Estudios eléctricos para la transición energética

La planificación y operación de los sistemas de energía eléctrica siempre se ha apoyado en modelos del sistema eléctrico que ayudan a entender y predecir el comportamiento del sistema real. La creciente complejidad del sistema energía eléctrica, la transición energética con creciente integración de recursos conectados con inversores (IBR) y los potenciales costos por decisiones erradas hace necesario, hoy más que nunca, respaldar las decisiones con estudios eléctricos basados en modelos correctos y simulación detallada de la operación.

Un modelo es una representación del sistema eléctrico y su interacción con el medio. El modelo puede ser matemático, análogo o digital, físico, simple o complejo. El modelo debe responder las preguntas asociadas al desempeño del sistema ante diversas condiciones de operación e interacciones con el medio externo o contingencias. El modelo es una ayuda al especialista quien lo utiliza para experimentar en casos de estudio las diversas posibilidades de un futuro, siempre incierto.

Los modelos para estudios eléctricos han evolucionado con el tiempo. En los años 60 a 80 se utilizaban modelos analógicos físicos "a escala" de las principales líneas de transmisión y plantas de generación del sistema de energía eléctrica. Con la llegada de computadores y el avance de la teoría de redes, ha sido posible implementar los algoritmos necesarios para resolver las ecuaciones algebraicas y diferenciales que gobiernan la relaciones entre las variables electromecánicas de plantas de generación y las variables y los parámetros de la red para permitir "simular" la operación. Los algoritmos de resolución de los problemas de flujo de carga, análisis de cortocircuitos, estabilidad transitoria, transitorios electromagnéticos, entre otros, están hoy implementados en plataformas de simulación y disponibles para el desarrollo de estudios eléctricos de diversa naturaleza.

Los estudios eléctricos de simulación distinguen dos dimensiones del comportamiento del sistema eléctrico, estado estable y periodo transitorio (electromecánico y electromagnético). El estado estable describe la situación de operación estacionaria o de estado estable caracterizada por variables del sistema (voltaje rms, corriente rms, frecuencia, potencia activa y reactiva) eminentemente constantes en el tiempo. El estado transitorio se refiere al periodo de transición entre dos estados estables. Es un periodo dinámico donde las variables del sistema cambian con el tiempo como resultado de una perturbación, de la propia dinámica del sistema y de la acción de sistemas de protecciones y controladores del sistema de energía. La simulación del estado transitorio requiere la resolución de ecuaciones diferenciales asociadas a la dinámica electromagnética y/o electromecánica del sistema.

Al referirse a transitorios eléctricos, es importante distinguir entre transitorios electromecánicos de transitorios electromagnéticos.

Los transitorios electromecánicos se refieren a la interacción entre la dinámica de las variables eléctricas y la dinámica de las partes mecánicas, en particular la dinámica inercial de las unidades generadoras rotatorias. En comparación a los transitorios electromagnéticos, los transitorios electromecánicos son mas lentos. Por esta razón, los transitorios electromecánicos se estudian y simulan con valores rms o fasores y la red se describe con ecuaciones algebraicas que incluyen resistencias, reactancias inductivas y reactancias capacitivas. La frecuencia de la red se considera (quasi) constante y la dinámica inercial de las máquinas rotatorias se representa mediante la ecuación de oscilación. El estudio de estabilidad transitoria es una muestra de simulación de transitorio electromecánico y da cuenta de la evolución en el tiempo de las variables eléctricas en el dominio fasor cuando el sistema es perturbado por una contingencia o cambio de punto de operación.

Los transitorios electromagnéticos (EMT) se refieren a los fenómenos de naturaleza magneto-eléctrica. Los transitorios electromagnéticos son rápidos y por ello generalmente la dinámica mecánica no interviene por tratarse de fenómenos más lentos. La red eléctrica se describe mediante inductancias, capacitancias y resistencias con ecuaciones diferenciales. Dependiendo de la frecuencia de interés, el modelo puede variar al incluir capacitancias, inductancias o resistencias que no aparecen en el modelo de frecuencia fundamental. Los resultados de la simulación dan respuesta a un amplio rango de frecuencias. La energización de condensadores, las sobretensiones de maniobras o por caídas de rayos, el Voltaje Transitorio de Recuperación (TRV) de interruptores de poder y la operación detallada de controladores de convertidores de potencia y FACTS, entre otros, son estudios de transitorios electromagnéticos típicos.

La transición energética y des-carbonización de los sistemas eléctricos está cambiando la naturaleza (estática y dinámica) de los sistemas de energía eléctrica y con ello la necesidad y característica de los estudios eléctricos. El futuro sistema de energía eléctrica estará dominado por convertidores de potencia como interface entre las fuentes renovables (solar y eólica) y el sistema eléctrico. También los consumos usarán soluciones basadas en electrónica de potencia y control digital como son los vehículos eléctricos y sistemas BESS. Y el transporte masivo de potencia eléctrica renovable desde lugares remotos hará necesario el uso de sistemas de transmisión HVDC. Todas estas tecnologías modifican la dinámica del sistema, desde un sistema cuya dinámica es predominantemente electromecánica a uno cuya dinámica es predominantemente electromagnética y por lo tanto se hace necesario estudios más detallados que reflejen el comportamiento del sistema de energía.

En resumen, los cambios que se están produciendo en los sistemas de energía eléctrica producto de la transición energética, requieren modelos y herramientas de simulación apropiadas a las frecuencias y fenómenos de interés. Dado que la electrónica de potencia sera predominante en el sistema, los modelos y herramientas deben ser capaces de reflejar las potenciales interacciones de estos dispositivos en frecuencias que pueden llegar a varios kHz. Las simulaciones rms siguen siendo necesarias, pero no serán suficientes para evaluar el desempeño esperado o diagnosticar la causa de falla del sistema de energía eléctrica. Las simulaciones EMT off-line y de tiempo real y los modelos detallados del vendor u OEM models se harán cada día mas necesarios para entender el comportamiento del sistema.

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