Control de potencia-frecuencia en sistemas con elevada penetración eólica. TECHWINDGRID 11 - Madrid, 14 de diciembre Miguel García-Gracia

Transcripción

1 Control de potencia-frecuencia en sistemas con elevada penetración eólica

2 Introducción Incremento de la generación eólica Reducción emisiones Independencia energética Desarrollo de una industria nacional Potencia instalada (AEE): Algunos Datos: La potencia instalada (2010) era de MW Más de más personas trabajan en el sector Exporta tecnología más de millones /año Invierte en I+D más de 156 millones /año La eólica aporta directa e indirectamente millones al PIB (el 0,28%)

3 Introducción Nuevas exigencias Desplazamiento de las unidades de generación convencional: Los nuevos modos de generación deben satifacer los requisitos de la convencional o incluso mejorarlos para poder seguir creciendo Nuevas exigencias nacionales e internacionales: P.O. 12.3, FGW, FERC, NGC

4 Inercia y estabilidad de frecuencia La inercia total del sistema se reduce con la actual generación eólica Por tanto, da lugar a mayores cambios de frecuencia debido a las contingencias de frecuencia ( variaciones bruscas de carga o generación) y más rápidos La estabilidad de frecuencia depende del equilibrio entre: P generada P consumida

5 La carga es superior a la generación Generación Consumo f (Hz) Su velocidad de caída dependerá: De la reserva de energía rodante De la constante de inercia del conjunto de los generadores conectados a la red Además, se ayuda a la recuperación mediante un deslastre rápido, selectivo y temporal de cargas. f (Hz) < Margen Tolerancia Posible colapso

6 La carga es inferior a la generación Generación Consumo f (Hz) El equilibrio se restablece actuando sobre los sistemas de regulación de los alternadores para disminuir su capacidad de generación La relación entre la variación de carga y la variación de frecuencia depende del número y capacidad de los generadores conectados a la red. Es más desfavorable en sistemas aislados, que en grandes redes interconectadas. Grandes redes interconectadas MW/Hz Sistemas Aislados p.e. un sistema de 120 MVA 60 MW/Hz

7 Black out en Italia (28 sept. 2003) Disparo de Mettlen-Lavorgo 400 kv (conexión 1 con Suiza). Normal Disparo de Sils-Soaza (conexión 2) por incumplimiento del programa de importación (500 MW por encima de lo acordado) CONSECUENCIA: Se sobrecarga el doble circuito Albertville-Rondissone (conexión con Francia), y se suceden las sobrecargas en las interconexiones

8 Black out en Italia (28 sept. 2003) Italia queda aislada de Europa Deficit de 6400 MW (demanda punta 52 GW, las importaciones rondan el 20 % de la demanda) La frecuencia cae a 47,5 Hz después de deslastrar cargas y perder generación

9 Black out en Italia (28 sept. 2003) Evolución de la frecuencia 10 s

10 Índices de seguridad de la caída de frecuencia En un evento de caída de frecuencia hay tres índices de seguridad: La velocidad de caída de la frecuencia o Depende de la inercia del sistema El valor más bajo alcanzado o Depende de la perturbación y de la inercia La desviación de frecuencia en estacionario, depende de las características de la reserva y del deslastre de cargas Ejemplo: Caída del 7 % de generación síncrona

11 Control de frecuencia con generación convencional Generación síncrona directamente conectada: 1. Acoplamiento entre la red y el par electromagnético 2. Los reguladores de velocidad se reajustan automáticamente para ayudar al control de frecuencia: Si f P generada Si f P generada Qué ocurre con la generación eólica?

12 Influencia del nivel de penetración A mayor penetración eólica (sin control f), menor H Con control de f se puede conseguir una respuesta inercial equivalente a la generación convencional Velocidad de caída de f Valor mínimo de f

13 Influencia del nivel de penetración: Estudio Hydro-Québec * Comportamiento del sistema HQ después de una pérdida de generación Impacto de la suma de 2000 MW de generación eólica sin respuesta inercial (línea azul) * Wind farm inertia emulation to fulfill Hydro-Québec's specific need Brisebois, J., Aubut, N. (Hydro-Quebec TransEnergie, Montreal, QC, Canada ) Power and Energy Society General Meeting, July 2011 IEEE

14 Control de frecuencia en generación eólica Estructura del sistema: Señal de control del operador Control de parque P referencia P referencia P referencia P referencia Respuesta: Generador sin respuesta en frecuencia Generador convencional

15 Control de frecuencia: nivel de aerogenerador P controlada por electrónica de potencia Estrategias hasta ahora: 1. Optimización de potencia (V viento bajas): P referencia P disponible en la turbina ω referencia Control de pitch constante en su valor óptimo 2. Limitación de potencia en su valor nominal (V viento altas) P referencia P nominal ω referencia ω nominal Control de pitch varía para conseguir los valores óptimos

16 Necesidades: Control de frecuencia : nivel de aerogenerador 1. Si P generada > P consumida f Debe P generada P referencia < P disponible ω referencia depende de P referencia 2. Si P generada < P consumida f Debe P generada Cómo conseguirlo? En 1, es sencillo, basta seguir referencias En 2,?

17 Control de frecuencia : Posibles soluciones si f Limitación de potencia generada por el AE a un valor inferior al máximo disponible P referencia Enviado por el control secundario de frecuencia (de parque) ω referencia se determina dependiendo de la P referencia

18 Control de frecuencia : Posibles soluciones si f Limitación de potencia generada por el AE a un valor inferior al máximo disponible Durante un tiempo limitado la máquina puede incrementar la P generada en base la E cinética almacenada en las palas Riesgo de parada

19 Control de frecuencia : Posibles soluciones si f Limitación de potencia generada por el AE a un valor inferior al máximo disponible Durante un tiempo limitado la máquina puede incrementar la P generada en base la E cinética almacenada en las palas Tener AE en reserva para regulación Sistemas de almacenamiento

20 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia P.O FGW-TG3 Medida y evaluación de huecos de tensión Medida y evaluación de sobretensiones Medida y evaluación de armónicos Medida y evaluación de flicker Medida y evaluación de desequilibrios de tensión Medida y evaluación de la repuesta ante perturbaciones de frecuencia Evaluación de la potencia Evaluación del control de tensión Medida y evaluación de las operaciones de conexión y desconexión Verificación de condiciones de arranque

21 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia Cumplimiento según propuesta P.O Perturbación ficticia de la frecuencia de red: inyectando en el PLC o CCU, en lugar de la salida del TT, una señal de tensión con la frecuencia y amplitud que simule la perturbación deseada y analizando la respuesta 2. Hay dos tipos de ensayos: Verificación de la continuidad de suministro (ensayos 1 a 11 de la siguiente dispositiva). Respuesta en P ante perturbaciones de f (ensayos 12 a 19 de la siguiente dispositiva). Se registran U e I en bornes de máquina y se compara con el registro de P disponible durante el ensayo que proviene del control de la máquina.

22 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia Según P.O. 12.2

23 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia Según FGW-TG3 1. Perturbación ficticia de la frecuencia de red inyectando la señal de tensión al valor de la frecuencia de perturbación 2. La instalación debe responder ante sobrefrecuencias según el esquema adjunto 3. Punto de operación > 80% y 40-60% 4. No exige respuesta ante subfrecuencias

24 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia Según Hydro-Quebec 1. Es una de las normativas que más concreta los ensayos de respuesta inercial ya que especifica cómo debe de ser la variación de la misma (la pendiente), su valor inicial y final y la duración de la perturbación. 2. En total exige 12 ensayos divididos en 8 subfrecuencias y 4 sobrefrecuencias.

25 Medida y evaluación de la respuesta ante perturbaciones de frecuencia Según Hydro-Quebec Parámetro Valor f min (Hz) 58,5* t 1min (s) 4 t 2max (s) 35 r max (Hz/s) 0,15 Parámetro Valor * La frecuencia nominal es de 60 Hz f min (Hz) 61,2* t 1min (s) 7 t 2max (s) 20 r max (Hz/s) 0,2

26 Equipos de ensayos Ensayos según diferentes Grid Codes Medida y evaluación de huecos de tensión Medida y evaluación de sobretensiones Medida y evaluación de desfases Medida y evaluación de armónicos Medida y evaluación de flicker Medida y evaluación de desequilibrios de tensión Medida y evaluación de la repuesta ante perturbaciones de frecuencia Evaluación de la potencia Evaluación del control de tensión Medida y evaluación de las operaciones de conexión y desconexión Verificación de condiciones de arranque

27 Gracias