Calidad del Producto Técnico ante el Ingreso de Generación de Energía

Eléctrica con Recurso RenovableAndrés Arturo Romero Quete

Instituto de Energía EléctricaUniversidad Nacional de San Juan

Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

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en cantidad suficiente en tiempo y lugar,con la calidad y confiabilidad adecuada,al menor costo posible, y minimizando la contaminación ambiental

Suministro de Energía Eléctrica:

3

Red Eléctrica Inteligente: (según European Smart Grid Task Force)

Integra eficientemente el comportamiento y las acciones de todos los agentes conectados – generadores, consumidores y generadores-consumidores – para asegurar la eficiencia económica, un SSEE sostenible, con bajas perdidas, alta calidad y seguridad en el suministro

Hidráulica

Producción Mundial de Electricidad (2005 vs 2011)

4

Nuclear Térmica

Otras

63%22%

13% 1%2005: 9.945,0 TWh

62%20%

14% 4%

2011: 10.261,3 TWh

Térmica Nuclear Hidráulica otras 0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 0002005200620072008200920102011

TWh

110,7 310,383,5186,8

Producción Mundial de Electricidad (2005 - 2011)

5

6

Generación de Energía Eléctrica con Recursos Renovables

7

Conexión a la Red de Suministro de Energía Eléctrica No Almacenable Almacenable

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Problemas para la Calidad del Producto Eléctrico

Recurso primario no almacenable:•Fluctuaciones de tensión•Variaciones de frecuencia.Necesidad de convertidores electrónicos de potencia:•Armónicos •Inter – armónicosConexión y desconexión de generación:•Sags y Swells

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¿Que son?

•Fluctuaciones de tensión•Variaciones de frecuencia.•Armónicos •Inter – armónicos•Sags y Swells

Rta: Perturbaciones Electromagnéticas

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Calidad del Producto Eléctrico

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Tiempo (s)

Ten

sión

(V

)Mundo perfecto: Suministro de energía eléctrica siempre disponibleValores de magnitud y frecuencia de la tensión corresponden a los nominales La forma de onda es una sinusoidal perfecta.

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Calidad del Producto Eléctrico

Mundo real: X Interrupciones de Suministro,X La magnitud y la frecuencia se desvían de los valores nominales,X La forma de onda es distorsionada

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

tiempo (s)

Ten

sión

(V

)

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Calidad del Producto Eléctrico

Desviación de los valores de frecuencia y magnitud, y de la forma onda con respecto a una señal sinusoidal ideal y de valores nominales

Problemas:X reducción de la eficiencia energética, X disparos no deseados de las protecciones, X parpadeo de luminarias,

X sobrecalentamiento de líneas, transformadores, motores, etc.

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Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables

Variación cíclica de la envolvente de la tensión, o cambios de tensión aleatorios. La magnitud de los cambios normalmente no excede el ±10% mencionado en la norma IEC 38.

Efecto: Flicker: caracterizado por Pst y Plt

Fluctuaciones de Tensión

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Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables

Dip (IEC) o Sag (IEEE)

Reducción súbita (entre 10% y 90%) de la tensión en un punto del sistema eléctrico (relacionados con la entrada y salida de generadores)

0 0.05 0.1 0.15-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

tiempo (s)

Ten

sión

(v)

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Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables

Los huecos o muescas de tensión

Transitorios periódicos que ocurren dentro de cada ciclo de la onda de tensión debido al cortocircuito entre dos fases durante el proceso de conmutación de llaves electrónicas

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Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables

Armónicos e Inter-armónicos

v(t)

i(t)

Zn-l

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

-100

-50

0

50

100

time (s)1 3 5 7 9 11 13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

harmonic order (h)ha

rmon

ic c

ompo

nent

s

f(t)

fundamental

fifth seventh

harmonicspectrum

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

-100

-50

0

50

100

time (s)1 3 5 7 9 11 13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

harmonic order (h)

harm

onic

com

pone

nts

f(t)

fundamental

fifth seventh

harmonicspectrum

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¿De que Dependen las Perturbaciones Debidas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables?

•Tipo de tecnología tipo de turbina, tipo de paneles•Características del punto de conexión a la red

potencia de cortocircuito y relación X/R•Diseño de la planta de generación

número de turbinas, número de paneles, opciones de control, etc.•Características locales del recurso primario

Variabilidad del recurso, intensidad de las turbulencias del viento, etc.

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Tecnología en Generadores Eólicos

Tipo A: Turbina de Velocidad Fija “Danish concept”

-Rango de control de la velocidad: 0% de la velocidad sincrónica

Tipo B: Turbina de Velocidad Variable, con Resistencia Variable conectada al Rotor de la Máquina de Inducción

-Rango de control de la velocidad: ±10% de la velocidad sincrónica-Perdidas en la resistencia

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Principales Tipos de Generadores Eólicos

-Rango de velocidad: 0 - 100% de la velocidad sincrónica-Perdidas en la electrónica de potencia-Elevados costos en la electrónica

Tipo C: Turbina de Velocidad Variable, con Convertidor Electrónico Parcial, con Máquina de Inducción doblemente Alimentada, DFIG

Tipo D: Turbina de Velocidad Variable, completamente conectada a la Red a través de un Convertidor Electrónico, FPC

-Rango de velocidad: ±30% de la velocidad sincrónica-Perdidas en la electrónica reducidas

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Penetración en el Mercado de la Generación Eólica de los Distintos Tipos de Turbinas

Fuente: Risø National Laboratory, Denmark

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Propiedades de la Electrónica de Potencia

ventajas desventajasPara la turbina -operación energética optima

-reducción de las cargas mecánicas en el eje de rotación-el convertidor reemplaza la caja de engranajes-reducción del ruido

-Costos adicionales-Perdidas de energía adicionales

Para el parque de generación

-P y Q controlables-Fuente local de potencia reactiva-Mejora la estabilidad de la tensión-Mejora la calidad de la energía en cuanto a flicker

Inyección de armónicos(de elevado orden)

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Principales Tipos de Generadores Eólicos

Modelo a Frecuencia Armónica de un Generador con Convertidor

i(h)

Z(h) fil

ters

Xpfc(h)

X m(h

)

R

m(h

)

bus i

1 4 7 10 13 16 19 220

0.10.20.30.40.50.6

(h) Orden Armónico

I(h)/

I(1) %

5 7 11 13 17 19 23 25

23

Armónicos debidos a Generadores Eólicos

Ejemplo de interacción Armónica en un SSEE

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Armónicos debidos a Generadores Eólicos

Ejemplo de interacción Armónica en un SSEE

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Tecnologías en Paneles Solares

Silicio mocristalino

Silicio Amorfosilicio policristalino

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Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan

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Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan

5ta Armónica en Corriente

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Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan

Total de Distorsión Armónica en Corriente, TDD

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Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan

Total de Distorsión Armónica en Tensión, THD

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Normativa Distorsión Armónica en una Planta Solar

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Normativa Distorsión Armónica en una Planta Solar

IEC 61400-21: Wind turbines – Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines

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Normativa para la Conexión de Generación Distribuida

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Normativa para la Conexión de Parques Eólicos

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Normativa para la Conexión de Parques Eólicos

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Conclusiones

•La generación de energía eléctrica con recursos renovables es cada vez mas importante dentro de la matriz energética mundial, y la capacidad instalada viene creciendo sostenidamente

•En el pasado, la emisión de perturbaciones electromagnéticas estaba principalmente relacionada con las cargas que se conectaban en el SSEE y con eventos externos al mismo. Sin embargo, en los sistemas modernos las perturbaciones también se vinculan con la actividad de generación.

•En particular, la generación eólica y solar comparten la característica de que el recurso energético primario no es almacenable, característica que da lugar a problemas de calidad del producto eléctrico.

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Conclusiones

•La principales perturbaciones relacionadas con estos tipos de generación son: fluctuaciones de tensión (flicker) y variaciones de frecuencia, armónicos, huecos de tensión y muescas de tensión.

•Los avances en electrónica de potencia han permitido mitigar algunos de estos problemas de calidad, en especial los relacionados con fluctuaciones de tensión y de frecuencia. Sin embargo, estos dispositivos introducen problemas de armónicos e inter-armónicos (al ser los inversores y convertidores dispositivos no lineales)

•Ante un panorama de mayor expansión en la generación de energía eléctrica con este tipo de tecnologías, se hace necesario realizar estudios específicos de impacto ante la penetración masiva de generadores eólicos y plantas fotovoltaicas en los SSEE.

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Conclusiones

•Tales estudios incluyen: - análisis de flujo de carga, estabilidad y seguridad,-estudios de máxima emisión de flicker ante turbulencias del viento,

- análisis de caídas de tensión ante la conexión y desconexión de turbinas eólicas,

- análisis de flujos de cargas armónicas para distintas configuraciones del sistema y ante la variabilidad de los recursos primarios, etc.

•Los anteriores estudios son necesarios para identificar y prever problemas del calidad del producto eléctrico, y definir las soluciones adecuadas.

Gracias por su atención

Andrés Arturo Romero QueteInstituto de Energía Eléctrica

Universidad Nacional de San Juan Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas