Parte de Gilbert Regulacion Primaria y Secundaria Conceptos y Ejemplos.

 

I.

Regulación primaria y secundaria (Explicación teórica de ambas regulaciones con ejemplos) 1. Regulación primaria (Rp)

Con la finalidad de evitar variaciones de frecuencia excesivas, que resultarían si la adaptación de la generación a la carga se realizase únicamente por autorregulación del sistema, las turbinas están provistosde devapor reguladores de velocidad automáticos que actúan sobre los órganos de admisión o agua cuando la velocidad de la turbina se aparta de la velocidad de referencia del regulador.

Figura 1. Variación de la frecuencia con el tiempo ante un disturbio.

Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia.

a) Definición de regulación primaria

Regulación automática efectuada por los reguladores de velocidad o gobernadores de las turbinas, t urbinas, las que actúan sobre órganos de admisión de agua o vapor cuando la frecuencia toma consumida valores prohibitivos debido aen que potencia generada es diferente a la potencia como se observa la figura fla igura 1. Se debe aclarar que los reguladores de velocidad o gobernadores de las turbinas, son dispositivos individuales, instalados junto a cada turbina que regulan la velocidad de la máquina que controlan. La velocidad angular de todos los generadores conectados al sistema es igual a la frecuencia del sistema dividida por el número de pares de polos del generador.

Donde: n: Velocidad angular en RPM.   f: Frecuencia en Hz.   p: Número de pares de polos

 

2. Regulación propia de u un n sistema eléctrico a) Coeficiente de amor amortiguamiento tiguamiento del sistema

La potencia consumida en un sistema eléctrico varía en función del tiempo. Una diferencia entre la potencia consumida y la potencia generada causa una corresponde de a un deseq desequilibrio uilibrio variación de frecu frecuencia encia, ya que esa diferencia correspon entre el par resistente y el par motor de las unidades generadoras. Si partiendo de un estado de equilibrio en el que el par motor es igual al par generador y al que corresponde un valor determinado, constante, de la frecuencia, se produce un cambio de la potencia consumida y si la posición de las válvulas de admisión de agua o de vapor de las turbinas; no se modifica, la frecuencia del sistema variará. Por lo tanto, en la mayor parte de los casos un aumento de frecuencia, produce un aumento del par resistente de la carga y una disminución del par motor de las turbinas, una disminución de la frecuencia produce el efecto contrario. b) Definición de coeficiente de amor amortiguamiento tiguamiento (D):

Es la posibilidad, inherente del sistema o máquina, de alcanzar un nuevo estado de equilibrio de operación frente a un disturbio que caracteriza caracteriza la ley de variación de la carga eléctrica en función de la frecuencia.

Donde: ∆f: Incremento de la frecuencia f recuencia en por unidad o Hz. ∆PL: Incremento de la carga eléctrica por unidad o en MW.

El valor de D varía según el tipo de turbina y según la naturaleza de la carga considerada. En un sistema con carga pequeña el coeficiente de amortiguamiento toma valores altos y en un sistema eléctrico grande, este coeficiente D puede tomar valores bajos por lo tanto, las variaciones de frecuencia del sistema debido a las variaciones inevitables de la carga pueden ser una amplitud inadmisible. En resumen estas diferencias entre la generación y la carga producirán, si no existe ningún medio de regulación automático, variaciones de la frecuencia cuyo valor dependerá del coeficiente de amortiguamiento del sistema.

 

  II.

Los reguladores de velocidad

Los reguladores al detectar una variación de velocidad, ponen en funcionamiento un conjunto de sistemas de aceite a presión que dan orden al distribuidor, de esta forma gobierna, controla y regula la admisión de agua o vapor a las turbinas hasta conseguir la frecuencia nominal, estos reguladores pueden clasificarse en astáticos y estáticos según el tipo de regulación r egulación que efectúan. En términos generales, se puede mencionar que un regulador de velocidad está esencialmente constituido de tres elementos. Un elemento sensible a la velocidad de rotación de la máquina. Un servomotor que accionado por una señal del primotor abre o cierra el distribuidor de turbina. Un dispositivo de accionamiento que se encuentra conectado a la posición de apertura de la turbina, tal cuando esta ha encontrado la nueva posición de equilibrio, regresa al servomotor a la posición de reposo. El esquema más elemental de un regulador de velocidad es el que se indica a continuación en la figura 2.

Figura 2. Esquema elemental de un regulador de velocidad. Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia. frecuencia.

Donde: S: Servomotor. P: Bomba de aceite.  A: Dispositivo de acercamiento acercamiento o ajuste. V: Variador de velocidad. D: Distribuidor de la turbina. T: Péndulo taquimétrico. C: Émbolo de distribuidor del aceite al servomotor.

 

  1. Características de los reguladores de v velocidad elocidad a) Regulación astática o isotrópica (igu (igual al recor recorrido) rido)

Partimos de una situación inicial de funcionamiento normal, en la que el conjunto se encuentra tal y como indica la figura 3, consideremos, como principal referencia, la horizontalidad de la palanca abc, sobre cuyo extremo fijo c esta se apoya y puede girar hacia arriba o hacia abajo, según actuación del tacómetro, al que, por medio de un collar deslizante sobre su eje por la acción de las masas giratorias, se une la palanca en su extremo a, mediante una conexió conexión n adaptable y con libertad de movimiento sobre este punto, la conexión conexión del vástago de la válvula distribuidora sobre la palanca, en el punto b, también es deslizante. En caso de disminuir la carga, la turbina tenderá a aumentar su velocidad, lo cual será detectado por el tacómetro, cuyo eje girará más rápido, elevándose los péndulos y el collar solidario a los mismos, debido a la fuerza centrífuga desarrollada y por consiguiente, el extremo a de la palanca. Figura 4.

Figura 3. Regulador astático (Regulador de una turbina Francis ). Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia.

 

  Figura 4. Actuación del regulador astático, astático, al dismin disminuir uir la carga. Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia.

Los émbolos de la válvula distribuidora, movidos desde el punto b de la palanca, toman una posición tal, que el aceite tiene camino hacia el lado derecho del servomotor (según disposición de la figura), el cual acciona al anillo de distribución en el sentido de "Cerrar". En los reguladores actuales, el mando de la válvula distribuidora se realiza r ealiza por medio de una válvula piloto, constituida por un émbolo diferencial u otro dispositivo análogo, que permite reducir los esfuerzos requeridos a la palanca de maniobra y, al mismo tiempo, aumentar la sensibilidad del regulador. Una vez que el paso de agua ha disminuido, la velocidad de la turbina tiende a aminorarse y el tacómetro responde al nuevo número de revoluciones reduciendo también su velocidad, con lo que los péndulos y los puntos a y b de la palanca descienden, situándose los émbolos de la válvula distribuidora en la posición de origen. No obstante, esta situación no se logra de forma instantánea, por producirse una serie de oscilaciones, por efecto de inercia que lleva el collar del tacómetro en los desplazamientos sobre su eje, debido a la propia inercia de las masas giratorias. Se deduce que existe una sola posición del punto a para asegurar la situación media de los émbolos de la válvula distribuidora. Por lo tanto, se puede deducir:  

Los reguladores astáticos mantien mantienen en constante en número de revoluc revoluciones iones del grupo, sea cual sea el valor de la carga solicitada, característica Astática. (Figura 5).

 

  Figura 5. Característica Características s astáticas de la frecuencia o rpm en función de la potencia. Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia.  

Los reguladores astáticos no son utilizados para generadores que se interco interconectan nectan con otros generadores, debido a que la repartición de carga se hace de manera indeterminada, queden sin ella.corriéndose el riesgo de que un grupo tome toda la carga y los otros

 

Los reguladores astá astáticos ticos tienen la tendenci tendencia a a oscilar en caso de vvariaciones ariaciones repentinas de carga, de tal modo que se originarían continuamente sobrerregulaciones y subregulaciones.

2. Características de regulación de un sistema eléctrico   Estatismo (s)

Se define el estatismo de un regulador de velocidad, como el cambio de velocidad que se tiene al pasar la carga de cero a 100% de carga y se puede expresar como:

 

 

Estatismo del regulador

Figura 6 Estatismo del regulador.

Donde: S: Estatismo.  Δf : Variación de frecuencia. fn: Frecuencia nominal (Hz). Ymx: Desplazamiento máximo del servomotor.  ΔY: Variación Variación del servomotor. servomotor.   

Equivalente en potencial del estatismo del regulador

Figura 7. Equivalente en potencia

 

 

Donde: Pmx =Potencia máxima de la turbina.  ΔP =Variación de potencia. potencia. 

Ejemplo: Si S = 4%

y fn = 60 Hz

La variación de frecuencia será:  Δf   = 2,4 Hz lo que significa que cuando se varía la potencia a 100% (valor

máximo) la potencia tendrá una banda de variación de 2,4 Hz donde gráficamente gráf icamente se puede observar en la figura siguiente. S



 4% para fn  60 Hz  

Figura 8. Variación de la frecuencia Fuente: Elaboración propia  

Energía reguladora (K) 

Otra forma de definir la característica de un regulador de velocidad es en términos de la energía reguladora. La energía reguladora es la relación que existe entre la variación de la potencia generada en MW y la correspondiente variación de frecuencia f recuencia en Hz.

Donde: K: Energía reguladora en MW/Hz.

 

El signo negativo se debe a que, de acuerdo con la característica del regulador velocidad, a un aumento de potencia generada corresponde una disminución de la frecuencia y viceversa, es decir, que el incremento de potencia es de signo contrario al de la frecuencia. Debido al signo menos que aparece en la expresión anterior K resulta una cantidad positiva. Si consideramos el cambio de carga cero a plena carga (100%) tendremos: 

ΔP = Pn 

-Δf = Sfn 

Por lo tanto, dividiendo se tiene:

% o MW/HZ

III. 

Regulación secundaria

Como se acaba de ver, si se dispone únicamente de la regulación primaria proporcionada por los reguladores de velocidad de las turbinas, la diferencia entre el consumo real y el programa de generación causará una desviación de la frecuencia con respecto a la frecuencia nominal. Si esta situación no se corrige, el error de frecuencia f recuencia puede llegar a alcanzar valores intolerables. Para establecer la frecuencia a su valor será necesario actuar sobre el dispositivo de reajuste hasta que el equilibrio entre generación y carga se restablezca a la frecuencia nominal. Generalmente, el dispositivo de reajuste es actuado por un pequeño motor de corriente continua, llamado de sincronización. Este motor se controla desde el tablero de la máquina (sala de mando de máquinas). La regulación secundaria debe ser suficientemente lenta para no causar la reacción desordenada de los reguladores primarios. Es evidente que esta regulación secundaria puede realizarse automáticamente. Para esto basta medir la frecuencia del sistema y comprobarla con la frecuencia f recuencia nominal producida por un generador de frecuencia patrón. Se obtiene así el error de frecuencia Δf. Esta  

señal actúa un emisor de impulsos que a su vez actúa sobre el motor del dispositivo de reajuste en el sentido de hacer aumentar o disminuir la generación, según el signo de error de frecuencia.

 

 

División de la carga entre los generadores

El empleo del regulador de velocidad permite que se cambie según se necesite la entrada de agua o vapor y la salida de potencia eléctrica a una frecuencia determinada. La influencia de esto sobre las máquinas puede verse en la figura 6. La salida de la máquina no queda determinada, por tanto, por las características del regulador, sino que puede variarse para ajustarse a consideracione consideracioness económicas y de otro tipo por el personal que está en la central. Las características del regulador solamente deciden de modo completo la salida de las máquinas máquinas cuando se produce una variación repentina de la carga o cuando se permite que las máquinas varíen sus salidas de acuerdo con la velocidad dentro de un margen prescrito con objeto de mantener la frecuencia constante. Este último modo de funcionamiento se conoce como acción libre del regulador.

Figura 9. Dos generadores conectados a una barra de potencia infinita. El mecanismo acelerador de la máquina A se ajusta de modo que las máquinas soporten la misma carga. Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia.

Se sabe que la diferencia de tensión t ensión entre dos extremos de una interconexión de impedancia total viene dada p por  or : RP - XQ

V  E - V  

 

 Además el ángulo de potencia (ángulo de tran transmisión) smisión) d viene dado por:

Cuando X >> R, es decir en el caso de la mayor parte de las redes de transmisión V   P

y ΔV  Q

Por lo tanto, (a) el flujo de potencia activa entre dos nudos está determinado fundamentalmente por el ángulo de transmisión, (b) el flujo de potencia reactiva

 

está determinado por la diferencia escalar de tensión entre los dos nudos. El avance angular de GA (Figura 7) se debe a una entrada relativa de energía mayor en la turbina A que en la B. la provisión de este vapor o agua extra a A es posible debido a la acción del mecanismo acelerador del regulador de velocidad sin el cual las salidas de potencia de A y B estarían determinados solamente por las características nominales del regulador.

Figura 10. Dos centrales generadoras enlazadas por una interconexión de impedancia (R+jx) (R+jx) W. El rotor de A está en avance de fase respecto a B y V1 > V2 Fuente: TECSUP virtual eMOOC (2018). Control de potencia activa y frecuencia

IV.

Regulación en un sistema interconectado

En un sistema interconectado los reguladores de velocidad con que participa cada central ante una pérdida de generación depende de la posición del estatismo asignado a su regulador de velocidad y de la magnitud de reserva rotante disponible al ocurrir la perturbación. pert urbación. Según su participación en la regulación de la frecuencia, las centrales pueden ser:   Centrales que regulan la frecuencia del sistema Son las que asumen la pérdida de generación en forma inmediata, requieren tener estatismo bajo y la mayor proporción de reserva rotante. Ejemplo en el sistema interconectado centro norte del (SICN) la Central HUINCO regula la frecuencia y es la barra de referencia sistema.  

 

Centrales que ayudan a regular la frecuencia del sistema: tendrán un

estatismo medio, y un margen de reserva rotante menor grupo: en el SICN. Las centrales de Mantaro, Carhuaquero, Aguaytía son las que ayudan a regular la frecuencia luego de un disturbio. Centrales que no intervienen en la Regulación de frecuencia del sistema:

Pueden tener valores altos de estatismo, no requieren mantener reserva rotante, y deben generar al máximo su capacidad en forma constante.

Es importante, notar que si el estatismo de los reguladores de velocidad de varias unidades fuese igual la carga acción total de lade regulación cada unidad sería poraigual con absorbida respecto alpor aumento la carga. primaria por Mientras menor sea el estatismo de cada una de las unidades mayor será la porción del aumento de carga que tome y en el límite, si el estatismo de una de las unidades es cero, es decir, si la característica es una recta horizontal, la variación

 

de carga sería absorbida totalmente por esta unidad. Si el estatismo de dos unidades fuese cero, la regulación primaria no podría hacer ningún reparto de carga entre las dos unidades. El regulador de velocidad más rápido haría que la unidad correspondiente absorbiese toda la carga. Por lo tanto, el estatismo y energía reguladora de un sistema se pueden expresar como:

Donde: Ss: Estatismo del sistema. Pn: Carga nominal o de referencia. Ps : Carga del sistema. fn :Frecuencia nominal. En el caso de la energía reguladora del sistema =

Ps 

Ssf n

En la que: Ks = K1 + K2 + K3 +... Kn (Energía reguladora de todos los generadores) 

Por lo tanto, también se puede expresar. El estatismo del sistema como: Donde: Ks Estatismo del sistema. K1 Estatismo del generador 1. Kn Estatismo del generador n .

El valor de la energía reguladora de un sistema (o de su estatismo), caracteriza la calidad de la regulación primaria de un sistema. En efecto, las variaciones de carga que aparecen en ese sistema, provocan variaciones de frecuencia inversamente proporcional a la energía reguladora primaria K. Es, por lo tanto, conveniente que la energía reguladora primaria de un sistema sea suficiente elevada o en otras palabras que el estatismo del sistema sea suficientemente bajo.

 

i.

Reserva rotante en un sistema eléctrico (r rr)) 

 Al existir un disturbio en un sistema eléctrico de potencia, como se explicó anteriormente, para que la frecuencia no tome valores prohibitivos deben actuar los reguladores de velocidad y esto depende de la ubicación del estatismo asignado al regulador de la central que regula la frecuencia del sistema, asimismo, depende de la reserva rotante del sistema que ayudará a retornar a la frecuencia a su condición nominal después del disturbio. a) Definición:  Es la diferencia entre la potencia en caliente garantizada del sistema y la potencia que se está generando a solicitud de la demanda.  RR  Pc  PG 

Donde:

RR : Reserva rotante rotante   Pc : Potencia instalada de la generación garantizada (en caliente) que se encuentra dispuesto a generar. Pg : Potencia que se está generando o demanda atendida. b) Criterios par para a establecer la reserv reserva a rotante

Existen varios criterios para establecer la reserva rotante del sistema, según la experiencia se puede recomendar los siguientes criterios: La reserva rotante de generación debería ser no menor que la unidad más grande del sistema.   Cuando la carga total del sistema interconectado sobrepasa diez veces el tamaño de la unidad más grande, la reserva mínima será 10% de la máxima demanda. Para lo cual, debe tenerse oferta ofert a de generación en caliente.   Cuando en la práctica por razones ya sea técnica o económica no es posible tener esta oferta de generación como reserva se debe recurrir a su racionamiento de la energía para pasar las horas de punta o máxima demanda y evitar colapso del sistema.   

 

Ejemplos aplicativos [1] Un sistema eléctrico tiene una carga de 1 000 MW a 60 Hz. Todas las turbinas

tienen la válvula de admisión completamente abierta, o sea que los reguladores de velocidad no pueden responder para frecuencias inferiores a 60 Hz, las válvulas pueden cerrarse bajo la acción de los reguladores de velocidad para f superiores a 60 Hz. En estas condiciones se sale del sistema una unidad que estaba generando 60 MW y la frecuencia del sistema baja a 58,5 Hz. Para normalizar la situación, el operador del sistema manda desconectar una subestación que llevaba una carga de 86 MW a 60 Hz al desconectarse esta carga la frecuencia sube a 60,18 Hz. Suponiendo que, excepto, por lo que se refiere al disturbio citado, la carga conectada no varía y que los reguladores de velocidad pueden actuar para f mayores de 60 Hz. Determínese a.  Amortiguamiento

del sistema sistema en MW/Hz. b. Estatismo (speed droop) del conjunto de las unidades para frecuencias superiores a 60 Hz, expresado en P.U. referido r eferido a una base de 1 000 MW.  Solución a. Cálculo del amortiguamiento del sistema:

b. Para calcular el estatismo del conjunto de unidades generadoras en

servicio, se calcula  primero la energía reguladora K S correspondiente, partiendo de la ex expresión: presión: 

Conocida la energía reguladora K S puede calcularse el estatismo del conjunto de las unidades en servicio:

 

[2] Un sistema interconectado tiene una potencia instalada de 500 MW

garantizados si la demanda es 350 MW y se encuentra operando a 60 Hz con un estatismo promedio de 6% y un coeficiente de amortiguamiento de 5,5 MW/Hz. Determinar: a. ¿Cuánto es la reserva rotante de sistema? b. ¿Cuánto de reserva rotante recomendaría Ud. y por qué? c. ¿Cuánta sería la frecuencia para un incremento de demanda de 100

MW? d. ¿Cuánto sería el máximo incremento de demanda para no transgredir la

norma Peruana? Solución a. PRR = 500 - 350 = 150 MW   b. PRR = recomendada ® P RR = 10% de la máxima demanda.  c.

d. Para no transgredir la mínima frecuencia f recuencia según norma (NTCSE) sería:

59 Hz

[3] Un sistema eléctrico está compuesto por tres tr es generadores:  Generador N° 1

Generador N° 2

Generador N°3

Potencia nominal (MW)

200

300

400

Potencia garantizada (MW)

200

250

380

Potencia generada (MW)

100

200

300

Estatismo (%)

5

4

3

Frecuencia (Hz)

60

60

60

 

Si la máxima demanda del sistema es 580 MW se pide lo siguiente: a. Pérdida de potencia en el sistema eléctrico en horas de máxima

demanda. b. Energía reguladora de cada generador. c. Reserva de rotante del sistema eléctrico. d. Si al estar operando el sistema en estado normal a 60 Hz se produce un

incremento. de150 MW. ¿Qué valor toma la frecuencia? e. ¿Qué parte de este incremento toma cada generador?

Solución