Integración fuentes renovables no convencionales en la operación del Sistema Interconectado Nacional

Integración fuentes renovables no convencionales en la operación del Sistema Interconectado Nacional

Agenda Generación esperada eólica, solar y conectada al STR y SDL Cambios en el sistema de transmisión Restos Operativos ante cambios en el SIN Integración de renovables en redes débiles

Generación esperada solar, eólica y conectada al STR y SDL UPME ORs < 115 kv ORs < 115 kv Concepto* En estudio** Aprobados** 2017 39 MW 213 MW 81 MW 2018 280 MW 361 MW 342 MW 2019 200 MW 342 MW 168 MW 2020 296 MW 271 MW 2021 305 MW 76 MW 2023 1050 MW 1915 MW áreas Emergencia Sin definir 1768 MW 603 MW 286 MW áreas Alerta Total 1569 MW 3287 MW 2201 MW *Incluye proyectos solar y eólica **Incluye proyectos de todas las tecnologías

Cambios en el sistema de transmisión Km 16000 14000 12000 14726 14073 10000 8000 6000 2017 2023 4000 5224 2000 0 500 KV 220-230 KV 57.5-138 KV Proyectos de transmisión definidos en el plan de expansión UPME.

Retos operativos ante cambios en el SIN Planeación Operativa Supervisión Operativa Generación Convencional Hidráulica y Térmica Predecible Controlable Cambio Generación variable Solar, eólica y pequeñas hidráulicas Predecible con incertidumbre Controlable en función del clima Retos Pronósticos - Reservas Inercia - Estabilidad Requisitos de conexión Competencias Procesos Coordinación Operativa Tratamiento de las desviaciones Despacho - Redespacho Retos Supervisión Supervisión nuevas variables Regulación Tecnología Control Operativo Control de tensión y frecuencia

CAMBIOS La integración de energía solar al STN, STR y SDL conlleva a grandes retos operativos Para enfrentar los retos se requiere CAMBIOS REGULATORIOS OPERATIVOS MERCADO PREDICCIÓN OPERACIÓN COORDINADA STN-STR-SDL

Es necesario establecer reglamentación para fuentes asíncronos con el fin de evitar problemas operativos en los próximos 30 años. Japon: Sobretensiones y cortes. Alemania: Problemas de estabilidad y reactivos. Requerimientos de información - procedimientos Requerimientos de conexión Requerimientos operativos Basado en estudios eléctricos y mejores prácticas internacionales

Retos Inercia y estabilidad La máxima capacidad de solar y eólica a integrar depende de la inercia del sistema. La máxima capacidad de solar y eólica a integrar depende del nivel de corto circuito del punto de conexión. Por ejemplo, se pueden incorporar un total de 2,400 MW de generación solar y eólica, considerando 557 seg de inercia. Por ejemplo, la máxima generación eólica en Cuestecitas es de aproximadamente 1,300 MW, por ser esta una conexión de gran potencia eólica en un punto débil del sistema de potencia. La generación eólica y solar debe de ingresar al sistema cumpliendo requisitos de seguridad y calidad, para seguir operando el sistema con los criterios establecidos por la ley.

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles ꝇ El SCR short circuit ratio es un indicador de la cantidad de generación asíncrona que puede ser conectada a un sistema de potencia sin afectar la calidad en el punto de conexión (V, f, harmonicos y flicker) El SCR se considera moderado entre 3 y 5 * 500 kv Sistema de potencia El SCR < 3 se considera red débil * Sgen Smin SCR = S mínima de corto circuito en el punto de conexión (sin conectar el generador asíncrono) S del generador asíncrono *Power System Voltage Stability- Carson W. Taylor

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles Problemas de estabilidad de voltaje Red sensible a las variaciones de Q Sobretensiones y desconexiones indeseadas de la planta al inyectar corriente rápida de reactivos Cambios súbitos del ángulo de la tensión ocasionan que el inversor no siga el ángulo de la tensión, lo que puede crear inestabilidad en los lazos de control de corriente. Problemas estado estable Problemas dinámicos Operación en los límites de la curva PQ Disminución del SRC ante eventos Oscilaciones y disminución de la vida útil del generador causadas por entrada y salida de la zona de FRT Desconexiones indeseadas al tener rampas rápidas de incremento de P postfalla

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles Problemas de estabilidad de voltaje Problemas estado estable Red sensible a las variaciones de Q Menor SCR Menor Pmax Menor SCR Mayor cambio en V SRC alto SRC bajo SRC alto SRC bajo

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles Sobretensiones y desconexiones indeseadas de la planta al inyectar corriente rápida de reactivos Problemas estado estable Inestabilidad en los lazos de control de corriente.

SCR Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles 5100 MVA MVA de CC con todas las unidades en línea STN 500 kv 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 S del generador asíncrono S 5100 MVA S 4100 MVA S 3100 MVA

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles 1100 MW Generación asíncrona Los cambios súbitos del ángulo de la tensión pueden dificultar que el inversor siga correctamente el ángulo de la tensión, lo que puede crear inestabilidad en los lazos de control de corriente de la generación basada en inversores. 1300 MW Generación + maniobra de reactor Ante la contingencia de la línea a 500 kv Copey Cuestecitas se observa que la corriente del módulo inversor no es capaz de seguir la referencia, se corrige con la operación del reactor.

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles Soluciones para mejorara el SCR Expansión de la red Condensador síncrono STATCOM -SVC Aporta al nivel de corto circuito Aporta al nivel de corto circuito Proporciona inercia Soporte dinámico de reactivos Tiempo de respuesta en segundo Soporte dinámico de reactivos Tiempo de respuesta en ciclos

Estabilidad Conexión de fuentes asíncronas en redes débiles Para incrementar el SCR en Sardinian Italia instalaron un condensador síncrono 2 x 250 Mvar 14 SCR 12 10 8 6 4 670 MW 988 MW 2 0 SCR SaPe SCR SaCo Sin renovables Sin renovables con CS Con renovables Con renovables y CS Di Giulio, A., Giannuzzi, G. M., Iuliani, V., Palone, F., Rebolini, M., Zaottini, R., & Zunino, S. (2014, August). Increased grid performance using synchronous condensers in multi in-feed multiterminal HVDC System. In CIGRE 2014 Conference paper A1-112, Paris August August 25th to 29st.

Mejorar las condiciones de la red y definir los requerimientos mínimos de conexión de las fuentes asíncronas, según el estado del arte y las necesidades actuales y futuras del sistema, permitirán la operación flexible, confiable, económica y segura.

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Anexos

Panorama mundial energía solar y eólica 2016 790 GW de energía solar y eólica instalados al 2016 GW 300 250 200 150 100 50 0 169 82 9.1 19.3 50 3.2 29 77 9.3 41 41 43 China US Alemania Japón India Italia Solar PV Eólica GW 600 500 400 300 200 100 0 Solar Eólica 246 MW de energía solar y eólica en China al 2016

Cambios en la matriz energética del Sistema Colombiano Concepto UPME 2017 1 16.6 GW 1 2023 21.8 GW * Hidráulica 11 GW Hidráulica 14.4 GW Térmica 4.6 GW Térmica 6.1 GW Menores 1 GW *Generación instalada a 2017 + proyectos con concepto UPME al 2023 Solar 0.3 GW Menores 1.3 GW Eólica 1.3 GW

Inercia (seg) Frecuencia (Hz) Retos - Inercia 60.1 60.0 La máxima capacidad de FRNC a integrar depende de la inercia del sistema. 59.9 59.8 Máxima integración de FRNC de acuerdo a la inercia* del SIN 59.7 750 59.6 700 59.5 59.4 59.3 0 2 4 6 8 10 650 600 550 500 557 seg 2400 MW FRNC 700 Seg 635 Seg 589 Seg 557 Seg 450 515 Seg 481 Seg 471 Seg 400 350 Se pueden incorporar un total de 2,400 MW de generación proveniente de Fuentes Renovables no Convecionales, considerando una frecuencia mínima de 59.5 Hz ante pérdida de 300 MW de generación en demanda media. 300 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 FRNC (MW) *El valor de inercia del SIN esta entre 400 y 700 seg