Trabajo de diploma para optar por el Título de Ingeniero Electricista

Transcripción

1 INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICACENTRO DE INVESTIGACIONES Y PRUEBAS ELECTROENERGÉTICAS Trabajo de diploa para optar por el Título de Ingeniero Electricista Cálculo del Líite de Potencia Eólica para grandes perturbaciones en un icrosistea eléctrico Autores: Cesar Gabriel Marzoa Montalvo Lester Saavedra Sánchez Tutor: Ing. Ariel Santos Fuentefria La Habana, Junio de 2014 Año 56 de la Revolución

2 Agradeciientos Quereos expresar nuestro agradeciiento a nuestras adres Ana Margarita Montalvo Álvarez y Belkis Sánchez Molina, por estar a nuestro lado en todo oento. A nuestro tutor, Ariel, por ayudarnos desde uy teprano, estar atento a cada paso que dábaos y por su infinita paciencia. A nuestras failias por el apoyo que nos han dado, especialente a Ana Patricia, herana de Cesar. Y a todas las personas que nos ayudaron de un odo u otro, particularente a todos los profesores que en estos cinco años nos ayudaron a convertirnos en ingenieros. I

3 Dedicatoria Ai abuela, que quiso vere graduado. Cesar Gabriel Marzoa Montalvo A toda i failia por confiar en í y dare fuerza y apoyo en todo oento. Lester Saavedra Sánchez II

4 Declaración Jurada Declaraos que soos los únicos autores de este trabajo de diploa y autorizaos al Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría para que haga de este trabajo de diploa el uso que estie pertinente. Cesar Gabriel Marzoa Montalvo Lester Saavedra Sánchez Fira: Fira: III

5 Resuen El Líite de Potencia Eólica (LPE) es la cantidad de potencia eólica que soporta un sistea eléctrico sin perder la estabilidad; su iportancia está dada por el hecho de que perite un ayor aprovechaiento de la energía del viento. Depende principalente de las características de los generadores eólicos y de la debilidad del sistea. Conocer el coportaiento del sistea en régien transitorio, teniendo en cuenta las peores condiciones a las que puede enfrentarse,es requisito indispensable para deterinar el LPE. Estas condiciones por lo general son un cortocircuito en las líneas de ayor transferencia de potencia y/o en el punto de conexión del parque eólico con el sistea. En el presente trabajo se analiza el coportaiento de generadores eólicos de velocidad fija y variable para diversas condiciones transitorias de la red en un icrosistea eléctrico de generación diesel-eólico. Las siulaciones se ipleentaron en el software libre PSAT. Los resultados obtenidos ostraron que el LPE depende de la ubicación del Punto de Conexión Coún (PCC) en el sistea y es ayor cuando se conectan a la red aerogeneradores de velocidad variable. IV

6 Abstract Wind power penetration liit (WPL) is the aount of wind power that an electric power syste can handlewithout losing its stability. The iportance of knowing WPL is that it allows getting axiu advantage of wind energy.wpl is deterined by two ain factors: the wind generators technology and the weakness of the power grid. The knowledge of a syste s behavior during transitory status, taking into account the worst conditions that the syste can workwith, is essential to deterine WPL. In general, these conditions are a short circuit at ain power transference lines and/or at the point of coon coupling of the wind far to the syste. In this workis analyzed the behavior of fixed and variable speed wind turbines, studying different transient conditions for an electric diesel and wind generation icrosyste. Free software PSAT was used for analysis and siulations. The results showed that wind power penetration liit is strictly related with thepoint of Coon Connection (PCC)location and is higher when variable speed wind turbines are used. V

7 Índice Abreviaturas... VIII Introducción General...9 Problea Hipótesis Objetivo general Objetivos específicos Capítulo Introducción Concepto del Líite de Potencia Eólica (LPE) Breve explicación sobre los factores que influyen en el LPE Tecnología de aerogenerador utilizada Aerogeneradores de velocidad fija. (AGVF) Aerogeneradores de velocidad variable.(agvv) Debilidad del sistea Tensión en estado estacionario Coportaiento de la tensión en régien transitorio Cóo afecta al LPE la estabilidad de tensión? Métodos para el cálculo del LPE que utilizan las condiciones en estado dináico del sistea Método del LPE por Flicker Siulaciones en el doinio del tiepo Método basado en el seguiiento de la potencia activa Líite de penetración dináico Desviación de frecuencia Métodos probabilísticos Capítulo Introducción PSAT (Power Systes Analysis Toolbox), Herraienta para el análisis de los sisteas eléctricos de potencia Breve explicación de los eleentos utilizados en el SEP analizado Breve explicación de las tecnologías de aerogenerador utilizadas VI

8 2.4 Breve descripción de los icrosisteas eléctricos Diesel Eólico Descripción del icrosistea eléctrico bajo estudio Selección de los nodos a estudiar Capítulo Siulaciones realizadas en el sistea analizado Resultados de las siulaciones para AGVF Cortocircuito en el Punto de Conexión Coún Cortocircuito en una de las cinco líneas de ayor transferencia de potencia Desconexión de una de las cinco líneas de ayor transferencia de potencia Resultados de las siulaciones para AGVV Cortocircuito en el Punto de Conexión Coún Cortocircuito en una de las líneas de ayor transferencia de potencia Desconexión de una de las cinco líneas de ayor transferencia de potencia Coparación de resultados entre AGVF y AGVV Coparación entre diferentes PCC Parque Eólico copuesto por AGVF Parque Eólico copuesto por AGVV Resultados generales Conclusiones Recoendaciones Referencias Bibliográficas Bibliografía Anexos VII

9 Abreviaturas LPE: Líite de potencia eólica. IEEE: Instituto de Ingenieros eléctricos y electrónicos. EE: Energía eólica. AG: Aerogenerador. AGVF: Aerogenerador de velocidad fija. AGVV: Aerogenerador de velocidad variable. GD: Generación Distribuida. PE: Parque Eólico. PCC: Punto de conexión coún. SEP: Sistea Eléctrico de Potencia. P: Potencia activa. Q: Potencia reactiva. VIII

10 Introducción General La energía eléctrica ha ipulsado enoreente el desarrollo de la huanidad, posibilitando grandes avances en la industria y en casi todos los aspectos de la vida diaria del hobre. Las principales fuentes para la generación de energía eléctrica desde sus coienzos han sido los cobustibles fósiles.estos ocasionan graves daños al edio abiente y tienen un elevado precio en el ercado undial. Actualente, se investiganotras fuentes renovables que peritan generar energía eléctrica a enores costos y evitando daños al entorno. La energía eólica (EE) utiliza el viento coo fuente priaria de energía por lo que es considerada una fuente de energía lipia.el uso del viento por el hobre coenzó hace iles de años con fines ás sencillos, coo por ejeplo para over los barcos. Luego aparecieron los prieros olinos para oler granos y bobear agua en Persia y China. Durante la edad edia, en Europa se utilizaron olinos de viento de eje horizontal para tareas siilares. La idea inicial de producir electricidad a partir del potencial iplícito en el viento surge en 1802, en las forulaciones de Lord Kelvin, al proponer acoplar un generador eléctrico a una áquina eólica. No obstante, no fue hasta la segunda itad del siglo XIX, cuando se inventó la priera áquina que sirvió coo odelo de lo que hoy conoceos coo aerogenerador (AG). El epleo inicial del viento para la generación de electricidad tuvo lugar con el desarrollo coercial exitoso de los pequeños aerogeneradores,con las investigaciones y experientos con grandes aerogeneradores. Durante la priera itad del siglo XX, se realizaron nuerosos aportes al desarrollo de la tecnología eólica, ipulsados esencialente por los conociientos desarrollados en el capo de la aerodináica, pero solo se liitó a los sisteas ultipalas de bobeo ecánico de agua. Esto se debió en gran parte a las dificultades propias del recurso eólico, así coo su variabilidad y su baja densidad energética. Después de la Priera Guerra Mundial fueron nuerosos los trabajos realizados en Europa y los EE.UU dirigidoshacia los pequeños aerogeneradores para áreas rurales. Tabién se trabajó en el diseño y construcción de grandes sisteas eólicos para producir electricidad a gran escala. Se desarrollaron algunas experiencias, fundaentalente en Dinaarca, Francia (con la turbina Darrieus de eje vertical), Suecia, Rusia, Gran Bretaña y EE.UU. 9

11 Sin ebargo, el bajo costo relativo de las centrales teroeléctricas e hidroeléctricas no hacía copetitiva la utilización de las plantas eólicas, ya que los cobustibles fósiles, y en particular el petróleo, se iponían cada vez ás coo la principal fuente de energía en aquella época. En 1973, coo resultado de la crisis petrolera ocurrida a raíz del conflicto árabe-israelí de ese año, se inicia otra etapa en el capo del aprovechaiento eólico coo fuente de energía; copartiendo el protagoniso con la energía solar fotovoltaica coo recursos renovables y no containantes. A fines de la década de los setenta y principios de los ochenta aparecieron los prieros aerogeneradores coerciales, denoinados de nueva generación. Ya en los años ochenta, la EE recibió un ipulso decisivo cuando los aspectos edioabientales se convirtieron en probleas de prier orden. En este ábito es necesario considerar lo referente al protocolo de Kioto, el cual tiene coo principal objetivo lograr la cooperación de todos los países para reducir los gases del efecto invernadero y ayudar a la lipieza del edio abiente, de anera local y global. En la actualidad la EE es una de las fuentes de energía renovable ás usadas a nivel undial, con cientos de instalaciones en todo el undo, y con gran cantidad de inversiones realizadas. Para conectar estos Parques Eólicos (PE) a la red eléctrica hay que tener en cuenta las noras y regulaciones establecidas, logrando que los paráetros del sistea se antengan dentro de los líites peritidos y evitando probleas desde el punto de vista de la calidad de la energía. Por lo que resulta suaente iportante conocer el líite de generación eólica que puede ser introducido en un sistea deterinado, sin que esta afecte las características del iso. Teniendo en cuenta lo anteriorente planteado surgen un grupo de preguntas a las cuales se les dará respuesta en esta investigación, tales coo: La introducción de los PE puede crear probleas de calidad de la energía al ser sincronizados a un sistea eléctrico cualquiera, afectando la tensión en los nodos de dicho sistea eléctrico? Cóo analizar el coportaiento de los PE ante diversas perturbaciones ocurridas en la red? Cuál será la peor perturbación a la que puede estar soetido el PE? Cóo se puede hallar el Líite de Potencia Eólica (LPE) en una red débil y con gran aporte de generación distribuida? Cóo varía el LPE cuando la red se debilita? 10

12 Cuál es el LPE en el sistea analizado cuando se usan aerogeneradores de velocidad fija(agvf) y aerogeneradores de velocidad variable (AGVV)? Lo anterior nos perite plantear el problea, la hipótesis y los objetivos del presente trabajo. Problea Cóo conocer el Líite de Potencia Eólicade un sistea de distribución con gran aporte de generación distribuida evitando probleas en la estabilidad de tensión? Hipótesis Utilizando siulaciones en el doinio del tiepo y aplicando diversas perturbaciones es posible conocer el Líite de Potencia Eólica en un sistea de distribución aislado con gran aporte de generación distribuida evitando probleas en la estabilidad de tensión. Objetivo general Obtener el Líite de Potencia Eólica utilizando el étodo de la siulación en el doinio del tiepo en el sistea analizado para Aerogeneradores de Velocidad Fija y Aerogeneradores de Velocidad Variable. Objetivos específicos Analizar el coportaiento en el doinio del tiepo del sistea bajo estudio. Analizar el coportaiento de la tensión en el punto de conexión del PE con el sistea. Calcular el Líite de Potencia Eólica para diferentes perturbaciones en varios puntos del sistea utilizando Aerogeneradores de Velocidad Fija y Aerogeneradores de Velocidad Variable. Coparar los Líites de Potencia Eólica para los casos analizados. 11

13 Capítulo 1 Aspectos relacionados con el Líite de Potencia Eólica en Sisteas Eléctricos de Potencia 12

14 1.1 Introducción El incesante desarrollo a nivel undial ha conducido al hobre a un consuo creciente de energía eléctrica. La ayor parte de la energía eléctrica es generada a partir de recursos naturales no renovables, principalente cobustibles fósiles,que tienen un alto precio y su explotación provoca gases nocivos de efecto invernadero. Ante esta situación, se ha tratado de increentar el uso de recursos naturales renovables para la generación de energía eléctrica. Entre estas fuentes de energía renovables la ás utilizada a nivel undial es la energía proveniente del viento. Hasta el 31 de diciebre de 2013 se habían instalado a nivel undial un total de 318,529 GW de potencia eólica[1]. Actualente, los avances en el diseño de turbinas eólicas han peritido alcanzar potencias áxias para una turbina de 10 MW, coo la Sea Titan de la epresa estadounidense AMSC o la ST10 la copañía noruega Sway[2];logrando así un ayor aprovechaiento de este tipo de energía. Esta tecnología ha sido apliaente utilizada en el undo y se han logrado instalar grandes Parques Eólicos coo el Alta Wind Energy Center de 1020 MW en Estados Unidos[3], que deuestran la factibilidad de su uso por el hobre. Sin ebargo, esta fuente de energía presenta un gran inconveniente: depende de la variabilidad del viento, lo que ocasiona que tanto la potencia activa coo reactiva de salida del aerogenerador no sea siepre constante. Este fenóeno puede traer consigo probleas de estabilidad de tensión y frecuencia.mientras ás grande sea la potencia eólica instalada en un nodo de un sistea eléctrico, ayores serán las variaciones de estos paráetros y su influencia en el sistea eléctrico al que se conecte el Parque Eólico (PE),pudiendoprovocar que el sistea pierda la estabilidad por tensión. Por tanto, es necesario conocer el valor líite de potencia eólica que se puede conectar a un sistea, sin afectar dicha estabilidad. 1.2 Concepto del Líite de Potencia Eólica (LPE) De acuerdo a Xiangwu Yan en[4]el LPE es: La capacidad áxia instalada en la integración de energía eólica con los porcentajes de carga ás grandes del sistea, bajo la preisa de cubrir ciertas especificaciones técnicas. Es decir, el líite de penetración de energía eólica es igual a la capacidad áxia del PE instalado entre la carga ás grande del sistea. 13

15 Otra definición dada por Ariel Santos Fuentefria en[5]el LPE es: Valor áxio de potencia eólica que puede ser conectada al sistea anteniéndose todos los paráetros dentro de los líites establecidos por las noras y conservándose la estabilidad de tensión y de frecuencia, ya sea en condiciones norales de operación o ante la ocurrencia de alguna falla. El concepto propuesto por Schlueter R.A en[6]: Líite de Potencia Eólica es la proporción de la capacidad instalada en el PE con respecto a la deanda áxia de la carga. O sea, es la capacidad áxia instalada en el PE que la red adite. Analizando las definicionesanterioressobre el LPE y teniendo en cuenta los puntos counes de cada uno de dichos conceptos, se puede definir el LPE coo: Máxio valor de potencia eólica que se puede instalar en un sistea eléctrico de potencia garantizando la estabilidad de tensión y frecuencia en sus diferentes regíenes de trabajo y cupliendo las especificaciones técnicas ipuestas para dicho sistea. 1.3 Breve explicación sobre los factores que influyen en el LPE Los principales factores que influyen en el LPE son el tipo de tecnología de aerogenerador utilizada y la debilidad del sistea eléctrico analizado Tecnología de aerogenerador utilizada Según la bibliografía consultada [7], los aerogeneradores pueden ser clasificados de diferentes foras basándose en característicascoo: tipo de eje (eje horizontal o vertical), cantidad de palas que posean (de una, dos, tres palas), tipo de generador que se utilice (generador sincrónico o asincrónico), etc. Siendo los aerogeneradores de eje horizontal los ás utilizados a nivel undial, éstos a su vez son divididos en dos grandes grupos: Aerogeneradores de Velocidad Fija y Aerogeneradores de Velocidad Variable.Diferenciándose entre sí en cuanto a costo, coplejidad de construcción, coponentes, protecciones, sistea de control, entre otras características iportantes. 14

16 Uno de los principales inconvenientes de los generadores eólicos es su dependencia de la variabilidad del viento, debido a los probleas de inestabilidad de tensión y frecuencia que pueden ocasionar. Un aspecto iportante en este sentido es el control de la potencia reactiva por parte de los aerogeneradores, lo que dependerá de la tecnología utilizada. Para esto, los aerogeneradores de velocidad variable pueden ejercer un control sobre la potencia reactiva que entregan o consuen, controlando la tensión en el punto de conexión y ayudando, hasta donde les perite la tecnología, a garantizar la estabilidad de tensión del sistea al cual se conectan Aerogeneradores de velocidad fija. (AGVF) Los aerogeneradores de velocidad fija son generadores de inducción con rotor jaula de ardilla o rotor devanado, conectados directaente a la red ediante un transforador y un banco de condensadores para ayudar en la copensación de potencia reactiva.estos aerogeneradores son diseñados para alcanzar su áxia eficiencia a una deterinada velocidad. Para auentar su rendiiento, algunos usan dos devanados: uno para bajas velocidades de viento (noralente de 8 polos) y otros para velocidades de viento ayores (4~6 polos). Por el tipo de generador que utiliza, es ás siple, robusto y fiable que los de velocidad variable, y sus coponentes eléctricos son ás baratos. Coo liitantes,presenta un ayor consuo de potencia reactiva, ayor estrés en sus partes ecánicas y tiene un control liitado sobre la calidad de la energía que produce. Debido a que este tipo de aerogenerador está diseñado para trabajar a una velocidad fija, las fluctuaciones en la velocidad del viento se reflejarán en la fluctuación en su torque ecánico y por ende en la energía suinistrada a la red. Para el caso en que sean conectados a redes débiles, las variaciones en el suinistro de potencia pueden verse reflejadas en una disinución de la tensión en el punto de conexión, lo que puede provocar probleas en la estabilidad de tensión del sistea[8]. La figura uestra un esquea de este tipo de aerogenerador. 15

17 Figura Aerogenerador de velocidad fija con generador jaula de ardilla (Tipo A) Aerogeneradores de velocidad variable.(agvv) Los aerogeneradores de velocidad variable han toado un gran auge en los últios años convirtiéndose en el tipo de turbina eólica ás utilizada. Estas se diseñan para alcanzar su áxia eficiencia en un rango de velocidades de viento ás aplia. Coo tiene la capacidad de variar su velocidad, puede adaptarse a diferentes velocidades de viento variando su velocidad de rotación. Al contrario de la turbina de velocidad fija, la de velocidad variable antiene el torque de salida constante, toando las variaciones en la velocidad del viento coo variaciones en la velocidad del rotor.este tipo de aerogeneradores trabaja junto a un convertidor electrónico de potencia que perite controlar la generación o el consuo de potencia reactiva, así coo ajustar la tensión y frecuencia de la potencia que generade acuerdo a los paráetros de la red a la que se conecta.entre sus ventajas se pueden citar una ejor captura de la energía, ejor calidad de la energía generada, y enor estrés ecánico en la turbina. Entre sus desventajas, destacan las pérdidas de sus sisteas electrónicos de potencia, el uso de un ayor núero de coponentes y un ayor costo debido a su sistea de control electrónico. El uso de este tipo de turbina posibilita el epleo de un ayor núero de generadores (generador de inducción de rotor devanado, generador sincrónico de ianes peranentes, generador sincrónico de rotor devanado) y una ayor libertad a la hora de cobinar el generador y el sistea electrónico a eplear[8]. Las figuras , y uestran los esqueas de los diferentes tipos de aerogeneradores de velocidad variable. 16

18 Figura Aerogenerador de velocidad variable con generador de rotor bobinado (Tipo B). Figura Aerogenerador de velocidad variable con generador de inducción dobleente alientado (Tipo C). Figura Aerogenerador de velocidad variable con generador de inducción (Tipo D). 17

19 En el presente trabajo se utilizaron dos tipos de aerogeneradores: el de velocidad fija, debido a su sencillez y enor costo, cuyas características fueron previaente explicadas, y el de velocidad variable con generador de inducción dobleente alientado, por ser el ás utilizado a nivel undial; las características de este últio se expondrán a continuación. Los detallesde las deás tecnologías se pueden encontrar en [8]. Aerogenerador de Velocidad Variable con Generador de Inducción Dobleente Alientado o Aerogenerador Tipo C: Este aerogeneradorcuenta con un generador de inducción de rotor devanado, que está conectado a un convertidor Back to back. El térino dobleente alientado se refiere al hecho de que el estator está alientado desde la red y la alientación del rotor se induce desde el convertidor. Este convertidor se encarga de copensar la diferencia entre la frecuencia ecánica y eléctrica ediante la inyección de una corriente de frecuencia variable en el rotor. El control de la velocidad de esta turbina se hace a través de dos convertidores separados: uno, desde el lado del rotor, se encarga del control de la potencia activa y reactiva logrando que la turbina trabaje a un factor de potencia que varía desde 0,9 ~ 1 en adelanto o atraso, logrando así que el aerogenerador consua o entregue potencia reactiva. El otro convertidor se encuentra a la salida, del lado de la línea, y su objetivo es antener la tensión lo ás estable posible a pesar de las variaciones de la potencia generada. Debido al elevado costo de los convertidores estos se diseñan para un 25 ~ 30 % de la capacidad del aerogenerador [8] Debilidad del sistea Para deterinar qué tan débil es un sistea eléctrico se debe tener en cuenta la potencia de cortocircuito ( ) y la relación existente entre la reactancia y la resistencia equivalente de Thevenin en el Punto de Conexión Coún (PCC). Entre los factores que influyen en la debilidad de un sistea eléctrico de potencia podeos citar: Valores de resistencia y reactancia de sus líneas: ientras ás grandes sean estos valores ás débil será el sistea. Potencia de generadores convencionales instalados en el sistea analizado: el uso de generadores de pequeña capacidad debilita el sistea. 18

20 Tipo de red: las redes radiales son ás débiles que las alladas. Cuando se tiene un sistea débil, todos sus paráetros influyen en ayor o enor edida en la disinución del LPE. De igual anera, éstos se ven afectados por la inclusión de la generación eólica en dicho sistea. En este trabajo se analizaron los siguientes aspectos: Tensión en estado estacionario. Coportaiento de la tensión en régien transitorio Tensión en estado estacionario. Para garantizar que la tensión en los nodos del sistea se antenga dentro de líites establecidos, la caída de tensión en las líneas no debe superar un deterinado valor. En el caso del Sistea Electroenergético Nacional (SEN) cubano,está norado que la caída de tensión hasta el peor nodo debe ser ayor de un 7 %. A edida que auenten las transferenciaspor las líneas auentaránlas caídas de tensión, por lo que la tensión en el peor nodo disinuirá su valor, trayendo consigo probleas en la tensión de los consuidores. Con relación a la estabilidad de tensión, Kundur en [9]plantea: Si al reducir el factor de potencia en las cargas se provoca un increento de la circulación de potencia reactiva por las líneas, puede ocurrir que el sistea pase de estado estable a estado inestable. Un auento progresivo de la potencia activa de una carga a un iso factor de potencia ocasionará que para un deterinado valor de dicha potencia el sistea se vuelva inestable. El sistea será estable si la derivada de Q respecto a V es positiva, o sea y el punto crítico de operación será donde esta derivada toe valor cero. Para analizar cóo se coporta la tensión en estado estacionario cuando auenta la generación eólica, se utilizará un sistea sencillo de dos nodos, el cual se uestra en la figura Según [10], para calcular las caídas de tensión en una línea de hasta 34,5 kv se utiliza la expresión : 19

21 ( ) Donde: : es la caída de tensión en la línea analizada. : es la potencia activa del envío en ega Watt trifásicos. : es la potencia reactiva en el envío en ega volt apere reactivo trifásicos. : ódulo de la tensión línea a línea en el envío. : resistencia eléctrica de la línea en oh. : reactancia inductiva de la línea en oh. Figura Sistea de dos nodos. Las potencias en el envío ( y ) y la caída de tensión en la línea dependerán de la potencia que deba ser suinistrada a la carga. Para que la tensión en el nodo (2) se antenga dentro de los líites establecidos, la caída de tensión en la línea no debe superar un deterinado valor. Por lo tanto, a edida que auenten las transferencias de potencia por la línea auentarán las caídas de tensión, así la estabilidad de tensión dependerá de la relación entre, y V. Si se conecta al nodo (2) un parque eólico de enor capacidad que la carga, coo se uestra en la figura , las transferencias de potencia por la línea analizada disinuirán ya que el parque eólico asuirá parte de la deanda que solicita la carga. 20

22 Figura Sistea de dos nodos con generación eólica. Si se analiza la ecuación planteada, habrá enores caídas de tensión en la línea debido a la conexión del parque eólico. La tensión en el nodo de conexión deberá auentar ya que la transferencia por la línea ha disinuido. Las variaciones de tensión que se producirán en el nodo (2) producto del parque eólico, dependerán de la fortaleza del sistea y de los dispositivos de control de potencia reactiva en dicho punto, o en puntos cercanos a él. Si la potencia de los aerogeneradores superara a la potencia que deanda la carga, la transferencia de potencia activa por la línea sería desde el PE hacia el sistea. El reactivo necesario para la carga y el parque eólico (si lo necesitase),circularía desde el sistea hacia la carga. Las pérdidas en la línea, entonces, dependerán de la potencia instalada en el PE. Por tanto, a partir de un deterinado valor de generación eólica es conveniente hacer un análisis econóico y deterinar, si es factible auentar la potencia eólica instalada, o auentar la capacidad de la línea. Si el sistea analizado se debilitase, producto del alargaiento de la línea (ésta auentaría su ipedancia), las caídas de tensión serían ayores a edida que auenta la longitud de la línea.cuando se conecta el Parque Eólico los valores de potencia activa y reactiva que no son transferidos por la línea tienen ayor influencia enla caída de tensión, por lo que esta tendrá una ayor reducción. Esto puede provocar que la tensión en el nodo (2) sea ayory pueda sobrepasar el líite áxio peritido. Cada sistea eléctrico puede tener sus propias noras de acuerdo a sus características particulares, pero el auento de tensión no debe ser ayor que un 2 % para garantizar la 21

23 estabilidad del sistea según VDEW (Asociación aleana de electricidad) o no ayor que un 3 % según Eltra (Dinaarca)[8]. En [11] se analiza el coportaiento de un PE copuesto por Aerogeneradores de Velocidad Variable alientado por una doble línea en paralelo, cuando la velocidad de salida del viento está por encia de su valor líite un 25 %. Con el PE trabajando a factor de potencia unitario se siula un cortocircuito que lleva a la desconexión de una de sus líneas de conexión con el sistea. La desconexión de esta línea hace que la ipedancia equivalente auente, por lo que la red se debilita. La tensión de operación del PE luego de lipiada la falla y trabajando con una sola línea de alientación disinuye, debido a que el sistea se debilitó. Producto de la disinución en la tensión de trabajo del AG disinuye tabién la potencia activa que entrega. En el estudio realizado en [12] se analiza la influencia de diferentes paráetros en la estabilidad de tensión de un sistea, cuando se conecta un PE a una red débil ediante una línea de transisión. Se realizan varias siulaciones para diferentes tecnologías de aerogeneradores, se varía la relación de la línea de transisión de un 2 % a un 10 % y se siula la ocurrencia de un cortocircuito en el PCC. Los resultados obtenidos deuestran que ientras ás crece la relación ás cae la tensión en el PCC luego de ocurrida la perturbación, por lo que el LPE se ve liitado por la debilidad de sistea. Un análisis que refuta que ientras ás débil sea un sistea eléctrico enor es su LPE puede ser encontrado en [8] Coportaiento de la tensión en régien transitorio. Según [9] la estabilidad de tensión es la habilidad de un sistea eléctrico de potencia de antener las tensiones en todos sus nodos prácticaente constantes en condiciones norales de operación y luego de haber sufrido una contingencia. La estabilidad de tensión puede perderse en un sistea cuando ocurre una falla, se increenta la deanda u ocurre un cabio en el sistea que hace que la tensión disinuya de anera incontrolable. El factor principal que origina una inestabilidad de tensión es cuando el sistea no puede suplir toda la deanda de potencia reactiva que solicita la carga. 22

24 Un criterio para edir la estabilidad de la tensión de un sistea eléctrico es cuando en una barra del sistea la tensión auenta a edida que se auenta la inyección de potencia reactiva en dicha barra. Se considera que un sistea es inestable si en al enos una de sus barras la tensión disinuye a edida que la inyección de potencia reactiva en dicha barra auenta [9]. Otro factor por el que se puede edir la estabilidad de tensión en un sistea son los líites de potencia reactiva y la tensión de operación de los generadores de dicho sistea, las características de la carga, los dispositivos utilizados para el control de la potencia reactiva, y los dispositivos para el control de la tensión coo transforadores capaces de cabiar taps bajo carga. En un sistea eléctrico coplejo existen varios factores que pueden llevar a un SEP al colapso por tensión, ellos son: fortaleza del sistea de transisión, niveles de trasisión de potencia, características de la carga, líites de potencia reactiva de los generadores, y características de los dispositivos de copensación de reactivo [9]. Para una ejor coprensión la estabilidad de tensión se puede dividir en dos secciones: Estabilidad de tensión para grandes perturbaciones: se puede definir coo la habilidad de un sistea de sobreponerse a grandes perturbaciones coo fallas, pérdidas de generación o contingencias en sus circuitos. Esta habilidad dependerá de dos factores fundaentales: las características de la carga y las relaciones entre los controles continuos y discretos de las protecciones. Para deterinar la estabilidad para grandes perturbaciones se requiere hacer un análisis dináico no lineal del coportaiento del sistea en un período de tiepo que puede variar desde algunos segundos hasta decenas de inutos, por lo que se requiere de siulaciones en el tiepo para deterinar esto. Estabilidad de tensión para pequeñas perturbaciones: se puede definir coo la habilidad de un sistea para controlar la tensión cuando ocurren pequeñas perturbaciones coo increentos en la carga. Este tipo de estabilidad se deterina por las características de la carga y los controles continuos y discretos en un espacio de tiepo dado. Este concepto se utiliza para deterinar cóo responderá la tensión de un sistea en un instante dado ante pequeños cabios en el sistea [9]. 23

25 Cóo afecta al LPE la estabilidad de tensión? La caída de tensión durante la ocurrencia de un cortocircuito es una de las peores condiciones a las que se puede soeter a un sistea eléctrico en lo que a estabilidad de tensión en estado transitorio se refiere. Cuando se va a realizar un estudio para analizar la influencia de grandes perturbaciones en la estabilidad de tensión en un sistea eléctrico, es necesario realizar varias siulaciones para deterinar el estado de dicho sistea durante un período de tiepo. Cuando se tiene un sistea eléctrico con bajos valores de potencia eólica instalada esta no representa un problea para la estabilidad del sistea, pero a edida que el nivel de penetración eólica auenta existe el riesgo de que una falla provoque la desconexión de un parque eólico de taaño considerable, lo que puede llevar al sistea a perder la estabilidad. Por esta razón, es necesario garantizar que una vez conectados a la red, los aerogeneradores no se desconecten debido a una falla. El Low Voltage Ride Trough (LVRT por sus siglas en inglés) es la capacidad de una turbina eólica de antenerse funcionando luego de la ocurrencia de una falla. La figura uestra una curva típica del coportaiento de la tensión durante una falla y las zonas de trabajo estable e inestable típicas de una turbina eólica atendiendo a su característica LVRT. Figura Coportaiento típico de la tensión en el PCC cuando curre una falla. Coo puede observarse en la figura ante la ocurrencia del cortocircuito, la tensión cae hasta un valor deterinado durante un intervalo de tiepo que dependerá del tiepo en que el 24

26 sistea deore en lipiar dicha falla. A continuación, la tensión se increenta en fora de rapa hasta que alcanza nuevaente el valor que tenía antes de ocurrida la contingencia. El tiepo entre la ocurrencia de la falla hasta la restitución de la tensión a su valor pre falla está influenciado por factores coo la ubicación, tipo de falla, las características del sistea, y las tecnologías de las protecciones que se estén usando. Si la tensión durante la falla cae por debajo del valor ínio peritido por el fabricante de la turbina, o dura ás de lo peritido por la característica del LVRT, el aerogenerador cae en la zona inestable ostrada en la figura por lo que será desconectado del sistea. Si durante la falla el coportaiento de la tensión se antiene por encia de los niveles ostrados en la figura, la turbina deberá sobrepasar la falla sin ayores probleas. Esto se logra coparando la característica de tensión del nodo de conexión con la característica LVRT de la turbina [13]. El coportaiento del aerogenerador ante las fallas que pueden ocurrir en el sistea al cual se conecten dependerá de la tecnología de aerogenerador utilizada. En el caso de los aerogeneradores de velocidad fija, ante la ocurrencia de una falla la tensión en los terinales del generador disinuye drásticaente, lo que ocasiona que la corriente que circula por él auente de anera iportante. Este fenóeno trae consigo un desequilibrio entre la potencia eléctrica y ecánica en el generador, lo que ocasiona que se acelere durante el cortocircuito, y, una vez lipiada la falla, coo no se tiene ningún edio para controlar su velocidad, esta haya alcanzado un valor que no garantice la estabilidad de la generación y el aerogenerador tenga que ser desconectado del sistea. Este proceso depende de características propias de la turbina coo su inercia, potencia noinal y duración de la falla [8]. En el caso de un aerogenerador de velocidad variable, el coportaiento ante una falla es diferente ya que tiene un sistea de control de la velocidad, ediante el cual su rotor se puede considerar coo una fuente de alacenaiento de energía. Esta, alacenada en fora de energía cinética, es proporcional a la inercia y al cuadrado de la velocidad del rotor, por tanto, si se increenta dos veces la velocidad de la turbina, la energía cinética alacenada en su rotor auenta cuatro veces. Coo la tensión de excitación se puede variar para controlar la velocidad del aerogenerador, la tensión de salida puede controlarse de igual anera. No obstante, ante la ocurrencia de una falla el torque eléctrico resultante acelerará la áquina y a ello se opondrá la potencia aerodináica de las palas; en caso de que el aerogenerador esté trabajando o alcance su 25

27 velocidad noinal durante la ocurrencia de una falla, el control de ángulo de paso se utilizaría para controlar la velocidad del rotor, en este caso hay enos probabilidad de que el aerogenerador se desconecte del sistea [8, 14]. En [15] los autores soeten a un sistea al que se le quiere agregar generación eólica, a varias contingencias, entre las que se encuentran caídas de tensión por debajo del 80 % de su valor noinal y cortocircuitos trifásicos que provocan que la tensión sea cero durante la falla. Durante las siulaciones se obtuvo que el prier nodo que alcanza su valor líite de tensión es el que tiene un alientador de ayor longitud, o sea ayor ipedancia, seguido de los que tienen ayor relación X/R, lo que deuestra que los probleas de estabilidad de tensión están relacionados con la fortaleza del sistea. Tabién plantean que las fluctuaciones de la tensión en estado estacionario pueden liitar el nivel de integración de energía eólica, cuando el parque eólico se enlaza con el sistea a través de un solo alientador que tiene baja potencia de cortocircuito. En el estudio [16] se copara el ipacto en la estabilidad del sistea al instalar aerogeneradores de velocidad variable o generadores convencionales. Para estose siulan varias fallas trifásicas con una duración de cinco ciclos. De los resultados obtenidos la conclusión ás relevante deuestra que se pueden agregar aerogeneradores de velocidad variable con control electrónico y bajos valores de LVRT sin reducir la estabilidad de redes débiles. Los autores de [17] hacen un estudio donde analizan el coportaiento de un parque eólico copuesto por 36 aerogeneradores de velocidad fija cuando se conecta a una red débil a 33 kv y es soetido a fallas con una duración de 300 s, lo que equivale a 18 ciclos aproxiadaente. Dicho parque alienta una carga y se varía la potencia de cortocircuito de la red a la que se conecta. En el caso analizado, la debilidad del sistea y el alto consuo de potencia reactiva que deanda el parque eólico luego de ocurrida la falla, hacen que no se logre estabilizar la tensión; esto ocasiona que la caída de tensión sea aún ayor en las cercanías del parque eólico por lo que éste debe ser desconectado de la red. La figura uestra el coportaiento de la tensión para el caso antes encionado. 26

28 Figura Tensión en el PCC cuando ocurre una falla. En el artículo [18] los autores estudian la capacidad LVRT de un parque eólico copuesto por 8 aerogeneradores de velocidad variable y 8 de velocidad fija. En dicho trabajo se estudió la posibilidad de utilizar los aerogeneradores de velocidad variable para contribuir en el soporte de los de velocidad fija durante las condiciones de falla y ayudarlos a superarla, teniendo en cuenta que se cuplieran las noras que requería la red a la que se estaban conectando. En las siulaciones se soete al sistea a caídas totales de tensión en el punto de conexión y se analiza su coportaiento cuando están conectados solaente los aerogeneradores de velocidad fija y cuando están conectados todos los aerogeneradores. La figura uestra las respuestas del PE cuando están conectados solaente generadores de velocidad fija (rojo) y cuando están conectados todos los aerogeneradores (azul). Coo puede verse, para el caso en que solo están conectados los aerogeneradores de velocidad fija la tensión en el punto de conexión no se recupera luego de la falla, ientras que para el caso en que están conectados todos, la tensión estabiliza siguiendo aproxiadaente el patrón establecido por el LVRT. 27

29 Figura Tensión en el PCC cuando el PE está copuesto solaente por AG de velocidad fija (rojo) y cuando está copuesto por AG de velocidad fija y variable (azul). Con el objetivo de ejorar la respuesta de los aerogeneradores ante la ocurrencia de alguna falla, se usan dispositivos y técnicas que ejoran la regulación y la estabilización de tensión de los isos. Esto es un aspecto iportante, ya que si se ejora la regulación de tensión el líite de generación eólica que puede introducirse a la red auenta. En [19] se propone un étodo llaado Pitch Control Syste para ejorar el LVRT de un parque eólico. En el caso de los aerogeneradores de velocidad fija, que absorben el reactivo necesario de la red, no existe anera de controlar la tensión en sus terinales. Por tanto, durante una falla se entregará solaente potencia activa en dependencia de la tensión a la que quedaron sus terinales durante la falla. Esto crea un desbalance entre la potencia eléctrica que entrega la turbina y la potencia ecánica a la que la soete el viento, por lo que durante la falla el aerogenerador tiende a acelerarse. Si esta situación se antiene, se dañarán los ecanisos de la turbina por una velocidad ás alta de lo peritido o se dañará el generador por sobrecorriente. Por esta razón es necesario lograr un balance entre las potencias de entrada y salida de la turbina para ejorar su LVRT. Para ello se coordinó con el relé de protección de la turbina, haciendo que cuando se detecte una falla, la variación del ángulo de la pala sea tal que se capture enos energía proveniente del viento, logrando así un enor desbalance entre las potencias activa y reactiva de la turbina, lo que trae consigo un ejoraiento de su LVRT. El sistea analizado contaba de 15 aerogeneradores con una potencia de 2 MW cada uno, por lo que la potencia total 28

30 de parque era de 30 MW; este sistea estaba conectadoa 66 kv, donde la tensión era estabilizada por un Static Var Syste (SVS). Los resultados uestran que cuando se instaló el sistea descrito se logró que el parque eólico se recuperase de la falla a la que estaba siendo soetido, auentando así su LVRT y dando ayor estabilidad a la red a la que estaba conectado. La figura uestra la salida de tensión de la turbina cuando no se contaba con el Pitch Control Syste. La figura uestra coo el aerogenerador sobrepasa la falla y restablece su tensión luego de la contingencia una vez instalado el Pitch Control Syste. Figura Tensión en el PCC cuando no se había ipleentado el Pitch Control Syste. Figura Tensión en el PCC cuando se ipleenta el Pitch Control Syste. 29

31 Otro ejeplo se encuentra en [20] donde los autores proponen el uso de copensadores sincrónicos estáticos (STATCOM por sus siglas en inglés) para antener la tensión dentro de valores norados y así antener conectado un PE al sistea luego de la ocurrencia de una falla. Los STATCOM son dispositivos shunt que utilizan convertidores de tensión que les perite regular la tensión en los nodos en que son conectados. El uso de un STATCOM en las redes de distribución no tiene aún un gran uso debido a su elevado costo, pero es otra solución para ejorar la estabilidad en la conexión a la red de los aerogeneradores. En el artículo antes encionado, se conectan al sistea de prueba de 14 nodos de la IEEE un PE de 50 unidades aerogeneradoras de velocidad fija, jaula de ardilla, de 2 MW cada una. Utilizando PSAT y Siulink se realizaron varias siulaciones para analizar el coportaiento del sistea ante diferentes perturbaciones con y sin STATCOM. Cuando se increentaba la carga un 40 %, los resultados uestran que la tensión en el PCC es ás estable para el caso en que estaban conectados los STATCOM. Tabién se siuló la ocurrencia de cortocircuitos trifásicos de 100 ilisegundos de duración (aproxiadaente 6 ciclos) en el PCC y se obtuvieron resultados siilares al caso anterior. Dicho trabajo deuestra que los STATCOM contribuyen a la regulación de tensión de un PE cuando ocurren perturbaciones en el sistea ya que controla la potencia reactiva en el nodo al que se conecta, copensando la caída de tensión provocada por la perturbación. 1.4 Métodos para el cálculo del LPE que utilizan las condiciones en estado dináico del sistea Para aprovechar al áxio la generación eólica sin afectar la red a la que se conecta es de vital iportancia saber cuál es el líite áxio de potencia eólica que un sistea eléctrico adite sin perder su estabilidad, áxie cuando es un sistea débil o aislado. En los últios años se han creado varios étodos de cálculo para hallar el LPE, estos pueden dividirse en dos grandes grupos: Métodos estacionarios Métodos dináicos 30

32 Los étodos estacionarios no analizan la variación del tiepo en las variables estudiadas y las restricciones utilizadas son solaente las del sistea en estado estacionario. En la bibliografía consultada se encontraron los siguientes étodos: Producción Mínia de Potencia Activa [21, 22]. Líite basado en el flujo de corriente desacoplado [23]. Método basado en las pérdidas del sistea [24]. Método gráfico basado en los líites de capacidad del sistea [25]. Índice L de estabilidad de tensión [26]. Métodos basados en la estabilidad de tensión [27, 28]. Métodos probabilísticos [29, 30]. Los étodos dináicos analizan el coportaiento de las variables en el tiepo tanto para condiciones norales de operación o ante la ocurrencia de una falla. Los étodos de este tipo hallados en la bibliografía son: Método del líite por flicker. Siulaciones en el doinio del tiepo. Método basado en el seguiiento de la potencia activa. Líite de Penetración Dináico. Desviación de frecuencia. Métodos probabilísticos. Estos étodos periten conocer la potencia instantánea que soporta un sistea así coo la respuesta de los aerogeneradores en caso de presentarse fallas en la red. Tabién tienen en cuenta las variaciones en el tiepo de los paráetros de salida de las turbinas eólicas y su influencia en los paráetros del sistea. [5] 31

33 1.4.1 Método del LPE por Flicker. La producción de flicker durante la operación continua de los aerogeneradores es causada por las fluctuaciones de potencia, estas fluctuaciones se deben principalente a variaciones en la velocidad del viento, efecto sobra en las torres y aspectos ecánicos según el tipo de turbina que se esté analizando. Otra de las razones por las que se puede producir flicker es por la conexión o desconexión de parques eólicos [31]. Para deterinar el LPE basándose en este étodo se calculan los niveles de eisión de flicker de una sola turbina eólica durante su operación continua así coo en los procesos de arranque y parada, luego se increenta progresivaente el núero de aerogeneradores hasta que se sobrepasa el valor de flicker áxio peritido por las noras que rigen el sistea analizado [32] Siulaciones en el doinio del tiepo Este étodo se utiliza para estudiar el estado de un sistea antes y después de la conexión de aerogeneradores. Las siulaciones son realizadas para las condiciones ás críticas a las que puede estar soetido un sistea eléctrico, o sea, la ocurrencia de una falla. En las siulaciones se va increentando la potencia total instalada hasta que se violan los paráetros de tensión o frecuencia establecidos para dicho sistea, el últio valor para el que se cuplían las noras es el valor de LPE buscado [5]. En [33] se calcula el LPE basándose en siulaciones en el doinio del tiepo para dos islas griegas que cuentan con sisteas eléctricos autónoos: Rodas y Creta. Para ello se utilizan tres tipos de aerogeneradores: de velocidad fija, de velocidad variable dobleente alientado y de velocidad variable con generador sincrónico y convertidor a escala total. Adeás, se estudiaron diferentes escenarios y fallas. Entre sus resultados destaca que el factor que ás afecta la estabilidad de tensión cuando se tienen altos niveles de penetración eólica es la sensibilidad de los aerogeneradores a las contingencias, especialente las relacionadas con la tensión. Adeás, plantean que el LPE alcanzado depende de una gran variedad de paráetros, y que no recae solaente en el tipo de turbina utilizada, sino tabién en las características del sistea, en el tipo de generación que 32

34 utiliza, en la tecnología utilizada en las protecciones, y en la copensación de potencia reactiva, entre los aspectos ás iportantes. Este artículo establece tres condiciones que deben ser analizadas cuando se busca el LPE: Carga áxia Valor áxio de la potencia eólica Máxia penetración eólica (en porcentaje de la deanda de la carga) La priera condición constituye el caso base y es usada para evaluar el odo de operación del sistea en térinos de seguridad sin generación eólica significativa, ya que asue que el pico de carga áxia ocurrirá en un día caliente de verano con uy poco viento. La segunda condición es utilizada para estudiar cóo trabajará el sistea cuando tiene niveles iportantes de potencia eólica instalada, toándose la generación eólica alrededor de 20 % de la carga total instalada. El tercer caso establece el nivel de penetración por encia del 30 %, que ha sido hasta ahora una regla para la introducción de energía eólica en sisteas autónoos. Cuando se hace un análisis del doinio del tiepo se deben realizar siulaciones para deanda áxia y ínia sin la presencia de aerogeneradores en el sistea y estudiar su coportaiento cuando es soetido a varias perturbaciones. Luego se hace el iso análisis agregando generación eólica y se va increentando la potencia instalada; se obtiene el LPE cuando se logra que el sistea sea estable por últia vez después de que ocurran las perturbaciones analizadas. Las perturbaciones a las que se debe soeter el sistea son: Cortocircuito trifásico en el punto de conexión Cortocircuito trifásico en las líneas de ayor transferencia Salida de una unidad generadora (de las que ás aporte) Salida de una de las líneas 5 de ayor transferencia (una a la vez) Este étodo ha sido utilizado en el sistea de prueba de 30 nodos de la IEEE [34], Grecia [33], China [35] y Corea [36] ostrando su efectividad en todos los casos Método basado en el seguiiento de la potencia activa. Este étodo plantea que la potencia activa que entregan los aerogeneradores debe ser onitoreada en todo oento por las plantas téricas para asegurar que las fluctuaciones de 33

35 potencia entregada por los generadores eólicos no sean ayor que la reserva rodante. En [37] los autores plantean que el LPE depende de varios factores coo taaño y tipo de reserva que tenga el sistea, y la variación de la deanda, ya que la reserva no está destinada solo a las fluctuaciones en la generación de los aerogeneradores, sino que debe atender adeás a las variaciones de la deanda. En [21] los autores plantean la siguiente expresión para calcular el LPE: ( ) Dónde: : es el LPE : es la variación áxia en la generación de potencia actica del parque eólico : es el valor de la pendiente de los aerogeneradores en MW/in Líite de penetración dináico Cuando en un sistea eléctrico ocurren fallas, rachas de viento, caídas de tensión que exceden el LVRT de las turbinas, las protecciones de las turbinas eólicas actuarán desconectándolas del sistea debido a fenóenos oentáneos, ocasionando así un déficit repentino de potencia activa. Esto debe ser resuelto rápidaente para antener la estabilidad del sistea, por lo que se debe contar con la reserva priaria del sistea [5]. En [21] y [22] los autores para calcular el LPE teniendo encuenta estas condiciones utilizan la siguiente expresión: ( ) Dónde: : es el líite de penetración dináico : es el factor del líite de penetración dináico : es la potencia noinal de los generadores del sistea Lo anterior significa que el LPE estará restringido por la capacidad de generación de las plantas téricas del sistea. Noralente se encuentra entre 0,15 ~ 0,3 y depende del taaño y la 34

36 fortaleza del sistea, del tipo de planta térica que esté en operación, de la estrategia de control y de la dispersión de los parques eólicos en el sistea [5] Desviación de frecuencia Al producirse una fluctuación de potencia activa en la generación se producen fluctuaciones en la frecuencia de operación de dicho sistea, este criterio tabién es utilizado para calcular el LPE. En [38, 39] los autores establecen que el líite áxio de variación de la frecuencia en un sistea es del 1 %, luego obtienenun diagraa de Bode y analizan la contribución a la regulación de potencia realizada por los gobernadores de velocidad de las turbinas y el control autoático de la generación. Este étodo tiene en cuenta la variabilidad del viento y diferentes foras de adquisición de la potencia del viento, coo por ejeplo: potencia constante, torque constante, y potencia eólica óptia. En [39] se llega a la siguiente expresión: ( ) Dónde: : es la áxia fluctuación de frecuencia peritida por las centrales téricas : es la potencia eólica no regulable y la potencia eólica total En [38]se agrega a la ecuación la fluctuación en la carga ( ). ( ) Métodos probabilísticos Para utilizar étodos probabilísticos a la hora de calcular el LPE se utilizan técnicas de inteligencia artificial aplicadas a los sisteas eléctricos, ya que estos étodos tienen en cuenta la dináica de sistea coo por ejeplo la ocurrencia de fallas, los odelos ateáticos de las turbinas eólicas para realizar el cálculo del líite o la confianza del sistea [5]. En [40] los autores utilizan siulaciones Montecarlo para deterinar el LPE y en [41]se utilizan algoritos genéticos. Este étodo ha sido aplicado en Bélgica [42], en el sistea de pruebas de 30 nodos de la IEEE [43], y en el odelo de pruebas de EPRI de 36 nodos [44]. 35

37 Capítulo 2 Breve explicación de los odelos utilizados para las siulaciones y del icrosistea analizado. 36

38 2.1 Introducción La utilización de herraientas coputacionales para el análisis de los Sisteas Eléctricos de Potencia ha proliferado ucho en la actualidad. Las isas brindan un recurso ás fácil y rápido para los operadores de los sisteas cuando es necesario realizar diferentes análisis en las redes eléctricas tales coo su flexibilidad en la operación, estabilidad de los sisteas eléctricos de potencia y su coportaiento ante diversas perturbaciones que puedan ocurrir. Matlab es un poderoso y versátil software de siulación, uy popular en la industria y acadeia. Fue diseñado originalente para análisis nuérico y control lineal de sisteas. Sin ebargo, debido a su flexibilidad en peritir prograación directa y enlace a FORTRAN y rutinas C, el paquete ha crecido inensaente, con uchas rutinas añadidas que periten adeás realizar siulaciones de sisteas no lineales. El ayor inconveniente de este prograa es su taaño y su relativa coplejidad; toa algo de tiepo conseguir usar su lenguaje y llegar a failiarizarse con algunas de sus principales rutinas, necesarias para realizar siulaciones básicas. Las ecuaciones pueden ser anejadas en cierta fora y secuencia, requiriendo que el usuario conozca el fenóeno que va a analizar, haciendo el prograa un tanto coplejo para usuarios inexpertos [45]. Una de las herraientas coputacionales que se le agrega al Matlab es el software libre PSAT ( Power Systes Analysis Toolbox, por sus siglas en inglés), que en español significa Caja de Herraientas para el Análisis de Sisteas de Potencia, el cual se utiliza en varios países del undo. Una de las funciones ás significativas de dicho software es que perite siular dináicaente el coportaiento de los aerogeneradores ante la ocurrencia de diferentes tipos de fallas. 2.2 PSAT (Power Systes Analysis Toolbox), Herraienta para el análisis de los sisteas eléctricos de potencia. El PSAT es una herraienta potente de Matlab para el análisis y control de los sisteas eléctricos de potencia. En la figura se uestra un apaundi que perite reconocer los lugares del undo donde se utiliza el PSAT. La instalación del iso se realiza de fora directa en la carpeta toolbox (caja de herraientas) del Matlab. El iso presenta una interfaz que perite la interacción fácil con el usuario para realizar el trabajo y la entrada de datos, coo se puede observar en la figura

39 Figura 2.2.1: Países del undo donde se utiliza el PSAT. Figura 2.2.2: Interfaz de inicio del PSAT. Dicha herraienta realiza diversos tipos de análisis para los SEP coo son: flujo continuado, flujo de potencia o de cargas, flujo óptio, análisis de estabilidad ante pequeñas oscilaciones y 38

40 siulaciones en el doinio de tiepo. Todas las operaciones pueden ser apreciadas por los usuarios por edio de interfaces gráficas y una biblioteca Siulink encargada en proporcionar las herraientas adecuadas para el diseño de la red deseada. Adeás, el PSAT perite ensablar los esqueas del SEP que se requiera analizar en diferentes foratos. Para llevar a cabo el análisis del SEP, PSAT soporta variados odelos de coponentes estáticos y dináicos, los utilizados en el presente trabajo son: las barras, las líneas de trasisión, los transforadores, los nodos de tensión controlada (nodos PV), los nodos de balance (slack buses), los nodos de cargas (PQ), los transforadores y las turbinas eólicas, entre otros eleentos iportantes [46], odelos a los cuales se puede acceder ediante las bibliotecas que presenta el iso, coo se uestra en la figura Fig Bibliotecas utilizadas para la realización del esquea del SEP. De igual fora el PSAT presenta un bloque de aerogeneradores (ver figura 2.2.4), en el iso se encuentran: Modelo del viento. Aerogenerador de velocidad fija conectado directaente a la red (Tipo A). Aerogenerador de velocidad variable dobleente alientado (Tipo C). 39

41 Aerogenerador de velocidad variable de ianes peranentes con convertidor a escala copleta (Tipo D). Figura 2.2.4: Representación del bloque aerogeneradores Breve explicación de los eleentos utilizados en el SEP analizado Nodo de conexión: La topología de la red está definida por los coponentes de los nodos, el núero de los isos puede estar en cualquier orden, pero siepre cupliendo con la tensión base U b. La agnitud de la tensión U 0 y el ángulo de fase inicial θ 0 pueden ser opcionales si es conocida la solución del flujo de carga o si se necesitan valores iniciales aproxiados. Si dichas tensiones no son especificadas, se coienza utilizando U=1 y θ=0. El eleento analizado es el que perite la conexión de los eleentos que coponen la red. El bloque gráfico que se uestra en el PSAT se observa en la figura Figura Representación gráfica del bloque Nodo de conexión. 40

42 Nodo de Balance: Es el nodo en cual se establecen los valores de la tensión en ódulo y ángulo, así coo los líites de la potencia reactiva que pueden existir en el nodo, todos estos valores son dados al prograa en por unidad (p.u). El bloque gráfico que se uestra en el PSAT se observa en la figura Figura Representación gráfica del bloque Nodo de Balance. Generador PV: El Generador PV convierte el nodo al cual se conecte en un nodo de tensión controlada, en este se fija la potencia activa que debe entregar el generador y el valor del ódulo de la tensión. El bloque que representa al generador PV se uestra en la figura Figura Representación gráfica del bloque Generador PV. Transforador: El transforador está basado en las ecuaciones de las líneas transisión. En la biblioteca del PSAT existen últiples tipos de transforadores, los utilizados en el SEP analizado son: El transforador con derivaciones del tap (Tap Ratio Transforer) y el transforador de dos devanados los cuales se pueden observar en la figura Figura Representación gráfica de los dos transforadores. 41

43 Línea de Transisión: Este es el bloque que siula una línea de transisión tipo π según las ecuaciones dadas por los autores del PSAT [47]. La línea de transisión da la posibilidad de introducir los valores de resistencia, reactancia y susceptancia en unidad por kilóetro, (oh por kilóetro para la resistencia y reactancia, y sieen por kilóetro para la susceptancia) o en por unidad (p.u.) teniendo en cuenta los paráetros bases de la línea. El bloque gráfico que se uestra en el PSAT se observa en la figura Figura Representación gráfica del bloque de la línea de transisión. Carga. Las cargas son odeladas con las potencias activa y reactiva constantes ientras las tensiones se encuentren dentro de los líites establecidos. Si alguna tensión sale de los líites establecidos, entonces las cargas pueden trabajarse según el odelo de ipedancia constante. El bloque gráfico que se uestra en el PSAT se observa en la figura En este bloque se introduce el valor de la potencia activa y reactiva de la carga y sus líites de tensión. Figura Representación gráfica del bloque Carga Interruptor: El bloque que siboliza el Interruptor perite la conexión o desconexión de las líneas durante un análisis dináico. El iso se puede encontrar inicialente cerrado o abierto y puede realizar dos conutaciones retornando a su estado inicial. En el estado abierto odifica los valores de la resistencia, reactancia y susceptancia de la línea donde está conectado, para garantizar que no haya transferencia de energía. El esquea que lo representa en el PSAT se observa en la figura

44 Figura Representación gráfica del bloque Interruptor. Generador Sincrónico: Este odelo perite siular los generadores sincrónicos de las plantas generadoras de un SEP y poder realizar un análisis dináico de su coportaiento frente a las diferentes perturbaciones que se puedan presentar. El generador puede ser controlado por el Gobernador de Turbina y por el Regulador autoático de Tensión. El esquea que lo representa en el PSAT se observa en la figura Figura Representación gráfica del bloque Generador Sincrónico. Gobernador de Turbina o Regulador de Frecuencia: Dicho bloque contiene las diferentes ecuaciones para llevar a cabo la siulación de un gobernador de turbina. El iso tiene dos odelos presentes en el software, en el presente trabajo se escoge el tipo 1. El esquea que lo representa en el PSAT se observa en la figura Figura Representación gráfica del bloque Gobernador de Turbina. 43

45 Regulador autoático de Tensión(AVR): Este bloque perite analizar el control de la tensión en los generadores sincrónicos durante las siulaciones en el doinio del tiepo. Se pueden siular tres tipos de reguladores. El AVR tipo 2 odela un regulador de tensión estándar de la IEEE. El iso perite la variación de sus paráetros con lo cual se puede obtener una regulación de tensión que perite analizar el coportaiento dináico del sistea. La representación del bloque se uestra en la figura Figura Representación gráfica del bloque Regulador Autoático de Tensión. Modelo del Viento: Este bloque (ver figura ) genera un odelo de viento que puede ser de tres foras: Modelo de Datos edidos: el iso se utiliza para realizar la siulación del viento con datos reales ediante una atriz de dos colunas donde una es el tiepo y la otra es la velocidad del viento para cada valor del tiepo. Dichos datos se introducen odificando una variable del PSAT. Modelo de Distribución Weibull: es una fora coún de representar el viento. Las variaciones de la velocidad del viento dependen del generador de núeros aleatorios (entre 0 y 1) y de dos constantes, c y k, llaadas constantes de Weibull. Usualente, el valor de k es igual a dos para obtener una distribución precisa, para obtener una distribución exponencial k tiene que ser uno y en caso que se quiera una distribución noral k tiene que ser ayor que tres. Modelo Copuesto del viento: es un odelo que considera al viento forado por cuatro coponentes, valor inicial, coponente de rapa, coponente de ráfaga y turbulencia. 44