Especificar sistemas de generación en paralelo

Sistemas generadores en paralelo

Los beneficios de los generadores en paralelo en los sistemas de potencia in situ están bien documentados. En primer lugar, varios generadores en un sistema pueden aumentar la fiabilidad. Aunque un sistema no cuente con una generación completamente redundante, los esquemas de priorización de carga mantienen las cargas críticas energizadas en caso de que falle un grupo electrógeno. A continuación, los generadores pueden funcionar más próximos a la carga óptima con esquemas de demanda que adoptan unidades en paralelo sin conexión cuando no son necesarios. Además, los sistemas con varios generadores son más escalables, lo que facilita la expansión y la flexibilidad del proyecto de capital. Asimismo, las unidades más pequeñas pueden tener plazos de entrega más rápidos. Por último, las unidades en paralelo ofrecen mayor flexibilidad operativa, lo que facilita el mantenimiento de rutina.

Desarrollar un criterio de diseño cuidadoso ayuda a convertir los objetivos del cliente en requisitos técnicos de alto nivel. Estos criterios permiten establecer un consenso de filosofía de diseño al comienzo del proyecto que puede reducir drásticamente la necesidad de modificación en el futuro. Este documento se utilizará durante el proyecto y define el resto del proceso de diseño.

En primer lugar, los criterios de diseño describen los objetivos comerciales del cliente. Por ejemplo, ¿utilizarán la generación para acuerdos de servicio interrumpible en los que el servicio público proporciona incentivos financieros a cambio de generación de respaldo? ¿Operarán en una modalidad de carga base o neutralización de picos de voltaje para reducir las demandas de carga? O bien, ¿el sistema se centrará estrictamente en la potencia de respaldo o de emergencia?

Responder estas preguntas es fundamental para el proveedor del grupo electrógeno y el diseño del sistema de distribución eléctrica. Además, estas consideraciones definen los requisitos ambientales y del código a los cuales estará expuesto el proyecto. Por ejemplo, NFPA 110: norma para sistemas de potencia de emergencia y de respaldo tiene requisitos específicos en cuanto a aspectos como la hora de inicio de los sistemas de potencia de emergencia. Además, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos puede tener requisitos de control de comunicación más exigentes para generadores que funcionan mientras hay energía normal disponible.

A continuación, el ingeniero debe establecer las cargas críticas y la fiabilidad necesaria. En algunos casos, no todas las cargas son críticas. Aprovechar este hecho puede aumentar la confiabilidad general del sistema, especialmente con los generadores en paralelo. Por ejemplo, si falla un solo generador, las cargas no críticas pueden excluirse o no agregarse, en primer lugar. Esta capacidad puede establecer fundamentalmente la redundancia N+1 para las cargas críticas, aunque el sistema general no sea completamente redundante. En cambio, si todas las cargas conectadas a la generación son esenciales, es fundamental saberlo desde un principio para que puedan tomarse las precauciones de diseño correspondientes.

La fiabilidad del sistema es toda una ciencia nueva en sí misma. Herramientas tales como las normas de fiabilidad del sistema de potencia IEEE 3006 pueden resultar muy prácticas para estudiar y cuantificar la fiabilidad de diferentes conceptos de diseño.

Además de la fiabilidad, se debe prever la expansión en el futuro. Esto puede establecer restricciones de espacio que, de otra manera, no existirían. Por ejemplo, ¿el diseño debe dejar espacio para otro generador o se debe dejar espacio para otras partes del equipo de conmutación? ¿El sistema eléctrico necesita capacidad extra para generación adicional? Incorporar estos factores en el diseño desde el comienzo dará lugar a una construcción completa más limpia.

Por último, deben compilarse los códigos y normas correspondientes. Nada puede ser peor que descubrir que el código local requiere mucho más que NFPA 70: los requisitos del código Eléctrico Nacional (NEC, National Electrical Code) una vez que se ha comenzado con la construcción. Realizar una revisión de los códigos y normas aplicables al comienzo del proyecto puede ayudar al ingeniero a refrescarle la memoria y resaltar las dificultades antes de que comience seriamente el trabajo de diseño. Estas pueden actuar como guías valiosas durante el diseño. Además, los requisitos de seguro del cliente deben revisarse para ver si, por ejemplo, los requisitos de FM Global son más estrictos que los de NEC.

Capacidad de generación

Una vez que se establece la filosofía del diseño, es posible determinar la capacidad necesaria del sistema de generación. Este ejercicio requiere una revisión del perfil de carga de las instalaciones. Si los generadores abastecerán un sistema existente, los datos de medición reales serán muy valiosos aquí.

Sin embargo, si no hay datos disponibles, se pueden compilar listas de carga para cuantificar la carga. El diseñador debe considerar el contenido de armónicos esperado del sistema, que puede requerir la reducción de potencia del generador. Además, deben evaluarse los requisitos iniciales de los motores grandes para garantizar que los alternadores y excitadores puedan proporcionar la potencia reactiva necesaria. Tenga en cuenta que una regla general establece que un generador debe ser 2,5 veces más grande que el motor más grande para comenzar. Los fabricantes de generadores cuentan con herramientas de software en línea que pueden ayudar en este esfuerzo.

En función del tipo de sistema, existen requisitos NEC que también deben tenerse en cuenta. Por ejemplo, los sistemas de generación están expuestos a diferentes requisitos cuando están abasteciendo cargas de respaldo de emergencia requeridas legalmente o cargas de respaldo opcionales. Específicamente, al abastecer cargas de emergencia, el artículo 700.4 de NEC establece: "Un sistema de emergencia deberá tener la capacidad y la calificación adecuadas para que todas las cargas funcionen al mismo tiempo". De forma alternativa, el artículo 702.4 permite realizar cálculos de capacidad de respaldo opcionales de acuerdo con el artículo 220. Cuando se aplican factores de demanda, esto puede ofrecer cierto alivio de la capacidad.

Si bien los criterios mencionados anteriormente ayudarán al diseñador a garantizar que se proporcione la capacidad suficiente, cabe destacar que tener demasiada capacidad también puede ser un problema. Esto expone al generador a problemas como el apilamiento en húmedo o el estancamiento de combustible.

Topología del sistema, diagrama unifilar general

Una vez que se establece la potencia necesaria, se desarrolla el diagrama unifilar general. Esto establece la topología de sistema general que identifica las principales piezas del equipo eléctrico y cómo están conectadas. Aquí, el ingeniero elige el nivel de voltaje que se utilizará. El generador de 480 V es extremadamente común y este nivel de voltaje tiene muchos beneficios, incluido el hecho de que una amplia gama de contratistas y operadores están familiarizados con él.

Además, la generación en el mismo voltaje que la mayoría de las cargas puede dar como resultado menos componentes de distribución eléctrica. Cuando los sistemas de bajo voltaje generan ampacidades de barra colectora de 4.000 a 5.000 amperios y superiores, la instalación de cables se vuelve dificultosa y las energías incidentes se vuelven muy altas. En estos casos, posiblemente sea momento de considerar los sistemas de voltaje medio que tienen ampacidades más bajas para la misma cantidad de energía. Si en el sitio hay varios generadores, se recomienda ponerlos en paralelo y no mantenerlos aislados. Esto proporciona beneficios de redundancia descritos anteriormente. Normalmente, los sistemas que requieren poner dos o más generadores en paralelo (G en las Figuras 1 y 2) lo hacen con disyuntores operados eléctricamente (Figuras 1 y 2). Hay varias formas de conectar este equipo de conmutación con el servicio público (U en las Figuras 1 y 2) y las cargas. La mejor configuración depende de las respuestas a algunas preguntas fundamentales.

¿Los generadores necesitan ponerse en paralelo con un servicio público? Esto es necesario cuando una instalación funciona, por ejemplo, en modalidad de neutralización de picos de voltaje. Estos sistemas requieren que los generadores y el servicio público alimenten al mismo tiempo las cargas, por lo tanto debe haber una manera de conectar los dos juntos. Esto puede hacerse fácilmente con un disyuntor de servicio público conectado a la barra colectora del generador. Si esto no es necesario, se puede aceptar una configuración de barra colectora aislada más simple (consulte la Figura 1) El artículo 705 de NEC también tiene requisitos sobre estas aplicaciones.

¿Las cargas deben cambiarse con interruptores de transferencia automática (ATS, automatic transfer switches) o disyuntores de equipo de conmutación operados eléctricamente? Los ATS se obtienen fácilmente y están diseñados para una gran cantidad de operaciones de conmutación. Además, es posible que se requieran en sistemas de emergencia donde el código requiere la separación de las cargas de emergencia. Dicho esto, realizar la transferencia de servicio público/generador en el equipo de conmutación puesto en paralelo puede aumentar al máximo el cableado de fábrica y reducir al mínimo las huellas del equipo eléctrico, lo que lo convierte en una forma rentable de implementar un sistema auxiliar en toda la instalación.

¿Es necesaria una barra colectora de generador? Las barras colectoras de generador conectan todos los generadores entre sí (Figuras 1 y 2). Luego, esta barra colectora se conecta a las barras colectoras de carga a través de los disyuntores. Las barras colectoras del generador por separado tienen la ventaja de permitir realizar pruebas de puesta en paralelo de los generadores sin alterar la carga de la instalación. Además, esta parece ser la configuración con la cual los proveedores de generadores están más acostumbrados. Esto permite seleccionar diseños estándar que reducen al mínimo el diseño personalizado necesario. Sin embargo, la barra colectora del generador y los disyuntores de enlace necesarios correspondientes aumentarán el costo y los requisitos de espacio.

¿Se necesitan fuentes de servicios públicos redundantes? Si se requieren fuentes de servicios públicos redundantes, el equipo de conmutación aumentará en su complejidad. Estas fuentes deben conectarse a la barra colectora de carga además de los generadores. Esto se puede hacer con una configuración principal-cierre manual-principal con o sin una barra colectora de generador. De forma alternativa, si no es necesario que las dos fuentes de servicios públicos alimenten toda la carga de la instalación, se pueden usar dos barras colectoras de carga, cada una de ellas alimentada desde un par de transferencia de servicio público/barra colectora del generador (Figura 2). En esta configuración, cada barra colectora de carga alimentaría la mitad de la carga de la planta, lo que permitiría ahorrar algunos disyuntores de enlace y cierta ampacidad del equipo.

¿Dónde se coloca el disyuntor del generador? Algunos fabricantes colocarán el dispositivo interruptor (contactor o disyuntor) en el mismo patín del generador. En esta configuración, los grupos electrógenos pueden esencialmente conectarse juntos en cadena para conectarlos a la barra colectora de carga. En esta configuración, los conductores que implementan la conexión en cadena actúan como la barra colectora del generador. Esto puede resultar económico para las unidades más pequeñas, pero puede dar como resultado un cableado más pesado para los sistemas más grandes, lo cual puede ser engorroso.

¿Cuántos generadores deben usarse? Por último, como ya se ha decidido usar generadores en paralelo, el ingeniero debe determinar cuántos usar. ¿Deben utilizarse dos unidades con una potencia nominal del 100 %, o posiblemente tres unidades con una potencia nominal del 50 % cada una? Esta es una cuestión de fiabilidad y optimización de costos. Los proveedores de grupos electrógenos pueden proporcionar información presupuestaria sobre el equipo que es muy valiosa aquí.

Características eléctricas

Una vez que se han elegido las principales piezas del equipo eléctrico, pueden determinarse los detalles. Los estudios de flujo de carga ayudan a definir las corrientes continuas nominales necesarias. Es importante modelar todas las configuraciones de cambio de sistema para determinar el peor escenario posible. Por ejemplo, si una cola de equipo de conmutación principal-cierre manual-principal va a funcionar con carga completa de una fuente de servicio público, entonces un solo extremo debe ser capaz de manejar la carga completa de la instalación. Además, se debe considerar la expansión futura.

A continuación, se realiza un estudio de cortocircuito. En este estudio se establecen las calificaciones de cortocircuito del equipo como interrumpir la corriente y el soporte de la barra colectora. Una vez más, al lidiar con varios generadores y varias fuentes de servicios públicos, asegúrese de tener en cuenta todas las configuraciones de interruptor posibles. Tenga en cuenta que la corriente de falla de línea a tierra disponible de los generadores puede ser mayor que la corriente de falla de tres fases, por lo tanto, en un estudio sobre cortocircuitos se deben tener en cuenta diferentes tipos de falla. Esto se debe al hecho de que la impedancia de secuencia cero de los generadores es más baja que la impedancia de secuencia positiva. Esto es especialmente cierto en los generadores de 2/3 pasos, que tienen una impedancia de secuencia cero muy baja.

Al poner en paralelo diferentes fuentes, las magnitudes de corriente de falla disponibles pueden ser bastante altas. Cuando estas fuentes permanecen en paralelo durante largos períodos de tiempo, el equipo conectado debe clasificarse para manejar la cantidad total. Sin embargo, habrá discrepancias cuando las fuentes solo estén en paralelo durante períodos cortos de tiempo.

Por ejemplo, considere los sistemas alimentados por dos fuentes de servicios públicos redundantes y generadores puestos en paralelo. Una corriente de pensamiento aquí es que no es necesario que el equipo esté diseñado para tomar en cuenta la corriente de falla total ya que ambas fuentes rara vez se ponen en paralelo. Sin embargo, la otra corriente es que cuando estas fuentes están puestas en paralelo, se produce la conmutación, lo que aumenta la probabilidad de una falla. El equipo del proyecto debe considerar cuidadosamente el enfoque y lograr el consenso entre las partes interesadas.

La conexión a tierra del sistema es muy importante para los generadores puestos en paralelo, especialmente cuando pueden ponerse en paralelo con el servicio público. La capacidad de falla de los generadores debe considerarse al elegir el tipo de conexión a tierra del sistema. Por ejemplo, debido a la baja impedancia de secuencia cero del generador que se mencionó anteriormente, los generadores de voltaje medio a menudo no se aseguran para manejar su propia corriente de falla de línea a tierra cuando están conectados correctamente a tierra. Por lo tanto, se requiere cierto tipo de conexión a tierra de impedancia. Los tipos habituales son baja resistencia, alta resistencia y conexión a tierra de reactancia.

La conexión a tierra de baja resistencia limita la corriente de falla a cientos de amperios, la conexión a tierra de alta resistencia limita la corriente de falla a decenas de amperios y la conexión a tierra del reactor generalmente limita la corriente de falla a aproximadamente el 60 % de una corriente de falla de tres fases. Las impedancias más altas tienen la ventaja de ofrecer menos corriente de falla de línea a tierra y ayudan a reducir la corriente en circulación. Sin embargo, se debe tener precaución cuando los generadores se ponen en paralelo con otras fuentes bien conectadas a tierra, como los devanados en estrella de los transformadores de servicios públicos. Una impedancia de conexión a tierra demasiado alta en un generador conectado a una fuente conectada de forma sólida hará que la corriente de falla de línea a tierra en esa fuente aumente. Esto puede exceder la capacidad del equipo. Por este motivo, la conexión a tierra del reactor suele seleccionarse cuando los generadores están puestos en paralelo con componentes conectados a tierra de manera sólida.

Finalmente, al tomar una decisión sobre los tipos de conexión a tierra del sistema, se deben tener en cuenta los niveles variables de corrientes de falla que resultan de diferentes configuraciones de conmutación. Esto puede causar problemas con los relés de protección cuando la corriente de falla varía en una gama demasiada amplia.

Protección, control y medición

En esta etapa, también se pueden definir los detalles adicionales que definen cómo se mide, controla y se protege el sistema. Aquí se emplean dos enfoques principales. Algunos ingenieros especificarán los aspectos más importantes del sistema y dejarán que el proveedor del generador elabore todos los detalles. Esto es eficiente desde el punto de vista del esfuerzo de ingeniería y funciona bien para los sistemas típicos disponibles de inmediato.

En los proyectos con más personalización o integración con los sistemas existentes, es posible que se requieran más detalles del ingeniero de especificaciones. Cuando este es el caso se puede producir un diagrama de protección, control y medición unifilar en lugar de una especificación prescriptiva. Después de todo, una imagen vale más que mil palabras.

Este diagrama unifilar detallado muestra los principales equipos de protección y control necesarios. Algunos de los principales ejemplos son los relés de protección, el gabinete de control maestro o un panel de sincronización manual (si es necesario). También muestra qué señales se intercambian entre estos dispositivos.

Por ejemplo, es posible que el gabinete de control maestro necesite conocer los estados del disyuntor del equipo de conmutación puesto en paralelo o los voltajes en diferentes puntos en el sistema. Esto requiere que los contactos auxiliares del disyuntor y los circuitos del transformador de potencia estén conectados al gabinete. Otros ejemplos incluyen contactos de los relés de bloqueo que se disparan en caso de una falla del bus. Los controles maestros necesitan estas señales para que no cierren los generadores en un bus fallado.

Finalmente, estos tipos de planos son especialmente importantes cuando el proveedor del grupo electrógeno no es el mismo proveedor del equipo de conmutación puesto en paralelo. Los planos detallados pueden ayudar a coordinar a ambos.

Tenga en cuenta que al realizar la puesta en paralelo con el servicio público, se requieren relés de protección adicionales. Por ejemplo, algunos servicios públicos requieren que se proporcione un sistema de generación distribuida con sistema anti-isla que cierre la generación cuando se haya abierto un segmento del circuito del servicio público. Esto ayuda a impedir la generación a partir de la energización de un área local del sistema de servicio público, que puede resultar peligroso para los trabajadores de línea.

Además, a menudo se requiere protección contra potencia inversa real y reactiva para garantizar que el servicio público no está accionando el generador y que la generación in situ no está exportando más potencia al servicio público que la acordada. La protección de sobrecorriente direccional también puede ser una herramienta valiosa cuando los sistemas generadores están puestos en paralelo con el servicio público. Estos esquemas facilitan la coordinación en estos sistemas con flujo de energía multidireccional.

Para dar un paso más, es posible que se necesiten diagramas de tres líneas, que definan mejor el sistema de protección. Al menos un diagrama parcial de tres líneas puede resultar útil en detallar la protección de falla de conexión a tierra. Por ejemplo, esto ayuda a responder preguntas como:

• ¿Se debe cambiar el neutro cuando se transfiere la carga?
• ¿Todos los neutros de los generadores estarán adheridos en un único punto en el equipo de conmutación?

Los sistemas de potencia con generadores puestos en paralelo pueden ofrecer muchos beneficios a los propietarios de las instalaciones desde un punto de vista económico y de fiabilidad. Para materializar estos beneficios, es importante que los ingenieros consultores o de especificaciones usen las herramientas que tienen a disposición y pongan en práctica principios de ingeniería sólidos en la aplicación. Esto es especialmente cierto con el aumento de la diversidad de los proyectos y la complejidad que puede derivar de los generadores puestos en paralelo.

Joseph Thornam es un ingeniero eléctrico principal de Stanley Consultants.

Stanley Worcester es jefe del departamento de Ingeniería Eléctrica de Stanley Consultants.