3)

 

donde I es el momento de inercia de la masa rotacional. Observe que la inercia I tiene un efecto de estabilización, es decir, en caso de un desequilibrio en los pares, el cambio de velocidad angular es menor para un sistema con alta inercia en comparación con un sistema con baja inercia, lo que significa que un sistema de alta inercia es más estable: dω = (Tmec – Telec) dt/ I

 

La ecuación (3) también se conoce como ecuación de movimiento. La ecuación de movimiento incluye componentes generalmente giratorios del sistema de energía, es decir, unidades generadoras y cargas. Observe que un aumento repentino en la generación, es decir, en el par mecánico Tmec, implica un aumento en la velocidad de rotación y, por lo tanto, en la frecuencia f en el sistema. A la inversa, un aumento del consumo, es decir, del par eléctrico Telec, implica una disminución de la frecuencia f. Vale la pena recordar que cuanto mayor es la inercia de la masa giratoria, menor es la tasa de cambio de velocidad angular después de un desequilibrio de pares. La ecuación de movimiento también se puede expresar en términos de potencia utilizando la relación proporcional entre potencia y par:

 

P = T ω [Kgm2 / seg3]                             (4)

 

Al aplicar esta relación, la ecuación de movimiento en términos de potencia (ecuación de balance de potencia) se puede expresar como:

 

Pmec - P elec = I ω dω / dt = M dω / dt       (5)

 

donde Pmec es la potencia mecánica, Pelec es la potencia eléctrica y M es el momento angular de un sistema rotatorio, definido como:

 

M = I ω [kg m2 / seg]                                   (6)

 

 

3) Sistema de energía eléctrica con regulación de frecuencia y sin almacenamiento

Según lo visto en el punto anterior, es necesario un mecanismo automático que corrija los cambios en la frecuencia, cuando la generación o el consumo exceden a su contraparte.

La frecuencia está determinada por la velocidad de rotación de los generadores que proporcionan energía al sistema. Su valor está estrechamente relacionado con la generación y demanda de electricidad. Si un sistema estuviera generando y consumiendo la misma cantidad de energía, una carga adicional conectada a la red demandaría una cantidad extra de energía que tendría que provenir de la energía cinética almacenada en los generadores de suministro. Sin un esquema de control de frecuencia adecuado, tal sobre demanda ralentizaría gradualmente la velocidad de rotación de los generadores y, en consecuencia, causaría una caída en el nivel de frecuencia. Por el contrario, una desconexión de una carga aceleraría los generadores y, por lo tanto, aumentaría la frecuencia de la red.

Para hacer frente a este dilema, se han diseñado dos esquemas de control de frecuencia para regular el valor de la frecuencia:

a) El esquema de control primario: se proporciona automáticamente (típicamente dentro de los 30 segundos posteriores a una caída de frecuencia) mediante unidades generadoras rápidas a través de un bucle de control de caída de frecuencia (generalmente proporcional). En el caso de una caída de frecuencia, estas unidades generadoras comienzan inmediatamente a producir más energía para evitar una mayor disminución de la frecuencia en el sistema. Como se ilustra en la Figura 2, la tarea del control primario es devolver la frecuencia a valores de frecuencia aceptables a corto plazo. Durante el control primario, la frecuencia se estabiliza así temporalmente a un nivel más bajo que el inicial, estando el sistema todavía en una condición de alerta (es decir, área amarilla).

b) El esquema de control secundario: también llamado Control de frecuencia de carga, es un lazo de control suplementario, mucho más lento que el control primario, que redistribuye la carga entre las distintas unidades generadoras para restaurar la frecuencia a su valor nominal. En el control secundario, los puntos de ajuste de potencia de los generadores se ajustan para compensar el error de frecuencia restante después de la función de control primario.

 

Fig. 2 – Sistema de energía eléctrica con regulación de frecuencia y sin almacenamiento

4) Componentes de las unidades generadoras

El principio del equilibrio entre producción y consumo en un sistema de energía se puede presentar mejor considerando una unidad generadora aislada que alimenta una carga local, como se ilustra en la Fig. 3. La energía eléctrica es producida por un generador impulsado por un motor primario, que es generalmente una turbina o un motor diesel. La turbina está equipada con un regulador, que controla la velocidad de la unidad generadora de acuerdo con una característica frecuencia / potencia predefinida.

Fig. 3 – Sistema de energía eléctrica con regulación de frecuencia y sin almacenamiento

4-1) Motor primario

Como se ilustra en la Figura 3, la producción de energía eléctrica por medios mecánicos siempre requiere un motor primario para impulsar un generador. Un motor primario es principalmente una turbina o un motor diesel, que se utiliza para convertir una fuente de energía (es decir, vapor, hidroeléctrica, eólica o gas oil) en un movimiento de rotación mecánico del rotor de un generador. Un motor primario tiene típicamente una válvula de mariposa, cuya posición (abrir / cerrar) se ajusta continuamente mediante un dispositivo de control llamado regulador. La entrada del motor primario es un flujo de potencia Pcomb,  relacionado con la posición de la válvula mariposa, mientras que su salida es la potencia mecánica Pmec, que impulsa el generador.

 

4-2) Regulador

Cada motor primario está equipado con un regulador que sensa los cambios de velocidad de la turbina y la compara a un valor de referencia (ωref) predefinido (set point). El regulador es, por tanto, un mecanismo que controla la velocidad de la unidad ajustando (aumentando o disminuyendo) el flujo de potencia hacia el motor primario para cambiar la salida de potencia mecánica Pmec, para compensar los cambios de carga y así mantener la frecuencia (velocidad) en un valor deseado.

Tipos de Reguladores:

4-2b) Regulador isócrono: es el tipo de regulador más simple, controla y mantiene la frecuencia independientemente de la carga del generador. Ajusta la válvula del motor primario para que la frecuencia vuelva a su valor de referencia. Este modo de regulador también se conoce como modo de operación de control de frecuencia. Tal regulador funciona satisfactoriamente cuando solo un generador en el sistema tiene que responder a cambios en la carga. Este tipo de regulador es problemático de usar cuando varios generadores, conectados para funcionar en paralelo, tienen que compartir la carga en el sistema, porque pueden trabajar uno contra el otro, tratando de controlar la frecuencia a sus propios ajustes.

4-2b) Regulador de caída de velocidad: controla la frecuencia teniendo en cuenta la carga del generador. Proporciona la función de control primario, descripta en la Sección 3-a). Se utiliza  cuando dos o más unidades generadoras conectadas al sistema eléctrico tienen que compartir un cambio de carga.