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 de D1, P = sin δ, y la línea discontinua blanca es la potencia mecánica P_m = 0,5. El punto de operación parte de δ = 30°, donde se cruzan las dos líneas, y durante la falla la potencia eléctrica cae a 0, así que el rotor acelera y acumula el área roja A1. Arrastra el tirador inferior para fijar el ángulo de despeje δ_c: tras el despeje la curva vuelve y aparece el área verde de desaceleración A2, aunque A2 solo puede usarse hasta 150°, donde la curva vuelve a cortar P_m. Si A2 absorbe todo A1, el sistema es estable; si no, el generador pierde el sincronismo.

La frecuencia se sostiene en tres etapas

La frecuencia es la aguja que indica el equilibrio entre generación y carga, y cuando ese equilibrio se rompe, tres etapas la sostienen por turno. Primero, la inercia giratoria libera energía cinética en el instante de la perturbación y frena la caída (E1); después, los reguladores de velocidad aumentan la potencia de los generadores en pocos segundos y detienen la caída. Los reguladores por sí solos dejan la frecuencia un poco por debajo de 60 Hz, así que, por último, el control automático de generación, AGC, la devuelve exactamente a 60 Hz en varios minutos y también restablece los intercambios de potencia programados con los sistemas vecinos. En un sistema con mucha renovable y poca inercia, lo que se debilita es justamente esta primera etapa.

Estabilidad transitoria · el ángulo se abre

Si la frecuencia trata del equilibrio de todo el sistema, la estabilidad transitoria trata de si un solo generador puede soportar una falla y conservar el sincronismo. En operación normal, la potencia mecánica P_m y la potencia eléctrica P = P_max sin δ se igualan, así que el ángulo de fase δ se mantiene constante. Cuando ocurre una falla, la potencia eléctrica cae de golpe, la potencia mecánica sobrante acelera el rotor y δ se abre mientras se acumula energía de aceleración. Este es el movimiento que se desarrolla sobre la curva potencia-ángulo de D1.

Criterio de áreas iguales · el ángulo crítico

Una vez despejada la falla, la potencia eléctrica vuelve y ahora supera P_m, así que el rotor empieza a desacelerar. Si el área de desaceleración A2 entre la curva posterior al despeje y P_m absorbe toda el área de aceleración A1 acumulada durante la falla, δ se detiene en su máximo, regresa y se conserva el sincronismo. Si A2 se queda corta, δ resbala más allá del ángulo de equilibrio inestable y el generador pierde el sincronismo. El ángulo de despeje con el que A1 = A2 es el ángulo crítico de despeje; en esta figura vale unos 80°, y con el valor por defecto de 60°, A1 ≈ 0,26 es menor que A2 ≈ 0,58, así que el sistema es estable. En la práctica la falla debe cortarse antes de llegar a ese ángulo, dentro del tiempo crítico de despeje, de modo que la protección rápida de D4 es la estabilidad misma, y elevar P_max con compensación serie o mayor tensión agranda el margen de desaceleración A2 y amplía el límite de estabilidad.

De vuelta a la primera pantalla

Al agrandar el ángulo de despeje, el área roja de aceleración A1 creció, y pasados unos 80° el área verde de desaceleración A2 ya no pudo absorberla, así que el generador perdió el paso. Ese límite es el ángulo crítico de despeje. La falla era la misma, pero la rapidez del despeje decidió si el sincronismo sobrevivía, lo que significa que la protección rápida de D4 era la estabilidad misma. Partiendo de la √3 y el cos φ de la potencia trifásica, pasando por la impedancia y las pérdidas, el flujo de potencia y las fallas, hasta mantener a todos los generadores girando al mismo compás aunque el sistema se sacuda, la vuelta completa de la central a la casa se cierra aquí.

Aquí las 20 unidades de ingeniería de potencia completan su vuelta. Partiendo de la √3 y el cos φ de la corriente alterna trifásica, pasamos por el triángulo de potencia y factor de potencia, la impedancia, las pérdidas y la tensión de transmisión, distribución y por unidad, y los ángulos de fase y las secuencias de flujo, fallas y protección, hasta la inercia y la estabilidad de renovables y red. El camino de la central a la casa, y la manera de resistir cuando ese camino se sacude, forman ya una sola línea. Si tienes en la mano una idea de cada unidad, toca ver cómo encajan esas herramientas en los exámenes anteriores y en otras pistas.