Calidad de la potencia en la conexión de parques eólicos a sistemas de transmisión

Transcripción

1 1 Calidad de la potencia en la conexión de parques eólicos a sistemas de transmisión VIII Jornadas Técnicas del Comité de Transmisión del Consejo Nacional de Operación I Jornadas Técnicas del Comité Asesor de Planeamiento de Transmisión CAPT 23 de agosto de 2017

2 2 Convenio de Investigación ISAGEN y UniAndes establecieron un convenio de cooperación para el estudio de conexión de fuentes de energía eólica a sistemas de potencia. Estudio de tecnologías: Parques Eólicos BESS HVDC

3 3 Equipo de Investigación UniAndes DIEE Prof. Mario A. Ríos (Director Proyecto de Investigación) Prof. Gustavo Ramos Ing. Diego Gómez Ing. María Paula González Ing. Andrés Vera ISAGEN Investigación y Desarrollo Ing. Luis Alberto Posada Ing. Hernán Palacios

4 4 Contenido Regulaciones internacionales Integración BESS con energías renovables Selección de aplicación Método de dimensionamiento Modelo de simulación y estrategia de control Modelo de simulación de parques eólicos Métodos de agregación Estimación de distorsión armónica de corriente Estudio de calidad de la potencia Focos de investigación Estudio de fluctuaciones de voltaje Estudio de distorsión armónica de voltaje y corriente Conclusiones y trabajos futuros

5 5 Regulaciones internacionales

6 6 Normas y estándares IEC Std : Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines Estudio de fluctuaciones de voltaje Estimación de la distorsión total armónica de corriente IEEE Std : IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems Limites operacionales de distorsión armónica de voltaje y corriente

7 7 IEC Std Fluctuaciones de voltaje Distorsión armónica de corriente CASO DE PRUEBA Magnitud de voltaje linea-linea (pu) Magnitud de voltaje de secuencia positiva(pu) Duración (s) VD1- fluctuacion trifásica 0.90 ± ± ± 0.02 VD2- fluctuación trifásica 0.50 ± ± ± 0.02 VD3- fluctuación trifásica 0.20 ± ± ± 0.02 VD4- fluctuación bifásica 0.90 ± ± ± 0.02 VD5- fluctuación bifásica 0.50 ± ± ± 0.02 VD6- fluctuación bifásica 0.20 ± ± ± 0.02 Las pruebas de fluctuaciones de voltaje deben realizarse para 10%, 30% y 90% de la potencia nominal del parque eólico Las pruebas se simulan a partir de fallas de corto circuito THC = I h = β N wt i=1 h= I h I n I h,i n i β β < < < 2.0 ORDEN ARMÓNICO I n N wt I h n i I h,i β corriente nominal de la turbina eólica número de turbinas conectadas al PCC distorsión de corriente del h-ésimo armónico relación del transformador de la i-ésima turbina eólica distorsión de corriente del h-ésimo armónico correspondiente a la i-ésimo turbina valor de escalamiento del orden armónico

8 8 IEEE Std Se estudian orden armónicos entre 0 y 50 Distorsión armónica de voltaje y corriente son comparados con los límites operacionales correspondientes al caso de estudio Voltaje Corriente NIVEL DE VOLTAJE EN PCC armónico individual (%) Distorsion total armónica THD (%) < 1,0 kv 5,0 8,0 1 kv < 69 kv 3,0 5,0 69 kv < 161 kv 1,5 2,5 161 kv < 1,0 1,5 a DISTORSIÓN MÁXIMA DE CORRIENTE CON RESPECTO A I L ORDEN ARMÓNICO INDIVIDUAL (ARMÓNICOS IMPARES) I SC /I L <11 <17 <23 <35 <50 TDD <20 2,0 1,0 0,75 0,3 0,15 2, ,5 1,75 1,25 0,5 0,25 4, ,0 2,25 2,0 0,75 0,35 6, ,0 2,75 2,5 1,0 0,5 7,5 > ,5 3,5 3,0 1,25 0,7 10

9 9 Integración BESS con energías renovables En trabajos previos (Optimización de parques eólicos con almacenamiento de energía BESS) se realizó la investigación para seleccionar y optimizar, para el control de fluctuaciones de energía, los siguientes elementos: Tipo de tecnología Batería de Litio Capacidad BESS: 86 MW, WPP: 400 MW Localización Centralizada

10 10 Modelo dinámico de BESS V batt = E batt K Q Q it it R int i + A e B it it variable dinámica del modelo Rint + Ebatt Q Rint Voltaje de circuito abierto (V) Capacidad de la batería (Ah) Resistencia interna (Ω) Ibatt Vbatt Voltaje de batería (V) BT1 Ebatt Vbatt A i Voltaje exponencial (V) Corriente de batería (A) _ it B K Capacidad extraída (Ah) Capacidad exponencial (1/Ah) Constante de polarización (V/Ah) [11] A. A. H. Hussein and I. Batarseh, «An overview of generic battery models,» 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, 2011, pp [12] O. Tremblay, L. A. Dessaint and A. I. Dekkiche, «A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles,» 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Arlington, TX, 2007, pp

11 11 Control de potencia activa CBEST Modelo EPRI P ref P max I ac max V ac + P med MBase SBase P ac MBase SBase P out P max I ac max V ac P out P out > 0 Out Eff s Descarga + E out [1] Electric Power Research Institute (EPRI), «Electricity Energy Storage Technology Options,» EPRI, California, [14] K. Saeed, «Battery Energy Storage Systems: Grid Applications, Technologies, and Modeling,» S&C Electric Company, IEEE SMARTGRID, Chicago, P out < 0 In Eff s + Carga

12 12 Control de voltaje CBEST Modelo EPRI V ref V max IQ max V ac + V med st st 2 K VAR 1 + st st 4 s I q MBase SBase Q out - V min IQ max K fb [1] Electric Power Research Institute (EPRI), «Electricity Energy Storage Technology Options,» EPRI, California, [14] K. Saeed, «Battery Energy Storage Systems: Grid Applications, Technologies, and Modeling,» S&C Electric Company, IEEE SMARTGRID, Chicago, 2016.

13 13 Modelo de simulación de parques eólicos

14 14 Métodos de agregación La agregación es necesaria para reducir la complejidad de la simulación en estudios de parques eólicos de gran tamaño. Modelo multi-completamente agregado con velocidad de viento equivalente (Método empleado por MATLAB) Modelo semi agregado Modelo combinado semi-completamente agregado S C eq eq n S j 1 n j 1 C j j ns nc j j

15 15 Caso de estudio Modelo agregado 5 turbinas Modelo detallado Se realiza la estimación de la distorsión armónica de corriente para todo el porque eólico con base en el estándar IEC

16 16 Comparación Resultados La distorsión armónica de corriente y voltaje presenta un error absoluto máximo de 1,12% entre el THD y los armónicos individuales. El máximo error absoluto de la estimación de la distorsión armónica de corriente para el parque eólico es de 0,83%. La distorsión armónica total de corriente disminuye con el número de turbinas, mientras que la distorsión de voltaje es independiente y presenta pequeños cambios El cambio en el tiempo de simulación entre el modelo agregado y el modelo detallado es notorio.

17 17 Estudio de calidad de la potencia

18 Distorsión armónica Intermitencias de potencia, regulación de frecuencia y fluctuaciones de voltaje Estabilidad de sistemas de potencia 18 Investigaciones actuales Compensación reactiva Sistemas de almacenamiento de energía (ESS) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Supercapacitores Baterías electroquímicas (BESS) Static Compensator (STATCOM) Ubicación óptima de ESS

19 19 Desafíos de calidad de la potencia Fluctuaciones de potencia Estabilidad de voltaje Regulación de frecuencia Distorsión armónica de voltaje y corriente Requerimientos de calidad de la potencia Estudio de calidad de la potencia de un parque eólico enfocado en fluctuaciones de voltaje y distorsión armónica de voltaje y corriente. IEC Std Impacto de BESS en la calidad de la potencia de un parque eólico Fluctuaciones de voltaje Distorsión armónica de voltaje y corriente

20 20 Modelo de simulación

21 21 Modelo de simulación con BESS

22 22 Impedancia de falla Simulación de fluctuaciones de voltajes basadas en corto-circuito a través de impedancia de falla Falla trifásica (Ω) Falla bifásica (Ω) R f X f R f ,2 841,3 298, ,41 83,07 75, ,83 20,55 0,054 FLUCTUACIÓN DE VOLTAJE (PU)

23 Mejor tiempo de respuesta Mayor estabilidad Fluctuaciones trifásicas de voltaje 23

26 BESS compensa fase no fallada Fluctuaciones bifásicas de voltaje 26

29 29 Fluctuaciones de voltaje Parque eólico con y sin BESS continua en operación durante la caída de voltaje. Efecto de Pn y el nivel de voltaje Impacto BESS El valor de P n afecta la robustez y el comportamiento del voltaje. Para valores grandes de P n, el parque eólico retorna con mayor velocidad a operación normal. Para mayores fluctuaciones de voltaje la acción de control requiere mayor energía para retornar a operación normal. Mayor estabilidad y robustez de la acción de control. El amortiguamiento del voltaje se realiza con mayor suavidad. El control de voltaje del almacenamiento actúa con mayor rapidez que el control de las turbinas eólicas. Por lo tanto, requiere mayor energía y presenta un mayor overshoot.

30 30 Distorsión armónico del parque eólico Distorsión de voltaje 3,45% 2,95% 2,45% 1,95% 1,45% 0,95% 0,45% THD = 3,44% (Lim: 5%) Distorsión de corriente 1,20% 1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% THD = 1,72% (Lim: 2.5%) -0,05% ,00%

31 31 Distorsión armónica con BESS Estado de carga Distorsión de voltaje 3,45% 2,95% 2,45% 1,95% 1,45% 0,95% 0,45% THD = 2,66% (Lim: 5%) Distorsión de corriente 1,20% 1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% THD = 1,59% (Lim: 2.5%) -0,05% ,00%

32 32 Distorsión armónica con BESS Estado de descarga Distorsión de voltaje 3,45% 2,95% 2,45% 1,95% 1,45% 0,95% 0,45% THD = 3,62% (Lim: 5%) Distorsión de corriente 1,20% 1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% THD = 1,90% (Lim: 2.5%) -0,05% ,00%

33 33 Distorsión armónica Sin BESS Para la distorsión armónica de corriente, los límites son excedidos por armónicos de alta frecuencia (supra armónicos - mayores del orden 23). Estado de carga Estado de descarga Disminuye el THD de voltaje y corriente. Componentes de alta frecuencia (mayores que el orden 23) exceden los límites. Se incremental el THD y los armónicos individuales de voltaje y corriente. La distorsión armónica de corriente medida a la salida del parque eólico corresponde a la suma de la distorsión armónica de corriente del parque eólico y del almacenamiento de energía.

34 34 Conclusiones y trabajo futuro

35 35 Conclusiones El método de agregación presenta errores para los resultados de distorsión de armónica no mayores a 1.12%. La estimación de armónicos con base en la Ley de la suma tiene un máximo error del 0.83% con relación a la simulación. La distorsión de corriente es inversamente proporcional al número de turbinas conectadas. Sin embargo, la distorsión de voltaje no presenta grandes variaciones. La violación en los limites operativos de la distorsión se debe a la presencia de supra-armónicos de corriente. El parque eólico puede seguir en funcionamiento durante el 100% de las pruebas realizas para fluctuaciones de voltaje. BESS pueden operar como un método de mitigación de armónicos.

36 36 Trabajo Futuro Es necesario establecer protocolos de medición y métodos de detección de supra-armónicos. Se debe trabajar es normativa y regulaciones sobre estos componentes frecuenciales para realizar una mas completa acción correctiva.