Operación contra fallas de grupos electrógenos en paralelo

Ed Schroeder
Especialista de ingeniería sénior
Corriente Eléctrica de Caterpillar

Keith Folken
Especialista de ingeniería sénior
Innovación y Desarrollo Tecnológico de Caterpillar

Octubre de 2016

INTRODUCCIÓN

En instalaciones con una gran demanda de energía, como un hospital o un centro de datos, la comunicación entre los grupos electrógenos es crucial para mantener los niveles de energía. En estos tipos de aplicaciones, los grupos electrógenos se pueden conectar por vía eléctrica para gestionar la gran demanda energética. Llamados grupos electrógenos en paralelo, esta configuración ayuda a garantizar un intercambio y respuesta de cargas más eficientes dentro de una red.

Una manera de operar sistemas de potencia con grupos electrógenos en paralelo es utilizar controladores multifunción exclusivos del grupo electrógeno con motor con controles en paralelo integrados en la placa del grupo electrógeno. Con el Sistema de Control Cat® EMCP 4.4, los controladores individuales se comunican entre sí por medio de una estructura central de Ethernet para sincronizar los grupos electrógenos a través de una conexión a un solo interruptor Ethernet.

Este enfoque de paralelismo es económico, porque integra la función de los dispositivos de control en paralelo discretos y los controladores lógicos programables con los controles del grupo electrógeno, y reduce la huella del equipo de conmutación, lo que genera menores costos de capital del proyecto. Sin embargo, es un enfoque que suscitó algunas preguntas entre los diseñadores y usuarios de sistemas de potencia:

• ¿Qué sucede si falla el interruptor Ethernet y los grupos electrógenos no pueden comunicarse?
• ¿Qué sucede si se rompe el enlace de uno o más grupos electrógenos y esas unidades quedan incomunicadas?
• En esas condiciones, ¿el sistema de potencia sigue funcionando, compartiendo cargas y respondiendo a los cambios de carga de manera segura y estable?

Para los grupos electrógenos equipados con un control EMCP 4.4 y Enlace de Datos de Múltiples Generadores (MGDL, Multiple-Generator Data Link), sin lugar a dudas la respuesta es sí. La estrategia patentada de Caterpillar llamada operación contra fallas adaptativa de intercambio/caída de carga está programada en el sistema EMCP 4.4 para cambiar las unidades de manera inteligente a un esquema de control que permite el funcionamiento ininterrumpido y estable durante el tiempo que sea necesario para restablecer la comunicación completa. La pérdida de comunicación también activa una alarma que alerta al personal de operaciones el estado, a fin de agilizar las reparaciones.

Conocer el riesgo

El enfoque tradicional a las fallas de comunicación en los grupos electrógenos en paralelo acarrea riesgos de inestabilidad del sistema y funcionamiento inseguro del motor. En la respuesta convencional a una falla en la comunicación, las unidades se dividen en dos modalidades: caída e isócrono. Las unidades de caída se colocan automáticamente en un nivel de carga objetivo fijo y predeterminado; por ejemplo, el 50 % de carga a frecuencia nominal. Las máquinas de oscilación isócrona, también llamadas máquinas de oscilación, absorben la mayor parte de los cambios de carga. Las unidades de caída comienzan a levantar cargas solo cuando las unidades isócronas se sobrecargan más del 100 % de su capacidad nominal.

Este esquema de control tiene dos grandes desventajas. Por un lado, los grupos electrógenos de caída pueden estar funcionando a un porcentaje de carga diferente en el momento en que pierde la comunicación. En efecto, tienen que adaptarse de inmediato a la frecuencia y carga en la curva de caída. Esto puede implicar la adición o disminución repentina del combustible para adecuarse a la frecuencia de los grupos electrógenos isócronos, lo que podría provocar inestabilidad en el sistema y pérdida de sincronización. Por otro lado, el grupo isócrono también puede sobrecargarse a medida que aumenta la carga, incluso después de estabilizar el sistema. Aunque los grupos electrógenos de caída pudieran agregar más carga, el diseño lo impide.

Otra deficiencia de este enfoque es que limita la capacidad de potencia del sistema innecesariamente. La potencia de salida de las máquinas de oscilación cambia para adaptarse a las variaciones de carga, mientras se mantiene una velocidad y frecuencia constantes en el sistema. Las unidades de caída, con la configuración fija en el 50 % de carga, siempre producen la misma potencia de salida a una velocidad o frecuencia determinadas. En consecuencia, la carga disponible máxima para este tipo de sistema se limita a la producción combinada de las máquinas de oscilación y la salida de potencia fija total de las máquinas de caída. Toda carga superior al máximo disminuye la velocidad y frecuencia. Si la carga aumenta más allá de esta carga máxima disponible, las máquinas de oscilación se pueden sobrecargar incluso si las unidades de caída funcionan muy por debajo de sus capacidades máximas.

Además, en este enfoque de control la carga mínima del sistema no puede ser inferior a la salida fija combinada en las unidades de caída. Si esto sucede, aumenta la frecuencia del sistema y las máquinas de oscilación se pueden motorizar o recibir alimentación inversa.

Estabilización del rendimiento del sistema

En el enfoque de operación contra fallas adaptativa de intercambio/caída de carga con el EMCP 4.4, se mantiene de forma segura la estabilidad en caso de pérdida de la comunicación, gracias a la transición perfecta a la modalidad contra fallas con un movimiento gradual y estable hacia el nuevo punto de equilibrio.

Con este enfoque, se activa la modalidad contra fallas cuando no se reciben mensajes de comunicación de una o más unidades EMCP 4.4 después de un intervalo de tiempo específico. La comunicación se puede perder por situaciones como cables rotos, configuración errónea, pérdida de potencia al enrutador Ethernet, al dispositivo central o a una unidad EMCP 4.4.

Cuando se pierde la comunicación, la modalidad de falla cambia de manera inteligente algunas unidades perdidas a la caída adaptativa contra fallas y otras unidades al intercambio de carga isócrono contra fallas. Las modalidades de funcionamiento de las unidades durante la pérdida de comunicación se actualizan según sea más conveniente para el sistema del generador.