Modos de carga de los sistemas de potencia y distribución óptima de la carga entre centrales eléctricas
La forma en que se consume la energía y, por lo tanto, la carga en los sistemas es desigual: tiene fluctuaciones características dentro de un día, así como fluctuaciones estacionales dentro de un año. Estas fluctuaciones están determinadas principalmente por el ritmo de trabajo de las empresas —consumidoras de energía eléctrica, relacionadas con este ritmo de vida de la población, en menor medida— por factores geográficos.
En general, el ciclo diario siempre se caracteriza por una mayor o menor reducción del consumo por la noche, para el ciclo anual, en los meses de verano. La profundidad de estas fluctuaciones de carga depende de la composición de los usuarios.
Las empresas que trabajan las 24 horas, especialmente con un predominio de procesos tecnológicos continuos (metalurgia, química, minería del carbón), tienen casi el mismo modo de consumo.
Las empresas de las industrias metalmecánica y de construcción de maquinaria, incluso con trabajo a tres turnos, tienen fluctuaciones notables en el consumo de energía asociadas a la disminución habitual de la actividad productiva durante los turnos de noche. Cuando se trabaja en uno o dos turnos por la noche, se observa una fuerte disminución en el consumo de energía. También se observa una notable disminución del consumo en los meses de verano.
Las fluctuaciones aún más pronunciadas en el consumo de energía son características de las empresas de la industria alimentaria y ligera. El mayor consumo desigual se observa en el sector doméstico.
El modo de carga del sistema refleja todas estas fluctuaciones en el consumo de energía de forma sumada y, por supuesto, algo suavizada. Las condiciones de carga generalmente se presentan en forma de programa de carga.
En el gráfico diario, las horas se representan en abscisas y las cargas en MW o % de carga máxima en ordenadas. La carga máxima cae con mayor frecuencia en las horas de la tarde, cuando la iluminación se superpone al consumo de energía de producción. Es por eso que el punto máximo cambia un poco dentro del año.
Hay un pico de carga en horas de la mañana, lo que refleja la máxima actividad de producción. Por la tarde, la carga disminuye, por la noche disminuye bruscamente.
Los meses se trazan en la abscisa de los gráficos anuales, y las cantidades mensuales de kilovatios-hora o las cargas máximas mensuales se trazan en la ordenada. La carga máxima cae al final del año, debido a su aumento natural durante el año.
El modo de carga desigual, por un lado, la variedad de equipos de producción de energía y sus características operativas y técnico-económicas, por otro, plantean una tarea compleja para el personal del sistema para la distribución óptima de la carga entre estaciones y unidades generadoras.
La generación de energía tiene un precio. Para estaciones termales — estos son costos de combustible, además del mantenimiento del personal de servicio, reparaciones de equipos, deducciones por depreciación.
En las diferentes estaciones, dependiendo de su nivel técnico, potencia, estado de los equipos, el costo específico de producción de un Vt • h es diferente.
El criterio general para la distribución de carga entre estaciones (y dentro de una estación entre bloques) es el mínimo costo total de operación para la producción de una determinada cantidad de energía eléctrica.
Para cada estación (cada unidad), los costos se pueden presentar en relación funcional con el modo de carga.
La condición para el mínimo de los costos totales y por lo tanto la condición para la distribución óptima de cargas en el sistema se formula de la siguiente manera: la carga debe distribuirse de modo que se mantenga siempre la igualdad de los pasos relativos de las estaciones (unidades).
Los servicios de despacho calculan de antemano pasos casi relativos de estaciones y unidades en diferentes valores de sus cargas y se muestran como curvas (ver imagen).
Curvas de crecimiento relativo
La línea horizontal refleja la distribución de esta carga que corresponde a la condición óptima.
La distribución óptima de la carga del sistema entre las estaciones también tiene un aspecto técnico.Las unidades que cubren la parte variable de la curva de carga, especialmente los picos superiores pronunciados, funcionan en condiciones de carga que cambian rápidamente, a veces con paradas y arranques diarios.
Potente moderno unidades de turbinas de vapor no están adaptados a tal modo de funcionamiento: tardan muchas horas en arrancar, el funcionamiento en modo de carga variable, especialmente con paradas frecuentes, conduce a un aumento de accidentes y desgaste acelerado, y también se asocia con un consumo excesivo adicional bastante sensible de combustible.
Por lo tanto, para cubrir los "picos" de la carga en los sistemas, se utilizan unidades de otro tipo, que están técnica y económicamente bien adaptadas a un modo de operación con una carga variable brusca.
Son ideales para este propósito. plantas hidroeléctricas: la puesta en marcha de la unidad hidráulica y su carga completa requieren de uno a dos minutos, no están asociadas con pérdidas adicionales y son técnicamente bastante confiables.
Las centrales hidroeléctricas diseñadas para cubrir los picos de carga se construyen con una capacidad mucho mayor: esto reduce la inversión de capital en 1 kW, lo que la hace comparable a la inversión específica en centrales térmicas potentes y asegura un uso más completo de los recursos hídricos.
Dado que las posibilidades de construir centrales hidroeléctricas en muchas áreas son limitadas, donde la topografía del área permite obtener saltos suficientemente grandes, se construyen centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo (PSPP) para cubrir los picos de carga.
Las unidades de una estación de este tipo suelen ser reversibles: durante las horas de falla del sistema por la noche, funcionan como unidades de bombeo, elevando agua en un depósito elevado. Durante las horas de plena carga, funcionan en modo generación de electricidad energizando el agua almacenada en el depósito.
Son ampliamente utilizados para cubrir los picos de carga de las centrales eléctricas de turbinas de gas. Ponerlos en marcha toma solo 20-30 minutos, ajustar la carga es simple y económico. Las cifras de costos de los GTPP pico también son favorables.
Los indicadores de la calidad de la energía eléctrica son el grado de constancia de la frecuencia y el voltaje. Mantener una frecuencia y voltaje constantes en un nivel dado es de gran importancia. A medida que disminuye la frecuencia, la velocidad de los motores disminuye proporcionalmente, por lo tanto, disminuye el rendimiento de los mecanismos accionados por ellos.
No se debe pensar que aumentar la frecuencia y el voltaje tiene un efecto beneficioso. A medida que aumentan la frecuencia y el voltaje, las pérdidas en los circuitos magnéticos y las bobinas de todas las máquinas y dispositivos eléctricos aumentan considerablemente, aumenta su calentamiento y se acelera el desgaste. Además, el cambio en la frecuencia y por lo tanto en el número de revoluciones de los motores a menudo amenaza con rechazar el producto.
La constancia de frecuencia se asegura manteniendo la igualdad entre la potencia efectiva de los motores primarios del sistema y el momento mecánico total opuesto que surge en los generadores de la interacción de flujos magnéticos y corrientes. Este par es proporcional a la carga eléctrica del sistema.
La carga en el sistema cambia constantemente.Si la carga aumenta, el par de frenado en los generadores se vuelve mayor que el par efectivo de los motores principales, existe la amenaza de reducción de velocidad y reducción de frecuencia. Reducir la carga tiene el efecto contrario.
Para mantener la frecuencia, es necesario cambiar la potencia efectiva total de los motores principales en consecuencia: un aumento en el primer caso, una disminución en el segundo. Por lo tanto, para mantener continuamente la frecuencia en un nivel dado, el sistema debe tener un suministro suficiente de energía de reserva extremadamente móvil.
La tarea de regulación de frecuencia se asigna a estaciones designadas que operan con una cantidad suficiente de energía libre movilizada rápidamente. Las plantas hidroeléctricas son las que mejor pueden manejar estas responsabilidades.
Para obtener más información sobre las funciones y los métodos de control de frecuencia, consulte aquí: Regulación de frecuencia en el sistema de potencia.