Compensación eléctrica en redes de distribución de la CDMX, debido a la

recarga de vehículos eléctricos e integración de pequeños sistemas

eólicos/fotovoltaicos

Tercer Encuentro y Primer Congreso InternacionalRED SUMAS

Javier de la Cruz Soto, José Luis Silva FaríasAlfredo Espinosa Reza, Sohail Khan

Carlos Fernando García Guerrero, Hector Aguilar

Septiembre 2017

Contenido

• Introducción

• Objetivos

• Problema de investigación

• Metodología

• Simulaciones

• Conclusión

Introducción

• Los vehículos eléctricos (VE) trajeron una revolución en el transporte y en los sistemas de energía, ya que ofrecen diversas aplicaciones.

• El acoplamiento de VE con la Red Eléctrica de Distribución puede hacer que el sistema sea confiable y rentable, con la regulación de frecuencia mejorada a su valor nominal.

• La integración de los VE a la Red Eléctrica puede ser beneficiosa, tanto para el sistema de energía como para el propietario del vehículo, ya que proporciona energía y servicios auxiliares para apoyar la operación de la red.

• La Ciudad de México es considerada como una de las ciudades más grandes del mundo (y por lo tanto de las más contaminadas), con más de 7 millones de vehículos registrados en el área metropolitana.

• La preocupación mundial por la protección del medio ambiente desalentará definitivamente el uso de vehículos basados en combustibles fósiles.

Problema de investigación

• No todos son beneficios de manera directa, algunas situaciones se tienen que resolver.

• Para hacer frente a la creciente demanda de energía, una muy buena alternativa es la integración de generación distribuida, principalmente considerando las fuentes de energía renovables.

• Se está en proceso de transición de las tecnologías que impulsan los medios de transporte, de combustibles fósiles a fuentes alternas de energía.

• En estos casos, es necesario inyectar energía de una fuente local a la Red Eléctrica de Distribución, para lo cual, es necesario conocer el impacto y prevenir los esquemas operativos en consecuencia.

Metodología

• Implementar la Red Eléctrica de Distribución de la Cuidad de México ocupando el software NEPLAN.

• Investigar el estado actual de la red.

• Generar los escenarios de estudio.

• Conectar la flota de vehículos eléctricos a la Red Eléctrica de Distribución.

• Obtener resultados por medio de la simulación.

• Investigar los impactos de Potencia inyectada.

• Interpretar los resultados obtenidos.

Impacto de cargar vehículos eléctricos en un alimentador comercial:Zona Polanco en la Ciudad de México

Actividades realizadas

• Evaluar el estado actual del alimentador.

• Encontrar la capacidad máxima del alimentador.

• Estimar el número de vehículos eléctricos.

• Investigar perfil de voltaje antes y después de conectar vehículos eléctricos.

• Investigar Pérdidas antes y después de conectar vehículos eléctricos.

Red de Distribución del área de Polanco (CDMX)

Plaza comercial con las líneas de distribución

a) Vista en Google Earth b) Diagrama Unifilar en NEPLAN

Estado actual

a) Demanda de potencia horariab) Perfil de tensión en el nodo 5

Estado actual

a)

b)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Time (h)L

osse

s (

kW

)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Time (h)

Re

active

po

we

r lo

sse

s (

kV

Ar)

a) Pérdidas de Potencia Activa antes de conectar los cargadores

b) Pérdidas de Potencia Reactiva antes de conectar los cargadores

Estimación del número máximo de cargadores

Estimated No. of chargers Max. No. of chargers

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Time (h)

No

. o

f C

harg

ers

Limit for not controlled chargers

Evaluación de impactos

a) Demanda de energía antes y después de conectar los cargadores

b) Caída de tensión antes y después de conectar los cargadores: nodo 5

Evaluación de impactos

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

5

10

15

20

25

Time (h)

Losse

s (

kW

)

Losses with chargersLosses without chargers

a)

b)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

2

4

6

8

10

12

14

Time (h)

Re

active

po

we

r lo

sse

s (

kV

Ar)

Losses with chargersLosses without chargers

a) Pérdidas de Potencia Activa antes y después de conectar los cargadoresb) Pérdidas de Potencia Reactivas antes y después de conectar los cargadores

Evaluación del impacto V2G

Simulación de resultados sin vehículos conectados

• Caso 1: No se inyecta Potencia Activa ni Reactiva desde la flota de vehículos eléctricos.

• Las Pérdidas son:

• Potencia Activa: 0.179 MW

• Potencia Reactiva: 1.757 MVAR

• 6.4 % de la Potencia total inyectada a la red.

• Los voltajes en los nodos seleccionados antes de inyectar la potencia se muestran en la tabla siguiente.

Simulación de resultados sin vehículos conectados

Nodo Voltaje en kV

1 23.0002 22.9493 22.6834 22.8875 22.963

1

5

4

3

2

Potencia inyectada: 4.5 MW

• Caso 2: Se inyecta la cantidad de energía necesaria para que la Red Eléctrica pueda volver a su estado normal.

• Las Pérdidas son:

• Potencia Activa: 0.5672 MW

• Potencia Reactiva: 0.7136 MVAR

• 4.1 % de la Potencia total inyectada a la red.

• El número total de VE tipo Nissan Leaf que pueden inyectar esta cantidad de energía en una hora son 750, un vehículo tiene capacidad de reserva de 6 kW.

Potencia inyectada: 4.5 MW

Nodo Voltaje en kV

1 23.0002 22.9783 22.7124 22.8825 22.963

1

5

4

3

2

Potencia inyectada: 15 MW

• Caso 3: La potencia máxima que se puede inyectar al alimentador es de 15 MW.

• Las Pérdidas son:

• Potencia Activa: 0.3512 MW

• Potencia Reactiva: 0.2368 MVAR

• 1.96 % de la Potencia total inyectada a la red.

• Se requieren 2500 VE tipo Nissan Leaf en la flota.

• La línea permanece sana después de inyectar 15 MW con el mismo resultado (ninguna de las líneas está sobrecargada).

• En comparación con los Casos 1 y 2, se ha ahorrado una cantidad considerable de energía.

Potencia inyectada: 15 MW

Nodo Voltaje en kV

1 23.0002 23.0423 22.7734 22.8615 22.958

1

5

4

3

2

Potencia inyectada: 16 MW

• Caso 4: Finalmente, se inyecta al alimentador la flota de 2,665 VE de capacidad de reserva (16 MW).

• Las Pérdidas son:

• Potencia Activa: 0.4152 MW

• Potencia Reactiva: 0.3262 MVAR

• 2.3 % de la Potencia total inyectada a la red.

• Las pérdidas totales de Potencia son mayores que en el caso 3.

• Una de las líneas se sobrecargó mientras que los restantes son saludables como se muestra en la figura.

Potencia inyectada: 16 MW

Nodo Voltaje en kV

1 23.0002 23.0483 22.7794 22.8585 22.958

1

5

4

3

2

Comparación

Nodo Caso 1 [kV] Caso 2 [kV] Caso 3 [kV] Caso 4 [kV]

1 23.000 23.000 23.000 23.000

2 22.949 22.978 23.042 23.048

3 22.683 22.712 22.773 22.779

4 22.887 22.882 22.861 22.858

5 22.963 22.963 22.958 22.958

Pérdidas Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4

Potencia Activa[MW]

0.179 0.5672 0.3512 0.4152

Potencia Reactiva [MVAR]

1.757 0.7136 0.2368 0.3262

Total [%] 6.4 4.1 1.96 2.3

Evaluación de la tecnología de almacenamiento de energía

• Caso de estudio:

• Compensación eléctrica debida a la rápida carga del Vehículo Eléctrico y la integración de energía solar/eólica.• Suavizado renovable

• Raspado de picos

• Cambio de tiempo de energía

• Soporte de Voltaje / Reactivos

• Diferencia de Distribución

• Reserva para spinning

• Calidad de Potencia

• Desplazamiento del tiempo de energía al por menor

Conclusiones

• Este estudio explora el concepto de V2G en una típica red radial de distribución comercial de la Ciudad de México.

• V2G proporciona la ventaja de la transferencia de energía rápida

• El concepto es útil si un gran número de vehículos inyectan energía a la red.

• Puede servir a las empresas de servicios públicos si la transferencia de energía se realiza en horas de máxima demanda.

• Además de satisfacer la demanda, ayuda en la reducción de pérdidas de potencia y en la mejora del perfil de voltaje.

• La potencia inyectada no debe exceder la capacidad de retención de la red porque de lo contrario los resultados serán adversos.

Evaluación de impactos de la integración de energía renovable:Pequeños sistemas eólicos/fotovoltaicos

Integración de energía renovable

Análisis de circuitos urbanos

Metodología:

• Identificación de estado actual.

• Evaluación de condiciones operativas para hospedar fuentes distribuidas de energía renovable.

• Aplicación de correcciones operativas.

• Integración de fuentes renovables.

• Evaluación de impacto.

Circuito original

Identificación de estado actual

Evaluación de condiciones operativas

Acciones:

• Mejorar el desbalance entre fases.

• Validar la caída de tensión (arriba del 95%).

• Ubicar bancos de capacitores.

• Recalibrar o reforzar líneas.

• Evaluación de condiciones operativas para hospedar fuentes distribuidas de energía renovable.

Circuito con integración de energía renovable

Circuito con integración de energía renovable

Las Pérdidas de Potencia disminuyen

hasta el 40% de su valor original.

Conclusiones

• La integración de energía renovable en la red es altamente factible, pero se deben cuidar muchos aspectos operativos.

• Es necesario realizar primero una mejora de las condiciones operativas de la red eléctrica.

• En caso de ser necesario, se deben recalibrar segmentos de líneas debido al flujo de potencia.

Staso deera manana

Gracias por su atención