Generadores operando en paralelo con sistemas de potencia grande.

Cuando se conecta un generador sincrónico a un sistema de potencia de gran tamaño, este último se puede considerar que es tan grande que nada de los que le sucede al generador influiría en el sistema de potencia. Un ejemplo de este sistema sucede cuando la planta de chitota (ubicada en Bucaramanga) se conecta a la red. En este caso se está hablando de conectar 15KVA con casi 1200MVA del sistema nacional, al entrar este sistema la tensión o la frecuencia de funcionamiento del generador poco influye en el sistema.

Con el concepto anterior se puede considerar que el sistema nacional es un barraje infinito. El concepto de barraje infinito en un sistema de potencia tan grande que el voltaje y frecuencia no varían nunca. Independientemente de cuanta potencia activa o reactiva se está tomando de él.

Para entender el concepto de un generador cuando se conecta a un gran sistema de potencia, es preciso examinar un sistema que consta de un barraje infinito y un generador en paralelo que se usan para alimentar una carga. Se supone que el primomotor del generador tiene un gobernador de velocidad y el campo se controla manualmente por medio de un reóstato (ver fig 4-42).

Fig 4-42. Generador para acoplarse a la red.

Cuando se conecta un generador en paralelo con un sistema de gran tamaño, la frecuencia y el voltaje están determinados por el sistema de potencia y estos se mantienen constantes, para nuestro caso la tensión se debe mantener en 208V y la frecuencia en 60Hz y el generador entrante debe tener estables estos parámetros. Como se muestra en la figura 4-43. Entonces sus características potencia real-frecuencia y potencia reactiva –voltaje pueden graficarse espalda con espalda con un eje vertical en común. Este diagrama se llama, de forma informal, el diagrama de casas como se muestra en la figura 4-43.

Fig 4-43. Representación del sistema de potencia y generador entrante con un diagrama de casas. Como apenas se conectó en paralelo el generado a la carga se dice que el generador está flotando en el sistema de potencia y este generador se considera que toma una potencia activa Pg igual a cero y una potencia reactiva Qg igual a cero. Pero en realidad el generador entrante toma una pequeña potencia activa y reactiva de la red pero se puede considerar despreciable.

Ahora vamos a analizar que sucede si la velocidad del primomotor aumenta, en este caso, la frecuencia en vació del generador entrante aumenta y lo que hace es que el generador empieza a tomar carga del sistema de potencia. Esto se puede verificar en el vatímetro que se conecta en el generador (ver figura 4-44).

Otra forma de verse este incremento de potencia es usando el diagrama de fasorial del generador. La potencia activa que genera una máquina síncrona trabajando como generador está dada por:

s A X sen E V P=3 φ (δ)

Fig 4-44. Toma de potencia activa por parte del generador.

Como la tensión en los bornes Va no cambia (barra infinita) la componente que varia es Egsen(δ) y su crecimiento es proporcional a la potencia consumida.

Fig 4-45. Diagrama fasorial para el incremento de potencia activa.

Este incremento de potencia también influye en la corriente que aporta el generador, como se puede ver en la figura 4-45, la corriente ya no está en fase con la tensión sino que está en adelanto, lo que supone que no solamente el generador toma potencia activa sino que también aporta reactivos al sistema o consume potencia reactiva.

Ahora vamos a deducir que sucede cuando el generador toma más de la potencia de la carga que esté conectada a él. Si esto ocurre la potencia extra generada fluye hacia el sistema de potencia o barraje infinito. Desafortunadamente la toma de potencia del sistema de potencia está limitada por la capacidad del primomotor o del generador propio. Nunca se debe exceder el torque que puede suministrar el primomotor o nunca se debe sobrepasar la corriente nominal del generador, cualquiera de los dos sobrepasos se verá reflejado en un deterioro de cualquiera de las dos máquinas.

Ahora vamos a analizar que le sucede al generador cuando la velocidad de la máquina motriz se reduce. En este caso se bajaría la frecuencia del generado operando en vacío y el generador empieza a tomar potencia del sistema, lo que sucede es que el generador se motoriza. Este fenómeno se puede considerar como maléfico porque el generador en vez de generar potencia va a consumirla, cada una de las subestaciones de generación tienen un relé de inversión de potencia que se activa cuando la potencia generada es negativa. Este fenómeno se puede ver en el gráfico de la figura 4-46. y el vatímetro empezaría a marcar en el otro sentido.

Después de que se ha calibrado el generador para que solo consuma potencia activa se presentará un ángulo de desfase entre la tensión en bornes del generador y la corriente de carga como se ve en la figura 4-45. La pregunta que se puede hacer ¿Cómo se puede ajustar el generador de modo que suministre potencia reactiva Q al sistema? Esto puede lograrse ajustando la corriente de campo del generador. Para poder entender la razón de este fenómeno es necesario considerar las restricciones de operación del generador en estas circunstancias.

La primera restricción del generador es que la potencia que debe suministrar el primomotor al generador debe mantenerse constante cunado se varía If. La potencia en el generador está dada por la ecuación P=τindwm. Ahora se puede considerar que el motor primario de un generador síncrono tiene una característica par velocidad fijada en un punto de ajuste dado por el gobernador. Esta carga solo cambia cuando se modifica el punto de ajuste del gobernador. Puesto que el generador está conectado a un barraje infinito, su velocidad no puede cambiar. Si la velocidad del generador no cambia y los puntos de ajuste del gobernador no han sido variados, la potencia suministrada por el generador debe permanecer constante.

Si la potencia suministrada es constante, mientras se varía la corriente de campo, no pueden cambiar las distancias proporcionales a la potencia en el diagrama fasorial de la figura 4-47 y por tal razón no cambia ni IAcos(θ) ni Egsen(δ). Cuando se incrementa la corriente de campo el flujo φ en la máquina se incrementa y entonces la tensión generada Eg se incrementa. Si Eg se incrementa pero Egsen(δ) se mantiene constante entonces el fasor Eg debe desplasarse a lo largo de la línea de potencia constante como se muestra en la figura 4-47, Puesto que Va permanece constante, el ángulo jXsIA cambia como se muestra, por lo tanto, cambia el ángulo y la magnitud de IA. Nótese que como resultado, se incrementa la distancia proporcional a Q (IAsen(θ)). En otras palabras, incrementando la corriente de campo en un generador síncrono que opera en paralelo con un sistema de potencia infinito, se incrementa la potencia reactiva de salida del generador.

Fig 4-47. Repartición de potencia reactiva.

Para resumir la operación cuando un generador está operando en paralelo con un barraje infinito:

- La frecuencia y tensión en bornes del generador están impuestos por el sistema de potencia al cual está conectado el generador.

- La potencia activa que toma el generador se puede controlar por el aumento o disminución de velocidad en vacío del primomotor.

- La cantidad de potencia reactiva que el generador toma del sistema de potencia es controlada por la corriente de excitación del campo.

4.26 Funcionamiento de generadores en paralelo de igual