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Articulo de referencia

Relación de cortocircuito (red eléctrica)

En una red eléctrica , la relación de cortocircuito (o SCR ) es la relación entre: la potencia aparente de cortocircuito (SCMVA) en el caso de una falla de línea-línea-línea-tie...

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En una red eléctrica , la relación de cortocircuito (o SCR ) es la relación entre: la potencia aparente de cortocircuito (SCMVA) en el caso de una falla de línea-línea-línea-tierra (3LG) en la ubicación de la red donde está conectado algún generador, y: la potencia nominal del generador mismo (GMW).

Dado que la potencia que puede suministrar la red varía según la ubicación, frecuentemente se indica una ubicación, por ejemplo, en el punto de interconexión (POI):

SdoRPAGOI=SdoMETROVAPAGOIGRAMOMETROW{\displaystyle SCR_{POI}={\frac {SCMVA_{POI}}{GMW}}}

El SCR se utiliza para cuantificar la robustez del sistema de la red (su capacidad para gestionar cambios en la inyección y el consumo de potencia activa y reactiva ). [ 1 ] En términos sencillos, un SCR alto indica que el generador en cuestión representa una pequeña porción de la potencia disponible en el punto de conexión a la red y, por lo tanto, los problemas del generador no pueden afectar a la red de manera significativa. [ 2 ] El SCMVA se define como el producto de la tensión antes de la falla 3LG y la corriente que fluiría después de la falla (esta combinación del peor caso no se dará en la práctica, pero proporciona una estimación útil de la capacidad del circuito). El SCMVA también se denomina nivel de cortocircuito ( SCL ), [ 3 ] aunque a veces el término SCL se utiliza para designar únicamente la corriente de cortocircuito. [ 4 ]

Resistencia de la red

El término resistencia de la red (también resistencia del sistema ) se utiliza para describir la resiliencia de la red ante pequeños cambios en las proximidades de su ubicación (" rigidez de la red "). [ 5 ] Desde el punto de vista de un generador eléctrico, la resistencia del sistema está relacionada con las variaciones de tensión que encuentra en sus terminales a medida que varía la inyección de corriente del generador. Por lo tanto, la cuantificación de la resistencia del sistema puede realizarse calculando la impedancia eléctrica equivalente ( de Thévenin ) del sistema, tal como se observa desde estos terminales (la resistencia es inversamente proporcional a la resistencia [ 6 ] ). El SCR y sus variaciones proporcionan una forma conveniente de calcular esta impedancia en condiciones normales o de contingencia (estas estimaciones no están destinadas al estado real de cortocircuito). [ 1 ]

Las redes robustas proporcionan una referencia fiable para la sincronización de las fuentes de energía. [ 5 ] En un sistema muy rígido, la tensión no cambia con las variaciones de la potencia inyectada por un generador en particular, lo que simplifica su control. [ 7 ] En una red tradicional dominada por generadores síncronos , una red robusta con un SCR mayor que 3,0 tendrá la estabilidad de tensión y las reservas de potencia activa deseadas. [ 4 ] Una red débil (con valores de SCR entre 2,0 y 3,0 [ 8 ] ) puede presentar inestabilidad de tensión y problemas de control. [ 5 ] Una red con un SCR inferior a 2,0 es muy débil . [ 8 ]

Importancia de la sobrecorriente

La robustez de la red también es importante por sus capacidades de sobrecorriente que son esenciales para las operaciones del sistema eléctrico . La falta de capacidad de sobrecorriente (bajo SCR) en una red débil crea multitud de problemas, entre ellos: [ 9 ]

  • Los transitorios durante los grandes cambios de carga provocarán grandes variaciones en la tensión de la red, causando problemas con las cargas (por ejemplo, algunos motores podrían no ser capaces de arrancar en condiciones de baja tensión );
  • Los dispositivos de protección de la red están diseñados para activarse ante un nivel suficiente de sobrecorriente. En un sistema débil, la corriente de cortocircuito podría ser difícil de distinguir de una sobrecorriente transitoria normal que se produce durante los cambios de carga;
  • Durante una operación de arranque en negro tras un apagón , puede ser necesaria una gran corriente de irrupción para energizar los componentes del sistema. Por ejemplo, si algunas cargas en un sistema débil permanecen conectadas, un recurso basado en un inversor podría no ser capaz de arrancar.

Presencia de recursos basados ​​en inversores

La gran penetración de los recursos basados ​​en inversores (RBI) reduce el nivel de cortocircuito: un generador síncrono típico puede suministrar una sobrecorriente significativa , de 2 a 5 [ 9 ] pu , durante un tiempo relativamente largo (minutos), mientras que las limitaciones de los componentes de los RBI dan como resultado límites de sobrecorriente inferiores a 2 [ 9 ] pu (normalmente de 1,1 a 1,2 pu). [ 4 ]

La definición original de SCR anterior estaba destinada a un sistema con generación predominantemente síncrona, [ 1 ] por lo que se han propuesto múltiples métricas alternativas, incluyendo la relación de cortocircuito ponderada (WSCR), la relación de cortocircuito compuesta (CSCR), la relación de cortocircuito de circuito equivalente (ESCR) y la relación de cortocircuito con factores de interacción (SCRIF), para las redes con múltiples IBR adyacentes para evitar una sobreestimación de la fuerza de la red [ 10 ] [ 4 ] (un IBR depende de la fuerza de la red para sincronizar su operación y no tiene mucha capacidad de sobrecorriente [ 5 ] ).

Henderson et al. argumentan que en el caso de los IBR, la SCR y la fuerza del sistema están de hecho desacopladas y proponen una nueva métrica, la impedancia de fuerza de la red . [ 4 ]

A medida que aumenta la penetración de las energías renovables, la robustez del sistema se convierte en una preocupación clave, ya que determina la sensibilidad de las variables de la red, como el voltaje, a las perturbaciones. [ 11 ] Los valores bajos de SCR indican que un dispositivo conectado es grande en relación con la corriente de falla disponible, lo que aumenta el riesgo de inestabilidad de voltaje. [ 11 ]

Las aplicaciones de electrónica de potencia, como los dispositivos HVDC y FACTS, presentan desafíos particulares al conectarse a zonas débiles de la red. Los sistemas HVDC basados ​​en convertidores de fuente de corriente , por ejemplo, pueden requerir topologías de convertidor alternativas, como convertidores de fuente de tensión o convertidores conmutados por condensador, cuando los valores de SCR se aproximan a la unidad. [ 11 ] Sin estas medidas, las condiciones de SCR bajas pueden provocar sobretensiones excesivas, resonancias de baja frecuencia e inestabilidad del sistema de control. [ 11 ]

Los parques eólicos suelen ubicarse en zonas con conexiones a la red eléctrica más débiles, alejadas de los principales centros de consumo. La integración de grandes cantidades de generación eólica en estas ubicaciones puede generar problemas de estabilidad de voltaje . [ 11 ] Los fabricantes de turbinas pueden especificar requisitos mínimos de SCR para la configuración estándar del controlador; el funcionamiento en entornos con valores de SCR más bajos puede requerir análisis adicionales, reajuste de los controles o la instalación de equipos de compensación reactiva dinámica, como los STATCOM . [ 11 ]

Ejemplo

Un incidente ocurrido en ERCOT a principios del siglo XXI ilustra las consecuencias prácticas de las condiciones débiles de la red eléctrica para la generación eólica. Una planta eólica conectada mediante dos líneas de transmisión de 69 kV funcionaba con normalidad cuando ambas líneas estaban en servicio, lo que correspondía a un SCR de aproximadamente 4. Cuando una de las líneas se desconectó, el SCR cayó a alrededor de 2 o menos, y las unidades de medición fasorial en el punto de interrupción registraron oscilaciones de voltaje sostenidas . [ 8 ] La investigación reveló que el controlador de voltaje de la planta, ajustado para condiciones de red más robustas, tenía una ganancia excesiva para el entorno de SCR reducido: el controlador respondía de forma demasiado agresiva a las desviaciones de voltaje, que a su vez se veían amplificadas por la mayor impedancia de la red, creando un bucle de retroalimentación desestabilizador. El evento se replicó posteriormente en una simulación dinámica. [ 8 ]

Impacto en la red

El SCR se puede calcular para cada punto de una red eléctrica . Una red con un SCR alto se conoce como red o sistema eléctrico robusto. Un sistema eléctrico (red) con un SCR bajo es más vulnerable a la inestabilidad de la tensión de la red. Por lo tanto, dicha red o sistema se conoce como red o sistema eléctrico débil.

La robustez de la red se puede aumentar instalando condensadores síncronos . [ 12 ] El condensador puede actuar como una fuente de tensión síncrona para soportar la reactancia transitoria y la reactancia subtransitoria, proporcionando también la respuesta inercial y la contribución de la corriente de falla .

También se pueden utilizar compensadores síncronos estáticos para mejorar la relación SCR, ya que la fuente de corriente está limitada por la descarga del almacenamiento y las condiciones térmicas.

Referencias

  1. 1 2 3 NERC 2017 , pág. 1.
  2. ↑ Ramasubramanian 2019 , pág. 6.
  3. ^ Burton y col. 2001 , pág. 572.
  4. 1 2 3 4 5 Henderson y cols. 2023 , pág. 1.
  5. 1 2 3 4 NERC 2017 , pág. vii.
  6. ↑ Boričić, Aleksandar; Torres, Jose Luis Rueda; Popov, Marjan (noviembre de 2022). "Fortaleza del sistema: clasificación, métodos de evaluación y desafíos emergentes en redes dominadas por IBR". 2022 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies - Asia (ISGT Asia) . págs. 185–189 . Bibcode : 2022isga.conf...20B . doi : 10.1109/ISGTAsia54193.2022.10003499 . ISBN  979-8-3503-9966-0.
  7. ↑ Pan, Donghua; Wang, Xiongfei; Liu, Fangcheng; Shi, Rongliang (junio de 2020). "Estabilidad transitoria de convertidores de fuente de voltaje con control de formación de red: un estudio orientado al diseño" . IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics . 8 (2): 1019– 1033. Bibcode : 2020IJESE...8.1019P . doi : 10.1109/JESTPE.2019.2946310 . ISSN 2168-6777 . 
  8. ^ Zhang y cols . 2014 , pág. 1.
  9. ^ Li , Nie y Wang 2022 , pág.536. 
  10. ↑ NERC 2017 , pág. 2.
  11. 1 2 3 4 5 6 Zhang y cols. 2014 .
  12. ↑ Jang, Gilsoo (18 de noviembre de 2019). HVDC para servicios de red en sistemas de energía eléctrica . MDPI. ISBN 978-3-03921-762-5.

Fuentes

  • Kundur, P.; Balu, NJ; Lauby, MG (1994). Estabilidad y control de sistemas de potencia . Serie de ingeniería de sistemas de potencia de EPRI. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-035958-1. Consultado el 12 de junio de 2023 .
  • NERC (febrero de 2018). Modelado de cortocircuitos y resistencia del sistema (PDF) . Atlanta, GA.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  • NERC (diciembre de 2017). Integración de recursos basados ​​en inversores en sistemas de baja rigidez dieléctrica (PDF) . Atlanta, GA.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  • Henderson, Callum; Egea-Alvarez, Agusti; Kneuppel, Thyge; Yang, Guangya; Xu, Lie (2023). "Métrica de impedancia de resistencia de red: una alternativa a SCR para evaluar la resistencia del sistema en sistemas dominados por convertidores" (PDF) . IEEE Transactions on Power Delivery . 39. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 386–396 . doi : 10.1109/tpwrd.2022.3233455 . ISSN 0885-8977 . S2CID 255660560 .  
  • Burton, T.; Sharpe, D.; Jenkins, N.; Bossanyi, E. (2001). Manual de energía eólica . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-48997-9. Consultado el 30 de junio de 2023 .
  • Zhang, Yang; Huang, Shun-Hsien Fred; Schmall, John; Conto, Jose; Billo, Jeffrey; Rehman, Ehsan (2014). "Evaluación de la robustez del sistema para la integración de plantas eólicas a gran escala" . 2014 IEEE PES General Meeting | Conference & Exposition . IEEE. pp. 1–5 . doi : 10.1109/pesgm.2014.6939043 . ISBN  978-1-4799-6415-4.
  • Li, Haiguo; Nie, Cheng; Wang, Fred (2022). "Grid Strengthening IBR: An Inverter-Based Resource Enhanced by a Co-Located Synchronous Condenser for High Overcurrent Capability" . IEEE Open Journal of Power Electronics . 3. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 535–548 . Bibcode : 2022IOJPE...3..535L . doi : 10.1109/ojpel.2022.3194849 . ISSN 2644-1314 . S2CID 251194445 .  
  • Ramasubramanian, Deepak (8 de noviembre de 2019). "Desafíos y posibles soluciones para el sistema eléctrico del futuro" (PDF) . cigre-usnc.org . CIGRE . Consultado el 9 de julio de 2023 .