Introducción a la estabilidad de sistemas de potencia

La estabilidad de un sistema de potencia es definida como la propiedad del sistema de mantener el equilibrio en cualquier punto de trabajo bajo condiciones nominales y recuperar un estado de equilibrio aceptable después de estar sujeto a un cambio o perturbación.

El objetivo de los estudios de estabilidad es conocer el comportamiento del sistema cuando está sujeto a perturbaciones. Las perturbaciones pueden ser grandes o pequeñas. Las pequeñas ocurren continuamente en forma de cambios de carga, cambios de generación o ajuste de controles. Las grandes o de severa naturaleza están asociadas a la perdida de elementos, tales como líneas de transmisión, transformadores, generadores o grandes cantidades de carga, luego de una falla o corto circuito.

La estabilidad es una condición de equilibrio entre fuerzas en oposición. El mecanismo mediante el cual las máquinas interconectadas mantienen el sincronismo entre sí, es a través de fuerzas de restauramiento, que actúan cuando hay fuerzas tendiendo a acelerar o desacelerar una o más máquinas con respecto a las otras. Bajo condiciones estables, existe un equilibrio entre el torque mecánico y el torque de salida eléctrico de cada máquina, con lo cual la velocidad permanece constante. Si el sistema es perturbado, el equilibrio se trastorna, llevando a la aceleración o desaceleración de los rotores de las máquinas, de acuerdo con las leyes de la dinámica de los cuerpos en rotación. Si un generador corre temporalmente más rápido que otro, la diferencia angular de su rotor respecto a la máquina más lenta aumenta. La diferencia angular resultante transfiere parte de la carga de la máquina lenta a la máquina rápida, dependiendo de la relación potencia-ángulo. Esto tiende a reducir la diferencia de velocidad, y por consiguiente, la diferencia angular.

Es importante resaltar que la pérdida del sincronismo puede ocurrir entre una máquina y el resto del sistema o entre grupos de máquinas.

La operación de máquinas sincrónicas interconectadas es, en muchos aspectos, análoga a un conjunto de carros conectados mediante resortes corriendo alrededor de una pista circular (ver Figura 1). Los carros representan los rotores de las máquinas sincrónicas y los resortes las líneas de transmisión. Cuando todos los carros van a la misma velocidad, los resortes permanecen intactos. Si se aplica una fuerza a un carro de tal forma que aumente su velocidad temporalmente, los resortes que conectan los carros entre sí pueden estirarse; esto tiende a retardar al carro lento y apresurar los otros carros. Una reacción en cadena lleva a los carros a correr a la misma velocidad. Si el estiramiento en el resorte excede su capacidad, éste se romperá y posiblemente uno o más carros se saldrán de la pista.

Figura 1 Sistema análogo en algunos aspectos a un sistema de potencia.

La estabilidad del sistema depende de la existencia de las dos componentes del torque eléctrico en cada una de las máquinas sincrónicas, estas dos componentes son la componente sincrónica y la componente amortiguadora. La falta de suficiente componente sincrónica lleva a inestabilidad manifestándose como un cambio brusco en el ángulo del rotor. De otro lado, la falta de suficiente componente amortiguadora resulta en inestabilidad oscilatoria.

Por conveniencia en el análisis y para entender más fácil la naturaleza de los problemas de estabilidad, es usual caracterizar la estabilidad del ángulo del rotor en dos categorías: estabilidad transitoria y estabilidad de pequeña señal.

Estabilidad transitoria

Es la habilidad del sistema de potencia de mantener el sincronismo cuando está sujeto a fuertes perturbaciones. Las respuestas del sistema involucran largas excursiones de los ángulos del rotor de los generadores y son influenciadas por la relación no lineal potencia-ángulo. La estabilidad depende de las condiciones iniciales de operación y la severidad de las perturbaciones. Usualmente, el sistema es alterado de tal forma, que el estado estable al que llega postperturbación, es diferente al previo al disturbio.

El término transitorio hace referencia al hecho de que en un corto periodo de tiempo (1 a 3seg), se podrá saber si el sistema está en capacidad de evolucionar a otros estados de equilibrio.

Las perturbaciones son de un amplio grado de severidad y probabilidad de ocurrir en el sistema. El sistema es, sin embargo, diseñado y operado para soportar un conjunto de contingencias. Las contingencias usualmente consideradas son cortos circuitos de diferentes tipos: fase-tierra, bifásico-tierra, o trifásicos. Se asume que éstos ocurren en las líneas de transmisión, pero ocasionalmente se consideran fallas en las barras o en los transformadores. Se considera que la falla es despejada por la apertura de los interruptores apropiados. En algunos casos, se asume recierre rápido.

Estabilidad de pequeña señal

Es la habilidad del sistema de potencia de mantener el sincronismo bajo pequeñas perturbaciones. Estas perturbaciones ocurren continuamente en el sistema por las variaciones en carga y generación. Las perturbaciones son consideradas lo suficientemente pequeñas para la linealización de las ecuaciones del sistema que posibilitan el análisis.

El problema de estabilidad de pequeña señal en sistemas de potencia, se presenta por la falta de amortiguamiento para las oscilaciones. Existen diferentes tipos de oscilaciones, las cuales se dividen en los siguientes tipos o modos: modos locales o modos máquina-sistema, modos inter-áreas, modos de control y modos de torsión.

Fuentes:
KUNDUR, P. Power System Stability and Control. Mc-Graw-Hill, 1994.
KUNDUR, P. Power System Stability, Analysis and Control Course. Atlanta, Georgia, EPRI, memorias del curso, Sep. 28 - Oct. 1 1998.
SAMUELSON, O. Power System Damping, Structural Aspects of Controlling Active Power. Lund, Sweden, Reprocentralen, 1997.
EPRI. Interconnected Power System Dynamics Tutorial. Third edition, Palo Alto, California, January 1998.