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

Transcripción

1 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

2 Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones

3 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

4 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 Crecimiento dispar en las diferentes regiones En Chile la potencia eólica instalada es 164 MW (1 %) País Capacidad instalada (2010) GW Porcentaje % China USA Alemania España Total Total mundial Qué factores afectan la incorporación de energía eólica en los diferentes sistemas eléctricos de potencia?

5 Introducción Factores que afectan la integración de la energía eólica 1150 /kw Potencial eólico Costos de la tecnología SVC ~ = = ~ Requerimientos FRT 1 3 Tur C P P ( λ β ) = ρ A v, 2 Restricciones técnicas del sistema Matriz energética Seguridad de suministro Marco legal Topología de la red

6 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 km 2 Máquinas de 2 MW instalables: ~ Potencia teórica instalable: 40 GW

7 Introducción Caso Chileno (1/2) Política [MW] Capacidad eólica instalada 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 [año] Proyectos eólicos en el SIC hasta el 2015 suman cerca de 1,9 GW Proyectos eólicos Total En construcción Aprobados en SEIA En calificación en el SEIA Fuente SEIA (03/06/11)

8 Introducción Caso Chileno (1/2) Política Sistema eléctrico Turbinas eólicas (WT) 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 Características técnicas del sistema eléctrico de transmisión chileno 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 Comportamiento dinámico 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

9 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 Restricciones técnicas diferentes Investigación actual de WT focalizada en redes de transmisión con estructura fuertemente enmallada Conocimiento internacional sobre el impacto de las WT en los sistemas de potencia enmallados no aplicable directamente a un sistema eléctrico como el chileno

10 Introducción Factores que afectan la integración de la energía eólica 1150 /kw 1 3 Tur C P P ( λ β ) = ρ A v, 2 Potencial eólico Costos de la tecnología SVC ~ = = ~ Requerimientos FRT Restricciones técnicas del sistema Matriz energética Seguridad de suministro Marco legal Topología de la red

11 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 Necesidad de estudios independientes para cada sistema de potencia Requerimientos técnicos para WT En caso de falla Fault ride through (FRT) Apoyo a la estabilidad de tensión Operación normal Control de tensión Control de frecuencia

12 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 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 Efectos de las WT en el sistema de potencia comienzan a tener relevancia Problemas en la operación del sistema de potencia Necesidad de requerimientos más exigentes en caso de falla (Foco: Sistema eléctrico de potencia) 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»

13 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 100 % Tensión [U/Un] E.on VDN Apoyo a la estabilidad de tensión durante la falla mediante la inyección de corriente reactiva Sin desconexión 3000 Tiempo[ms] Alto nivel de exigencia en Alemania aumenta los costos de inversión de las WT Disminución de la competitividad de la tecnología Subsidios existentes permiten el constante desarrollo de la tecnología en el país

14 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 Se impide integración de tecnologías económicas en base a generadores de inducción sin inversiones adicionales Aumento de los costos de inversión Sin subvención ERNC deben ser competitivas! % Tensión [U/Un] 0 TMDF Chile Sin desconexión Tiempo[ms] 3000 Se justifican en etapa inicial de desarrollo de energía eólica estos requerimientos para las WT?

15 Introducción Objetivo del trabajo Investigación del impacto de grandes inyecciones de generación eólica en la estabilidad de tensión del sistema interconectado central chileno????

16 Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones

17 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) Diversas simulaciones Investigación de los factores que afectan el impacto de las WT en los sistemas eléctricos Análisis del futuro desarrollo de las WT Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para determinar el impacto de las WT

18 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

19 Análisis Efectos de las WT en la estabilidad de tensión de los sistemas eléctricos de potencia Planteamiento de preguntas Objetivo de la tesis: Problema complejo Análisis (diagnóstico) Modelos dinámicos (agregados, est. control) 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) 100 Tensión U/Un E.on Tensión en el punto de conexión de una WT [%] % 60 VDN Sin desconexión t [ms] E.on VDN t [s] Diferentes estrategias en caso de falla llevan a diferentes efectos sobre la estabilidad de tensión del sistema Estudio del impacto de las WT sobre la estabilidad de tensión debe realizarse mediante diferentes curvas de FRT

20 Análisis Objetivo de la tesis: Problema complejo Escenarios de energía eólica investigados Planteamiento de preguntas Análisis (diagnóstico) Modelos dinámicos (agregados, est. control) Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT Escenario 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 al plan Incluye proyectos eólicos hasta 2015 (SEIA Stand : Enero 2010) 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

21 Análisis Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Planteamiento de preguntas Objetivo de la tesis: Problema complejo Análisis (diagnóstico) Modelos dinámicos (agregados, est. control) Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT Datos de entrada Solución inicial para la distribución de WT Despacho horario de centrales convencionales para un año Determinación de las restricciones técnicas de la red Restricciones adicionales Solución matemática de la optimización No Solución igual a la anterior? Si No Actualización de inyecciones eólicas Análisis dinámico Sistema estable? Distribución óptima de las WT

22 Análisis Enfoque metodológico para determinar el impacto de las WT en la estabilidad de tensión del sistema Planteamiento de preguntas Objetivo de la tesis: Problema complejo Análisis (diagnóstico) Modelos dinámicos (agregados, est. control) Algoritmo para determinar la distribución óptima de las WT en la red Enfoque metodológico para poder determinar el impacto de WT 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

23 Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones

24 Resultados Modelo desarrollado (SIC 2015) Modelo de la red: 84 MW 170 generadores síncronos convencionales (15 GW) líneas ( km) 100 transformadores 249 MW Cortocircuito trifásico 392 MW 1. Duración de la falla: 150 ms 2. Punto de operación durante la falla Máxima inyección eólica 7700 MW carga Potencia instalada en escenario de proyectos: 1220 MW MW 3 49 MW kv 220 kv 154 kv 110 kv Centrales hidraulicas Centrales térmicas WT

25 Resultados Ejemplos de curvas de tensión: Escenario de proyectos (6% de WT) 105 U/Un [%] Tensión en barra de la falla (Pan de Azucar) 105 U/Un [%] Tensión en barra de la falla (D. de Almagro) t 14 [s] t [s] Cortocircuito en Diego de Almagro lleva a inestabilidad de tensión en caso de no desconexión de las WT Escenario de proyectos técnicamente inadmisible FRT Sin medidas adicionales FRT Con medidas adicionales Desconexión Sin medidas adicionales Desconexión Con medidas adicionales

26 Resultados Ejemplos de curvas de tensión: Escenario S6 (6% de WT) 100 U/Un [%] Tensión en barra de la falla (D. de Almagro) t [s] 7 8 FRT Sin medidas adicionales FRT Con medidas adicionales Desconexión Sin medidas adicionales Desconexión Con medidas adicionales Para el caso de distribución óptima de las WT en la red Proyectos eólicos se pueden implementar sin costo adicional de forma tal que la integración eólica sea técnicamente válida

27 Resultados Tiempo de asentamiento promedio Sin medidas adiciones Con medidas adiciones Tiempo [s] Tiempo [s] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Caida de tensión a soportar sin desconexión en proceso de FRT [%] S2 S4 S6 BS 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

28 Agenda Introducción Análisis Resultados Conclusiones

29 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 % Cambio de normativa Necesidad de investigaciones considerando en forma detallada la estabilidad de frecuencia del sistema