Estabilidad y frecuencia: mantener el sincronismo por áreas iguales
Arrastra el ángulo de despeje y compara las dos áreas
La curva es la curva potencia-ángulo P = sin δ de D1, y la línea horizontal es la entrada mecánica P_m. Durante la falla la salida eléctrica cae a cero, el rotor acelera y acumula el área roja A1. Arrastra el tirador para fijar el ángulo de despeje δ_c; tras despejar la curva se recupera y aparece el área verde de deceleración A2. Si A2 absorbe A1 es estable, si no, se sale de paso.
La frecuencia se sostiene en tres niveles
La frecuencia es una aguja que refleja el equilibrio de generación y carga. Cuando se rompe, tres niveles la atrapan por turnos. Primero la inercia rotante (primaria) suelta energía cinética en el instante del evento para frenar el cambio (E1); luego el regulador (secundaria) ajusta la generación en segundos para asentar la frecuencia; por fin el control automático de generación, AGC (terciaria), restaura exactamente 60 Hz y el intercambio programado por las líneas de enlace en minutos. En una red renovable falta de inercia, el debilitamiento de este primer nivel era el problema.
Estabilidad transitoria · el ángulo se abre
Si la frecuencia es el equilibrio de todo el sistema, la estabilidad transitoria es si un solo generador supera una falla y mantiene el sincronismo. En operación normal la entrada mecánica P_m y la salida eléctrica P = P_max sin δ se equilibran, así que el ángulo δ es estable. Cuando golpea una falla, la salida eléctrica cae bruscamente, la entrada mecánica sobrante acelera el rotor, δ se abre y la energía de aceleración se acumula. Esta es la dinámica que ocurre sobre la curva potencia-ángulo de D1.
Criterio de áreas iguales · el ángulo crítico
Cuando se despeja la falla la salida eléctrica se recupera, ahora superando P_m, y el rotor empieza a decelerar. Si el área desaceleradora A2 entre la curva recuperada y P_m puede absorber toda el área aceleradora A1 acumulada durante la falla, δ se detiene en un pico y vuelve, manteniendo el sincronismo. Si A2 se queda corta, δ pasa el ángulo de equilibrio inestable y resbala, y el generador pierde el paso. El ángulo de despeje donde A1 = A2 es el ángulo crítico, y despejar dentro del tiempo crítico correspondiente lo mantiene estable. Así la protección rápida de D4 es la estabilidad misma, y subir P_max con compensación serie o más tensión agranda la reserva A2 y ensancha el límite. El viaje llevado desde la planta hasta el hogar se completa, al final, en mantener el sincronismo con que cada generador gira a un compás aun en medio de la perturbación.
De vuelta a la primera pantalla
Cuanto mayor el ángulo de despeje, más creció el área roja aceleradora A1, y pasado cierto ángulo el área verde desaceleradora A2 ya no pudo absorberla y volcó en pérdida de paso. Esa frontera es el ángulo crítico de despeje. La falla era la misma, pero cuán rápido se despejó decidió la vida o muerte del sincronismo — la protección rápida de D4 era la estabilidad misma. Empezando con el √3 y cosφ de la trifásica, pasando por impedancia y pérdida, flujo y fallas, hasta por fin mantener el sincronismo con que cada generador gira a un compás aun en perturbación, el círculo completo de la planta al hogar se cierra aquí.
Aquí los veinte units de ingeniería de potencia cierran el círculo. Desde el √3 y cosφ de la corriente trifásica, por el triángulo de potencia y factor de potencia, la impedancia, pérdida y tensión de transmisión y por-unidad, el ángulo y las secuencias de flujo, fallas y protección, hasta la inercia y estabilidad de renovables y la red — de la planta al hogar, y cómo aguantar cuando ese camino se sacude. Con la única idea de cada unidad en mano, toca ahora ver, en exámenes pasados y otras pistas, cómo encajan estas herramientas.