LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN

1. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN • Justificación • Introducción • Variaciones de la frecuencia • Variaciones de la Tensión • Huecos de Tensión • Impulsos de corta duración • Propagación de armónicos en la red de transporte • Herramientas para la planificación y la operación • Conclusiones

2. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Justificación Existe la errónea convicción de que la calidad de onda debe ser tratada sólo en el nivel de tensiones de distribución (U ≤ 132 kV), ya que es de donde se conectan los clientes industriales, hasta llegar al nivel de tensión de los clientes domésticos (U = 220/380 V). Como además se da la circunstancia de que en el nivel de transporte (U ≥ 220 kV), el sistema se halla muy mallado y se encuentra conectada la mayor parte de la gran generación (nucleares, térmicas convencionales y nuevos ciclos combinados, grandes plantas hidroeléctricas, grandes cogeneradores y generadores distribuidos), se puede llegar a pensar que en ese nivel se dan las condiciones para que las tensiones e intensidades sean perfectas senoides. Sin embargo, muchos aspectos de la calidad de la onda entregada al cliente tienen su inicio ya desde la propia generación y el transporte. Otras veces, es la propia red de transporte y el sistema de generación el que se ve afectado por una “mala calidad” de la onda en sus niveles de tensión, y así debería de ser estudiado partiendo incluso desde los niveles iniciales de planificación de dichas redes para evitar que sus efectos lleguen a los niveles inferiores de tensiones. En otras ocasiones, será fundamental una correcta operación de los niveles de tensiones superiores, pues se evitará que se propaguen “malas condiciones” hacia los niveles de tensiones inferiores. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 2

3. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Introducción El tema de la calidad de onda en muy alta tensión es bastante complejo como para ser tratado en un nivel introductorio, por lo que aquí se van a dar solo unas pinceladas sobre el papel y la influencia de la generación y el transporte (y su propia afección). Cualquier alteración del funcionamiento en régimen permanente del sistema generación-transporte se ve reflejado inmediatamente en los niveles inferiores de la red de distribución. Si dichas alteraciones son de corta duración y pequeña intensidad, entonces la propagación es más difícil debido a que los elementos por los que tiene que pasar la señal hasta llegar a los niveles de distribución (transformadores, líneas, barras, etc.) se comportan como verdaderos amortiguadores o atenuadores de la perturbación. Sin embargo, si las alteraciones afectan a la frecuencia y/o son de gran magnitud, se producirá una afectación en todos los niveles del sistema. En este caso, los elementos intermedios antes mencionados pasan a tener comportamientos NO lineales, por lo que las formas de onda de las distintas tensiones dejan de ser senoidales puras durante el proceso de amortiguamiento de la perturbación. De esta forma, incluso la propia frecuencia del sistema sufre variaciones más o menos bruscas dependiendo de la severidad de la situación. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 3

4. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Variaciones de la frecuencia (I) Se suele simplificar diciendo que la frecuencia del sistema en general es la misma en cualquier punto de la red. Sin embargo, sabemos que en realidad la frecuencia de un sistema interconectado, como la UCTE europea, es diferente según en que puntos lo midamos. Es más notorio cuando un subsistema tiene una débil interconexión con el núcleo importante del sistema, como es el caso de la península Ibérica respecto al resto de Europa. Es importantísimo que el Operador del Sistema, disponga en todo momento, en el mercado de servicios complementarios, de la suficiente banda de regulación secundaria para evitar que las oscilaciones de frecuencia puedan desconectar España del resto de Europa. PEQUEÑA PERTURBACIÓN GRAN PERTURBACIÓN AGC DESLASTRES SISTEMAS EN ISLA GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 4

5. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Variaciones de la frecuencia (II) Siendo muy precisos, incluso, se podría afirmar que la frecuencia dentro de la península Ibérica tampoco es la misma en todos sus puntos, sino que se pueden formar distintas áreas, unas veces debidas a fallos en la red de transporte que pueden dejar pobres interconexiones entre distintas regiones (interzonal frequency swings en la literatura técnica), o cuando haya zonas con gran diferencia entre la energía generada y la consumida. Estas variaciones de frecuencia no deben de suponer un gran inconveniente en circunstancias normales si la red de transporte está bien planificada y operada. En situaciones muy críticas, la mejor solución sería que la energía rodante (y en AGC) estuviera bien distribuida por toda la red, cosa que físicamente no es posible, y que además se dispusiera del verdadero valor de la frecuencia en varios puntos del sistema (sistemas WAMS- Wide Area Measurements of Power System). La principal dificultad en el uso de sistemas WAMS radica en la precisión de la sincronización por satélite o fibra óptica. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 5

6. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Variaciones y Huecos de tensión (I) Las variaciones lentas de tensión no son un problema aislado de las redes de distribución, sino que tanto ésta como la red de transporte tienen sus destinos muy unidos, y una bajada lenta, pero progresiva de la tensión en los niveles de alta puede afectar inexorablemente a la red de baja tensión. La situación límite se produce cuando hay un fuerte consumo en el lado de la distribución, lo que hace que las tensiones en esos niveles sean bajas, haciendo actuar a los reguladores de las tomas de los trafos en 132, 66 y 45 kV para compensar esa bajada. Sin embargo, esta solución que se adopta en el nivel de distribución deprime la tensión en el nivel de transporte, haciendo que los trafos y autotrafos de transformación de 400/220 kV, 400/132 kV y 220/132 kV traten de elevar la tensión en sus secundarios, deprimiendo a su vez la tensión en 400 kV. Llegados a esa situación, si el sistema de transporte no fuera capaz de frenar la bajada de tensión en su nivel, el sistema al completo podría soportar un fallo total o colapso de tensiones. El papel de la generación y el transporte es fundamental para paliar las grandes fluctuaciones de tensión en los niveles de distribución. Tanto el Operador del Sistema como los despachos encargados de la generación de las distintas empresas productoras, deben anticiparse a los periodos de fluctuaciones de la tensión, como en la entrada del consumo industrial por la mañana y como la entrada del consumo doméstico y alumbrado público de la tarde y noche. Hay que tener presente que una vez que el sistema eléctrico ha empezado a degradarse por una tardanza en las actuaciones, las tensiones pueden ser irrecuperables, por lo que un adecuado soporte de generación reactiva desde las distintas centrales es absolutamente crucial en el mantenimiento de los mínimos niveles de calidad y seguridad en la tensión del sistema. Las fluctuaciones de tensión afectan también negativamente a las grandes centrales de generación, como las nucleares, que tienen sus servicios auxiliares de emergencia conectados a la red de transporte y/o distribución. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 6

7. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Variaciones y Huecos de tensión (II) Cuando las tensiones en transporte empiezan a bajar, el consumo de reactiva en las cargas puede colapsar el sistema completo si las tensiones descienden por debajo de los puntos de bifurcación GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 7

8. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Variaciones y Huecos de tensión (III) Los huecos de tensión, provocados por faltas en la red de transporte, conllevan muy serios problemas tanto para el funcionamiento del propio sistema, como para la propia generación. Es del todo conocido que una falta en un extremo de la red de 400 kV provoca un hueco de tensión que se propague por todo el resto de la red. En el caso de la aerogeneración, bien estén conectados a la red de transporte o bien estén conectados a la red de distribución, van a resentirse de la propagación de dicho hueco de tensión y como consecuencia van a perderse grandes cantidades de aerogeneradores, con un posible hundimiento de todo el sistema eléctrico, siendo entonces fundamental la disponibilidad de energía rodante y de unas buenas interconexiones con los sistemas vecinos. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 8

9. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Impulsos de corta duración (I) La longitud de onda de cualquier propagación electromagnética viene dada por  =  / f, esto es, la velocidad de propagación en el medio dividido por la frecuencia de la oscilación armónica. Pues bien, en régimen permanente, para una velocidad de propagación de 300.000 km/s y una frecuencia de 50 hercios, la longitud de onda es de 6000 km. Sin embargo, una perturbación de 35.000 hercios conlleva longitudes de onda de menos de 9 km, por lo que hay que tener presente que una perturbación de alta frecuencia se “toma su tiempo” en moverse por las instalaciones. Por ejemplo, un rayo tiene un frente escarpado de 1,2 microsegundos. Quiere ello decir que la perturbación necesita ese tiempo para llegar a elementos a 360 metros desde el punto de impacto. Dicho de otra forma, habrá que modelar el retardo de la onda desplazándose por las instalaciones si queremos interpretar correctamente los fenómenos asociados. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 9

10. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Impulsos de corta duración (II) Para entender las perturbaciones de alta frecuencia es necesario recurrir a modelos de parámetros distribuidos, por lo que su tratamiento matemático es muy complejo y además requiere tiempos computacionales elevados. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 10

11. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Impulsos de corta duración (III) Los impulsos de tensión en las redes de transporte, como la caída de un rayo en una subestación de 400 kV que puede verse SIMULADO en el ejemplo (caso modificado de ATP-EMTP), provocan ondas viajeras de frente escarpado que se propagan por todo el sistema a velocidades próximas a la de la luz, por lo que a pesar de la propia atenuación en las líneas de transporte, sus efectos se dejan sentir en plantas generadoras bastantes distantes del punto donde haya incidido el rayo, pudiendo provocar el disparo de varios generadores. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 11

12. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Impulsos de corta duración (IV) Para estudiar de forma completa la afectación de una sobretensión atmosférica en una subestación, así como su propagación al resto de elementos, hay que recurrir a modelos muy complejos que distan de estar entre los objetivos de la etapa del diseño y la planificación. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 12

13. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Impulsos de corta duración (V) Los impulsos de tensión en las redes de transporte pueden tener un origen interno, como las sobretensiones producidas por maniobras de elementos de corte o conexión y desconexión de equipos de compensación reactiva, como las baterías de condensadores (como en el ejemplo) de muy alta tensión, situadas en los niveles de 132 kV y superiores. La puesta en servicio de estos compensadores suele tener un efecto inmediato en la excitación de los generadores próximos, aunque una buena planificación y operación de la red de transporte no suele conllevar efectos perjudiciales. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 13

14. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Propagación de armónicos en la red de transporte (I) REE y MITE Daniel Galván-ABB-Cigré 2004 Julio García Mayordomo-UPM-Cigré 2004 Aparte de las instalaciones siderúrgicas por arco eléctrico, la red de transporte tiene fuentes generadoras de armónicos como la alimentación PWM de los trenes de alta velocidad, y muy probablemente en el futuro próximo, interconexiones en corriente continua HVDC entre Francia y España y entre Baleares y la Península. Por lo tanto la propagación de los armónicos generados en esas instalaciones deben de haberse tenido en cuenta previamente en la planificación de la red de alta. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 14

15. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Propagación de armónicos en la red de transporte (II) GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 15

16. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Propagación de armónicos en la red de transporte (II) La presencia de elementos generadores de armónicos en la red de transmisión ha dado en el pasado y puede dar en el futuro, ciertos problemas a la generación conectada a esos niveles, como los ya conocidos efectos de calentamiento en el bobinado estatórico, calentamiento en baterías de condensadores, peligrosas sobretensiones por resonancias con elementos no lineales, interferencias por el rizado en los sistemas de control y protecciones de las centrales y subestaciones, etc. Recientes estudios están sugiriendo que la penetración y transmisión de armónicos por la red de transporte puede provocar en los ejes turbinas-generador de las grandes centrales térmicas, fuertes tensiones por acoplamiento eléctrico-mecánico de las frecuencias naturales mecánicas y armónicos eléctricos. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 16

17. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Herramientas para la planificación y la operación • Flujos de cargas con armónicos que tengan en cuenta la no linealidad de elementos críticos, las posibles resonancias, y que calcule además el coeficiente de penetración armónica en la red de transporte (programa INTAR Iberdrola-U.P.Madrid). • Flujos de cargas desequilibrados (método de balance de corrientes UPM) y trifásicos. • Algoritmos y modelos de propagación de flicker. • Análisis de sobretensiones en parques de generación y transporte (programa ATP-EMTP, Simulink, PSCAD,etc.). • Programas de simulación armónica en el dominio de Fourier y Harley, con modelos complicados (Madrigal, Enrique Acha, Julio Mayordomo, Usaola, Expósito, Heydt, Arrillaga, Xu, etc.) Fourier Harley GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 17

18. LA CALIDAD DE ONDA EN GENERACIÓN Y EN EL TRANSPORTE: SU AFECCIÓN A LA OPERACIÓN Y PLANIFICACIÓN Conclusiones • Aunque las normas y los decretos hagan referencia a la calidad de onda de “LA TENSIÓN” entregada al usuario final, vemos que la generación y el transporte son la fuente inicial de una buena calidad. • Una buena previsión de energía y potencia en los mercados complementarios puede paliar defectos en la frecuencia del sistema. • Ante pequeñas perturbaciones, una buena operación del sistema es la clave para garantizar que el sistema no evolucione hacia un colapso. • Ante grandes perturbaciones, solo un correcto diseño previo de las instalaciones puede garantizar que aunque el sistema colapse, las instalaciones puedan no sufrir daños irreparables. • Se han desarrollado herramientas y algoritmos matemáticos lo suficientemente complejos como para permitir indagar como va reaccionar en conjunto el sistema de generación y transporte y cual va a ser la “calidad” del producto entregado en dichas instalaciones. GESEN-PYOFE- Juan José Pérez Moreno Pág. 18