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Inserción de la energía eólica en el Sistema Interconectado Central (SIC)
09 de Junio de 2011
Centro de Energía Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile
Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones
Introducción
Introducción (1) Energía eólica es la ERNC con mayor crecimiento durante los últimos años a nivel
mundial Crecimiento promedio de 27 % durante los ultimos 10 años
Introducción
Introducción (2) Energía eólica es la ERNC con mayor crecimiento durante los últimos años a nivel
mundial ∼70 % de la potencia eólica total instalada en el mundo se concentra en 4 países Î Crecimiento dispar en las diferentes regiones En Chile la potencia eólica instalada es 164 MW (1 %) Capacidad instalada (2010) GW
Porcentaje %
China
45
23
USA
40
20
Alemania
27
14
España
21
11
Total
133
68
Total mundial
197
100
País
¿Qué factores afectan la incorporación de energía eólica en los diferentes sistemas eléctricos de potencia?
Introducción
Factores que afectan la integración de la energía eólica
∼1150 €/kW
~ SVC
Potencial eólico PTur =
Costos de la tecnología
=
=
Requerimientos FRT
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ⋅ C P (λ , β ) 2
Restricciones técnicas del sistema
Matriz energética Seguridad de suministro
Marco legal
Topología de la red
~
Introducción
Caso Chileno (1/2) … Política Apoyo político para la integración de energías alternativas (ERNC) Estudios de potencial de ERNC e impacto en la red Desarrollo de normativas (marco legal) 5% nueva potencia instalada en base a ERNC →Proyectos eólicos en el SIC hasta el 2015 suman cerca de 1,9 GW
Ejemplo: Taltal
Área : ~3000 km2 Máquinas de 2 MW instalables: ~ 20.000 Î Potencia teórica instalable: 40 GW
Introducción
Caso Chileno (1/2) [MW]
… Política
180
Capacidad eólica instalada
160
Apoyo político para la integración de energías alternativas (ERNC) Estudios de potencial de ERNC e impacto en la red Desarrollo de normativas (marco legal) 5% nueva potencia instalada en base a ERNC
140 120 100 80 60 40 20
[año] 2000
→Proyectos eólicos en el SIC hasta el 2015 suman cerca de 1,9 GW Proyectos eólicos
2002
2004
2006
Total
En construcción
2649
39
2008
2010
Aprobados En calificación en SEIA en el SEIA 1833
816 Fuente SEIA (03/06/11)
Introducción
Caso Chileno (1/2) … Política
… Sistema eléctrico
Turbinas eólicas (WT)
Apoyo político para la integración de energías alternativas (ERNC)
Características técnicas del sistema eléctrico de transmisión chileno
Comportamiento dinámico
Estudios de potencial de ERNC e impacto en la red Desarrollo de normativas (marco legal) 5% nueva potencia instalada en base a ERNC →Proyectos eólicos en el SIC hasta el 2015 suman cerca de 1,9 GW
Bajo nivel de enmallamiento Grandes distancias entre centros de generación y carga (pocas posibilidades de control de tensión ) Líneas largas →Problemas inherentes con la estabilidad de tensión
Desempeño dinámico crítico para la estabilidad de tensión del sistema (generadores de inducción) Poco aporte a corrientes de cortocircuito →Mal desempeño dinámico en comparación a centrales convencionales
Posibles problemas de estabilidad de tensión frente a incorporación masiva de proyectos eólicos
Introducción
Caso Chileno (2/2) Efectos de las WT dependen de diversos
factores: Distribución geográfica y nivel de penetración en la red Tipo de WT Características técnicas del sistema Diferencias significativas entre el sistema
de transmisión chileno y sistemas enmallados Î Restricciones técnicas diferentes Investigación actual de WT focalizada en
redes de transmisión con estructura fuertemente enmallada Î Conocimiento internacional sobre el impacto de las WT en los sistemas de potencia enmallados no aplicable directamente a un sistema eléctrico como el chileno
Introducción
Factores que afectan la integración de la energía eólica
∼1150 €/kW
Potencial eólico PTur =
Costos de la tecnología
~ SVC
=
=
Requerimientos FRT
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ⋅ C P (λ , β ) 2
Restricciones técnicas del sistema
Matriz energética Seguridad de suministro
Marco legal
Topología de la red
~
Introducción
Restricciones técnicas del SEP ↔ Requerimientos técnicos para WT Diferentes normativas a nivel mundial para los aerogeneradores en caso de falla
Necesidades locales del sistema de transmisión Cantidad de energía eólica inyectada al sistema eléctrico Tipo de tecnología eólica utilizada Requerimientos deben establecerse en función de las necesidades del sistema Î Necesidad de estudios independientes para cada sistema de potencia
Requerimientos técnicos para WT
En caso de falla
Operación normal
• Fault ride through (FRT)
• Control de tensión
• Apoyo a la estabilidad de tensión
• Control de frecuencia
Introducción
Requerimientos técnicos para WT en caso de falla (1/3) Experiencia internacional para requerimientos en caso de falla Bajos niveles de penetración de energía eólica
Efectos de las WT en el sistema de potencia son menores Centrales convencionales “compensan” efectos negativos de las WT sin problemas Î Desconexión de las WT para caídas de tensión en bornes mayores que 0.8 p.u. (foco:
Protección de las turbinas eólicas) A medida que el nivel de penetración de energía eólica aumenta
Centrales convencionales son reemplazadas por WT Î Efectos de las WT en el sistema de potencia comienzan a tener relevancia Î Problemas en la operación del sistema de potencia Î Necesidad de requerimientos más exigentes en caso de falla (Foco: Sistema eléctrico
de potencia) Î No se permite desconexión inmediata de las WT después de una falla
«A mayor nivel de penetración de energía eólica mayor nivel de exigencia en caso de falla»
…
…
Introducción
Requerimientos técnicos para WT en caso de falla (2/3) Caso alemán:
Antiguamente: desconexión para caídas de tensión en bornes mayores que 0.8 p.u. En la actualidad (2006):
Generadores eólicos (WT) deben mantenerse conectados mientras el voltaje en el punto de conexión se mantenga dentro de la zona gris → fault ride through requirements Apoyo a la estabilidad de tensión durante la falla mediante la inyección de corriente reactiva
Tensión [U/Un]
E.on
100 %
VDN
60 40 20
Sin desconexión 0
500
1000
1500
Tiempo[ms]
3000
Alto nivel de exigencia en Alemania aumenta los costos de inversión de las WT Î Disminución de la competitividad de la tecnología Subsidios existentes permiten el constante desarrollo de la tecnología en el país
Introducción
Requerimientos técnicos para WT en caso de falla (3/3) Caso chileno:
Generadores eólicos deben mantenerse conectados mientras el voltaje en el punto de conexión se mantenga dentro de la zona gris Durante el periodo transitorio posterior a la ocurrencia de la falla, el parque eólico no deberá absorber reactivos con tensiones inferiores a 0,9 p.u. en el punto de conexión Ato nivel de exigencia en caso de falla Î Se impide integración de tecnologías
económicas en base a generadores de inducción sin inversiones adicionales Î Aumento de los costos de inversión
Tensión [U/Un] 100 %
Chile 60 40
Sin desconexión 20
Sin subvención → ERNC deben ser competitivas!...
Tiempo[ms] 0
TMDF+20 1000
1500
¿Se justifican en etapa inicial de desarrollo de energía eólica estos requerimientos para las WT? …
3000
Introducción
Objetivo del trabajo Investigación del impacto de grandes inyecciones de generación eólica en la estabilidad de tensión del sistema interconectado central chileno
? ? ? ?
Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones
Análisis
Abordamiento del problema Objetivo: Problema complejo
Altamente no lineal De gran dimensión Con gran nivel de incertidumbre
Modelos dinámicos (modelos agregados, estrategias de control) Planteamiento de preguntas Modelos a utilizar (red, generadores, WT, carga) Tecnología de WT Acotamiento temporal Escenarios (ubicación de WT, cantidad, etc.) Metodología para sistematizar el problema
Análisis (diagnóstico)
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red
Diversas simulaciones Investigación de los factores que afectan el impacto de las WT en los sistemas eléctricos Análisis del futuro desarrollo de las WT
Enfoque metodológico para determinar el impacto de las WT
Análisis
Alcance del problema
~
=
=
~
SVC
Tecnología eólica
Modelo t
Horizonte de tiempo
Modelo de la red
Estudio restringido a generadores de inducción: FSIG y DFIG Modelación del sistema de transmisión (U>110 kV) Investigación en base a la red planificada para el año 2015
Análisis Objetivo de la tesis: Problema complejo
Efectos de las WT en la estabilidad de tensión de los sistemas eléctricos de potencia
Modelos dinámicos (agregados, est. control) Planteamiento de preguntas
Análisis (diagnóstico)
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT
Efectos de las WT sobre la estabilidad de tensión son fuertemente dependientes
de la estrategia seguida en caso de falla: Desconexión o Fault ride through (FRT) Tensión en el punto de conexión de una WT [%] Tensión U/Un
100
E.on
100
90 80
%
70
VDN
60
60 50
40
40 20
30
Sin desconexión
E.on VDN
20 0
500
1500
t [ms]
3000
10 0
2
4
6
8
10
t [s]
14
16
Diferentes estrategias en caso de falla llevan a diferentes efectos sobre la estabilidad
de tensión del sistema Î Estudio del impacto de las WT sobre la estabilidad de tensión debe realizarse
mediante diferentes curvas de FRT
Análisis Objetivo de la tesis: Problema complejo
Escenarios de energía eólica investigados
Modelos dinámicos (agregados, est. control) Planteamiento de preguntas
Análisis (diagnóstico)
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT
Porcentaje de energía cubierta por WT [% ]
Distribución de WT
Descripción
Base (BS)
0
Fija
Incluye proyectos eólicos operando o en construcción
Proyectos (SP)
6
De acuerdo Incluye proyectos eólicos hasta 2015 (SEIA – Stand : Enero 2010) al plan
S2
2
Optimizado
Inyecciones eólicas cubren 2 % de la demanda energética en el 2015
S4
4
Optimizado
Inyecciones eólicas cubren 4 % de la demanda energética en el 2015
S6
6
Optimizado
Inyecciones eólicas cubren 6 % de la demanda energética en el 2015
Escenario
Análisis
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Datos de entrada
Objetivo de la tesis: Problema complejo
Modelos dinámicos (agregados, est. control) Planteamiento de preguntas
Análisis (diagnóstico)
Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT
Solución inicial para la distribución de WT
Despacho horario de centrales convencionales para un año Restricciones adicionales Determinación de las restricciones técnicas de la red Solución matemática de la optimización
No
Solución igual a la anterior? Actualización de inyecciones eólicas
Si Análisis dinámico
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red
No Sistema estable?
Distribución óptima de las WT
Análisis
Enfoque metodológico para determinar el impacto de las WT en la estabilidad de tensión del sistema
Objetivo de la tesis: Problema complejo
Modelos dinámicos (agregados, est. control) Planteamiento de preguntas
Variación de parámetros
1. Nivel de penetración de WT (energía) 2. Estrategia en caso de falla (curvas de FRT)
3. Medidas adicionales para el mejoramiento de la estabilidad de tensión
Sobredimensionamiento de la compensación de los FSIG
Ajuste del conversor de los DFIG para inyección de potencia reactiva Escenarios de energía
Curvas de FRT KT
T‐10 % T‐20 % T‐30 % T‐40 % T‐50 % KT : Sin desconexión T‐x % : Desconexión para caídas de tensión menores a x %
. . .
Con medidas adicionales
Sin medidas adicionales
Con medidas adicionales
Sin medidas adicionales
Análisis (diagnóstico)
Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT
Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones
Resultados
Modelo desarrollado (SIC 2015) 84 MW
Modelo de la red:
170 generadores síncronos convencionales (15 GW)
1
160 líneas (14.000 km) 249 MW
100 transformadores Cortocircuito trifásico
392 MW
1. Duración de la falla: 150 ms
5
2. Punto de operación durante la
falla Máxima inyección eólica
2
446 MW 500 kV
7700 MW carga 3
49 MW
Potencia instalada en escenario de
220 kV 154 kV 110 kV Centrales hidraulicas
proyectos: 1220 MW 4
Centrales térmicas WT
Resultados
Ejemplos de curvas de tensión: Escenario de proyectos (6% de WT) Tensión en barra de la falla (D. de Almagro)
Tensión en barra de la falla (Pan de Azucar) 105
105
U/Un [%]
U/Un [%]
95
95 90
90
85
85
80
80
75
0
2
4
6
8
10
12
t [s] 14
16
0
2
4
6
FRT – FRT – Desconexión – Desconexión –
8
10
t [s]
14
Sin medidas adicionales Con medidas adicionales Sin medidas adicionales Con medidas adicionales
Cortocircuito en Diego de Almagro lleva a inestabilidad de tensión en caso de no
desconexión de las WT Î Escenario de proyectos técnicamente inadmisible
16
Resultados
Ejemplos de curvas de tensión: Escenario S6 (6% de WT) Tensión en barra de la falla (D. de Almagro) 100 U/Un [%] 80 70 60 50
FRT – FRT – Desconexión – Desconexión – 0
1
2
3
4
5
t [s]
7
Sin medidas adicionales Con medidas adicionales Sin medidas adicionales Con medidas adicionales
8
Para el caso de distribución óptima de las WT en la red Î Proyectos eólicos se pueden implementar sin costo adicional de forma tal que la
integración eólica sea técnicamente válida
Resultados
Tiempo [s]
Sin medidas adiciones
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
Tiempo [s]
Tiempo de asentamiento promedio
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
0
Con medidas adiciones
10
20
30
40
50
S2 S4 S6 BS 0
10
20
30
40
50
Caida de tensión a soportar sin desconexión en proceso de FRT [%]
Medidas adiciones para el mejoramiento de la estabilidad de tensión se justifican
sólo para caídas de tensión menores a 30 % a soportar en proceso de FRT Impacto de inyecciones eólicas imperceptible para caídas de tensión mayores al 30 %
Normativa chilena: se recomienda desconexión de las WT para caídas de tensión menores a 30% → Cambio de normativa
Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones
Conclusiones
Principales conclusiones Aparición de inestabilidades de tensión para el caso de escenario de proyectos
eólicos (SEIA,– Stand : Enero 2010) En caso de distribución óptima de las turbinas eólicas, no surgen inestabilidades de
tensión Se recomienda ‐desde el punto de vista de estabilidad de tensión‐ la desconexión
de las WT para caídas de tensión menores a 30 % Î Cambio de normativa Necesidad de investigaciones considerando en forma detallada la estabilidad de
frecuencia del sistema