Flujo de potencia: el ángulo de fase empuja la activa

Arrastra el ángulo y lee la curva de potencia

Las dos tensiones de barra se mantienen con la misma magnitud, y lo único que cambia el tirador es la diferencia de ángulo δ. La potencia activa P = (V_s V_r / X) sin δ crece al aumentar δ, llega a su máximo en 90°, en la cima de la línea discontinua naranja, y disminuye si sigues arrastrando. El punto sobre la curva es la potencia que fluye en este momento, y pasa de verde a rojo justo al cruzar ese límite.

La diferencia de ángulo empuja la potencia activa

Considera una línea casi puramente reactiva con una barra en cada extremo. Aunque las dos tensiones tengan la misma magnitud, si la fase de una adelanta a la de la otra, la potencia activa fluye de la barra adelantada a la atrasada. Su valor es P = (V_s V_r / X) sin δ, así que crece a medida que se abre la diferencia de fase δ. Si a un generador se le aplica más potencia mecánica, su rotor avanza un poco, δ se abre y sale hacia la red otro tanto de potencia. El mando de la potencia activa es el ángulo, no la tensión.

La potencia reactiva la empuja la diferencia de magnitud

Entre las mismas dos barras, la potencia reactiva se mueve al revés, por la diferencia de magnitud de tensión. La reactiva en el extremo emisor es Q ≈ (V_s/X)(V_s − V_r cos δ), de modo que, con δ pequeño, fluye de la barra de mayor magnitud a la de menor. Por eso un generador gobierna la reactiva subiendo su excitación (corriente de campo) para elevar la magnitud de la tensión, y la activa subiendo su potencia mecánica para adelantar la fase. La activa va con el ángulo y la reactiva con la magnitud, así que ambas se comportan casi como dos mandos independientes.

Pasados 90°, se pierde el sincronismo

P = P_max sin δ alcanza su máximo P_max = V_s V_r / X en δ = 90°. Por debajo de ese punto, al crecer la carga y abrirse δ, la potencia enviada crece con ella y el sistema se sostiene. Pasados 90° todo cambia: sin δ empieza a bajar, así que abrir más el ángulo entrega menos potencia, la potencia mecánica sobrante acelera el generador, su fase se desliza y se pierde el sincronismo. Ese es el límite de estabilidad en régimen permanente. Por eso las líneas reducen X con compensación serie o elevan la tensión para agrandar P_max, y operan con δ muy por debajo de 90°.

De vuelta a la primera pantalla

En la primera pantalla las dos magnitudes de tensión se mantuvieron iguales todo el tiempo, y aun así abrir el ángulo δ puso a fluir la potencia activa y la llevó a su cima en 90°. Lo que empujó la potencia no fue lo alta o baja que estaba cada tensión, sino cuánto adelantaba una fase a la otra. Que pasados 90° la curva bajara y el punto se pusiera rojo se debe a que la región de más allá es inestable: allí se pierde el sincronismo y el sistema colapsa. El análisis de flujo de potencia consiste, al final, en fijar la magnitud y el ángulo de tensión de cada barra y leer la potencia activa y reactiva que circula por cada línea.

El flujo de potencia visto hasta aquí describe un sistema con las tres fases equilibradas. Las fallas reales suelen afectar solo a una o dos fases y rompen ese equilibrio, y la próxima unidad (PW-D2), sobre componentes simétricas, trata justamente eso. Si las fases desequilibradas se descomponen en la suma de tres conjuntos de fasores de igual magnitud, la secuencia positiva con el orden de fases original, la negativa con el orden invertido y la cero con las tres fases a la par, las herramientas de los sistemas equilibrados resuelven sin cambios las fallas desequilibradas. La secuencia cero que apareció en A5 como corriente de neutro también encuentra aquí su lugar.