“RESUMEN
DE LA ESTABILIDAD DEL ÁNGULO DEL ROTOR”
Breve aporte para el curso de Sistemas de Potencia II FIEE - UNAC
La estabilidad de ángulo del rotor se refiere a la capacidad de las máquinas síncronas de un sistema de potencia interconectado de permanecer en sincronismo después de ser sometido a una perturbación. Depende de la capacidad de mantener o restaurar el equilibrio entre el par electromagnético y el par mecánico de cada máquina sincrónica en el sistema. La inestabilidad que puede resultar se produce en forma de aumento de oscilación angular de algunos generadores que conduce a su pérdida de sincronismo con respecto a otros generadores.
El problema de la estabilidad de ángulo del rotor implica el estudio de las oscilaciones electromecánicas inherentes a los sistemas de alimentación. Un factor fundamental en este problema es la manera en que las potencias de las máquinas síncronas varían con el cambio de los ángulos del rotor. En condiciones de estado estable, existe un equilibrio entre el par mecánico de entrada y el par electromagnético de salida de cada generador, y la velocidad se mantiene constante.
Si el sistema es perturbado, este equilibrio se altera, lo que resulta en la aceleración o desaceleración de los rotores de las máquinas de acuerdo a las leyes del movimiento de un cuerpo en rotación. Si un generador temporalmente se mueve más rápido que otro, su posición angular se adelanta en relación con el rotor de la máquina más lenta. 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 lo tanto la separación angular.
La relación potencia – ángulo es altamente no lineal. Más allá de cierto límite, un aumento de la separación angular es acompañado por una disminución en la transferencia de potencia de tal manera que la separación angular se ve incrementada. La inestabilidad resulta si el sistema no puede absorber la energía cinética que corresponde a estas diferencias en la velocidad del rotor. Para cualquier situación dada, la estabilidad del sistema depende de si las desviaciones en las posiciones angulares de los rotores resultan en suficientes torques restauradores o no. La pérdida de sincronismo puede ocurrir entre una máquina y el resto del sistema, o entre grupos de máquinas, con sincronismo mantenido dentro de cada grupo después de separar el uno del otro.
El cambio en el torque electromagnético de una máquina sincrónica a raíz de una perturbación se puede descomponer en dos componentes: Componente
de torque sincronizante, en fase con la desviación de ángulo del rotor. Componente de torque de amortiguamiento, en fase con la desviación de velocidad.
La estabilidad del sistema depende de la existencia de los dos componentes del par para cada una de las máquinas síncronas. La falta de suficientes torque sincronizante resulta en inestabilidad aperiódica o no oscilatoria, mientras que la falta torque de amortiguamiento resulta en inestabilidad oscilatoria. Para una mayor comodidad en el análisis y para obtener información útil sobre la naturaleza de los problemas de estabilidad, es útil caracterizar la estabilidad de ángulo del rotor en términos de las siguientes dos sub categorías:
PRINCIPE SÁNCHEZ E. M.
La
estabilidad de ángulo del rotor para pequeñas perturbaciones (o pequeña señal) se refiere a la capacidad del sistema para mantener el sincronismo en caso de perturbaciones pequeñas. Las perturbaciones se consideran lo suficientemente pequeñas para que la linealización de las ecuaciones del sistema sea admisible a efectos de análisis.
La estabilidad para pequeñas perturbaciones depende del estado inicial de operación del sistema. La inestabilidad que puede resultar puede ser de dos formas: i. Aumento en el ángulo del rotor a través de un modo oscilatorio o aperiódica debido a la falta de par de sincronización del motor, u ii. Oscilaciones de amplitud creciente del rotor debido a la falta de suficiente torque de amortiguamiento.
En los sistemas de potencia de hoy en día, el problema de la estabilidad de ángulo del rotor para pequeñas perturbaciones, se asocia generalmente con insuficiente amortiguación de las oscilaciones. El problema de inestabilidad aperiódica se ha eliminado en gran parte por el uso de reguladores de voltaje del generador actuando continuamente, sin embargo, este problema aún así puede ocurrir cuando los generadores operan con excitación constante o cuando se sometan a las acciones de los limitadores de excitación (limitadores de corriente de campo).
El problema de estabilidad de ángulo de rotor para pequeñas perturbaciones puede ser de naturaleza local o global. Los problemas locales implican una pequeña parte del sistema de potencia, y generalmente están asociados con oscilaciones de ángulo del rotor de una central única frente al resto del sistema de potencia. Tales oscilaciones son llamadas oscilaciones de modo de planta local. La estabilidad (amortiguación) de estas oscilaciones depende de la fortaleza del sistema de transmisión vista por la planta de energía, los sistemas de control de excitación del generador y la salida de la planta.
S O L E D D A A I D I C L I N B E A T T O S P E E A D L E S D A N M E Ó I T I C S A S C I F I S A L C
Los problemas globales se deben a las interacciones entre grandes grupos de generadores y tienen amplias repercusiones. Implican oscilaciones de un grupo de generadores en un área oscilando con referencia a un grupo de generadores en otra área. Tales oscilaciones son llamadas oscilaciones de modo inter área. Sus características son muy complejas y difieren significativamente de las oscilaciones de modo de planta local. Las características de las cargas, en particular, tienen un efecto importante sobre la estabilidad de los modos inter área.
El lapso de tiempo de interés en los estudios de estabilidad para pequeñas perturbaciones es del orden de 10 a 20 segundos después de una perturbación.
La
estabilidad de ángulo de rotor para grandes perturbaciones o estabilidad transitoria, como se conoce comúnmente, se refiere a la capacidad del sistema de potencia para mantener el sincronismo cuando se somete a una perturbación grave, como un cortocircuito en una línea de transmisión. La resultante respuesta del sistema incluye grandes desviaciones de los ángulos del rotor del generador y está influenciado por la relación no lineal de potencia – ángulo.
La estabilidad transitoria depende tanto del estado de funcionamiento inicial del sistema como de la gravedad de la perturbación. La inestabilidad es por lo general en forma de separación angular aperiódica debido al insuficiente par de sincronización, manifestándose como inestabilidad de primera oscilación. Sin embargo, en grandes sistemas eléctricos, la inestabilidad transitoria no siempre puede producir la inestabilidad de primera oscilación asociada con una sola modalidad, podría ser el resultado de la superposición de un modo de oscilación inter área lento y un modo de oscilación de planta local causando un gran desplazamiento
del ángulo del rotor más allá de la primera oscilación. También podría ser el resultado de los efectos no lineales que afectan a un solo modo causando inestabilidad más allá de la primera oscilación. El intervalo de tiempo de interés en los estudios de estabilidad transitoria es generalmente de 3 a 5 segundos luego de la perturbación. Se puede extender a 10 – 20 segundos para sistemas muy grandes con predominio de oscilaciones inter-área. De la clasificación de Estabilidad del sistema de Potencia, la estabilidad ángulo del rotor de pequeña perturbación, así como la estabilidad transitoria están en la categoría de fenómenos de corta duración.
El término estabilidad dinámica también aparece en la literatura como una clase de estabilidad de ángulo de rotor. Sin embargo, se ha utilizado para referirse a fenómenos diferentes por diferentes autores. En la literatura de América del Norte, se ha utilizado principalmente para referirse a la estabilidad de pequeñas perturbaciones en la presencia de controles automáticos (en particular, los controles de excitación de generación) a diferencia de la clásica "estabilidad en estado estacionario", sin controles de generador.
En la literatura europea, se ha utilizado para referirse a la estabilidad transitoria. Una gran confusión es el resultado de la utilización del término estabilidad dinámica, no recomendamos su uso, al igual que anteriormente la IEEE y CIGRE Fuerzas de Tareas.
