Comprender la Potencia Reactiva: Clave para la Fiabilidad del Sistema Eléctrico

Análisis de la Potencia Reactiva en el Sistema Eléctrico

La potencia reactiva es una potencia "imaginaria", pero indispensable en el sistema eléctrico. Si hay exceso, la tensión sube; si hay déficit, la tensión baja. En este artículo explicamos sus aspectos, papel en el sistema y cómo inyectarla.

Conceptos Básicos de Tensión y Potencia Reactiva:

Lo ideal es tensión 1 p.u. (per unit) en todo el sistema (difícil de mantener). Control de potencia reactiva y magnitud de tensión están estrechamente ligados; igual que potencia activa y ángulo de tensión. Considere la Figura 1: Barra-1 conectada a barra infinita por línea larga. Potencia activa fluye de mayor a menor ángulo de tensión; reactiva de mayor a menor magnitud. En Fig. 1, ambas fluyen de Barra-1 a Barra-2 (salvo otros factores).

Análisis de Potencia Reactiva en Generador Síncrono:

Circuito equivalente simple de Generador Síncrono (GS) en Figura 2. Tensión terminal 1∠0 (conectado a barra infinita).

La potencia reactiva, al ser imaginaria, puede ser suministrada o absorbida por el GS. Si E_f < 1 (E_f < V_t), baja excitación (corriente CC en bobinado de campo baja); GS consume reactiva. Si E_f > 1 (E_f > V_t), alta excitación; GS suministra reactiva.

Potencia activa = potencia real. GS siempre suministra activa; por eso ángulo rotor es positivo en generador y negativo en motor síncrono.

Ecuación "Entrada = Salida + Pérdidas" válida para toda máquina. Para GS: "Entrada Mecánica = Salida Eléctrica (Potencia Activa) + Pérdidas".

Si GS tiene alta excitación, genera reactiva → la suministra al sistema. En realidad es intercambio de energía entre generador y carga. (Ej.: carga = Motor Inducción. Intercambio entre GS e IM; GS genera reactiva, IM la consume; pero es convención, reactiva es imaginaria, no se genera ni consume realmente).

En libros de sistemas eléctricos, potencia compleja S = VI* (conjugado). Si se usara S = V*I, mismo resultado pero signo reactiva invertido. Se eligió S = VI*; analice por qué basándose en este artículo.

De la Figura 3 se entiende por qué activa es "potencia real" y reactiva "imaginaria".

Figura 4 muestra diagrama fasorial del GS; autoexplicativo.

En bobinado de campo, si tensión/corriente CC es alta, GS suministra más reactiva. Error común: pensar que potencia CC del campo se convierte en reactiva. Falso. Más tensión CC → más corriente CC → más pérdidas I²R en resistencia del bobinado. Ninguna potencia CC se convierte en reactiva. Al aumentar corriente CC, aumenta flujo en inductancia del campo, lo que ayuda a generar reactiva.

Volviendo a Figura 1: si se aumenta excitación del GS ocurren dos cosas:

1. Generador suministra más potencia reactiva.
2. Su tensión terminal (magnitud) aumenta (control reactiva y magnitud tensión van ligados).

Exceso reactiva → sube tensión; déficit → baja. Base para entender efecto Ferranti: en recepción tensión > envío, en vacío o carga muy ligera. Cargas son mayoritariamente inductivas. En vacío, efecto inductivo disminuye y capacitancia shunt natural domina. Condensador genera reactiva → sube tensión.

En libros de máquinas: en carga PF adelantado (capacitiva), transformador puede tener regulación de tensión negativa. Carga capacitiva sube tensión. Ej.: transformador ratio 1:1, tensión aplicada 100 V, terminal 102 V → regulación -2%. Posible con carga capacitiva. Novatos se sorprenden que tensión terminal > aplicada; analícenlo.

Compensación Shunt y Compensación Serie:

Dos términos comunes: Compensación Shunt (controla reactiva) y Compensación Serie (controla activa). Shunt: condensador en derivación de línea o dispositivo FACTS shunt. Serie: condensador en serie con línea o FACTS serie.

Fórmula: P = (V₁V₂/X) sin δ (famosa, resistencia línea despreciable). X = reactancia línea. Si se inserta condensador serie (entre Barra-1 y Barra-2), se controla X, luego P. También P relacionado con δ (control P y ángulo tensión van ligados).

Métodos de Inyección de Potencia Reactiva:

Si tensión en transmisión < 1 p.u., inyectar reactiva. Métodos:

1. Control excitación CC de GS (explicado arriba).
2. Condensadores shunt (suministran reactiva, suben tensión).
3. Reactores shunt / inductores (consumen reactiva, bajan tensión), para efecto Ferranti (carga muy baja, tensión recepción alta).
4. TCR-FC o TCR-TSC (FACTS basados en impedancia).
5. STATCOM (FACTS basado en convertidor de tensión). Dispositivo electrónico de potencia con dispositivos conmutados forzadamente (IGBT, GTO) para controlar flujo reactiva y aumentar estabilidad. Controlador FACTS shunt (conectado en derivación). Inicialmente llamado STATCON. Familia FACTS, gran potencial investigación. Instalar STATCOM en puntos adecuados mejora estabilidad de tensión y perfil suave bajo distintas condiciones. Capacidad de filtrado activo útil para calidad de energía.
6. En parques eólicos, generador inducción (máquina monoexcitada, sin bobinado campo). Control reactiva no posible; se usa STATCOM ampliamente. Instalado en bornes del generador como controlador shunt. Gran potencial investigación.

Como se dijo, 'compensación shunt' = control reactiva; métodos 2-6 son controladores shunt.

¿Por qué inyectar reactiva si líneas transmiten activa? Generadores, líneas, transformadores tienen resistencia despreciable frente a reactancia inductiva → sistema es circuito inductivo → consume reactiva → hay que suministrarla para compensar.

En otras palabras: para mantener perfil de tensión plano (1 p.u. en todo sistema), control reactiva adecuado es necesario. Para evitar transmisión excesiva reactiva, generación y consumo deben estar lo más cerca posible; si no, perfil de tensión inadecuado.

Sobre el Autor

Dr. Vipin Jain: Ingeniero (1992, Universidad Nagpur), M.Tech (2007), Ph.D. (2017, Universidad Delhi). Amplia experiencia docente e industrial. Profesor en Depto. Ingeniería Eléctrica, Bharat Institute of Technology, Meerut (UP), India, desde dic. 2007. +20 publicaciones. Auditor energético certificado por Bureau of Energy Efficiency, Gobierno India.