ESTUDIO DEL SISTEMA IBÉRICO ANTE UN AUMENTO DE GENERACIÓN EÓLICA

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1 ESTUDIO DEL SISTEMA IBÉRICO ANTE UN AUMENTO DE GENERACIÓN EÓLICA Autor :Luca de Tena Costales, Diego. Director: Lehner, Joachim. Entidad Colaboradora: Institute of Process Engineering and Power Plant Technology (IVD). Universität Stuttgart RESUMEN DEL PROYECTO La generación de energía eólica en la Península Ibérica ha crecido significativamente en los últimos años y este fuerte crecimiento continuará con el fin de cumplir con los objetivos de la UE, para los cuales en 2020 la cuota de las energías renovables deberá representar un 20% del consumo total de energía. Las interconexiones del sistema eléctrico ibérico con Francia y Marruecos son muy limitadas y, por tanto, las fluctuaciones de la energía eólica deben ser compensadas dentro de la propia zona de control ibérica. Debido a ello, los problemas relacionados con la energía eólica en España y Portugal son particularmente elevados en comparación con otros países europeos. El objetivo principal de este trabajo es analizar el impacto del aumento de la energía eólica en el sistema eléctrico ibérico. Para ello, se construyó un modelo detallado del sistema eléctrico ibérico, y se incluyó en él la generación eólica. Con el modelo construido se estudió la estabilidad estacionaria del sistema en diferentes condiciones de carga y para distintas situaciones de viento. Los parques eólicos se incluyeron mediante un modelo reducido desarrollado en este trabajo, que permiten control del factor de potencia y es válido para estudios dinámicos. Los resultados del modelo propuesto se compararon con los de un parque real para comprobar su validez. Para los parques eólicos, cuyo nudo de alimentación no figura en el modelo del sistema eléctrico, un método ha sido desarrollado para resumirlos en la red de transporte. A tal efecto se analizaron las pérdidas de potencia activa y de reactiva de la red de distribución, además, se estudió, la influencia de la en la generación eólica en los flujos de potencia a través de cada uno de los "nodos frontera" de la red de distribución. 1

2 Los resultados señalaron que debido a la generación eólica y para valores del mismo orden que la carga de la red de distribución analizada, las pérdidas de potencia activa y la demanda de reactiva no se ven prácticamente modificadas, ya que la carga global de la red se ve compensada en parte por la generación eólica. Hay que señalar que en una red de distribución en la que la generación eólica supera a la carga, ésta pasa de consumir potencia de la red de transporte a alimentarla. También se confirmó que el efecto de la generación eólica en las tensiones es mucho más fuerte en redes de distribución que en las de transmisión, lo que podría exigir compensación de potencia reactiva en estas redes. Se comprobó que la generación de energía eólica tiene una fuerte influencia en los flujos de energía eléctrica a través de los nudos frontera de alta tensión de la red de distribución considerada, pero no en los de menor voltaje, los cuales por tanto se desprecian. Como la distribución de estos flujos de potencia entre los nudos frontera dependen de la propia red de distribución, de la cual normalmente no se dispone de información, se propuso una distribución uniforme entre los nudos de alta tensión. La validez de este método se comprobó en una situación real. El modelo de la red eléctrica ibérica se obtuvo de datos publicados por el gestor de la red de transporte "Red Eléctrica de España (REE). Al presentar los datos de REE un formato distinto (PSS/E) al formato POSIM de IVD, se realizó una conversión entre ambos. El modelo obtenido se utilizó como base, a la que se incluyó la generación eólica utilizando el modelo y el enfoque descritos anteriormente. Empleando los datos de REE se desarrollaron y analizaron diferentes escenarios del sistema eléctrico, en punta y valle, para una alta y baja generación eólica. Tomando como base los escenarios de alta generación eólica se aumentó ésta gradualmente aún más. Los análisis muestran que la generación eólica tiene un impacto considerable en el perfil de tensiones del sistema eléctrico ibérico. Por un lado, esto es causado por cambios en los flujos de carga. Por otro lado, ante una mayor generación eólica la generación convencional es sustituida por ésta. Debido a ello una menor capacidad de compensación de potencia reactiva está disponible en la red en situaciones de alta generación eólica. En la ilustración siguiente se muestra el efecto de la generación eólica en el nivel de tensiones. En el caso de baja generación eólica, las tensiones son altas para valle, en contraste con las de punta que son relativamente bajas. En el caso de una mayor generación eólica se percibe la menor capacidad de compensación de potencia reactiva en las tensiones, que presentan valores más extremos, aún mayores en valle e incluso inferiores en punta. 2

3 La inserción de energía eólica en la red eléctrica cambia en gran medida el comportamiento de la red eléctrica. Las redes de distribución fueron diseñadas para distribuir potencia tomada de la red de transporte entre los usuarios, en la actualidad las redes de distribución en situación de fuerte viento llegan a alimentar la red de transporte. Por lo tanto, al seguir aumentando la capacidad eólica instalada, las redes de distribución tendrán que garantizar un funcionamiento estable en condiciones cada vez más cambiantes. A tal efecto se tendrá que introducir equipamiento para un control más flexible, como transformadores desfasadores, SVCs o FACTS. Estas redes también tendrán que ser mejoradas. Los parques eólicos, pueden llegar a tener que proporcionar servicio del sistema. Los análisis muestran que el efecto de la energía eólica en la estabilidad de tensiones de la red de transporte es relativamente bajo en la península Ibérica en comparación con otras redes de transporte europeas. Esto se debe a que la generación eólica y las cargas se encuentran más próximas. Sin embargo a medida que la capacidad eólica instalada prosiga la actual tendencia, la red de transporte tendrá que ser mejorada y habrá que ampliar las capacidades de interconexión. Esto será necesario en una situación de vientos fuertes en la que la generación en el sistema sea superior a la carga del sistema más la capacidad de interconexión y bombeo, lo cual parece probable que ocurra en un futuro próximo si las capacidades de interconexión no aumentan. 3

4 ANALISYS OF THE SPANISH AND PORTUGUESE TRANSMISSION NETWORK WITH INCREASING WIND POWER FEED IN The wind energy generation in the Iberian peninsula has grown significantly in the last years and this strong growth will continue in the next years in order to comply with the objectives of the EU, in which by 2020 the share of renewable energy should be 20% of the overall energy consumption. The interconnections of the Iberian power system with France and Morocco are physically very limited, and therefore the fluctuating wind power must be compensated within its own control area. Thus, the wind power-related burdens on this transmission network are particularly high compared to other European control areas. The main focus of this work is to analyse the impact of increasing wind power feed-in in the Iberian power system. Hence, a detailed model of the electric Iberian power system was built, and the wind power was included in the model. The stationary stability of the built system towards wind power was studied at different load conditions and wind penetrations. The wind parks were included applying a reduced model developed in this work, which include power factor control and is valid for dynamic studies. The results of the proposed model were compared with those of a real park to check its validity. For the wind parks, whose feed-in point was not contained in the model of the electrical system, an approach has been developed to summarise them on transmission level. For this purpose the active power losses and reactive power demand of the distribution network were analysed, furthermore it has been studied, how wind power influences the power exports of the analysed grid on each of the frontier nodes. The results pointed out that at wind generation values that are similar to the load of the analysed distribution network, the active power losses and the reactive power demand remain practically unmodified, as a compensation of the lines loading occurs, it is remarkable that from a certain point the distribution network feeds power into the transmission level. It was also confirmed that the effect of wind generation on the voltages is much stronger in distribution networks than in transmission level, what will eventually require reactive power compensation in these grids. The wind power generation was confirmed to have in distribution networks a strong influence on the power flows through frontier nodes of transmission level but not such a strong influence to those of lower voltage levels, these will be therefore neglected. As the 1

5 distribution of these power flows among the high voltage frontier nodes depend on the distribution network itself, from which typically no information is available, a uniform distribution among the high voltage nodes was proposed. The validity of this approach was checked for a real situation. The model of the Iberian power system was based on data published by the Spanish transmission system operator Red Eléctrica de España (REE). As the file format of the REE data (PSS/E) was different from the IVD s POSIM, the conversion between the two file formats had to be realized. This model of the power system was used as a base, in which the wind power generation was included using the model and the approach previously described. Scenarios, for peak and off-peak load with low and high wind generation, based on the data from REE were developed and simulated. In case of the high wind scenarios, the wind power feed-in was additionally increased stepwise. The analyses demonstrate that increasing wind power feed-in has a considerable impact on the voltage profile within the Iberian power system. On the one hand this is caused by changing load flows. On the other hand conventional power plants are disconnected to compensate the wind power feed-in. Therefore less capacity for reactive power compensation is available within the grid. In the previous figure the effect of wind power generation on the transmission level voltages was shown. At low wind generation, high voltages in the off-peak load case can be seen, in 2

6 the peak load case the voltages are in contrast relatively low. At high wind generation the more limited reactive power compensation capacity can be noticed as voltages in this case present more extreme values, even higher in the off-peak load case and even lower in the peak load case. The insertion of wind power in the electrical network changes to a great extent the way the electrical grid is used. Distribution grids were designed to take power from high voltage level and distribute it to the customers, at present distribution networks feed active power in transmission level at high wind power generation. Therefore as the installed wind capacity continues to increase, the distribution grids will have to guaranty stable operation at even more strongly changing conditions. For this purpose operational equipment for a more flexible control will have to be introduced, such as phase shifter transformers, SVCs or FACTS. These grids will also have to be upgraded. Eventually wind parks may have to be able to provide system service. The analyses show that for voltage stability the effect of wind power on the transport network is relatively low compared to other European transmission systems, since wind power generation is relatively close to the loads. Nevertheless as wind energy continues its actual growing trend the transport network will have to be upgraded, and the interconnection capacities expanded. This will be necessary in case the Iberian power generation in a high wind case exceeds the load of the system and the interconnection capacity, what seems probable in a near future if interconnection capacities are not increased. 3