Modelado de mini plantas fotovoltaicas con conexión directa a la red eléctrica Caso aplicado: Guanajuato

Transcripción

1 Modelado de mini plantas fotovoltaicas con conexión directa a la red eléctrica Caso aplicado: Guanajuato Por: Dr. Miguel Martínez-Lozano Mtro. Juan José Becerril-De Anda

2 ÍNDICE La realidad de las energías renovables (solar-fotovoltaica) en México Introducción Objetivos Desarrollo (modelos) Resultados y Análisis Conclusiones

3 TRANSICIÓN HACIA ECONOMÍA BAJA EN CARBONO - Sostenibilidad

4 Desde el punto de vista de competitividad: Para los países en vías de desarrollo, la visión de las energías renovables, genera: Calidad de vida Productos y Servicios Economía Interna Tecnología Soluciones Empleo Desarrollo Innovación Reconocimiento de Oportunidades Emprendimiento Oportunidades

5 Energías Renovables Fuerzas Gravitatorias Ciclo Lunar Olas Viento Ciclo Agua Mareas Energía Solar Indirecta Energía Solar Directa Sol Captación Térmica Captación Fotónica Termosolar Biomasa Fotoquímica Fotovoltaica

6 México Posee una de los mayores índices de radiación solar global promedio del planeta Fuente: RNEL. Albuquerque, NM, EUA Eso hace evidente su explotación a corto y mediano plazo Fuente: Adaptación - RNEL. Albuquerque 2012.

7 Hay dos formas de aprovechamiento: Necesita Baterías (Contaminan) Puede funcionar sin CFE Autónomo Interconectado No necesita almacenamiento No puede funcionar sin CFE Es el de mayor auge actualmente y de mayor estudio de investigación

8 Introducción El estado del arte del tema indica que el mismo se encuentra en pleno desarrollo y en el caso particular de México, con un campo de explotación enorme, debido a las características geográficas de la república. Los estados del centro-norte, poseen un potencial enorme, siempre superior a 6kWh/m 2, lo que equivale en promedio a más de 5 horas al día con una radiación de 1kW/m 2. Adicionalmente se alcanzan más de 200 días despejados al año. Las consecuencias de la interconexión masiva de soluciones fotovoltaicas particulares (pequeña escala privada hogares), no ha sido bien estudiada en la literatura. León, está viviendo un momento de instalación importante de energía fotovoltaica en zonas de clase media y alta, con tarifas DAC. Existe una preocupación técnica real en CFE, sobre las posibles dificultades operativas de esta incursión (sin control, pues no dependen de CFE).

9 Objetivo: Modelar mini-plantas fotovoltaicas directamente conectadas a la red y simular su impacto en redes eléctricas de media tensión del tipo simple residencial estudiando de manera estadística el comportamiento de la radiación solar y temperatura ambiente y empleando un flujo de carga probabilístico para analizar los efectos sobre diversas variables de interés, como voltajes y flujos de potencia reactiva.

10 Objetivos Específicos: Revisión Biliográfica Modelar Efecto Fotovoltaico Conocer y Caracterizar los parámetros Meterologícos Simular Paneles Fotovoltaicos interactuando con redes eléctricas Validar y Analizar los resultados Obtenidos

11 Modelar Efecto Fotovoltaico Partes y Componentes Panel Fotovoltaico Celda Fotovoltaica

12 Modelo Físico Modelo Circuital Efecto fotovoltaico. i ph E e, T = E e E STC I SCS 1 + α T T Parámetros Meteorológicos (Radiación Global Total Horizontal Temperatura Ambiente)

13 Característica Voltaje Corriente: i PV = i ph E e, ΔT i s (ΔE e, ΔT) e qv PV ka T cs +ΔT 1 Se puede caracterizar (Datos de Placa): Isc: Corriente Cortocircuito Voc: Voltaje de circuito Abierto V M : Voltaje de Máxima Potencia I M : Corriente de Máxima Potencia

14 Corriente (A) - Ipv Modelo implementado en Matlab: Validación del modelo Voltaje (V) - Vpv Evaluación de las características V-I, para temperatura normalizada (25 C) y varias irradiancias (1000, 800 y 200 W/m2), entre modelo implementado y [20].

15 Corriente (A) - Ipv Potencia (W) Cambio de curva: V-I a P -V Voltaje (V) - Vpv Voltaje (V) - Vpv La segunda, permite analizar la cantidad de potencia que puede ser extraída de un panel o celda, según la radiación y temperatura. Por lo que es un parámetro más directo en el interés de estudio.

16 Potencia (W) Pmax (Punto de máxima potencia) W/m2, 25 C W/m2, 50 C W/m2, 35 C El modelo del inversor: MPPT (Punto de Máxima Potencia) Voltaje (V) - Vpv Directamente se extrae el valor de la potencia máxima de la curva y es el valor a implementar en la red eléctrica

17 Conocer y Caracterizar los parámetros Meterologícos Dos parámetros: Radiación Radiación (W/m 2 ) Cantidad de Potencia sobre plano horizontal (Varía con la hora del día, mes del año y por contenido de nubes) Temperatura Ambiente Temperatura Ambiente ( C) Calienta celda y baja eficiencia Estaciones Meteorológicas (Acceso a históricos por Web)

18 Se colectaron meses de Otoño e Invierno en León:

19 Se dividieron los días: Nublado Semi-Nublado Despejado

20 Temp ( C) Con los datos históricos, se realizó caracterización probabilística: Temperatura Ambiente: Históricos día Hora del día

21 Temp ( C) Función Probabilística de la Temperatura horaria en otoño: T amb h = f Tprom, h + σ promedio f(aleatoria) T prom y s prom, se obtuvieron por ajustes de curvas, empleando mínimos cuadrados. f Tprom, h = Ta prom h = a h 2 + b h + c a b c R 2 RMSE Tmax Tmin Tprom Ajuste Hora

22 Temp ( C) Función aleatoria de Temperatura ambiente (Tipo normal): 30 Tmax Tmin 10 Tprom Hora

23 Rad (W/m2) Se hizo lo mismo para la radiación horaria: Para cada tipo de día (nublado, seminublado, despejado) Rad h = f Radprom, h + σ promedio f(aleatoria) Día Hora f Radprom, h = Rad prom h = a h n + b h n z Caso a b c d e f R 2 D SN N

24 Rad (W/m2) Función aleatoria de Radiación (Tipo normal): Datos aleatorios Hora

25 Modelo implementado del grupo panel inversor:

26 Simular Paneles Fotovoltaicos interactuando con redes eléctricas

27 Utilizando el algoritmo anterior, se planteo un estudio de penetración local fotovoltaica, empleando la red IEEE de 33 nodos. Cada nodo, representa un grupo de cargas residenciales, caracterizadas por consumir: Curva de demanda típica horaria [29]. Curva implementada En el horario solar

28 Comportamiento estadístico implementado para Radiación y Temperatura en León Figura 89. Distribución aleatoria diaria de la radiación para mil casos. (a) Radiación diaria, (b) Distribución probabilística. Figura 90. Distribución aleatoria diaria de la Temperatura ambiente para mil casos. (a) Radiación diaria, (b) Distribución probabilística.

29 Curva de demanda en los nodos: (a) Sin penetración FV (b) Con penetración de 10% (a) (b) (c) (d)

30 Resultados: Escenarios (Sin penetración, 10%, 50% y 100%) El grado de penetración se estimó en virtud de la demanda máxima del nodo (especificando la potencia nominal del panel) Perfil de tensiones en el nodo 18

31 Variación de las pérdidas activas en función de la penetración Escenario 0% 10% 50% 100% Pérdidas Máximas (MW) Pérdidas Mínimas (MW) Pérdidas Promedio (MW)

32 Variación del factor de potencia en la S/E de Distribución Escenario 0% 10% 50% 100% Máximo Mínimo Promedio

33 Análisis: Es para valores de penetración superiores al 30%, donde se empiezan a observar los fenómenos más interesantes. Cabe resaltar que el estudio de máximos y mínimos de las variables de interés debe ser visto con mucho cuidado, dada la curva horaria de demanda. Cabe resaltar que el efecto fotovoltaico de integración es máximamente influyente en las horas entre 11 h y 13 h, así como que debe ser indicado que todo el estudio probabilístico se realizó para un mes de finales de Otoño. La selección de la potencia máxima a integrar implicó que nunca se alcanzarán los valores de la demanda máxima del nodo en el mes estudiado, ya que la Pmax en PU ronda el 0.8.

34 - Los perfiles de tensiones mejoran en el rango estudiado de penetración, sin acercarse a violar el límite superior. Por lo que se puede concluir en general, que la integración fotovoltaica razonable, eleva las magnitudes de voltaje de la red. Por lo que hay que tener cuidado en su aplicación, aunque en general (en redes de distribución domésticas), esa consecuencia mejora la calidad del suministro. - Las pérdidas en el sistema se reducen casi proporcionalmente a la potencia fotovoltaica entregada y ese es uno de los beneficios más evidentes de la generación distribuida como filosofía. Así que en este caso, la integración masiva puede colaborar a reducir los porcentajes estadísticos de pérdidas activas en las líneas de media tensión.

35 - Claramente existe en horas de sol, una reducción de los requerimientos de potencia activa a los generadores del sistema. Horas en las que a nivel productivo industrial, suceden las máximas demandas. Por tanto, esta constribución a largo plazo influye positivamente en la gestión de la red. - Desde el punto de vista del factor de potencia de la subestación, sucede una reducción relativamente significativa, llegando a valores mínimos de casi 0.5 (en atraso). Eso podría implicar un problema técnico, debido a que los transformadores estarían funcionando a bajos factores de potencia y que las líneas estarían prácticamente manejando Q. Es un problema real que se va a incrementar, ya que a un usuario residencial o comercial (a los cuales solo se les cobra por energía activa), no le interesa actualmente controlar su factor de potencia y menos si se trata de una inversión en energías renovables. Esto implica que la mejor solución técnica y económica para este tipo de clientes, es que trabajen con inversores que solo entreguen P hacia la red (que trabajen a fp prácticamente unitario). En esos escenarios, la red es la que se encargará de suministrar la Q necesaria para el funcionamiento de las cargas.

36 Conclusiones: - Inicio de área de investigación dentro de la escuela de ingenierías. - Se desarrolló modelo genérico para estudios de penetración fotovoltaica, que puede ser aplicado en cualquier tipo de red y localización geográfica - Se contó con el apoyo exitoso de estudiantes de licenciatura (con trabajo de titulación) - Se obtuvieron resultados novedosos para su publicación Se envió resumen:

37 Conclusiones: Los resultados mostraron la dependencia de la potencia máxima obtenible, con las características meteorológicas del lugar. El grado de penetración, mejora algunas caracteristicas, como por ejemplo que reduce la cantidad de potencia activa suministrada por generadores convencionales de CFE (lo cual reduce el uso de energías primarias fósiles) Empeora el factor de potencia de la red, puesto que no suministran energía reactiva, la cual debe seguir siendo suministrada por la red. Se deben hacer estudios que prevean por tanto la operación segura de una red de distribución que tenga penetración fotovoltaica en la región centro norte de México.

38 Trabajo Futuro: El tema es de mucha potencialidad. Cómo prever el cambio en condiciones? Pronóstico Meteorológico (Forecasting) No medir, sino estimar a futuro En el caso fotovoltaico, están las nubes, como factor preponderante. Cielo Radiaciones Directas y Difusas PV Según área despejada y previsión de movimiento

39 Muchas gracias!