Introducción a la estabilidad de sistemas eléctricos de potencia

Descubre el fascinante mundo detrás de los sistemas eléctricos de potencia, auténticas maravillas tecnológicas que abarcan países enteros con miles de componentes interconectados. La compleja dinámica de estos sistemas implica el uso de herramientas matemáticas y de modelizado que permitan garantizar una operación estable, evitando así posibles apagones. Este libro te invita a explorar esta intrincada red con un enfoque simplificado, especialmente diseñado para estudiantes de ingeniería eléctrica con conocimientos en circuitos eléctricos, análisis de sistemas de potencia y máquinas eléctricas. El libro inicia modelizando la máquina síncrona, como principal componente dinámico de los sistemas clásicos. Igualmente, se presenta el convertidor de potencia, necesario para la integración de recursos renovables. Posteriormente, se presenta las herramientas de análisis de pequeña señal y estabilidad transitoria. El libro recoge más de quince años de experiencia de los autores quienes han orientado este curso en diferentes universidades del país y han realizado investigación en esta área con impacto internacional.Contenido Primera Parte Modelizado de componentes ...............................................................................................21 CAPÍTULO 1 Dinámica del sistema eléctrico............................................................................................23 1.1. Dinámica y estabilidad de sistemas eléctricos .........................................................25 1.2. Un poco de historia ..................................................................................................28 1.3. El sistema eléctrico moderno ...................................................................................29 1.4. Control automático de la generación........................................................................32 1.5. Efecto de las energías renovables.............................................................................33 1.6. Dispositivos FACTs y almacenamiento de energía..................................................36 1.7. Redes en corriente continua .....................................................................................37 1.8. Confiabilidad, seguridad y resiliencia ......................................................................38 1.9. Estudios de estabilidad de sistemas eléctricos .........................................................39 1.10. Escalas de tiempo de los fenómenos dinámicos en los sistemas de potencia ........40 1.11. Clasificación de tipos de estabilidad en los sistemas de potencia. .........................41 1.12. Actividades.............................................................................................................44 CAPÍTULO 2 La máquina síncrona ...........................................................................................................47 2.1. Estructura de la máquina síncrona trifásica..............................................................49 2.2. Campo magnético giratorio......................................................................................51 2.3. Modelo eléctrico de la máquina síncrona.................................................................53 2.3.1. Circuitos magnéticos......................................................................................54 2.3.2. Inductancias en la máquina síncrona ..............................................................58 2.4. Modelo dinámico del eje ..........................................................................................65 2.5. Energía y coenergía ..................................................................................................66 2.6. Actividades...............................................................................................................72 CAPÍTULO 3 Las transformadas de Clarke y Park.................................................................................77 3.1. Dificultades del modelo eléctrico de la máquina .....................................................79 3.2. Transformadas de Clarke y Park ..............................................................................80 3.2.1. Interpretación física de las transformadas......................................................83 3.2.2. Transformación de elementos pasivos............................................................84 3.3. Derivadas en el marco de referencia 0dq .................................................................86 3.4. Modelo eléctrico de la máquina en el marco 0dq.....................................................87 3.5. Actividades...............................................................................................................93 CAPÍTULO 4 Sistemas electromecánicos...................................................................................................97 4.1. Turbina hidroeléctrica ..............................................................................................99 4.2. Modelo de una turbina hidroeléctrica.......................................................................103 4.3. Turbina termoeléctrica..............................................................................................106 4.4. Turbina eólica...........................................................................................................109 4.5. Sistemas de fase no-mínima.....................................................................................113 4.6. Gobernador de velocidad y control primario ...........................................................114 4.7. Sistema de excitación y AVR ...................................................................................115 4.8. Actividades...............................................................................................................118 CAPÍTULO 5 Modelos simplificados de la máquina síncrona .................................................................121 5.1. Modelo promediado .................................................................................................123 5.2. Transitorio, subtransitorio y estado estacionario......................................................125 5.3. Modelo clásico .........................................................................................................125 5.4. Modelo transitorio....................................................................................................130 5.5. Modelo de Heffron-Phillips......................................................................................136 5.6. Actividades...............................................................................................................140 CAPÍTULO 6 El convertidor de potencia ..................................................................................................143 6.1. Integración de fuentes renovables............................................................................145 6.2. Control vectorial clásico...........................................................................................147 6.3. El PLL ......................................................................................................................149 6.4. Modulación por ancho de pulsos..............................................................................150 6.5. Modelo promediado .................................................................................................151 6.6. Control interno de corrientes....................................................................................154 6.7. Control externo de potencia .....................................................................................157 6.8. Otras formas de control............................................................................................158 6.9. Convertidores formadores de red .............................................................................159 6.10. Control en redes altamente resistivas.....................................................................161 6.11. Convertidor modular multi-nivel............................................................................162 6.12. Actividades.............................................................................................................164 Segunda Parte Estabilidad en estado estacionario .....................................................................................167 CAPÍTULO 7 Estabilidad de pequeña señal para una única máquina conectada a una barra infinita.....169 7.1. Estabilidad en sistemas linealizados ........................................................................171 7.1.1. Valores y vectores propios..............................................................................174 7.2. El operador exponencial..........................................................................................178 7.2.1. Análisis en el plano.........................................................................................182 7.3. Análisis de un generador conectado a una barra infinita..........................................184 7.3.1. Modelo clásico................................................................................................184 7.3.2. Modelo transitorio ..........................................................................................186 7.4. Actividades...............................................................................................................189 CAPÍTULO 8 Análisis de sensibilidad........................................................................................................191 8.0.1. Equilibrios hiperbólicos...............................................................................................193 8.1. Bifurcaciones ..................................................................................................................195 8.2. Tasa de amortiguamiento ................................................................................................198 8.3. Factores de participación ................................................................................................199 8.4. Funciones de sensibilidad ...............................................................................................202 8.5. Actividades......................................................................................................................205 CAPÍTULO 9 Análisis de redes...................................................................................................................209 9.1. Representación matricial de la red..................................................................................211 9.2. El flujo de potencia .........................................................................................................215 9.2.1. Flujo de potencia lineal .....................................................................................220 9.3. Eliminación de nodos de Kron........................................................................................222 9.4. Actividades......................................................................................................................226 CAPÍTULO 10 Estabilidad de pequeña señal en el caso multi-máquina ..................................................229 10.1. Modelo clásico multi-máquina .....................................................................................231 10.2. Modelo con respecto al centro de inercia .....................................................................237 10.3. Modelo general multi-máquina.....................................................................................238 10.4. El fenómeno de resonancia subsíncrona .......................................................................239 10.5. Estudios de estabilidad de pequeña señal .....................................................................242 10.6. Actividades....................................................................................................................244 CAPÍTULO 11 Estabilidad de tensión..........................................................................................................247 11.1. Colapso de tensión ........................................................................................................249 11.2. Análisis de un generador conectado a una carga...........................................................250 11.3. Curvas en nariz..............................................................................................................253 11.4. Modelo de la carga ........................................................................................................254 11.5. Efecto de los sistemas de compensación.......................................................................255 11.6. Efecto de los controles en los transformadores.............................................................256 11.7. Análisis de sensibilidad.................................................................................................257 11.8. Formas de mejorar la estabilidad de tensión.................................................................260 11.9. Actividades....................................................................................................................260 Parte 3 Estabilidad transitoria.........................................................................................................263 CAPÍTULO 12 Método de áreas iguales.......................................................................................................265 12.1. Estabilidad transitoria ...................................................................................................267 12.2. Análisis en el plano de fases .........................................................................................269 12.3. Método de áreas iguales................................................................................................271 12.4. Formas de mejorar la estabilidad transitoria.................................................................281 12.4.1. Aumento de la tensión del sistema del sistema ...............................................281 12.4.2. Desconexión de un generador .........................................................................282 12.4.3. Compensación serie.........................................................................................283 12.4.4. Compensación paralelo ...................................................................................284 12.4.5. Resistencia transitoria .....................................................................................284 12.4.6. Recierres..........................................................................................................285 12.4.7. Control en el gobernador de velocidad ...........................................................286 12.5. Actividades....................................................................................................................287 CAPÍTULO 13 Estabilidad transitoria en el caso multi-máquina.............................................................289 13.1. Método de áreas iguales para dos máquinas síncronas.................................................291 13.1.1. Solución numérica de ecuaciones diferenciales.........................................................297 13.2. Modelo clásico para un sistema multi-máquina............................................................299 13.3. Dinámica con respecto al centro de inercia ..................................................................305 13.4. Actividades....................................................................................................................307 CAPÍTULO 14 Pasividad, disipatividad y funciones de energía................................................................309 14.1. Funciones de Lyapunov ................................................................................................311 14.2. Pasividad y disipatividad ..............................................................................................320 14.3. Conexión de sistemas pasivos.......................................................................................323 14.4. Sistemas hamiltonianos controlados por puertos..........................................................325 14.5. Actividades....................................................................................................................333 Referencias.............................................................................................................................33