PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE MODELOS DE GENERADORES EÓLICOS ANTE HUECOS DE TENSIÓN. V. Zapata* O. Ravelo* F. González Longatt**

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1 III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano C4-101 Marzo 2012 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE MODELOS DE GENERADORES EÓLICOS ANTE HUECOS DE TENSIÓN V. Zapata* O. Ravelo* F. González Longatt** Universidad Simón Bolívar* School of Electrical and Electronic Engineering, The University of Manchester** RESUMEN La incorporación de generación eólica en la red eléctrica nacional representa un nuevo reto para los operadores del servicio eléctrico por ser un tema sobre la cual se tiene poca experiencia en Venezuela. Debido a la significativa influencia que tienen estos sistemas sobre la estabilidad de la red eléctrica, es necesario crear normativas que regulen la incorporación de esta nueva tecnología. Basados en la experiencia del caso español, este trabajo propone un procedimiento de evaluación de la respuesta de los aerogeneradores asíncronos tipo jaula de ardilla, mediante simulaciones ante huecos de tensión, que asegura la uniformidad de los ensayos realizados y garantiza que un aerogenerador es apto para ser utilizado en una instalación eólica. Para ello, se hizo una revisión teórica sobre los aspectos relacionados con la generación eólica y su impacto en la red, se revisó la normativa española y venezolana además de las propuestas existentes actualmente en el país que regulan la conexión de los parques eólicos, y se utilizó PSCAD 4.1 para hacer diferentes simulaciones sobre el comportamiento del sistema ante fallas a un modelo computacional de generador eólico de tipo jaula de ardilla a 50 Hz con características similares a los que se encuentran en el mercado europeo. Este procedimiento consta de dos fases: validación, en la cual se revisa la calibración del modelo computacional mediante la obtención de los datos de placa y verificación, etapa en la cual se comprueba las condiciones de continuidad del suministro eléctrico ante fallas. Finalmente se adapta al caso venezolano siguiendo algunos criterios establecidos en FONDONORMA. Para el estudio a 50Hz se establecieron como condiciones la no desconexión del equipo ante huecos de un 80% de profundidad para fallas simétricas y de 40% para fallas asimétricas, además no debe existir para fallas simétricas un consumo mayor de potencia activa del 10% y de potencia reactiva del 60%, y para fallas asimétricas del 30% y 45% respectivamente durante 25 ciclos. En las simulaciones realizadas para el procedimiento de validación, para un aerogenerador con de 690V de tensión nominal y potencia nominal de 750 kw, potencia reactiva a plena carga de 385kVAr, corriente de vacío de 188 A y velocidad de 1510 rpm a plena carga, se obtuvieron los valores de potencia nominal, potencia reactiva a Valle de Sartenejas, Caracas. Venezuela. verousb@yahoo.com +58(0)

2 plena carga y corriente de vacío establecidos por el fabricante, con una diferencia no mayor al 4,25%. En las simulaciones realizadas para el procedimiento de verificación, se observaron consumos de potencia activa y reactiva del 45% y 60% para fallas simétricas y del 45% y 65% para fallas asimétricas del generador a plena carga. Al ser estos valores mayores al rango permitido, se violan las condiciones de continuidad de suministro por lo cual este aerogenerador no puede ser conectado directamente a la red. Para el caso venezolano se establecieron duración y ensayos de huecos de tensión al 0% en 1/2 período y 1 período y del 70% durante 30 períodos que corresponden al entorno electromagnético de Clase 2 según lo establecido por FONDONORMA. PALABRAS CLAVE Aerogeneradores, Rotor de jaula de ardilla, Huecos de tensión, Continuidad de suministro. Valle de Sartenejas, Caracas. Venezuela. verousb@yahoo.com +58(0)

3 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA RESPUESTA DE MODELOS DE GENERADORES EÓLICOS ANTE HUECOS DE TENSIÓN Los países con desarrollo eólico importante poseen normativas que permiten mantener una operación adecuada del sistema y garantizar ciertos estándares de calidad en el servicio evitando un impacto negativo al incorporar este tipo de generación a la red. Una de las más importantes está referida a la continuidad de servicio de los aerogeneradores ante perturbaciones, ya que se ha demostrado que los parques eólicos deben permanecer conectados ante fallas en la red debido a que su desconexión masiva ante perturbaciones provoca un colapso en la estabilidad eléctrica de la red. Nuestro país cuenta con algunas normas referidas a la generación eólica, tales como: Parques eólicos. Torres y equipos de medición de viento. Condiciones generales. (FONDONORMA11:7-010) Medida de la curva de potencia de aerogeneradores productores de electricidad. (IEC :2005). Requisitos de respuesta frente a huecos de tensión de las instalaciones eólicas (Adaptación del P.O 12.3) Propuesta de borrador de la norma: Aerogeneradores. Parte I: Requisitos de diseño. (IEC :2005) Bajo este marco, esta investigación pretende crear una propuesta para un procedimiento de evaluación de aerogeneradores ante huecos de tensión basados en procedimientos similares que se encuentran dentro de la normativa española. Este procedimiento se comprueba aplicando los diferentes ensayos planteados a un modelo computacional de generador eólico de tipo jaula de ardilla con características similares a los que se encuentran en el mercado. Se ha escogido este tipo de aerogenerador por ser este uno de los más sencillos en cuanto a funcionamiento y por ser el tipo de generador más común en los parques eólicos [1]. Se escogió la herramienta computacional PSCAD 4.1. DESCRIPCIÓN GENERAL Este procedimiento consta de dos partes: validación; en el cual se revisa la calibración del modelo computacional mediante la obtención de los datos de placa y verificación; sirve para comprobar las condiciones de continuidad del suministro eléctrico ante fallas. En esta segunda parte se realiza la verificación de que las instalaciones eólicas no se desconectan como consecuencia de huecos de tensión en el punto de conexión a red asociados a cortocircuitos correctamente despejados, según la curva tensión tiempo indicada en los requisitos mínimos establecidos para la garantía de suministro eléctrico y la verificación del consumo de potencia y energía (activa y reactiva) en el punto de conexión a red, para fallas equilibradas y desequilibradas, son iguales o inferiores a los niveles marcados en los requisitos mínimos establecidos para la garantía de suministro eléctrico. Para pasar al procedimiento de verificación, el modelo tiene que haber cumplido los requisitos de validación. Para que un generador pueda ser conectado a la red debe cumplir con los requisitos de verificación. CRITERIOS DE GARANTÍA DE CONTINUIDAD DE SUMINISTRO ELÉCTRICO. CASO ESPAÑOL Los requisitos mínimos que ha de cumplir el generador eólico a efectos de garantizar la continuidad de suministro frente a huecos de tensión están basados en los requisitos establecidos el P.O Requisitos de respuesta frente a huecos de tensión de las instalaciones Eólicas Red Eléctrica de España [2] 1

4 Tabla I. Resumen de los requisitos mínimos del sistema ante huecos de tensión para garantía de continuidad de servicio. Requisito Fallas equilibradas Fallas desequilibradas Continuidad de suministro Consumo de potencia activa y potencia reactiva No permite desconexión en huecos de hasta el 80% de profundidad y 25 ciclos (500 ms a 50 Hz) de duración No permite consumos mayores al 10% de la potencia activa y de 60% de potencia reactiva nominal No permite desconexión en huecos de hasta el 40% de profundidad y 25 ciclos (500 ms a 50 Hz) de duración No permite consumos mayores al 30% de la potencia activa y de 45% de potencia reactiva nominal No permite consumo exceptuando los 7.5 ciclos iniciales de la falla(150ms a 50 Hz) y los 7.5 ciclos después de la falla(150 ms a 50Hz) Fig. 1. Curva de tensión tiempo admisible en el punto de conexión para una frecuencia de 50 Hz [2] (Izquierda) Fig. 2. Área de funcionamiento admisible durante los períodos de falla y recuperación de tensión en función de la tensión en el punto de conexión a la red [2] (Derecha) CASO VENEZOLANO En este caso se utilizaran de referencias las siguientes normas y propuestas: 1. Procedimiento de verificación, validación y certificación de los requisitos del PO 12.3 sobre la respuesta de las instalaciones eólicas ante huecos de tensión, Versión 4, Asociación Empresarial Eólica, Marzo de Compatibilidad Electromagnética (CEM) Técnicas de ensayo y de medida. Ensayos de inmunidad en los huecos de tensión, interrupciones breves y variaciones de tensión, FONDONORMA 3949:2008 NIVELES DE ENSAYO Las tensiones dadas en esta propuesta utilizan la tensión nominal del equipo (U T ) como base para las especificaciones de niveles de ensayo de tensión como lo hace FONDONORMA 3949:2008 [4] Tabla IV. Duraciones y niveles de ensayo preferidos para los huecos de tensión [4] Clase 2 Duración y nivel de ensayo para huecos de tensión (t s ) (60 Hz) 0% durante ½ período 0% durante 1 periodo 70% durante 30 períodos 2

5 t r t f t s Tiempo de subida Tiempo de bajada Tiempo de la tensión reducida Fig.7 Hueco de tensión del 70% [4] CRITERIOS ESTABLECIDOS PARA A ACTUACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN Para determinar si el aerogenerador se mantiene conectado durante o después de perturbaciones en el sistema eléctrico se verificará si los parámetros evaluados del generador eólico superan los valores umbrales de los diferentes sistemas de protección aún cuando los sistemas de protección de la turbina no serán modelados y por lo tanto no se desconectara el aerogenerador bajo ningún concepto. En la Tabla II se muestran los valores característicos de los sistemas de protección de las turbinas eólicas de velocidad fija. Tabla II. Umbrales típicos de disparo de las protecciones para una FSIG [3] Sistema de Protección Umbral p.u. Tiempo de retardo (seg) Huecos de Tensión < 0,85 1 < 0,2 Instantáneo Sobrecorriente > 1,3 0,5 > 3,0 0,05 Sobretensión > 1,25 1,0 >1,4 Instantáneo CIRCUITO A SIMULAR Se colocarán impedancias en serie y en paralelo en el punto PE, especificado en la Figura 3 para conseguir diferentes tensiones residuales para los diferentes tipos de huecos a estudiar. Fig.3 Impedancias en el punto de prueba La definición y condiciones en las que se realizará el ensayo de aerogeneradores dependerán del objetivo que se pretenda con la prueba. Así pues, los ensayos podrán ser: simulaciones para la validación de modelo ó simulaciones para la verificación de la continuidad de suministro y consumo de potencia activa y reactiva. 3

6 PROCEDIMIENTO PARA VALIDAR EL MODELO Las condiciones de prueba que se le aplicará al generador eólico para la validación del modelo, son las siguientes: - Punto de medida: para el caso de validación del modelo de aerogenerador, el punto de medida podrá coincidir o no con el punto de ensayo. El modelo que se validará comprenderá a todos los elementos aguas abajo del punto de medida. - Características del ensayo: Se aplicará la simulación de la prueba de vacío al modelo del circuito y se compararán los valores nominales y de vacío especificados en el documento proporcionado por el fabricante y los valores obtenidos durante las simulaciones teniendo en cuenta especialmente los valores para la potencia activa, la tensión y la corriente en vacío. Se considerará para la comparación de ambos valores un margen de error del ±10%. De corresponder los valores nominales con los valores simulados se emitirá un Informe de validación del aceptable, de caso contrario, se considerará que el modelo es no válido y se hará un informe indicando dicho resultado. PROCEDIMIENTO PARA VERIFICAR EL MODELO Este proceso verificará la no desconexión del aerogenerador durante la aplicación del hueco de tensión basándose en que las protecciones no actúen en ningún momento y que cumpla con los requisitos de garantía de continuidad de servicio y consumos de potencia activa y reactiva descritos anteriormente. De no desconectarse el parque se emitirá un Informe de verificación aceptable. En el caso que se produzcan alguna desconexión se dará como no válido el modelo. INFORMES Como resultado de la ejecución satisfactoria de estas acciones se obtendrán los siguientes informes: - INFORME DE VALIDACIÓN ACEPTABLE: De acuerdo a los criterios de validación, un modelo de simulación será válido al obtenerse los datos de placa entregados por el fabricante. Los criterios de validación se establecen comparando los datos entregados por el fabricante, con los resultados obtenidos de reproducir el ensayo mediante simulación. -INFORME DE VERIFICACIÓN ACEPTABLE: Se efectuará una verificación de los requisitos mínimos que garantizan la continuidad del suministro eléctrico y consumos de potencia activa y reactiva descritos con anterioridad ante huecos de tensión. Si al analizar los resultados, se verifica que no hay desconexión del generador ni violación de los requisitos mínimos, se emitirá el informe dando como verificado el modelo dando como resultado que este puede ser conectado a la red sin causar problemas de estabilidad. -INFORME DE MODELO NO VÁLIDO: se generará en el caso de que el modelo a simular no cumpla con alguno de los procedimientos descritos. En este informe se expondrán las razones por las cuales se considera que el modelo es no válido especificando el procedimiento de prueba y las condiciones violadas. Este informe debe ser lo más detallado posible para así poder hacer las correcciones pertinentes sobre el modelo. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Se realizó la simulación de un aerogenerador jaula de ardilla con las siguientes características: 4

7 Tabla III. Parámetros mecánicos y eléctricos del aerogenerador a simular PROCEDIMIENTO DE VALIDACIÓN Se realizó el ensayo de vacío obteniendo los siguientes resultados: Tabla III. Resultados obtenidos del ensayo de vacío realizado PARÁMETRO HOJA DE CARACTERÍSTICAS RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DIFERENCIA PORCENTUAL (%) P 750 Kw 748 k 0,267 Q -385 kvar - 384,72 0,073 I o 188 A 180 A 4,25 Al comparar los valores nominales y de vacío de la hoja de características del generador con los obtenidos en la simulación observamos que la diferencia en cada uno de ellos es menor del 10%. Por los que se considera que el modelo del generador es válido. Fig.4 Resultados de la simulación para validación del modelo del aerogenerador PROCEDIMIENTO DE VERIFICACIÓN HUECO SIMÉTRICO En las siguientes figuras se presentan las respuestas del circuito simulado para una máquina de rotor de jaula de ardilla ya descrito anteriormente para un hueco simétrico de 65% en un tiempo 500 ms. 5

8 Potencia Activa y Reactiva en el generador Tensiones y corrientes por fase Tensión en el Punto Común de Conexión Fig. 5 Resultados de la Potencia Activa y Reactiva, tensión y corriente por fase y la tensión en el Punto Común de Conexión durante el ensayo para la verificación del modelo ante huecos simétricos Para el hueco simétrico, existe consumo de potencia activa del 45% y reactiva del 60% del valor inicial que viola la condición de garantía de suministro. Sin embargo no actuará la protección ya que no hay sobrecorrientes ni sobretensiones que la disparen. La tensión se recupera según lo establecido en los requisitos. HUECO ASIMÉTRICO En las siguientes figuras se presentan las respuestas del circuito simulado para una máquina de rotor de jaula de ardilla ya descrito anteriormente para un hueco asimétrico de 65% en un tiempo 500 ms. Potencia Activa y Reactiva en el generador Tensiones y corrientes por fase Tensión en el Punto Común de Conexión Fig. 6 Resultados de la Potencia Activa y Reactiva, tensión y corriente por fase y la tensión en el Punto Común de Conexión durante el ensayo para la verificación del modelo ante huecos asimétricos Para el hueco asimétrico, existe consumo de potencia activa del 45% y reactiva del 65% del valor inicial y se observa una serie de oscilaciones en la potencia activa que alcanzan una amplitud de 4 p.u que viola la condición de garantía de suministro. No hay desconexión del generador de la red ya que no se alcanzan los límites fijados por las protecciones. La tensión se recupera según lo requerido. En ambos casos se observa que durante la entrada y la salida del hueco de tensión se produce un incremento de la corriente del estator, siendo aún mayor el pico registrado a la salida que durante la 6

9 entrada del hueco, la caída en la potencia activa generada y la violación de los requisitos establecidos para la potencia reactiva en todo momento. Al haber pérdida de potencia activa, hay caída en el par mecánico del generador provocando una aceleración de la máquina debido al par positivo que provoca un aumento de la velocidad. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Durante el inicio del hueco de tensión se produce un incremento instantáneo de la corriente, de la potencia reactiva inyectada (60%-65%) en la red así como una caída en la potencia activa generada(45 %). Al termino de la perturbación, se produce un incremento de la corriente, que en el caso de el hueco asimétrico fue mayor al pico registrado durante el inicio. Se produce un pico de consumo de potencia reactiva que puede llegar a tomar valores muy elevados (8 p.u), así como un incremento instantáneo de la potencia activa entregada a la red. Las oscilaciones en potencia activa alcanzan una amplitud de 4 pu. Esto se traduce en oscilaciones de par que podrían ocasionar problemas de fatiga en la mecánica del generador. Es necesario establecer procedimientos de evaluación de los aerogeneradores ante huecos de tensión que garanticen la uniformidad de los ensayos a realizar y la selección adecuada de los equipos a instalar debido a la dificultad de la integración a la red de la generación eólica basada en máquinas asíncronas jaula de ardilla, por ejemplo, debido a la respuesta de éstas ante perturbaciones en la tensión de alimentación. El aerogenerador ensayado no puede ser conectado directamente a la red debido a que no cumplió con el Procedimiento de Verificación. Se recomienda realizar este mismo procedimiento a un generador de características similares que tenga incorporado en el modelo compensación reactiva. El procedimientos de evaluación de los aerogeneradores ante huecos de tensión propuesto garantiza la uniformidad de los ensayos a realizar y la selección adecuada de los equipos a instalar, ya que permite evaluar si un aerogenerador es apto o no para ser conectado a la red verificando los requisitos mínimos de conexión para la continuidad de servicio a través de simulaciones de un modelo computarizado de un aerogenerador ante diferentes tipos de huecos de tensión. Este procedimiento es aplicable para cualquier país y se incluye los valores a manejar para el caso de Venezuela. BIBLIOGRAFÍA [1] Thomas Ackermann, Wind Power in Power Systems (Jhon Wiley & Sons Ltd, USA, 2005) [2] PO Requisitos de respuesta frente a huecos de tensión de las instalaciones eólicas, (BOE No 254, Octubre de 2006.) [3] M. Sepúlveda, Respuesta del generador asíncrono ante huecos de tensión. (Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, España, 2009). [4] Compatibilidad Electromagnética (CEM). Técnicas de ensayo y medida. Ensayos de inmunidad en los huecos de tensión, interrupciones breves y variaciones de tensión. (FONDONORMA 3949:2008 Venezuela, 2008) 7