C6-144 CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA DEBIDA A LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA EN SISTEMAS DE MEDIA TENSIÓN

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1 II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Noviembre 2009 C6-144 CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA DEBIDA A LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA EN SISTEMAS DE MEDIA TENSIÓN C. Vásquez L. López W. Osal M. Blanco Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de Sucre. Vicerrectorado Barquisimeto. Departamento de Ingeniería Eléctrica cvasquez@unexpo.edu.ve RESUMEN La motivación a disminuir las emisiones de gases efecto invernadero ha motivado la implementación de sistemas de generación distribuida con fuentes alternativas, entre éstas la energía solar fotovoltaica. Esta tendencia logra, adicional este beneficio, una reducción significativa de las pérdidas en los sistemas de distribución. El presente trabajo tiene como objeto hacer una evaluación del impacto que sobre la calidad de la energía eléctrica (CEL) tiene la implementación de este tipo de generación en sistemas de media tensión. La metodología seguida consiste en elaborar el diseño del sistema a implementar en un circuito de 24 kv existente a través del Programa Digital WindMil. Adicionalmente fue evaluado el impacto sobre las pérdidas de energía, la regulación y desbalance de tensión del sistema. La regulación y desbalance de tensión y el cálculo de las pérdidas se hizo a través de simulación. Dentro de los resultados se obtiene, que a pesar que el factor de cargabilidad de los transformadores de distribución se encontraba en promedio en un 35%, el nivel de tensión en los clientes finales estaba en 95 V, lo que demuestra que el problema principal no era por las características de las cargas conectadas sino la longitud del mismo. El diseño del sistema a implementar consiste en la ubicación selectiva de cinco (5) parques, bajo el criterio que se suministre a través de este sistema la mitad de la potencia, y la determinación del número y ubicación de los paneles y el número de inversores. Con este diseño se obtuvo una regulación en los consumidores finales de 116 V y un desbalance de tensión del 1%, valores dentro de los límites de tolerancia establecidos en las Normas de Calidad del Servicio de Distribución de Electricidad (NCSDE), y una disminución de las pérdidas del circuito de un 64%. Se concluye que entre las ventajas que contempla este tipo de generación sobre el ambiente, se incluye las mejoras en la CEL. PALABRAS-CLAVE Calidad de la Energía Eléctrica, Calidad de la Potencia Eléctrica, Energía Solar Fotovoltáica, Generación Distribuida. 1

2 INTRODUCCIÓN Dentro de las alternativas de fuentes de generación no contaminante la solar fotovoltaica ha experimentado un desarrollo acelerado de su tecnología y mejoras en la productividad de las empresas que se dedican a su fabricación. Adicional a la energía inyectada en la red ha de cumplir con un mínimo establecido en los estándares de calidad, bajos niveles de potencia reactiva, distorsión armónica, fluctuaciones y huecos de tensión, corriente continua y fallas establecidas en las Normas de Calidad [1]-[3]. La tendencia a la interconexión de los sistemas eléctricos, con la idea de disminuir costos asociados a la capacidad instalada de generación, ha hecho que los sistemas eléctricos sean cada vez más vulnerables. Para disminuir el efecto de estos los problemas se han desarrollado nuevas técnicas de diseño y construcción, que los hacen menos vulnerables, donde la alternativa de la generación distribuida ha demostrado mejoras tanto en la confiabilidad del sistema resultante y en los índices de calidad de la potencia eléctrica servida [4], [5]. Por lo tanto la caracterización y el moldeamiento de los sistemas de generación distribuida con fuentes no contaminantes constituyen una poderosa ayuda para analizar sus impactos sobre la Calidad de la Energía Eléctrica (CEL) [3]-[5]. El presente trabajo tiene como objeto hacer una evaluación del impacto que sobre esta calidad que tiene la implementación de la generación a base de energía solar fotovoltaica en sistemas de media tensión. La metodología seguida consiste en elaborar el diseño del sistema a implementar en un circuito de 24 kv existente a través del Programa Digital WindMil [6] con la idea de evaluar los el impacto sobre las pérdidas de energía y la regulación y desbalance de tensión del sistema. METODOLOGÍA El circuito analizado se muestra en la Figura 1. Como características eléctricas más importantes es que es un circuito radial de tensión nominal de 24 kv, su demanda máxima es de 10,46 MVA y todas las cargas son de tipo residencial. El esquema de la fuente de energía solar fotovoltaica a considerar en el estudio se muestra en la Figura 2. Este está constituido por paneles solares, sistemas de inversores CC/CA, de medición y, finalmente, la conexión a la red eléctrica a través de un transformador elevador. Para la realización de este proyecto se propone la utilización del módulo descrito en [5]. La Tabla I muestra las características físicas y eléctricas de este módulo. Fig. 1. Ubicación del Circuito [5] Fig. 2. Descripción general de un generador fotovoltaico 2

3 Tabla I. Características físicas y eléctricas del módulo [5] Características Físicas Características Eléctricas Longitud (mm) Potencia Máxima (W) 220 Ancho (mm) 861 Tensión a Potencia Máxima (V) 33.5 Grosor (mm) 35 Corriente de Potencia Máxima (A) 6.57 Peso (kg) 16,5 Tensión en Circuito Abierto (V) 41.4 Número de células en serie 60 Corriente de Cortocircuito (A) 7.07 Número total de células 240 Tensión Máximo del Sistema (V) 1000 La metodología seguida consiste en: 1) En base a las mediciones de los parámetros eléctricos medidos en la subestación que alimenta al circuito se alimenta el programa digital WindMil [6]. Para esto se utilizan los valores de potencia activa y reactiva, la energía de cada fase y número de consumidores asignados a. 2) Se realiza la corrida de los algoritmos Load allocation y Voltage Drop del programa WindMil [6] y se verifica que los valores medidos de carga corresponden con los simulados. 3) Los valores obtenidos de tensión y desbalance de tensión se comparan con los límites establecidos en las en el artículo 9 de Normas de Calidad del Servicio de Distribución de Electricidad (NCSDE) [1]. Adicionalmente se determinan las pérdidas del circuito. 4) Bajo el criterio de suministrar al circuito la mitad de la potencia instalada a través del sistema de generación, se realiza el diseño del sistema de generación distribuida a implementar. 5) Finalmente se determinan a través de reportes gráficos y numéricos las tensiones, de las potencias por fase, la corriente por fase, el factor de potencia por fase y las pérdidas en el circuito. El programa WindMil [6] tiene la posibilidad de mostrar sus resultados de forma gráfica y a través de reportes numéricos, es decir, mediante corridas o reportes. En esta última se especifican todos los valores obtenidos según los datos que se hayan tomado en el levantamiento del circuito. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Se le introducen al programa los datos de las mediciones realizadas en la subestación julio del 2007, se considera una potencia y un factor de potencia de kw y 0,915, respectivamente. Con la corrida del Load allocation se determina la distribución de las cargas y potencias del circuito, se puede observar que el circuito presenta una baja densidad de carga, ya que las potencias están en un rango entre 0 y 25 kw. En tal sentido se demuestra que el sistema no presenta problemas de sobrecarga ya que el factor de cargabilidad de los transformadores es de %. Del reporte numérico se extraen los resultados finales cuyos datos se muestran en la Tabla II. Adicionalmente se obtienen las pérdidas de potencia activa y reactiva de 633, 2 kw y 46,3 kvar. De esta corrida se determina la potencia en la subestación de 9568, 4 kw y un factor de potencia de 0,9153, que coincide con los valores medidos. Tabla II. Valores de potencia activa y reactiva de las fases A, B y C del circuito en estudio [5] Variable Fase A Fase B Fase C Total P (kw) S (kvar)

4 Con la herramienta Voltage Drop se obtienen información detallada de los valores y la ubicación de los puntos que presentan caída de tensión del circuito. Se prefijan los niveles de tensión permitidos en los circuitos según el Artículo 9 de las NCSDE [1]. Se establecen los colores distintivos para cada uno de los niveles de tensión según sea el caso: sin problema color NEGRO Y por debajo de 114 V el color rojo. La Figura 3 y la Tabla III muestran los valores más críticos. Fig. 3. Tensión en el circuito [5] Fig. 4. Ubicación de los centros de generación [5] Tabla III. Caída de tensión en el circuito [5] Fase Tensión (V) Porcentaje de pérdida tensión (%) Fase A ,5 Fase B Fase C Se determina a ubicación de los puntos de generación en función de la disponibilidad de terreno cercano al circuito que permita su incorporación, la Figura 4 muestra esta ubicación. Se determinan las corrientes en cada unos de los puntos en donde se van a ubicar los generadores solares y se obtienen las potencias consumidas en las zonas. Se toma como criterio que la potencia que entregara cada generador es el 50 % de la total consumida. La Tabla IV muestra las potencia en los puntos de conexión y las consideradas para el diseño de los generadores. Tabla IV. Potencia de diseño de los generadores [5] Potencia (kw) por zona Potencia (kw) por generador Zona Generador Zona Generador Zona Generador Zona Generador Zona Generador Las Tablas V y VI muestran las características eléctricas de los generadores solares y de los inversores. Estos valores se introducen en el programa WindMil [6] y se realiza la corrida la Tabla VII muestra los resultados obtenidos. La Figura 5 muestra, a través del código de colores establecidos según las NCSDE [1] la tensión en los consumidores finales. De esta figura podemos ver como el circuito queda casi totalmente 4

5 coloreado de color negro, lo que significa que ya no presenta problemas de caída de tensión, exceptuando una pequeña parte de la zona del Generador 5 (6 % de la totalidad del circuito), cuya tensión se encuentra en 112 V. Esto demuestra que la interconexión de los generadores en el circuito termina con los problemas de caída de tensión que presentaba el circuito originalmente. Por lo extenso del reporte extraemos del mismo las mediciones en los puntos críticos del circuito para así comparar dichas mediciones con las obtenidas sin la interconexión de los Generadores Solares. Finalmente la Tabla VI muestra las características de tensión, pérdidas y desbalance de tensión en el circuito con y sin la conexión de los generadores solares. La Tabla V. Características Eléctricas de los generadores solares [5] Variable Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Gen 5 Número de Paneles Potencia pico (kw) Potencia de los inversores (kw) Número de inversores La Tabla V. Características Eléctricas de los inversores [5] Variable Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Gen 5 Número de paneles en la instalación Número de paneles en serie Número de ramas en paralelo Potencia Pico de la instalación (kw) Tensión de Máxima Potencia (V) Tensión de Circuito Abierto (V) Corriente de Máxima Potencia (A) Corriente de Cortocircuito (A) La Tabla VI. Pérdidas, porcentaje de carga en los transformadores y factor de potencia posterior a la ubicación de los generadores solares [5] Variable Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Gen 5 Pérdida (kw) 22,6 4,3 2,9 2,5 167 Carga en Transformador (%) 27,27 34,7 47,82 41,16 35,63 Factor de Potencia 0,9655 0,94 0,98 0,9668 0, 8973 Se demuestra que hay una reducción de 230,5 kw de las pérdidas del circuito, que corresponde al 63,67%. Adicionalmente se observa una mejora significativa en el desbalance y regulación de tensión, lo que cumplimiento con lo establecido en las NCSDE [1]. CONCLUSIONES La principal conclusión del estudio es que se demuestra que adicional a las ventajas que contempla la generación distribuida con fuentes renovables, como la solar fotovoltaica, como la disminución de los gases de CO2 se incluye las mejoras en los parámetros de la Calidad de la Energía Eléctrica, como son la regulación de tensión y el desbalance de tensión. Se demuestra las mejoras que tiene sobre la regulación de tensión y el desbalance de tensión la implementación de energía solar fotovoltaica, ubicados en forma distribuida, en circuitos de 5

6 media tensión de 24 kv. Adicionalmente se determina una disminución de aproximadamente el 64% de las pérdidas la incorporación de estas fuentes en forma distribuida. Fig. 5. Resultados [5] Tabla VII. Resumen de los resultados antes y después de las simulaciones [5] Variables Sin Generadores Solares Con Generadores Solares Máxima caída de tensión por fase (V) Fase A 94.2 Fase A Fase B Fase B Fase C Fase C Promedio 97,89 Promedio 117,61 Pérdidas (kw) Factor de potencia 0,9057 0,98 Desbalance de tensión (%) 0,086 0,0045 REFERENCIAS [1] República Bolivariana de Venezuela, Normas de calidad del servicio de distribución de electricidad, [2] Martínez-Velasco, J. Martín, A. Distributed Generation Impact on Voltage Sagsin Distribution Networks. 9th Internacional Conference Electrical Power Quality and Utilisation. Barcelona, Spanih, 9-11 october [3] Paska, J. Distributed Generation and Renewable Energy Sources in Poland. 9th International Conference Electrical Power Quality and Utilization. Barcelona, Spanih, 9-11 October [4] González-Longatt, F. Impact of Distributed Generation over Power Losses on Distribution System. 9th Internacional Conference Electrical Power Quality and Utilization. Barcelona, Spanih, 9-11 October [5] Luciano, L. Factibilidad Técnica de Generación Distribuida con Energía Fotovoltaica en un Sistema de Distribución de 24 kv. Trabajo Especial presentado como requisito para optar al título de ingeniero Electricista. UNEXPO. Venezuela, Barquisimeto [6] WidMil. Electrical Engineering Analysis Software - WindMil. [Online] Disponible en: 6