Respuesta de distintas tecnologías de generación a cambios en la potencia demandada en una red eléctrica simplificada incluyendo una central de bombeo.

Abstract

Acorde al alza de emisiones contaminantes en los últimos años, la necesidad de descarbonizar las industrias para combatir el cambio climático ha impulsado, en el sector energético, el cierre de las centrales termoeléctricas. Esto implica perder su aporte a la estabilidad del suministro y su capacidad de control de la red eléctrica ante perturbaciones de la demanda. Determinar hasta qué punto y de qué manera es posible descarbonizar la industria energética, sin comprometer estas características, es crucial para continuar con el desarrollo de la matriz energética y las necesidades de esta. El objetivo general es realizar un modelo simplificado de una red eléctrica compuesto por distintas tecnologías de generación eléctrica, incluyendo una central de bombeo y líneas de transmisión de energía, con el fin de analizar la confiabilidad del suministro eléctrico frente a perturbaciones abruptas del balance energético. Esta investigación se realizó mediante el estudio bibliográfico del control de estabilidad de frecuencia, modelos de generación síncrona y la teórica electromagnética aplicada a sistemas eléctricos de potencia. Para realizar el análisis de estabilidad se utilizaron las tecnologías de generación eléctrica con mayor presencia en Chile, representadas por distintos modelos de generación incluyendo los sistemas de control encargados del balance energético y estabilidad de la red. Se verificó la representatividad de los modelos para posteriormente evaluar su comportamiento ante perturbaciones correspondientes al 2% de la capacidad instalada de tecnologías que se encuentren en sincronismo con la red eléctrica. Se realizó y evaluó dos configuraciones del modelo que representen a la zona norte y sur de Chile. A partir de los resultados, se evidenció un balance y regulación de perturbaciones de potencia aparente mayores al 2% de la capacidad en sincronismo, sin superar variaciones de 2.5 Hz en la frecuencia, cuando los sistemas eléctricos de potencia propuestos se encuentran en condiciones normales. Al analizar las variables eléctricas de corriente y tensión en las líneas de transmisión es posible comprender los efectos de caídas de tensión, corriente y frecuencia de la energía eléctrica que circula por ella. El análisis por tramo del sistema eléctrico de potencia de la zona norte evidencia que la potencia consumida por los efectos impeditivos no permiten el paso de corriente, concluyendo que la regulación no puede ser llevada a cabo realmente en ese caso, siendo necesario contemplar y minimizar los efectos reactivos para que la energía llegue a los puntos de consumo sin perjudicar el suministro y la estabilidad.

In light of the rise in pollutant emissions in recent years, the need to decarbonize industries to combat climate change has led to the closure of thermoelectric power plants in the energy sector. This implies losing their contribution to supply stability and their ability to control the electrical grid in the face of demand disturbances. Determining to what extent and in what way it is possible to decarbonize the energy industry without compromising these characteristics is crucial for the continued development of the energy matrix and its requirements. The general objective is to create a simplified model of an electrical grid composed of various electricity generation technologies, including a pumping station and power transmission lines, in order to analyze the reliability of the electrical supply in the face of abrupt disturbances in the energy balance. This research was conducted through a literature review of frequency stability control, synchronous generation models, and electromagnetic theory applied to power electrical systems. To perform the stability analysis, the most prevalent electricity generation technologies in Chile were used, represented by different generation models including the control systems responsible for energy balance and network stability. The representativeness of the models was verified to subsequently evaluate their behavior under disturbances corresponding to 2% of the installed capacity of technologies that are in synchrony with the electrical grid. Two configurations of the model representing the northern and southern regions of Chile were created and evaluated. The results showed a balance and regulation of apparent power disturbances greater than 2% of the capacity in synchrony, without exceeding variations of 2.5 Hz in frequency when the proposed power electrical systems are in normal conditions. By analyzing the electrical variables of current and voltage in the transmission lines, it is possible to understand the effects of voltage drops, current, and frequency of the electrical energy flowing through them. Segment analysis of the power electrical system in the northern region shows that the power consumed by impediment effects does not allow the passage of current, concluding that regulation cannot be truly carried out in that case, and it is necessary to consider and minimize reactive effects so that energy reaches consumption points without harming supply and stability.