Control de voltaje y gestión de potencia reactiva

El control de voltaje y la gestión de potencia reactiva son dos facetas de un servicio auxiliar que permite la confiabilidad de las redes de transmisión y facilita el mercado eléctrico en estas redes. Ambos aspectos de esta actividad están interrelacionados (el cambio de voltaje en una red de corriente alterna (CA) se efectúa a través de la producción o absorción de potencia reactiva ), por lo que en este artículo el término control de voltaje se utilizará principalmente para designar esta actividad esencialmente única, como sugieren Kirby y Hirst (1997). ^{[ 1 ]} El control de voltaje no incluye inyecciones de potencia reactiva para amortiguar las oscilaciones de la red ; estas son parte de un servicio auxiliar separado, el llamado servicio de estabilidad del sistema . ^{[ 2 ]} La transmisión de potencia reactiva está limitada por naturaleza (la pérdida de VAR a lo largo de una línea de transmisión de alta tensión puede ser un orden de magnitud mayor que la pérdida de vatios , "los VAR no se transmiten bien" ^{[ 3 ]} ), por lo que el control de tensión se proporciona a través de equipos distribuidos por toda la red eléctrica, a diferencia del control de frecuencia que se basa en mantener el equilibrio general de potencia activa en el sistema. ^{[ 4 ]}

Generalmente, un aumento en la producción de potencia reactiva corresponde a una mayor tensión de línea , mientras que un aumento en la absorción de potencia reactiva reduce la tensión. ^{[ 5 ]} En el mercado mayorista de electricidad, el operador independiente del sistema , junto con los propietarios de las líneas de transmisión, define el programa de tensión , un valor objetivo o un rango de tensiones de referencia aceptables para cada generador (típicamente definido como la tensión en el bus de transmisión ). El programa se utiliza normalmente como parámetro para el control automático de tensión , aunque a veces el control utiliza la potencia reactiva objetivo (" MVAR ") o el factor de potencia como punto de ajuste . ^{[ 6 ]}

Kirby y Hirst indican tres razones detrás de la necesidad de control de voltaje: ^{[ 1 ]}

1. Los equipos de la red eléctrica están diseñados para un rango de voltaje estrecho, al igual que los equipos que consumen energía en el lado del cliente. El funcionamiento fuera de este rango provocará que los equipos fallen;
2. La potencia reactiva provoca calentamiento en los generadores y las líneas de transmisión, por lo que los límites térmicos requerirán restringir la producción y el flujo de potencia real ( activa );
3. La inyección de potencia reactiva en las líneas de transmisión provoca pérdidas que desperdician energía, lo que obliga a aumentar la potencia suministrada por el motor primario .

El uso de dispositivos especializados de control de voltaje en la red también mejora la estabilidad del sistema eléctrico al reducir las fluctuaciones del ángulo del rotor de un generador síncrono (causadas por la generación o absorción de potencia reactiva por parte de los generadores). ^{[ 7 ]}

Los buses y sistemas de potencia que presentan grandes cambios de voltaje cuando cambian las condiciones de potencia reactiva se denominan sistemas débiles , mientras que aquellos que presentan cambios relativamente menores son fuertes (numéricamente, la fuerza se expresa como una relación de cortocircuito que es mayor para los sistemas más fuertes). ^{[ 8 ]}

Las cargas eléctricas absorben energía reactiva si tienen un factor de potencia inductivo (son como inductores ) y la producen si tienen un factor de potencia capacitivo (son como capacitores ). En el caso de los generadores, la definición de la dirección de la corriente se invierte; por lo tanto, un generador capacitivo absorberá potencia reactiva, y uno inductivo la producirá. Debido a la posible confusión —puramente definicional—, podría ser conveniente evitar la terminología capacitiva/inductiva al hablar de la producción/absorción de potencia reactiva. ^{[ 9 ]}

Las unidades de equipos de la red eléctrica normalmente suministran o consumen la potencia reactiva: ^{[ 10 ]}

• Los generadores síncronos proporcionarán potencia reactiva si están sobreexcitados y la absorberán si están subexcitados, sujetos a los límites de la curva de capacidad del generador . ^{[ 11 ]}
• Los transformadores siempre absorberán la potencia reactiva.
• Las líneas eléctricas absorben o suministran potencia reactiva: las líneas aéreas suministran potencia reactiva con cargas bajas, pero a medida que la carga supera la impedancia de sobretensión de la línea, esta comienza a consumir una cantidad creciente de potencia reactiva. Las líneas subterráneas son capacitivas, por lo que se cargan por debajo de la impedancia de sobretensión y suministran potencia reactiva.
• Las cargas eléctricas suelen absorber la potencia reactiva, ^{[ 12 ]} con un factor de potencia para aparatos típicos que oscila entre 0,65 (equipos domésticos con motores eléctricos, como una lavadora ) y 1,0 (cargas puramente resistivas como lámparas incandescentes ). ^{[ 13 ]}

En una red eléctrica típica, los generadores síncronos proporcionan los fundamentos del control de voltaje. Estos generadores están equipados con reguladores automáticos de voltaje que ajustan el campo de excitación , manteniendo el voltaje en los terminales del generador dentro del rango objetivo. ^{[ 12 ]}

La tarea de compensación de potencia reactiva adicional (también conocida como compensación de voltaje ) se asigna a los dispositivos de compensación : ^{[ 12 ]}

• Sumideros pasivos (ya sean conectados permanentemente o conmutados) de potencia reactiva (por ejemplo, reactores en derivación que son similares a los transformadores en su construcción, con un solo devanado y núcleo de hierro ^{[ 14 ]} ). Un reactor en derivación se conecta típicamente a un extremo de una línea de transmisión larga o a un sistema débil para evitar sobretensiones bajo carga ligera ( efecto Ferranti ); ^{[ 15 ]}
• fuentes pasivas de potencia reactiva (por ejemplo, condensadores en paralelo o en serie ).
  • Los condensadores en derivación se utilizan en sistemas de potencia desde la década de 1910 y son populares debido a su bajo costo y relativa facilidad de instalación. La cantidad de potencia reactiva suministrada por un condensador en derivación es proporcional al cuadrado de la tensión de línea, por lo que el condensador contribuye menos en condiciones de baja tensión (frecuentemente causadas por la falta de potencia reactiva). Esta es una desventaja importante, ya que el suministro de potencia reactiva por parte de un condensador disminuye cuando más se necesita; ^{[ 16 ]}
  • Los capacitores en serie se utilizan para compensar la reactancia inductiva de las líneas eléctricas aéreas cargadas. Estos dispositivos, conectados en serie a los conductores de potencia, se utilizan normalmente para reducir las pérdidas de potencia reactiva y aumentar la cantidad de potencia activa que se puede transmitir a través de la línea, siendo la autorregulación de la potencia reactiva (el suministro aumenta fortuitamente con una mayor carga) una consideración secundaria; ^{[ 17 ]} La tensión a través de un capacitor en serie suele ser baja (dentro del rango de regulación de la red, unos pocos por ciento de la tensión nominal), por lo que su construcción es relativamente económica. Sin embargo, en caso de un cortocircuito en el lado de la carga, el capacitor estará expuesto brevemente a la tensión total de la línea, por lo que se prevén circuitos de protección, que generalmente incluyen descargadores de chispa , varistores de ZnO e interruptores; ^{[ 18 ]}
• compensadores activos (por ejemplo, condensadores síncronos , compensadores estáticos de var , compensadores síncronos estáticos que pueden ser fuentes o sumideros de potencia reactiva;
• transformadores reguladores (por ejemplo, transformadores con cambiador de tomas ).

Los dispositivos de compensación pasiva pueden estar conectados permanentemente o conmutarse (conectarse y desconectarse) manualmente, mediante un temporizador, o automáticamente en función de los datos del sensor. ^{[ 19 ]} Los dispositivos activos son, por naturaleza, autoajustables. ^{[ 15 ]} Los transformadores con cambiador de tomas con función de cambio de tomas bajo carga (ULTC) pueden utilizarse para controlar la tensión directamente. El funcionamiento de todos los transformadores con cambiador de tomas del sistema debe estar sincronizado entre sí ^{[ 20 ]} y con la aplicación de condensadores en paralelo. ^{[ 21 ]}

Debido a la naturaleza localizada del equilibrio de potencia reactiva, el enfoque estándar consiste en gestionar la potencia reactiva localmente (método descentralizado). La proliferación de microrredes podría hacer que el enfoque centralizado flexible resulte más económico. ^{[ 22 ]}

En los mercados mayoristas de electricidad con propiedad separada de generación y transmisión, la compensación de potencia reactiva se puede proporcionar de dos maneras: ^{[ 23 ]}

• a través de los dispositivos del sistema de transmisión;
• Al utilizar los generadores ("separados" de la transmisión, esto se convierte en un servicio auxiliar , "Servicio de suministro reactivo y control de voltaje").

El propietario del generador (GO) es compensado de diversas maneras: ^{[ 24 ]}

• Es obligatorio mantenerse dentro de un rango de factores de potencia cercano a la unidad (generalmente hasta 0,95 tanto en adelanto como en retraso), y esto no se compensa.
• Más allá del rango establecido, la tarifa operativa se paga para compensar los costos de capital, los gastos operativos o las ganancias perdidas (por ejemplo, cuando se necesita reducir la potencia para proporcionar más potencia reactiva).

• Gestión activa de la red

• Casazza, John A.; Loehr, George C. (2000). La evolución de la transmisión de energía eléctrica bajo la desregulación: lecturas seleccionadas . IEEE. ISBN 978-0-7803-4807-3. Consultado el 1 de julio de 2025 .
• DeVita, Thomas (5 de noviembre de 2021). "Descripción general de la compensación de potencia reactiva" . PJM Interconnection . Grupo de trabajo de compensación de potencia reactiva de PJM . Consultado el 20 de junio de 2025 .
• Hofmann, Wolfgang; Schlabbach, Jürgen; Just, Wolfgang (23 de abril de 2012). Compensación de potencia reactiva . Chichester, West Sussex, Reino Unido. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-97718-7.
• Ibrahimzadeh, Esmaeil; Blaabjerg, Frede (5 de abril de 2017). "Papel de la energía reactiva y su controlabilidad en sistemas de energía de CA" . En Naser Mahdavi Tabatabaei; Ali Jafari Aghbolaghi; Nicu Bizón; Frede Blaabjerg (eds.). Control de potencia reactiva en sistemas de alimentación de CA: fundamentos y problemas actuales . Saltador. págs. 117 a 136. ISBN  978-3-319-51118-4OCLC 1005810845​​ 
• Jenkins, Nick; Alan, Ron; Crossley, Pedro; Kirschen, Daniel; Strbac, Goran (30 de junio de 2000). Generación integrada . IET. ISBN 978-0-85296-774-4. Consultado el 20 de junio de 2025 .
• Khan, Baseem (2022). "Gestión de potencia reactiva en redes de distribución activas". Redes de distribución eléctrica activas . Elsevier. pp. 287–301 . doi : 10.1016/B978-0-323-85169-5.00005-8 . 
• Kirby, Brendan J.; Hirst, Eric (1997). Detalles del servicio auxiliar: Control de voltaje (ORNL/CON-453) (PDF) . Oak Ridge, Tennessee : Laboratorio Nacional de Oak Ridge .
• Kundur, Prabha (22 de enero de 1994). «Potencia reactiva y control de voltaje» (PDF) . Estabilidad y control de sistemas de potencia . McGraw-Hill Education. págs. 627–687 . ISBN  978-0-07-035958-1OCLC 1054007373 .​