Avances en Programas de Eficiencia energética en Colombia Generación Distribuida y Redes inteligentes, Resultados de una red piloto experimental

Transcripción

1 Avances en Programas de Eficiencia energética en Colombia Generación Distribuida y Redes inteligentes, Resultados de una red piloto experimental Horacio Torres-Sánchez Programa PAAS-UN IV TALLER INTERNACIONAL EFESOS DE EFICIENCIA ENERGETICA, SEGURIDAD Y SOSTENIBILIDAD Barranquilla

2 Antecedentes La generación distribuida (GD) y las redes inteligentes (Smart Grid) emergen como una nueva alternativa de prestación del servicio de electricidad y van a modificar la arquitectura de los sistemas de potencia, especialmente la de las redes de distribución. Condiciones actuales: Liberalización y crecimiento de los mercados Aumento del número de participantes y de la participación financiera privada Desarrollo de nuevas fuentes de energía y de tecnologías más limpias Progreso tecnológico acelerado (electrónica de potencia, telecomunicaciones, algoritmos, manejo de información) Mayores estándares de calidad y niveles adecuados de cobertura Usuarios más sofisticados 323

3 Nuevo modelo Antecedentes Modelo actual Como uno de los resultados de las reformas recientes a los sistemas de potencia y desarrollos, se empiezan a extender los denominados sistemas de Generación Distribuida y las Redes Inteligentes. Se evidencia la necesidad de que el sistema eléctrico actual continúe evolucionando y esté en capacidad de manejar las nuevas conexiones de múltiples productores (incluyendo consumidores) y la demanda de clientes sin afectar la calidad del servicio. 324

4 GD Definiciones No existe una única acepción de generación distribuida. Elementos a tener en cuenta (T. Ackerman et al., 2001): Propósito: Proveer una fuente de potencia activa Localización: unidades de generación conectadas directamente a la red de distribución o a la red del lado de medidor del consumidor. El tamaño no es relevante, depende del sistema. Se propone: Fuente de potencia eléctrica conectada directamente a la red de distribución o en el lado del contador que corresponde al cliente (T. Ackerman et. al., 2001). 325

5 GD Definiciones Las Universidades de los Andes y Nacional han propuesto: La Generación Distribuida es la generación conectada a un Sistema de Distribución Local (SDL), que no tiene acceso directo a la red de transmisión y cumple con los requerimientos de conexión (Proyecto Colciencias Isagen - Uniandes Unal) es la generación conectada a un Sistema de Distribución Local (red radial), que no tiene acceso directo a la red de transmisión, y no es despachada centralmente y cumple con los requerimientos de conexión. (Proyectos Colciencias Codensa- Uniandes Unal - UIS) 326

6 GD- Ventajas (Pepermans et al., 2005 y otros autores) Reducción de pérdidas en las redes de transmisión y distribución. Incremento en la confiabilidad y en calidad del servicio si se cumplen las reglamentaciones. Mayor control de energía reactiva y regulación de tensión. Retraso de inversiones en redes de transmisión y subtransmisión. Mejor adaptación a las variaciones de la demanda. Aumento de la competencia y disminución del poder de mercado. Mayor flexibilidad al disminuir la dependencia del sistema centralizado. Uso eficiente de la energía e incorporación de fuentes más limpias. 327

7 GD- Desventajas (Retos) (Pepermans et al., 2005 y otros autores) Requerimiento de nuevos esquemas para la operación y el mantenimiento de este tipo de sistemas. Mayores costos de inversión, especialmente para algunas tecnologías renovables. Cargos de conexión que deben pagar los productores. Mayor descentralización que puede dificultar la garantía de seguridad del sistema e incluso incrementar los costos de operación. Contaminación auditiva y ambiental cerca de los consumidores, en algunos casos. 328

8 La GD en el sistema colombiano Beneficiarios Generadores (desarrolladores nuevos) Transportadores Distribuidores Consumidores Zonas aisladas Mercado en general Se requerirían algunos ajustes al marco regulatorio actual y la expedición de una normatividad técnica y ambiental adecuada a este tipo de sistemas. 329

9 Propuestas regulatorias Dados los cambios tecnológicos y los beneficios de la generación distribuida es conveniente que el regulador se anticipe y de un tratamiento a este tipo de sistemas. Al momento de expedir las leyes en 1994, la Generación y la Distribución tecnológicamente eran siempre separables pero los avances de la ciencia y la tecnología permiten ahora la Generación Distribuida (y las redes inteligentes). La GD puede beneficiar a los usuarios al ofrecer más competencia entre agentes, al disminuir los costos de transporte (transmisión y distribución), facilitar la expansión a menor costo y reducir los niveles de pérdidas. 330

10 Reglamentación en Colombia La Generación, como tal, no está definida en las leyes 142 ó 143. Las Redes de Distribución, en cambio, las define la Ley 143 así: Redes de Distribución. Conjunto de líneas y subestaciones, con sus equipos asociados, destinado al servicio de los usuarios de un municipio o municipios adyacentes o asociados mediante cualquiera de las formas previstas en la Constitución Política (se ha subrayado). La CREG tiene una atribución general para: k. Interpretar las definiciones contempladas en el artículo 11 de la presente ley. La misma Ley 143 establece como uno de los principios que rigen las actividades relacionadas con el servicio, el de adaptabilidad, definido como El principio de adaptabilidad conduce a la incorporación de los avances de la ciencia y de la tecnología que aporten mayor calidad y eficiencia en la prestación del servicio al menor costo económico. (Se ha subrayado). 331

11 Circuito Piloto El diseño de la red eléctrica piloto esta orientado a la instalación estratégica de medidores, que permitan monitorear totalmente el comportamiento dinámico de los flujos bidireccionales de potencia. Se adecuaron una serie de cargas con componentes tanto resistivo como reactivo. 332

12 Circuito Piloto 333

13 Diagrama de la red piloto 334

14 Estructura de la red piloto Un generador fotovoltaico de 3.5 KW instalado en el edificio de Física de la Universidad Nacional y un generador de biomasa de 15 kw instalado en el edificio de Química y conectados a la red de distribución de Codensa a la altura de la subestación Antonio Nariño. Dos (2) RTUs móviles basadas en PLCs comerciales (Siemens) ubicadas en cada uno de los generadores. Una (1) RTU móvil con funciones de SCADA ubicada en la Universidad de los Andes. Comunicaciones basadas en redes publicas de telefonía móvil (GSM, GPRS inicialmente) 335

15 Explotación de la red piloto (evaluaciones a nivel RTU) Disponibilidad de los canales de comunicación. Disponibilidad de los agentes de control y supervisión. Tasa de mensajes perdidos. Tiempos de latencia confiables. Prueba de diferentes arquitecturas de inteligencia distribuida (redundancia, comunicación entre RTUs, acceso a usuarios móviles, etc) Ambitos de aplicación (telemetría, detección de fallas, diagnóstico, reconfiguración, etc) Criterios de negociación con los proveedores del servicio. Evaluación de seguridad y nuevas tecnológías en TICs. 336

16 Normatividad 337

17 La GD en Colombia Se analizan y definen los aspectos más importantes de la normatividad técnica y operativa, tomada como base para la implementación de los sistemas de GD en el Colombia. 338

18 La GD en Colombia Requerimientos Técnicos Mínimos para la correcta conexión y operación al SDL Requerimientos de tensión Requerimientos de frecuencia Requerimientos de reconexión Requerimientos de calidad de la potencia Requerimientos para la sincronización Coordinación de protecciones Compra y venta de energía de unidades de GD 339

19 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia Para la correcta conexión de unidades de GD al SDL se deben tener en cuenta los posibles esquemas de conexión a la red. 340

20 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia 341

21 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia La conexión y operación de estos sistemas a la red de distribución se clasificará según los siguientes parámetros: Tecnología Capacidad efectiva Esquema de conexión 342

22 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia Se diseñó un diagrama de flujo que contiene los pasos detallados para la instalación, conexión y operación de sistemas de GD en el SDL. 343

23 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia Proceso de Conexión Selección de tecnología Selección del tipo de proyecto Verificación de cumplimiento de requerimientos técnicos Selección de la ubicación y esquema de conexión Preparar estudio de conexión Convenir y firmar contrato de conexión Memorias de cálculo de la edificación Presentar memorias de cálculo al distribuidor Proceso de compra de equipos 344

24 Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD en Colombia Programación de trabajos con el distribuidor Informar fechas de inicio de pruebas Autorización de la conexión y puesta en servicio Operación de los sistemas de GD, desde un enfoque técnico: Coordinar sincronización con el centro de control Informar y coordinar modificaciones con el centro de control Coordinar maniobras con el centro de control Acordar procesos de mantenimiento con el distribuidor 345

25 Impacto de la GD sobre las Corrientes de Cortocircuito 346

26 Corrientes de cortocircuito La interconexión de la GD a la red, modifica la potencia de cortocircuito del sistema. El nivel de ese aporte depende de la potencia del GD, del tipo de generador y de la interfaz empleada. De estos tres elementos el que requiere mayor análisis es el tipo del generador ya que por la amplia variedad de fuentes pueden emplearse equipos distintos. 347

27 Tipos de generadores Máquina de inducción excitada mediante magnetismo remanente Máquina de inducción jaula de ardilla excitado mediante capacitores. 348

28 Tipos de generadores Generador de inducción con rotor bobinado excitado mediante corriente continua. Generador de inducción con doble excitación. 349

29 Tipos de generadores Generador de inducción con múltiple excitación. 350

30 Tipos de generadores Cada tipo de generador tiene una contribución diferente ante un cortocircuito, siendo muy alto para los generadores síncronos, más bajo para asíncronos o de inducción y mucho más bajo para aquellos que usan inversores. 351

31 Transformador de interconexión La interconexión de un GD con la red de potencia en forma directa, es desaconsejable y riesgosa, principalmente en caso de conectarse a líneas aéreas, ya que los generadores poseen nivel de aislamiento incompatible con el correspondiente sistema de potencia. 352

32 Transformador de interconexión Requiriendo de un transformador de interconexión, cuyas funciones son: Adecuar los niveles de tensión Evitar la inyección de corriente continua al sistema Bloquear las armónicas triples Controlar las corrientes de cortocircuito Facilitar la detección de sobrecorrientes desde el sistema Evitar las sobrecorrientes por resonancia 353

33 Transformador de interconexión Las formas posibles de conectar este transformador son: Triángulo del lado del GD y estrella aislada de tierra del lado del sistema Triángulo del lado del GD y estrella puesta a tierra rígida en el otro Triángulo del lado del GD y estrella puesta a tierra no rígida del lado del sistema Triángulo en ambos lados Estrella puesta a tierra del lado del GD y triangulo del lado del sistema Estrella puesta a tierra en ambos lados Estrella del lado del GD y estrella puesta a tierra rígida del lado del sistema 354

34 Modificaciones al esquema de protecciones Los esquemas de protección de los sistemas de distribución están diseñados para funcionar en forma radial y dirección única de la corriente de carga y de falla. El uso de las características tiempo-corriente de los dispositivos de protección ya no es posible, debiendo recurrir a la utilización de las características de energía específica-tiempo. Es necesaria una nueva metodología para coordinación reconectador-fusible. 355

35 Normas técnicas internacionales de GD Normas IEC Estándares IEEE 62257:Recomendaciones para energía renovable a pequeña escala y sistemas híbridos para electrificación rural. Parte 5: Protección contra riesgos eléctricos Parte 7-1:Generadores arreglos fotovoltaicos : Reglas para las instalaciones y emplazamientos especiales (sistemas de alimentación fotovoltaica) IEC/PAS 62559: Metodología de redes inteligentes para el desarrollo de requisitos en sistemas de energía : Estándar para la interconexión de recursos distribuidos en sistemas de energía :Estándar de procedimientos de prueba para equipos de interconexión de recursos distribuidos en sistemas de energía eléctrica :Guía para monitorear el intercambio de información, y control de recursos distribuidos interconectados en sistemas de energía eléctrica Resolución de 2008 Ministerio de Minas y Energía: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) Nueva Norma o Documento Guía Sobre Redes Inteligentes Normas de Construcción y Especificaciones Técnicas (CODENSA) NTC 2050: Código Eléctrico Colombiano Resolución CREG 025 de 1995:Codigo de Redes 356

36 Complemento a la normatividad nacional relativa a GD Resoluciones GREG Resoluciones ministerio de minas y energía Reglamentación internacional 025 de 082 de 2002 y 097 de Guía básica de la Reglamento para medios de 1995: generación distribuida en generación no convencionales Código de España y pequeños medios de redes generación 070 de 1998: Reglamento de distribución de energía eléctrica 086 de 1996: Reglamento de generación de plantas menores 2008: Principios generales y metodología para cargos por uso de los sistemas de transmisión regional y distribución local Resolución de 2008 : Reglamento técnico de instalaciones eléctricas Normas de construcción y especificaciones técnicas (CODENSA) Nueva norma o documento guía sobre redes inteligentes Resoluciones CREG 357

37 Conclusiones La generación distribuida (GD) y las redes inteligentes (Smart Grid) emergen como una nueva alternativa de prestación del servicio de electricidad. GD presenta ventajas como Reducción de pérdidas, mayor confiabilidad, calidad de servicio y flexibilidad y uso eficiente de energía en las redes de transmisión y distribución. Pero también presenta desventajas como mayores costos de inversión (tecnologías renovables), garantía de seguridad y contaminación auditiva y ambiental cerca de los consumidores, en algunos casos. 358

38 Conclusiones Dados los cambios tecnológicos y los beneficios de la generación distribuida es conveniente que el regulador se anticipe y de un tratamiento a este tipo de sistemas. Técnicamente, los estudios muestran que la contribución a la corriente de cortocircuito por una máquina de inducción está fuertemente relacionada con el tipo de excitación, siendo muy alto para los generadores síncronos, más bajo para asíncronos o de inducción y mucho más bajo para aquellos que usan inversores. El tipo de conexión más adecuado del transformador de interfase GD-Sistema de potencia es triángulo del lado del generador y estrella puesta a tierra semi-rígida del lado del sistema. 359

39 Conclusiones Los problemas técnicos presentados pueden solucionarse mediante el empleo de un sofisticado esquema de protecciones, pero a un alto costo, cuyo límite está establecido en el momento en que el sobrecosto contrarresta las ventajas del uso de la GD. 360