Inserción de la energía eólica en el Sistema Interconectado Central (SIC)

Inserción de la energía eólica en el Sistema Interconectado Central (SIC) 09 de Junio de 2011 Centro de Energía Facultad de Ciencias Físicas y Matem

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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  Š 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  Š ∼70 % de la potencia eólica total instalada en el mundo se concentra en 4 países  Î Crecimiento dispar en las diferentes regiones Š 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) ƒ Estudios de potencial  de   ERNC e impacto en la red ƒ Desarrollo de normativas  (marco legal)  ƒ 5% nueva potencia instalada  en base a ERNC →Proyectos eólicos en el SIC  hasta el 2015 suman cerca  de  1,9 GW

 Ejemplo: Taltal

Š Área : ~3000 km2 Š 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) ƒ Estudios de potencial  de   ERNC e impacto en la red ƒ Desarrollo de normativas  (marco legal)  ƒ 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 

ƒ Estudios de potencial  de   ERNC e impacto en la red ƒ Desarrollo de normativas  (marco legal)  ƒ 5% nueva potencia instalada  en base a ERNC →Proyectos eólicos en el SIC  hasta el 2015 suman cerca  de  1,9 GW

ƒ Bajo nivel de enmallamiento  ƒ Grandes distancias entre  centros de generación y  carga (pocas posibilidades de  control de tensión ) ƒ Líneas largas →Problemas inherentes con la  estabilidad de tensión

ƒ Desempeño dinámico crítico  para la estabilidad de  tensión del sistema  (generadores de inducción) ƒ 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: Š Distribución geográfica y nivel de  penetración en la red Š Tipo de WT Š 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

Š Necesidades locales del sistema de transmisión Š Cantidad de energía eólica inyectada al sistema eléctrico Š 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 

Š Efectos de las WT en el sistema de potencia son menores Š 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

Š 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: 

Š Antiguamente: desconexión para caídas de tensión en bornes mayores que 0.8 p.u.  En la actualidad (2006): 

Š 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 Š 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: 

Š Generadores eólicos deben mantenerse conectados mientras el voltaje en el punto de  conexión se mantenga dentro de la zona gris Š 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

ƒ Altamente no lineal ƒ De gran dimensión ƒ Con gran nivel de incertidumbre

Modelos dinámicos (modelos agregados,  estrategias de control) Planteamiento de  preguntas ƒ Modelos a utilizar (red,  generadores, WT, carga) ƒ Tecnología de WT ƒ Acotamiento temporal ƒ Escenarios (ubicación de WT,  cantidad, etc.) ƒ Metodología para sistematizar el  problema 

Análisis  (diagnóstico)

Algoritmo para determinar  la distribución óptima de  las WT en la red

ƒ Diversas simulaciones  ƒ Investigación de los  factores que afectan el  impacto de las WT en los  sistemas eléctricos ƒ 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 ƒ

Sobredimensionamiento de la compensación de los FSIG

ƒ

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:

Š 170 generadores síncronos  convencionales (15 GW)

1

Š 160 líneas (14.000 km) 249 MW

Š 100 transformadores   Cortocircuito trifásico

392 MW

1. Duración de la falla: 150 ms

5

2. Punto de operación durante la 

falla  Š Máxima inyección eólica

2

446 MW 500 kV

Š 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

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