UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

COMPORTAMIENTO DE PLANTA DE COGENERACIN FRENTE A PERTURBACIONES ELCTRICAS

RODRIGO ANDRS FERNNDEZ HIRSCH

Profesor Gua : Sr. RODRIGO PALMA Profesor Co-Gua : Sr. ARIEL VALDENEGRO Profesor Integrante : Sr. WALTER BROKERING

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

Santiago-Chile 2005

i

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

COMPORTAMIENTO DE PLANTA DE COGENERACIN FRENTE A PERTURBACIONES ELCTRICAS

RODRIGO ANDRS FERNNDEZ HIRSCH

COMISION EXAMINADORA

CALIFICACIONES Nota (n) (Letras) Firma

PROFESOR GUA SR. RODRIGO PALMA B.: PROFESOR CO-GUA SR. ARIEL VALDENEGRO E.: PROFESOR INTEGRANTE SR. WALTER BROKERING C.: NOTA FINAL DEL EXAMEN DE TITULO:

................ ............... ................ ................

.. .. .. ..

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

Santiago-Chile 2005

ii

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR : RODRIGO FERNNDEZ H. FECHA : 2 de Noviembre de 2005 PROF. GUA : Sr. RODRIGO PALMA B.

COMPORTAMIENTO DE PLANTA DE COGENERACIN FRENTE A PERTURBACIONES ELCTRICASLa generacin de electricidad es una de las actividades industriales ms contaminantes a nivel mundial, por lo que se requiere de un proceso de perfeccionamiento de las tecnologas emergentes de generacin por otras ms limpias. La tecnologa de cogeneracin, que corresponde a la produccin de energa elctrica y trmica bajo un mismo proceso, se encuentra dentro de esta categora. En Chile, la cogeneracin solo se utiliza a gran escala, sin embargo en la regin metropolitana se ha instalado una moderna planta de generacin distribuida de cogeneracin de 3MW que abastece los consumos de la empresa Watts Alimentos S.A., en el alimentador La Divisa de propiedad de la distribuidora Ro Maipo. Esta planta es de propiedad de la empresa Metrogas S.A. y opera a base de dos motores de gas natural. La falta de normativa y guas de conexin de unidades generadoras en media tensin hacen que la instalacin de este tipo de plantas en Chile se dificulte. Con el objetivo general de contribuir a la integracin de unidades de generacin pequeas a la red de meda tensin y estudiar el comportamiento de la planta instalada en Watts Alimentos S.A., se propone un trabajo de memoria en torno a este tema. Los son los objetivos especficos de de esta memoria son: 1) Adquirir una visin del estado del arte en modelos de representacin de unidades de cogeneracin y su respectiva simulacin estacionaria y dinmica; 2) Disponer de un modelo de representacin de la planta de cogeneracin, instalada por la empresa Metrogas S.A. en la planta de San Bernardo de Watts Alimentos S.A.; 3) Disponer, a travs de un proceso de validacin y estudio de casos, de un diagnstico de los elementos crticos a ser considerados en los estudios de interconexin de unidades de cogeneracin a la red. En el trabajo se realiz un estudio de las tecnologas de cogeneracin utilizadas a nivel mundial y un pequeo estudio de la situacin en Chile y la normativa vigente. Se elaboraron modelos elctricos de simulacin esttica y dinmica de la planta de cogeneracin de 3MW instalada en Watts Alimentos. Los parmetros del modelo fueron obtenidos a travs de la empresa Metrogas y de ser necesario recurriendo a la literatura internacional. El modelo incorpora todos los sistemas de protecciones de la planta. A partir de varios escenarios de estudio definidos se realizaron clculos de flujos de potencia, cortocircuitos y una simulacin dinmica de desconexin de la red de distribucin de Ro Maipo al inicio del alimentador. Se intenta validar el modelo a partir de registros reales de perturbaciones de la planta. Como plataforma de simulacin se utiliz el software Power Factory v13.1(b256) de DIgSILENT Gmbh. El modelo se valid contrastando las corrientes de fase a travs del interruptor general, obtenidas un registro real de perturbacin de la planta con las obtenidas en la simulacin de cortocircuito monofsico a tierra con resistencia de falla de 8. La comparacin realizada contemplo las magnitudes y las fases de las corrientes, siendo ambas caractersticas coherentes. Se concluye que el modelo es vlido para simulaciones de flujos de potencia y cortocircuitos, as como para algunas simulaciones dinmicas definidas. Debido a esto el modelo puede ser visto como una herramienta de estudio de conexin de pequeos generadores a la red de distribucin en media tensin. Mediante el estudio de distintos escenarios de operacin se ha hecho un diagnostico de los elementos de la planta, en particular del sistema de protecciones, sobre el cual podran realizarse nuevos ajustes para asegurar el abastecimiento del cliente. Se deja la puerta abierta a ampliar el modelo elctrico de simulacin de la planta de cogeneracin, implementando modelos de los motores a gas y controladores de tensin y frecuencia. Adems, se puede agregar al modelo los sistemas de intercambio de calor y calderas.

iii

A mi hija hermosa, Roco Violeta, y a su madre Gabriela. Las amo.

iv

AGRADECIMIENTOSA Sergio y Sandra por que sin ellos esto no sera posible, por apoyarme siempre en los buenos y malos momentos. Gracias mam y pap. A mi otro corazn Gabriela, pues has sido mi compaera de los ltimos aos. En esos momentos que lo nico que quera era tirar la toalla, me acurrucaste y quisiste. Por aguantarme en los momentos finales de este trabajo. Agradezco tambin a la empresa METROGAS S.A., por la ayuda entregada para poder realizar este trabajo. En particular agradezco a Guillermo Silva, ingeniero de proyectos de la Planta de Cogeneracin, quien fue uno de los que saco adelante este trabajo. Por su apoyo tcnico y logstico, y por tener siempre una excelente voluntad y trato para conmigo.

v

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

COMPORTAMIENTO DE PLANTA DE COGENERACIN FRENTE A PERTURBACIONES ELCTRICAS

RODRIGO ANDRS FERNNDEZ HIRSCH

Profesor Gua : Sr. RODRIGO PALMA Profesor Co-Gua : Sr. ARIEL VALDENEGRO Profesor Integrante : Sr. WALTER BROKERING

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

Santiago-Chile 2005

vi

NDICE GENERAL1. INTRODUCCIN ......................................................................................................... 1 1.1. MOTIVACIN .............................................................................................................. 1 1.2. ALCANCE ................................................................................................................... 2 1.3. OBJETIVOS ................................................................................................................. 31.3.1. Objetivo General ............................................................................................................ 3 1.3.2 Objetivos Especficos...................................................................................................... 3

1.4. ESTRUCTURA GENERAL ............................................................................................. 4 2. INTRODUCCIN A LA COGENERACIN ............................................................ 5 2.1. ACERCA DE LA COGENERACIN ................................................................................. 5 2.2. COGENERACIN COMO GENERACIN DISTRIBUIDA.................................................... 5 2.3. TECNOLOGAS DE COGENERACIN ............................................................................. 62.3.1. Turbinas de vapor........................................................................................................... 8 2.3.2. Turbinas de gas............................................................................................................... 9 2.3.3. Motores de Combustin Interna ................................................................................... 11 2.3.4. Microturbinas ............................................................................................................... 12 2.3.5. Celdas de Combustible................................................................................................. 14

2.4. COGENERACIN EN CHILE ........................................................................................ 172.4.1. Normativa Vigente ....................................................................................................... 17 2.4.2. Unidades en operacin ................................................................................................. 18

3. MODELO ELCTRICO PLANTA DE COGENERACIN .................................. 20 3.1. INTRODUCCIN......................................................................................................... 20 3.2. MODELO GENERAL DE LA PLANTA DE COGENERACIN ........................................... 20 3.3. MODELO DE GENERADORES .................................................................................... 20 3.4. MODELO DE TRANSFORMADORES ........................................................................... 21 3.5. MODELO DE LNEAS DE TRANSMISIN ..................................................................... 23 3.6. MODELO DE CARGAS O CONSUMOS ......................................................................... 24 3.7. MODELO COMPENSACIN REACTIVA........................................................................ 24 3.8. MODELO DE SISTEMAS DE PROTECCIONES ............................................................... 253.8.1. Proteccin de sobrecorriente de fase y sobrecorriente residual.................................... 26 3.8.2. Proteccin direccional de sobrecorriente residual........................................................ 27 3.8.3. Proteccin de baja y sobre tensin ............................................................................... 28 3.8.4. Proteccin de baja y sobre frecuencia .......................................................................... 28 3.8.5. Ajuste de los sistemas de proteccin ............................................................................ 29

3.9. MODELO ALIMENTADOR RO MAIPO ....................................................................... 33 3.10. MODELO RED EXTERNA ......................................................................................... 34 4. ESCENARIOS DE ESTUDIO Y SIMULACIN DE ESCENARIOS ................... 38 4.1. DEFINICIN ESCENARIOS DE ESTUDIO...................................................................... 384.1.1. Operacin en paralelo con la red en horario fuera de punta......................................... 38 4.1.2. Operacin en paralelo con la red horario punta ........................................................... 38 4.1.3. Operacin modo isla..................................................................................................... 39 4.1.3. Operacin planta fuera de servicio............................................................................... 39

i

4.1.4. Operacin planta con transformadores elevadores desconectados de tierra................. 39 4.1.5. Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario fuera de punta ....... 39 4.1.6. Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario punta ..................... 40

4.3. SIMULACIN DE ESCENARIOS .................................................................................. 404.3.1. Clculos de flujos de potencia...................................................................................... 40 4.3.2. Clculos de cortocircuitos ............................................................................................ 49 4.3.3. Clculos de cortocircuitos monofsicos ....................................................................... 50 4.3.3. Clculos de Cortocircuitos trifsicos............................................................................ 64 4.3.4. Clculos de Cortocircuitos bifsico.............................................................................. 74

4.4. SIMULACIN DE DESCONEXIN DEL ALIMENTADOR LA DIVISA DE LA RED DE RO MAIPO ............................................................................................................................. 86 4.5. VALIDACIN DEL MODELO ...................................................................................... 88 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES......................................................... 93 6. REFERENCIAS ........................................................................................................... 96 ANEXO A: DATOS TCNICOS DE UNIDADES GENERADORAS....................... 98 ANEXO B: PRUEBAS TRANSFORMADORES ....................................................... 102 ANEXO C: CLCULO DE PARMETROS DE LNEAS PLANTA WATTS .... 104 ANEXO D: ALIMENTADOR LA DIVISA................................................................. 107 ANEXO E: CURVAS CARACTERSTICAS PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE EN BAJA TENSIN Y RECONECTADOR RESIDUAL .. 109 ANEXO F: RESULTADOS .......................................................................................... 111 ANEXO G: REGISTROS DE FALLAS ...................................................................... 113

ii

NDICE DE FIGURASFigura 1: Cogeneracin con turbina a vapor ..................................................................................... 8 Figura 2: Cogeneracin utilizando turbina a gas............................................................................. 10 Figura 4: Cogeneracin utilizando motores de combustin interna................................................ 12 Figura 5: Microturbina Capstone .................................................................................................... 13 Figura 6: Cogeneracin utilizando microturbina ............................................................................ 14 Figura 7: Cogeneracin utilizando celdas de combustible.............................................................. 15 Figura 8: Diagrama unilineal planta de cogeneracin..................................................................... 21 Figura 13: Diagrama de bloques proteccin de sobrecorriente de fase........................................... 26 Figura 14: Diagrama de bloques proteccin de sobrecorriente residual ......................................... 27 Figura 15: Diagrama de bloques proteccin direccional de sobrecorriente residual ...................... 27 Figura 16: Diagrama de bloques proteccin de baja y sobre tensin.............................................. 28 Figura 17: Diagrama de bloques proteccin de baja y sobre frecuencia......................................... 29 Figura 18: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones de fase rama G1 ................................... 31 Figura 19: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones residuales rama G1 .............................. 32 Figura 20: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones de fase rama G2 ................................... 32 Figura 21: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones residuales rama G2 .............................. 33 Figura 22: Diagrama unilineal alimentador La Divisa ................................................................ 34 Figura 23: Modelo red externa........................................................................................................ 36 Figura 24: Diagrama de flujo, Operacin en paralelo con la red en horario fuera de punta ........... 42 Figura 25: Diagrama de flujo, Operacin en paralelo con la red en horario punta ......................... 42 Figura 26: Diagrama de flujo, Operacin en modo isla .................................................................. 43 Figura 27: Diagrama de flujo, Operacin planta fuera de servicio ................................................. 43 Figura 28: Diagrama de flujo, Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario fuera de punta ......................................................................................................................... 44 Figura 29: Diagrama de flujo, Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario punta....................................................................................................................................... 44 Figura 30: Perfil de tensin a lo largo del alimentador con generadores operando a FP=0,94..... 45 Figura 31: Perfil de factor de potencia a lo largo del alimentador con generadores operando a FP=0,94 .................................................................................................................................. 46 Figura 32: Perfil de tensin para generadores con factores de potencia variables.......................... 48 Figura 33: Perfil de factor de potencia para generadores con factores de potencia variables......... 48 Figura 34: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, inicio alimentador, operacin en horario fuera de punta........................................................ 52 Figura 35: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, empalme Ro Maipo, operacin en horario fuera de punta .................................................... 53 Figura 36: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, barra de carga, operacin en horario fuera de punta .............................................................. 54 Figura 37: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, empalme Ro Maipo, operacin en horario fuera de punta, neutros levantados de tierra ...... 56 Figura 38: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, inicio alimentador, operacin en horario punta...................................................................... 57 Figura 39: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, empalme Ro Maipo, operacin en horario punta .................................................................. 58 Figura 40: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, barra de cargas, operacin en horario punta........................................................................... 59

iii

Figura 41: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, barra de cargas, operacin en modo isla................................................................................. 60 Figura 42: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, inicio alimentador, planta cogeneracin fuera de servicio ..................................................... 61 Figura 43: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, empalme Ro Maipo, planta cogeneracin fuera de servicio ................................................. 62 Figura 44: Perfil de tensin de falla a lo largo del alimentador, cortocircuito monofsico a tierra, barra de cargas, planta cogeneracin fuera de servicio .......................................................... 63 Figura 45: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, inicio alimentador, operacin en horario fuera de punta .................................................................................................................................. 65 Figura 46: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, empalme Ro Maipo, operacin en horario fuera de punta ......................................................................................................................... 66 Figura 47: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, barra de carga, operacin en horario fuera de punta....................................................................................................................................... 67 Figura 48: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, inicio alimentador, operacin en horario punta ................................................................................................................................................ 68 Figura 49: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, empalme Ro Maipo, operacin en horario punta....................................................................................................................................... 69 Figura 50: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, barra de carga, operacin en horario punta ... 70 Figura 51: Perfil de tensin, cortocircuito trifsico, barra de carga, operacin en modo isla......... 71 Figura 52: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, inicio alimentador, operacin en horario fuera de punta .................................................................................................................................. 75 Figura 53: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, empalme Ro Maipo, operacin en horario fuera de punta ......................................................................................................................... 77 Figura 54: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, barra de carga, operacin en horario fuera de punta....................................................................................................................................... 78 Figura 55: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, inicio alimentador, operacin en horario punta ................................................................................................................................................ 79 Figura 56: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, empalme Ro Maipo, operacin en horario punta....................................................................................................................................... 80 Figura 57: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, barra de carga, operacin en horario punta .. 81 Figura 58: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, barra de carga, operacin en modo isla ........ 82 Figura 59: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, inicio alimentador, planta cogeneracin fuera de servicio. ............................................................................................................................. 83 Figura 60: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, empalme Ro Maipo, planta cogeneracin fuera de servicio .............................................................................................................................. 84 Figura 61: Perfil de tensin, cortocircuito bifsico, barra de carga, planta cogeneracin fuera de servicio. .................................................................................................................................. 85 Figura 62: Tensin en barras, desconexin de la red de 110kV en 0 seg ....................................... 87 Figura 63: Corriente generadores, desconexin de la red de 110kV en 0 seg ................................ 87 Figura 64: Tiempos de operacin protecciones, desconexin red 110 kV en 0 segundos .............. 88 Figura 65: Oscilopertubografa en el interruptor 52M, da lunes 11 de julio de 2005.................... 89 Figura 66: Conexin componentes simtricas para falla monofsica al inicio del alimentador ..... 90

iv

1. INTRODUCCIN1.1. MOTIVACINEl sostenido crecimiento de la poblacin humana y el desarrollo industrial a nivel mundial, han generado una demanda creciente de energa, elctrica y trmica. De hecho para el ao 2025 se estima un consumo de 23.072 Billones dekWh, casi el doble de lo que se consume actualmente (aprox. 13.29 Billones dekWh) [1]. Para poder abastecer esta gran cantidad de energa, ser necesario implementar nuevas y mejores estrategias de abastecimiento energtico. Por otro lado, las reservas de combustibles fsiles extrables, dgase Petrleo, Gas Natural y Carbn, no son infinitas, por lo que es necesario encontrar otras fuentes primarias de energa y/o generar tcnicas y tecnologas que permitan un aprovechamiento ms eficiente de los combustibles disponibles. Asimismo, para que la vida sobre la tierra pueda seguir siendo tal como la conocemos, y las distintas especies puedan habitarla, es necesario poner especial nfasis en lograr soluciones que tengan el menor impacto ambiental posible. La utilizacin de combustibles fsiles es la primera fuente de emisiones de CO2 y de otros gases contaminantes. En el mundo un 65% de la electricidad se genera a partir de combustibles fsiles, 16% a partir de Energa Nuclear y solo un 19 % se genera a partir de recursos renovables [1], en consecuencia, la generacin de electricidad es uno de los procesos ms contaminantes a nivel mundial. De este anlisis se concluye la necesidad de buscar mtodos alternativos de generacin limpia de electricidad, como lo son la energa Hidrulica y la Elica, y tecnologas que utilicen eficientemente los combustibles fsiles, como la Cogeneracin, para poder reducir las emisiones por unidad de energa generada. Por cogeneracin se entiende la produccin de energa elctrica y energa trmica mediante un mismo proceso de generacin [2]. Existen dos formas tpicas de cogeneracin, aquella en la que se opera segn demanda trmica, en que la electricidad es el subproducto, y aquella en la que se opera segn demanda elctrica, en la cual el calor en forma de vapor o agua caliente es el subproducto.

1

En general las plantas de cogeneracin corresponden tambin a lo que se denomina Generacin Distribuida. La Generacin Distribuida (DG) se puede definir como el uso integrado de unidades de generacin pequeas conectadas a un sistema de distribucin elctrica o al interior de las instalaciones de un cliente [3]. La generacin distribuida se esta dando como una nueva opcin de generacin debido a la liberalizacin de los mercados elctricos y a las nuevas tecnologas de generacin, que permiten cogeneracin y explotacin de recursos renovables como el viento. La apertura y descentralizacin de los mercados energticos, permiten que los pequeos generadores puedan vender sus excedentes de produccin a las empresas de distribucin, haciendo que esta opcin sea econmicamente viable. En Chile, la cogeneracin es un tema relativamente nuevo, con un nmero reducido de plantas en operacin. Una de estas plantas, de propiedad de la empresa Metrogas S.A., est instalada en la planta de San Bernardo de Watts Alimentos S.A. Esta planta de cogeneracin utiliza como combustible primario Gas Natural y opera bajo la consigna de abastecer la demanda elctrica, entregando vapor de agua como producto secundario. Esta instalacin es una planta totalmente innovadora en lo que se refiere a tcnicas de generacin distribuida y cogeneracin en el pas. Debido a esto, la empresa Metrogas est interesada en generar un modelo elctrico de la planta para poder analizar el comportamiento de sta frente a perturbaciones elctricas en la red de distribucin en media tensin. La planta de cogeneracin instalada en Watts Alimentos, est en operacin desde principios del ao 2005. Durante el periodo comprendido entre enero de 2005 y julio de 2005 se han presentado varas contingencias, tanto al interior de la planta como en la red de distribucin, que han obligado a una o ms protecciones a actuar.

1.2. ALCANCEEl presente trabajo se focaliza en lograr un modelo elctrico de simulacin esttica y dinmica de la planta de cogeneracin instalada por Metrogas S.A. en las dependencias de Watts Alimentos Ltda., con el fin de realizar un anlisis acabado del comportamiento de la planta frente a un nmero acotado de perturbaciones elctricas.

2

El modelo est acotado al del equipamiento existente en la planta de cogeneracin instalada por Metrogas S.A. en la planta de Watts Alimentos ubicada en la comuna de San Bernardo [4]. A partir de los registros de fallas de la planta durante su primera fase deoperacin, se busca validar el modelo obtenido. Para probar e implementar la modelacin, se utiliz el software Power Factory 13.1 (B256) de DIgSILENT, disponible en su versin estudiantil en el Departamento de Ing. Elctrica de la Universidad de Chile.

1.3. OBJETIVOS1.3.1. Objetivo General El objetivo general de este trabajo es el de contribuir al proceso de integracin de unidades de generacin distribuida de cogeneracin en redes de distribucin elctrica a travs del estudio de su comportamiento elctrico desde las perspectivas estacionarias y dinmica. . 1.3.2 Objetivos Especficos En este trabajo se definen los siguientes objetivos especificos: Adquirir una visin del estado del arte en modelos de representacin de unidades de cogeneracin y su respectiva simulacin estacionaria y dinmica. Disponer de un modelo de representacin de la planta de cogeneracin, instalada por Metrogas en Watts Alimentos S.A., suficiente para el estudio estacionario y dinmico de su comportamiento. Disponer, a travs de un proceso de validacin y estudio de casos, de un diagnstico de los elementos crticos a ser considerados en los estudios de interconexin de unidades de cogeneracin a la red.

3

1.4. ESTRUCTURA GENERALEn los primeros captulos del documento se revisan las definiciones y estado del arte de la cogeneracin tanto a nivel mundial como nacional. Se describen tambin las caractersticas tcnicas relevantes de la interconexin de unidades de cogeneracin a las redes de distribucin en media tensin. En el captulo 3 se describe en forma detallada el modelo de la planta de cogeneracin, cubriendo cada uno de sus componentes: generadores, lneas de transmisin, transformadores, etc. A su vez, se realiza un modelo de la red de distribucin a la cual se conecta la planta. En el captulo 4 se simula y valida el modelo descrito en el captulo 3, se describen los escenarios de estudio y se realizan simulaciones para algunos casos de contingencia. En el ltimo captulo se exponen las conclusiones del trabajo, recomendaciones y desafos futuros.

4

2. INTRODUCCIN A LA COGENERACIN2.1. ACERCA DE LA COGENERACINLa forma convencional de cubrir las necesidades de electricidad y calor es comprando la electricidad a las empresas distribuidoras y generar el calor mediante combustin, ya sea de combustibles lquidos o slidos, en una caldera u horno. Sin embargo, una disminucin considerable del consumo de combustible se logra utilizando la tcnica de cogeneracin, conocida tambin como CHP por la sigla en ingls Combined Heat and Power. Cogeneracin es la produccin secuencial de dos o ms formas tiles de energa a partir de una misma fuente de combustible primario [2]. Las dos formas ms usuales de energa til generadas son la energa mecnica y la energa trmica. La energa mecnica es habitualmente utilizada para accionar un generador elctrico. Basado en este antecedente, en la literatura se encuentra la siguiente definicin de cogeneracin:

Cogeneracin es la produccin de energa elctrica y trmica a partir de una misma fuente de combustible primario [2]. Durante la operacin de las plantas termoelctricas convencionales, grandes cantidades de energa son traspasadas a la atmsfera, a travs de los circuitos de enfriamiento de las mquinas o de los gases de escape. La mayor parte de esta energa calrica desechada puede ser recuperada y utilizada para cubrir necesidades trmicas, incrementando la eficiencia total del ciclo de 30-50% tpica de una planta termoelctrica a 80-90% de los sistemas de cogeneracin.

2.2. COGENERACIN COMO GENERACIN DISTRIBUIDANo existe una definicin rigurosa del concepto Generacin Distribuida. Sin embargo ste se refiere a la Generacin de Energa Elctrica mediante instalaciones mucho ms pequeas que las grandes centrales convencionales y situadas cerca de las instalaciones que consumen esta Energa Elctrica [5].

5

Segn la definicin del Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), una de las ms conocidas; La Generacin Elctrica Distribuida (DG): es la generacin de electricidad mediante instalaciones que son suficientemente pequeas en relacin con las grandes centrales de generacin, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema elctrico" [5]. Tericamente, cualquier tecnologa de generacin podra ser usada para la (DG), turbinas elicas, turbinas hidrulicas, motores de combustin interna, turbinas de gas, celdas fotovoltaicas, celdas de combustible, etc., pero en la prctica, slo aquellas que disponen de alta eficiencia son viables econmicamente. Debido a que las plantas de cogeneracin en general satisfacen requerimientos de calor a una actividad industrial, es necesario que stas estn ubicadas muy cerca de donde el calor ser consumido. Adems, son muchas las ocasiones en que la generacin de electricidad no supera los 9 MW, limite impuesto por la Ley General de Servicios Elctricos para poder ser catalogado como generador distribuido. As, cumpliendo con estas caractersticas, son muchas las plantas de cogeneracin que caen dentro de la definicin de generacin distribuida. La generacin distribuida posee elementos que la hacen muy atractiva desde el punto de vista de calidad de suministro de los sistemas elctricos y de disminucin de prdidas en transmisin. Dado que las plantas de generacin distribuida se conectan en su mayora a las redes de media tensin y son muy cercanas a los consumos, las prdidas hmicas asociadas a los grandes sistemas de transmisin se reducen considerablemente. Adems, la generacin puede aportar reactivos al sistema, alivianando la carga reactiva a las grandes centrales y haciendo el sistema ms estable desde el punto de vista de regulacin de tensin.

2.3. TECNOLOGAS DE COGENERACINLa cogeneracin es una tcnica que se utiliza desde principios de siglo XX en Estados Unidos y Europa, por lo que ha tenido suficiente tiempo como para evolucionar a las tecnologas eficientes que se utilizan hoy en da. Los sistemas de cogeneracin ms utilizados hoy en da se basan en motores de combustin interna, turbinas a gas y turbinas a vapor. Sin embargo, gracias a los avances de la tecnologa, estn integrndose con mucha fuerza al mercado sistemas de cogeneracin basados en microturbinas a gas y celdas de combustible. Dependiendo de los

6

requerimientos de energa elctrica y trmica que tenga un determinado proceso, se elegir la tecnologa ms adecuada. Si las potencias elctricas son relativamente pequeas se preferir emplear sistemas de motores de combustin interna o si los costos de inversin lo permiten, microturbinas y celdas de combustible, pero si los requerimientos de potencia elctrica son mayores, los sistemas de turbinas de vapor o de gas son ms adecuados. Las plantas de cogeneracin consisten bsicamente en 4 elementos: Mquina motriz (Motor, turbina, etc.), Generador elctrico, Sistema de recuperacin de calor, Sistema de Control.

Generalmente las unidades de cogeneracin son clasificadas segn el tipo de mquina motriz, generador y energtico (combustible) utilizado. A continuacin, se examinarn las principales tecnologas disponibles. La Tabla 1 resume las principales tecnologas con su rango de tamao tpico, ndice de calor a potencia (heat to power ratio) y eficiencia.

Tabla 1: Sistemas de Cogeneracin Tpicos [2] Rango de Mquina Motriz Turbina a Vapor Turbina a gas Ciclo Combinado Turbina a Gas Ciclo abierto Motor de Explosin Potencia [MWe] 0.5-500 3-300 0.25-50 ndice Calor Eficiencia Eficiencia a Potencia 3:1 10:1 1:1 3:1* 1.5:1 5:1* 0.5:1 3:1* 1:1 3:1 Elctrica 7 20% 35 55% 25 42% 35 45% 25 43% General Hasta 80% 73 90% 65 87% 65 90% 70 92%

Motor de Compresin 0.2-20 0.003-6

* Los ndices de calor a potencia ms altos son logrados mediante incineracin adicional.

7

2.3.1. Turbinas de vapor La energa mecnica que mueve al generador es producida mediante la expansin, a travs de una turbina del vapor a alta presin producido en una caldera. La potencia elctrica producida depende de cunto puede ser reducida la presin del vapor a travs de la turbina antes de ser requerido para satisfacer las necesidades de calor. A la salida de la turbina se obtiene vapor de media y baja presin. Generalmente el vapor de media presin se utiliza directamente en procesos industriales cercanos a la planta, debido a su mejor calidad trmica. El vapor de baja presin en la mayora de los sistemas es retroalimentado al sistema en forma de agua empleando un condensador. En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques del proceso de cogeneracin mediante turbina a vapor. Los ciclos de vapor producen una gran cantidad de energa calrica comparada con la energa elctrica producida, resultando en instalaciones de alto costo en $/kW, debido a que aproximadamente un 70% del calor disponible a la entrada se conserva a la salida. Sin embargo, debido a esta gran cantidad de calor residual del proceso, esta tecnologa se aplica en procesos industriales con altos requerimientos de vapor. Adems, la posibilidad de utilizar en las calderas combustibles a partir de desechos, como por ejemplo licor negro o desechos forestales, hacen que esta tecnologa sea muy utilizada en la industria papelera. [2]

Vapor TurbinaCombustible

Caldera

Potencia de Salida

Bomba

Recuperador de calor Energa Trmica

Figura 1: Cogeneracin con turbina a vapor

8

2.3.2. Turbinas de gas En la turbina a gas, la combustin se realiza en una cmara de combustin utilizando una mezcla de gas y aire, este ltimo es provisto por un compresor. Los gases obtenidos de la combustin, que estn a muy alta temperatura y presin son utilizados para accionar una turbina conectada mecnicamente con el generador. La energa residual del proceso, en forma de gases de escape a altas temperaturas es usada para satisfacer las demandas de calor del sitio. Ver Figura 2. Las turbinas a gas operan bajo condiciones muy exactas de alta velocidad y alta temperatura, por lo que los gases que se le inyectan a la turbina deben estar libres de impurezas y deben contener una mnima cantidad de contaminantes que pueden producir corrosin no deseada bajo condiciones de operacin normal. Debido a esto las turbinas a gas utilizan principalmente combustibles de alta calidad como por ejemplo el gas natural. Sin embargo, gases producidos en el proceso de destilacin del petrleo, tales como el gas oil pueden ser utilizados. Asimismo se puede utilizar biogs y gases de desecho, siempre y cuando su poder calorfico sea lo suficientemente alto y constante. Adems en esos casos puede ser necesaria la utilizacin de filtros. Los gases de escape de la turbina se encuentran en un rango de temperatura de 450C a 55C, por lo que la turbina a gas es una tecnologa muy apropiada para demandas de calor de alto grado. La planta consume de tres a cuatro veces ms aire del requerido para suplir de oxgeno a la combustin. Este exceso de aire es necesario para asegurar que no exista calentamiento excesivo de la mquina durante el proceso. Sin embargo esto significa tambin que los gases de escape tienen un alto contenido de oxgeno, por lo que pueden ser utilizados como propulsor de otros procesos de combustin. Debido a que el rendimiento de las turbinas a gas es proporcional a su potencia instalada, la aplicacin de esta tecnologa de cogeneracin est limitada para plantas mayores a 1MW de potencia elctrica [2].

9

Compresor de alta presin Combustible Aire

Cmara de combustin

Gases de escape, Van a intercambiadores de calor o post combustin

Caja de CambiosCompresor de baja presin Medio refrigerante

GeneradorTurbina

Intercambiador de calor

Figura 2: Cogeneracin utilizando turbina a gas.

Esta tecnologa de cogeneracin se aplica tpicamente en los siguientes procesos [2]: a) Procesos de secado directo. El flujo directo de gases a alta temperatura es apropiado para procesos en los cuales el contacto directo con los gases de escape est permitido. As se pueden lograr tericamente las eficiencias ms altas, producto de la utilizacin directa de los gases de escape. b) Produccin de vapor a media o baja presin (8 a 18 bar), mediante un recuperador de calor en una caldera. c) Generacin de agua caliente a alta temperatura, para aplicaciones en las que los requerimientos de agua caliente son sobre 140C. d) Cuando interesa aumentar el rendimiento energtico de la instalacin, puede utilizarse un ciclo combinado. En este caso, los gases de escape se utilizan en una caldera para producir vapor de alta presin que luego es inyectado a una turbina de vapor acoplada a otro generador.

10

2.3.3. Motores de Combustin Interna Los motores de combustin interna utilizados en cogeneracin operan bajo los mismos principios que los motores diesel y a gasolina utilizados en la industria automotriz. Una mezcla de combustible (petrleo, gasolina o gas de algn tipo) y aire es comprimida y luego encendida en una cmara de combustin, la explosin producida expande la mezcla produciendo trabajo mecnico al desplazar un pistn en un cilindro. En general los motores de combustin interna utilizados en cogeneracin son los denominados motores de cuatro tiempos debido a que el ciclo del motor se completa en cuatro tiempos o etapas, admisin, compresin, explosin y escape (ver Figura 3). La combustin de los gases, que se realiza en el interior del motor, genera calor en forma de gases de escape a altas temperaturas y a travs de los circuitos de enfriamiento del motor. En general los gases de escape se utilizan para procesos de secado o para alimentar calderas de vapor. El calor extrado a travs de los circuitos de refrigeracin se utiliza como fuente de agua caliente en un rango de temperaturas de 90C a 150C.

1. Admisin

2. Compresin

3. Fuerza

4. Escape

Figura 3: Ciclo de motor de combustin interna de cuatro tiempos

Los motores de combustin interna se adaptan fcilmente a las variaciones que se puedan producir en la demanda de potencia. Responden de manera rpida a estas variaciones, sin que esto se transforme en un gran aumento del consumo de combustible ni en una reduccin significativa del rendimiento de la planta. Adems, debido a la posibilidad de utilizar varias unidades se consigue una excelente flexibilidad para poder satisfacer las demandas de potencia de los clientes y una mayor facilidad de mantenimiento.

11

Tpicamente los motores de combustin interna se utilizan en las siguientes aplicaciones [2]: a) Produccin de vapor utilizando la salida de los gases de escape y separadamente produccin de agua caliente a 90-130C utilizando el sistema de enfriamiento del motor. b) Produccin de agua caliente a ms de 150C, lo que se logra sobrecalentando el agua de la salida del circuito de refrigeracin mediante los gases de escape. c) Procesos de secado en que no importa que el producto est en contacto directo con los gases de escape a altas temperaturas, como por ejemplo cermicas.

d) Utilizacin de intercambiadores de calor para extraer el calor de los gases de escape ycalentar aire o agua.

Intercambiador de calor Gases de escape Vapor / Agua caliente Gases de escape Gas Natural Aire Vlvula entrada

Intercambiadores de calor Circuitos de enfriamiento Agua fra

Chispa Vlvula salida

Turbo cargador

Pistn Cigeal Corriente elctrica Generador

Figura 4: Cogeneracin utilizando motores de combustin interna

2.3.4. Microturbinas Las microturbinas difieren substancialmente de la mayora de los mtodos tradicionales de generacin de energa elctrica usados en la industria, con emisiones sumamente bajas, y que resultan particularmente tiles en muchsimas aplicaciones industriales y comerciales. Una microturbina es esencialmente una planta de generacin en miniatura, autocontenida, que genera

12

energa elctrica y calorfica en rangos desde 30kW hasta 1.2MW en paquetes mltiples. Tiene una sola parte mvil, sin cajas de engranajes, bombas u otros subsistemas, y no utiliza lubricantes, aceites o lquidos refrigerantes. Ver Figura 6. El principio fundamental de funcionamiento de las microturbinas es el mismo que el de las turbinas a gas, o sea, se hace circular una mezcla de aire y gas a alta presin por una turbina. Estas unidades operan a altsimas velocidades (entre 45.000 y 100.000 revoluciones por minuto) , por lo que es necesario equipos de electrnica de potencia como variadores de frecuencia para adaptar la energa elctrica generada a los requerimientos locales. Estos equipos pueden utilizar varios tipos de combustibles, tanto lquidos como gaseosos, incluyendo gas metano y gases de bajo poder calorfico (tan bajo como 4500 Kcal/m3) emanados de digestores de rellenos sanitarios. Uno de los usos ms prcticos y eficientes de la microturbina es en el contexto de la cogeneracin. Utilizando ambas formas de energa simultneamente, energa elctrica y calor, permite maximizar el uso del combustible con eficiencias generales del sistema entre 70-80%. Empresas comerciales, pequeas industrias, hoteles, restaurantes, clnicas, centros de salud, y una multitud de otras aplicaciones pueden combinar sus necesidades de electricidad y energa trmica mediante el uso de microturbinas como sistemas de cogeneracin, lo que anteriormente era difcil de lograr [6].

Figura 5: Microturbina Capstone

13

Energa trmica Recuperador de calor Escape Agua/Aire a baja temperatura

Compresor de Combustible (Si es necesario)Gas natural

ElectricidadRectificador / Inversor

Cmara de combustin

Compresor

Microturbina Generador

Aire

Figura 6: Cogeneracin utilizando microturbina

2.3.5. Celdas de Combustible Las celdas de combustible son una aproximacin totalmente diferente a la generacin de energa elctrica. Estas unidades operan en forma similar a un acumulador elctrico comn. Mediante combinacin electroqumica de hidrgeno (H2) y del oxgeno (O2) se genera electricidad. Arreglos de celdas de combustible disponibles y en desarrollo, son silenciosas, no producen contaminantes, no tienen partes mviles y logran eficiencias elctricas superiores a las ms avanzadas tecnologas de generacin basadas en motores de combustin interna y turbinas a gas. En la Figura 7 se muestra un diagrama de la utilizacin de celdas de combustible como sistema de cogeneracin [7]. El combustible hidrgeno es alimentado al "nodo" de la Celda de Combustible. El oxgeno (del aire) entra a la celda de combustible a travs del ctodo. Estimulado por un catalizador, el tomo de hidrgeno se separa en un protn y un electrn, los cuales toman diferentes caminos hacia el ctodo. El protn pasa a travs del electrolito. Los electrones crean una corriente separada que puede ser utilizada antes de que regresen al ctodo, para reunirse nuevamente con el hidrgeno y el oxgeno en una molcula de agua [8].

14

Vapor nodo Escape Procesador De Combustible Combustible Electrones Inversor

Energa Trmica (vapor agua caliente) Agua/Vapor

H2

Electrolito

Aire/O2

Ctodo

Corriente Alterna

Figura 7: Cogeneracin utilizando celdas de combustible

Un sistema de celda de combustible que incluye un procesador de combustible puede usar el hidrgeno contenido en cualquier combustible hidrocarburo desde gas natural hasta metanol, e incluso gasolina. Como la celda de combustible depende de la qumica y no hay proceso de combustin, las emisiones de un sistema de este tipo seran mucho menores que los procesos de combustin de combustibles ms limpios. El hidrgeno utilizado por la celda puede ser obtenido de variadas fuentes, pero el mtodo ms econmico es extraerlo de gases y combustibles ricos en hidrgeno como el gas natural y combustibles lquidos. Existen varios materiales slidos y lquidos que pueden ser utilizados como electrolitos, pero los ms comunes son cido Fosfrico (PA), Carbonato Fundido (MC), xido Slido (SO) y Membrana de Intercambio Protnico (PEM), siendo las celdas que utilizan cido fosfrico las ms empleadas actualmente en aplicaciones estacionarias.

15

A partir del electrolito utilizado se definen los siguientes tipos de celdas de combustibles [8]: a) Celda de Combustible de cido Fosfrico (PAFC): Las PAFCs generan electricidad con ms de 40% de eficiencia y cerca del 85% del vapor que estas generan es usado para cogeneracin. La temperatura de operacin se encuentra en el rango de 150 200C. Una de las principales ventajas de este tipo de celda de combustible adems de su eficiencia cercana al 85% en cogeneracin, es que puede utilizar hidrgeno poco puro como combustible. La PAFC es la tecnologa de celda de combustible ms madura. Las PAFCs existentes tienen salidas de hasta 200kW y unidades de 1 MW han sido probadas. b) Membrana de Intercambio Protnico (PEM). Estas celdas operan a temperaturas relativamente bajas, cerca de 80C, tienen alta densidad de potencia y pueden variar rpidamente su salida de potencia para atender cambios en la demanda de potencia. La membrana de intercambio protnico es una hoja de plstico delgado que permite que iones de hidrgeno pasen a travs de ella. El electrolito slido tiene la ventaja de reducir la corrosin y otros problemas de funcionamiento. Este tipo de celda de combustible es, sin embargo, sensible a impurezas presentes en el combustible. La salida de la celda generalmente est en el rango de 50kW a 250kW. c) Carbonatos Fundidos (MCFC). Estas celdas de combustible usan una solucin lquida de carbonatos de litio, sodio y/o de potasio, embebidos en una matriz para formar un electrolito. Estas celdas prometen altas eficiencias de conversin de combustible a electricidad, cerca del 60% normalmente 85% con cogeneracin, y operan a unos 650C. La alta temperatura de operacin es necesaria para alcanzar una suficiente conductividad del electrolito. Se han probado MCFCs de 10kW hasta 2 MW usando una variedad de combustibles y estn dirigidas principalmente a aplicaciones de generacin de potencia estacionaria. d) Celda de Combustible de xido Slido (SOFC). La SOFC podra ser utilizada en grandes aplicaciones de alta potencia, industrial y estaciones centrales de generacin de electricidad a gran escala. Un sistema de xido slido generalmente utiliza un material cermico de xido de zirconio slido y una pequea cantidad de itria, en lugar de un electrolito lquido, permitiendo que las temperaturas de operacin alcancen altas

16

temperaturas. Las eficiencias de operacin podran alcanzar el 60% y 85% con cogeneracin y la salida de la celda hasta 100 MW. e) Celda Alcalina: Estas celdas, usadas durante mucho tiempo por la NASA, pueden alcanzar eficiencias de generacin de potencia de hasta 70%. Su temperatura de operacin es de 150 a 200C. Utilizan una solucin acuosa alcalina de hidrxido de potasio embebida en una matriz como electrolito. Esto es ventajoso pues la reaccin del ctodo es ms rpida en un electrolito alcalino, lo que significa mayor desempeo. Tpicamente tienen una salida de celda de 300W a 5kW.

2.4. COGENERACIN EN CHILE2.4.1. Normativa Vigente La normativa vigente respecto a la cogeneracin a pequea escala, es la ley N19.940, conocida como la Ley Corta. Esta ley no define explcitamente el trmino cogeneracin. Sin embargo, la ley menciona el trmino como posible fuente de generacin de energa elctrica no convencional. A continuacin se realiza un resumen de las consideraciones de la ley respecto de los proyectos de generacin que tengan inyecciones de potencia a la red menores de 9MW. i) Segn el artculo 71-7, las fuentes de generacin de energa elctrica no convencionales, cuyos excedentes de potencia elctrica sean menores a 9MW, no deben pagar peajes al sistema de transmisin troncal, esto siempre y cuando la suma de las potencias elctricas de las unidades de generacin distribuida no supere el 5% de la capacidad instalada del sistema. En este caso se pagar al sistema de transmisin troncal, un peaje proporcional al exceso de ese 5%. No obstante, los peajes correspondientes a sub-transmisin y distribucin, debern ser pagados como cualquier central convencional, segn lo estipulado en la ley y el reglamento posterior definitivo. ii) Artculo 71-43: Los concesionarios de servicio pblico de distribucin de electricidad estarn obligados a prestar el servicio de transporte, permitiendo acceso a sus instalaciones de distribucin, tales como lneas area y subterrneas, subestaciones y obras anexas, para que terceros den suministro a usuarios no sometidos a regulacin de precios ubicados dentro de la zona de concesin

17

iii) La ley estipula que los clientes con demandas de potencia elctrica superior a 500kW, tienen la libertad de optar por un precio regulado o libre. iv) Se autoriza la remuneracin por potencia a generadoras de electricidad para unidades menores a 9 MW. Se desprende del anlisis de la legislacin vigente, que los pequeos generadores, dgase generadores de menos de 20MW y con excedentes menores a 9MW, se encuentran en una posicin que no los beneficia ni tampoco los perjudica. El hecho de que se haya disminuido la potencia de cliente libre de 2000kW a 500kW, implica que los pequeos generadores podrn tener contratos bilaterales con un nmero mayor de clientes. Sin embargo, estas empresas generadoras tendrn que pagar peajes de distribucin. Por otra parte, la ley establece la obligatoriedad de las empresas distribuidoras de comprar los excedentes de produccin de los pequeos generadores que se conecten a sus redes a el precio de nudo establecido en la ultima fijacin de precios vigentes, siempre y cuando la energa suministrada por los medios de generacin referidos en el articulo 71-7, no supere el 5% del total de demanda destinada a clientes regulados.

2.4.2. Unidades en operacin En Chile, la cogeneracin como tecnologa de generacin de energa elctrica, corresponde aproximadamente a un 2,6% de la capacidad instalada del pas [9]. Sin embargo, se utiliza slo a gran escala, es decir sobre los 9 MW. Esto se debe principalmente a la falta de una legislacin clara en cuanto a la participacin de los pequeos generadores en el mercado elctrico nacional. Actualmente se estn realizando esfuerzos para revertir esta situacin y posicionar a las tecnologas de generacin no convencionales como una opcin econmica de generacin de energa elctrica. En la Tabla 2, se muestran las unidades de cogeneracin que actualmente operan en Chile.

18

Tabla 2: Plantas de cogeneracin en Chile [10].Nombre Propietario Energtico Potencia Instalada MW

Arauco Celco Cholgun Valdivia Licantn Itata Laja Constitucin Petropower

Arauco Generacin S.A. Arauco Generacin S.A.. Arauco Generacin S.A.. Arauco Generacin S.A. Arauco Generacin S.A. Arauco Generacin S.A. Energa Verde S.A. Energa Verde S.A. Petropower S.A.

vapor-licor negro vapor-licor negro vapor-desechos forestales vapor-desechos forestales vapor-desechos forestales vapor-desechos forestales vapor-desechos forestales vapor-desechos forestales derivado del petrleo

33,0 20,0 9,0 61,0 5,5 13,0 8,7 8,7 75,0

Estas instalaciones suman un total de 115,9 MW, que corresponden al 2.93% de la capacidad total instalada del Sistema Interconectado Central (SIC). Adems de estas instalaciones, existen al menos tres plantas cogeneradoras que no forman parte del SIC, esto debido a que no tienen excedentes de produccin o a que estn conectadas a las redes de distribucin de media tensin. Estas son la planta de cogeneracin de 3MW ubicada en Watts alimentos S.A. que es propiedad de la empresa Metrogas S.A., una planta de Nestl S.A. ubicada en Graneros y la planta de Tapihue en Casablanca. Las tres utilizan como combustible primario gas natural y participan en el mercado de los bonos de carbono.

19

3. MODELO ELCTRICO PLANTA DE COGENERACIN

3.1. INTRODUCCINEl modelo elctrico de la planta de cogeneracin, se realiz utilizando el software Power Factory 13.1 (B256) de DIgSILENT Ghmb. Este es un software especializado para la simulacin de sistemas de potencia. A partir de los planos de la planta, las hojas de datos de los motores, las pruebas de los transformadores, ajuste de protecciones, manuales y datos constructivos asociados a la operacin de la planta, se ha desarrollado el modelo de representacin de la planta descrita en la siguiente seccin.

3.2. MODELO GENERAL DE LA PLANTA DE COGENERACINLa planta est constituida por dos grupos generadores marca Caterpillar uno de 1950kW y el otro de 1020kW. Estos generadores estn conectados a los respectivos transformadores elevadores, que a su vez se conectan a la barra de distribucin de carga. Esta barra, es la principal del sistema, pues aqu empalman la red de distribucin de la empresa Ro Maipo y los pequeos generadores. Esta barra se conecta a travs de conductores subterrneos a los consumos de Watts Alimentos, que se subdividen en dos consumos base, uno de 1500kW y otro de 800kW, y en dos consumos de plantas de electrlisis, de 500kW y de 2200kW, para en total sumas 5000kW. En la Figura 8 se muestra un diagrama unilineal de la Planta de Cogeneracin.

3.3. MODELO

DE GENERADORES

Como se ve en la Figura 8, la planta de cogeneracin est compuesta por tres generadores, dos de ellos en operacin, G1 y G2, y uno de respaldo, G3. Los dos generadores en servicio corresponden a mquinas sincrnicas de polos salientes alimentadas mecnicamente por motores de combustin interna a gas natural. G1 corresponde al set generador CAT3520 de 1950kW y G2 al set CAT3516 de 1020kW. Respecto al generador de respaldo corresponde a una

20

mquina sincrnica de rotor cilndrico de 1100kW alimentada mecnicamente por un motor de combustin interna diesel. Las reactancias, constantes de tiempo y aceleracin de las unidades se encuentran en el Anexo A.

: 0,4kV : 12kV

Figura 8: Diagrama unilineal planta de cogeneracin

3.4. MODELO

DE

TRANSFORMADORES

Para efecto de modelacin de la planta de cogeneracin de Watts Alimentos, es necesario modelar transformadores de dos enrollados. Un transformador de dos enrollados corresponde a un elemento de red de dos puertas. El modelo equivalente monofsico, se muestra en la Figura 9 e incluye un modelo generalizado de cambiador de tap (fase y magnitud). Excepto por el control de taps, el modelo de secuencia positiva es vlido para secuencia negativa. En la Figura 10 se observa

21

el modelo equivalente de secuencia positiva y secuencia cero para transformadores con conexin Yd con el neutro aterrizado a tierra [11].

RHV

XHV

XLV

RLV

UHV

XM

ULV

Figura 9: Modelo monofsico transformador de dos enrollados

R+

X+

XeOH ReOH RO XO 3ReOH 3XeOH

Figura 10: Modelo secuencia positiva y secuencia cero, transformador de dos enrollados conexin Dy estrella aterrizada

El software calcula estos parmetros a partir de los resultados de las pruebas en vaco y de cortocircuito, que son hechas a todos los transformadores por los fabricantes. En particular, la planta cuenta con tres transformadores elevadores con conexin Yd11 con neutro aterrizado a tierra, uno de 2500kVA conectado al generador G1 y dos de 1500kVA conectados a los generadores G2 y G3, de los cuales se tiene los resultados de las pruebas en vaco

22

y cortocircuito (Anexo B). Adems, en el modelo general del alimentador se considera un transformador Yd11 con neutro aterrizado, que es el que conecta el alimentador La Divisa a la red de 110kV de la distribuidora Ro Maipo.

3.5. MODELO DE LNEAS DE TRANSMISINLas lneas de transmisin son modeladas por el software como un elemento de 2 compuertas, que interconecta dos barras de un sistema. El modelo implementado corresponde a la representacin (ver Figura 11), que es vlida para secuencia positiva, negativa y cero [11].

R

X

B

G

G

B

Figura 11: Modelo de lneas de transmisin

El modelado de las lneas, se puede dividir en dos secciones. La primera seccin corresponde al modelo de las lneas subterrneas que van del empalme de la distribuidora Ro Maipo hasta la planta de cogeneracin y de la planta a la subestacin de consumos. El segundo segmento corresponde a las lneas areas del alimentador. En el caso de las lneas subterrneas se utiliza conductor Madeco XAT 250 MCM para cada fase. Se utiliza doble circuito, cada uno en un ducto enterrado. Cada tramo es de 70 m de largo [4]. Con los datos constructivos del conductor y la geometra en la que estn dispuestos, se calculan los parmetros del conductor equivalente (Anexo C).

23

Para las lneas areas se tiene los largos de cada tramo y el tipo de conductor utilizado. Con estos datos, utilizando el software se calcularon los parmetros de cada tramo de lnea de distribucin del alimentador La Divisa (Anexo D)

3.6. MODELO DE CARGAS O CONSUMOSLas cargas se han modelado como consumos de potencia activa y/o reactiva fija en el tiempo, es decir, han sido modeladas como consumos equivalentes de potencia activa y reactiva, no dependientes del voltaje. En la Figura 12 se puede observar un diagrama del modelo de carga utilizado [11].

P

jQ

Figura 12: Modelo de carga

La carga que alimentar la planta de cogeneracin corresponde al consumo de Watts Alimentos. Este consumo se puede dividir en dos grupos, Carga Base de 2300kW y FP=0,93, y consumo de plantas de electrlisis de 2700kW y FP=0,93.

3.7. MODELO COMPENSACIN REACTIVAWatts Alimentos S.A. cuenta con bancos condensadores como equipos de compensacin reactiva. En total la planta cuenta con 1140kVAr conectados permanentemente y 1210kVar con conexin automtica. Los condensadores conectados permanentemente, estn incorporados al modelo de carga, pues la carga se fija con factor de potencia 0,93, que se obtiene mediante compensacin reactiva. Sin embargo, para mantener el factor de potencia en 0,93 0,94 en el empalme de Ro Maipo cuando la planta de cogeneracin est operativa, es necesario conectar ms condensadores, que corresponden a los compensadores con conexin automtica. En el

24

modelo de la planta, estos compensadores con conexin automtica han sido modelados como un condensador conectado a la barra de carga de la planta, a este condensador se le variar su capacidad dependiendo de cules sean los requerimientos de reactivos de la planta para mantener en un nivel aceptable el factor de potencia en el empalme de Ro Maipo.

3.8. MODELO DE SISTEMAS DE PROTECCIONESLa planta cuenta con protecciones de sobrecorriente de fase y residual, sobre y baja tensin y sobre y baja frecuencia. Estas protecciones estn divididas en forma natural en protecciones de generadores, interruptor 52G (segn numeracin NEMA) y protecciones de estacin, interruptor 52 M. La planta cuenta tambin con protecciones de sobrecorriente en baja tensin para proteger los generadores. Adems, para poder realizar un estudio completo de las protecciones de la planta se model el reconectador de la distribuidora Ro Maipo en el empalme con la planta Watts Alimentos S.A. En el caso de las protecciones de los generadores, en el lado de alta tensin de los transformadores se utilizan solamente protecciones de sobrecorriente de fase y residual. El equipo utilizado corresponde al rel Sepam 1000 serie 20, de Schneider Electric. Este equipo es alimentado por 3 transformadores de corriente conectados en estrella, de relacin 200/5 y por un transformador residual que mide 3xIo, de relacin 470/1. Por otro lado, las protecciones de baja tensin corresponden a interruptores MsterPact 3200, 4000 y 2500, para G1, G2 y G3 respectivamente, todos con rel Micrologic de 5A. La estacin est protegida por el rel Sepam 1000 serie 41, tambin de Schneider Electric. Este rel cuenta con unidades de sobrecorriente de fase y residual (50/51 y 50/51N), sobrecorriente residual direccional (67N), sobre tensin (59), baja tensin (27), sobre frecuencia (81H) y baja frecuencia (81L). El rel est alimentado por un banco de 3 transformadores de potencial de relacin de transformacin 1200/120 conectados en estrella, un banco de tres transformadores de corriente de relacin 400/5 conectados en estrella y un transformador de corriente residual de relacin 470/1 que mide 3xIo. Existe tambin una proteccin de sobrecorriente de fase y residual ubicada en el punto de conexin de Watts Alimentos a la red de Ro Maipo, en el lado de la distribuidora. Esta

25

proteccin es un reconectador Cooper Power FORM-3A, que da proteccin de sobrecorriente de fase y sobrecorriente residual.

3.8.1. Proteccin de sobrecorriente de fase y sobrecorriente residual.La proteccin de sobrecorriente de fase est modelada por 5 bloques principales, un transformador de corriente trifsico, un transductor o medidor de corriente, dos unidades de comparacin y una unidad lgica, como se muestra en la Figura 13. Las unidades de medida corresponden a una de tiempo definido y la otra a una unidad de tiempo-sobrecorriente, la cual tiene integrada distintas curvas de operacin. Su numeracin Nema es 50/51. El caso de la proteccin de sobrecorriente residual es idntico al modelo de sobrecorriente, pero el bloque correspondiente al transformador de corriente es monofsico. Ver Figura 14.

StartToc TripToc

0 1

iblock

0 1

Tiempo 0 Toc I>t Sobre RelToc 1 corriente

0

1

Unidad Logic RelLogic Lgica

yout

2

Transf. 0 Ct de 1 StaCt 2 Corriente

Ia Ib Ic

Measurement 1 de RelMeasure2

0

Unidad

Ia/Ib/Ic

Medida

Tiempo Ioc I>> Def. RelIoc I > Io

TripIoc

3

Figura 13: Diagrama de bloques proteccin de sobrecorriente de fase

26

StartToc TripToc

0 1

iblock

Sobre 1 RelToc 1 corriente

Tiempo 0 Toc I>t 0

0

1

Logic Unidad RelLogic Lgica

yout

2

Transf. Ct de StaCt Corriente

wInpr;wInpi

Measurement Unidad RelMeasure de

I0x3

Medida

Tiempo Ioc I>> RelIoc Def. I > Io

TripIoc

3

Figura 14: Diagrama de bloques proteccin de sobrecorriente residual

3.8.2. Proteccin direccional de sobrecorriente residualEste rel, 67N segn numeracin NEMA, est compuesto por 9 bloques. Dos corresponden a transformadores de corriente monofsicos, uno mide la corriente residual y el otro la corriente de polarizacin. Consta tambin de un transformador de potencial que mide la tensin residual, para efectos de determinar la direccin de la corriente. Cuenta con dos unidades de medida, siendo una de ellas la que mide la corriente de polarizacin y la otra mide la corriente y tensin residual. Tambin tiene un elemento que determina la direccin de la corriente a partir de la corriente residual, tensin residual y corriente de polarizacin. A continuacin, se tienen dos elementos de comparacion, uno instantneo y el otro de tiempo discreto. Las salidas de ambos comparadores entran luego en la unidad lgica, que entrega como resultado la seal de apertura de interruptor. Ver Figura 15.

Forward

Transf. Ct StaCt de Corriente Transf. Vt de StaVt* Potencial

wI0x3r;wI0x3i

0 0

Iabs I0x3

0 1 2

1

2

U0x3

Reverse

Unidad Measurement de 1 RelMeasure wU0x3r;wU0x3i Medida

Tiempo Ioc Def. RelIoc I > Io

y1

0

1

Unidad Logic RelLogdip Lgica

yout

Transf. Ctpol Corriente StaCt Pol.

Unidad Dir Dual 1 1 RelDir Direccional 2w Inpr.. Measure Ipol de RelMeasure

0

0

Unidad

Ipol

0

1 Ioc 2

Medida

Tiempo Def. Instantaneo IRelIoc > Io Intant.

Figura 15: Diagrama de bloques proteccin direccional de sobrecorriente residual

27

y2

3.8.3. Proteccin de baja y sobre tensinLas protecciones de baja y sobre tensin son relativamente simples. Estn compuestos por 5 bloques. El primero corresponde a un transformador de potencial trifsico. ste alimenta una unidad de medida que transforma las seales del transformador en unidades utilizables por los otros bloques. El bloque de medida tiene dos salidas, la frecuencia en Hz y el valor RMS de la tensin leda. Luego se tienen dos comparadores; uno compara la tensin RMS con un umbral dado en V o en p.u. y el otro compara la frecuencia con un umbral dado. Ambas seales de salida alimentan la unidad lgica de la proteccin que tiene como salida la seal de operacin de interruptor. Ver Figura 16.

Transf. 0 Vt de 1 StaVt* 2 Potencial

Ur_A;Ui_A Ur_B;Ui_B Ur_C;Ui_C

0

Measurement 1 de 1 RelFmeas*2Medida 2

Unidad

0

FeH z Uabs

Comp. F< RelFrq* Frec.y1

0

Logic Lgica RelLogic*1

Unidad

yout

Comp. U< RelUlim Tensin

y2

Figura 16: Diagrama de bloques proteccin de baja y sobre tensin

3.8.4. Proteccin de baja y sobre frecuenciaAl igual que la proteccin de sobre y baja tensin, la unidad de frecuencia es alimentada por un transformador trifsico de potencial que est conectado a una unidad de medida. Esta unidad de medida entrega el valor de la frecuencia en Hz y la pasa como entrada a dos unidades comparadoras de frecuencia. Una de las unidades de comparacin acta para diferencias de frecuencia pequeas en tiempos largos y la otra acta para diferencia de frecuencia grande en perodos de tiempo pequeos. Ambas salidas son mezcladas mediante un O (OR) lgico en la unidad lgica de la proteccin. Ver Figura 17.

28

Transf.0 Vt de 1 StaVt* 2 Potencial

Ur_A;Ui_A Ur_B;Ui_B Ur_C;Ui_C

0

Measurement 1 de 1 RelFmeas*2 2 Medida

Unidad0

Fhz

FeHz

Comp. F< Frec. RelFrq* F>>y10

Comp. F

Unidad Logic RelLogic* Lgicay21

yout

Figura 17: Diagrama de bloques proteccin de baja y sobre frecuencia

3.8.5. Ajuste de los sistemas de proteccinEn la El reconectador de Ro Maipo cuenta con proteccin de fase y residual. La proteccin de fase corresponde a una curva tipo B con corriente de operacin 400A y la proteccin residual utiliza una curva tipo 2 con corriente de operacin 70A. Ambas curvas estn completamente definidas por las Tablas E.1 y E.2 del Anexo E. El reconectador opera sin reconexiones.

Los ajustes de las protecciones de baja tensin estn dados en tablas I-t que definen una curva caracterstica para cada proteccin. En cada una de las protecciones de baja tensin, una para cada generador, se tienen 3 curvas (Anexo E). De la Figura 18 a la Figura 21 se puede observar los grficos tiemposobrecorriente para las protecciones de fase y residuales respectivamente. Cada grfico corresponde a la proteccin general de la planta, 52M, la proteccin de generador en media tensin 52G, las curvas del reconectador y las curvas de las protecciones de baja tensin para cada rama, es decir un grfico de sobrecorriente de fase y uno residual para la rama de G1 y lo mismo para la rama G2. Tabla 3 se observan las configuraciones de las protecciones de la planta, en particular lascorrientes de operacin de las unidades de sobrecorriente y las tensiones y frecuencias de

29

operacin de las unidades de tensin y frecuencia. Estos valores son los valores reales utilizados en la planta de cogeneracin. El reconectador de Ro Maipo cuenta con proteccin de fase y residual. La proteccin de fase corresponde a una curva tipo B con corriente de operacin 400A y la proteccin residual utiliza una curva tipo 2 con corriente de operacin 70A. Ambas curvas estn completamente definidas por las Tablas E.1 y E.2 del Anexo E. El reconectador opera sin reconexiones.

Los ajustes de las protecciones de baja tensin estn dados en tablas I-t que definen una curva caracterstica para cada proteccin. En cada una de las protecciones de baja tensin, una para cada generador, se tienen 3 curvas (Anexo E). De la Figura 18 a la Figura 21 se puede observar los grficos tiemposobrecorriente para las protecciones de fase y residuales respectivamente. Cada grfico corresponde a la proteccin general de la planta, 52M, la proteccin de generador en media tensin 52G, las curvas del reconectador y las curvas de las protecciones de baja tensin para cada rama, es decir un grfico de sobrecorriente de fase y uno residual para la rama de G1 y lo mismo para la rama G2. Tabla 3: Ajuste protecciones planta cogeneracin.Equipo Rel Proteccin 50/51 50/51N 52M Merlin Gerin Evolis 630A 17,5kV 25kA 67N Sepam 1000+s41 32P 27/27S 59 81H Curva tipo IEC-inverse DT IEC-very inverse DT DT Is(prim) [A] T [s] 360 0,1 1440 0,06 20 10 60 82,3 [kW] 90%Unp 85%Unp 110%Unp 51,5 [Hz] 1 1 0 1 15 0,1 0,1 1

30

81L U df/dt 50/51 Sepam 1000+s20 50/51N

52G(1,2,3) Merlin Gerin Evolis 630A 17,5kV 25kA

IEC-inverse DT IEC-very inverse DT

53[Hz] 48,5[Hz] 47[Hz] 90%Unp 1 [Hz/seg] 200 600 20 300

0,1 1 0,1

0,1 0,06 0,5 0,06

10000

[s]

100

50/51 G1 IEC 255-3 inverse 200.00 pri.A 0.10

ReconFase RM Reconectador fase RM 50/51 52M IEC 255-3 inverse 360.00 pri.A 0.10

BTG1min BTG1min1

BTG1 BTG1

50/51 52M 18.00 sec.A 0.06 s

BTG1max BTG1max0.01 12.00 kV 10 100 1000

50/51 G1 15.00 sec.A 0.06 sCub_2\BTG1 Cub_0.0\50/51 G1 Cub_2\ReconFase RM 10000 [pri.A] 100000

Cub_2\BTG1max Cub_2\BTG1min Cub_0.3\50/51 52M

Figura 18: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones de fase rama G1

31

DIgSILENT

10000

[s]

50/51N G1 IEC 255-3 extremly inverse 20.00 pri.A 0.50100

50/51N 52M IEC 255-3 extremly inverse 20.00 pri.A 1.00

ReconResidual RM Reconectador Residual RM1

67N 52M 0.02 sec.A 1.00 s

67N 52M 0.13 sec.A 0.02 s0.01 00 kV 1 Cub_0.0\50/51N G1 Cub_0.3\67N 52M 10 100 Cub_0.3\50/51N 52M Cub_2\ReconResidual RM 1000

50/51N G1 0.64 sec.A 0.08 s[pri.A] 10000

Figura 19: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones residuales rama G10000DIgSILENT

BTG2max BTG2max[s]

BTG2 BTG2

100

BTG2min BTG2min

ReconFase RM Reconectador fase RM

1

50/51 52M IEC 255-3 inverse 360.00 pri.A 0.10 50/51 G2 IEC 255-3 inverse 200.00 pri.A 0.10

50/51 G2 15.00 sec.A 0.06 s0.01 kV 10 Cub_2\BTG2 Cub_2\BTG2min Cub_0.3\50/51 52M 100 1000 Cub_2\BTG2max Cub_0.1\50/51 G2 Cub_2\ReconFase RM 10000

50/51 52M 18.00 sec.A 0.06 s[pri.A] 100000

Figura 20: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones de fase rama G2

32

DIgSILENT

10000

[s]

50/51N G2 IEC 255-3 extremly inverse 20.00 pri.A 0.50

100

50/51N 52M IEC 255-3 extremly inverse 20.00 pri.A 1.00 ReconResidual RM Reconectador Residual RM

1

67N 52M 0.02 sec.A 1.00 s

67N 52M 0.13 sec.A 0.02 s

50/51N G2 0.64 sec.A 0.08 s

0.01 2.00 kV 1

Cub_0.1\50/51N G2 Cub_0.3\67N 52M

10

100

Cub_0.3\50/51N 52M Cub_2\ReconResidual RM

1000

[pri.A]

10000

Figura 21: Diagrama tiempo sobrecorriente protecciones residuales rama G2 En la Figura 18 y la Figura 20, los grficos de sobrecorriente de fase estn referidos a media tensin. En este caso, las corrientes de fase por el lado de baja tensin son iguales a 30 veces la corriente de fase en media tensin, dado por la razn de transformacin de los transformadores. Se hace referencia a las protecciones de baja tensin en media tensin para poder realizar una buena coordinacin de las protecciones.

3.9. MODELO ALIMENTADOR RO MAIPOSe tiene un modelo del alimentador La Divisa, propiedad de la empresa distribuidora Ro Maipo. La informacin recopilada del alimentador corresponde al largo de los tramos de lnea y el tipo de conductor utilizado. Se tiene adems informacin acerca de los consumos a lo largo del alimentador, de la compensacin reactiva, niveles de cortocircuito y ajuste de los reconectadores (Anexo D). Con estos datos se ha construido un modelo del alimentador que considera los trazados y el material de las lneas, y las cargas a lo largo de l. Las cargas han sido dimensionadas y distribuidas a partir de los datos de los transformadores existentes en el alimentador.

33

DIgSILENT

Esta distribucin ha debido ser estimada y se puede considerar como la parte ms dbil del modelo, debido a que los datos son slo constructivos y no de operacin del alimentador. Sin embargo, para el anlisis que se realizar, el modelo del alimentador La Divisa es suficiente. En la Figura 22 se muestra el modelo del alimentador.

640 kVA General(6) Carga cos=0.95

Carga General(8)

835 kVA cos=0.95

T6

T6

Lnea(7)

Lnea(5)

T8Trayecto ..

T8

Carga Gen..

270 kVA cos=0.95

Trayecto ..

T5 T7

T5

Lnea(4)

T10T10Lnea(8) Carga Gen..

Compensac..

450 kVA cos=0.95

Carga Gen..

T7

Lnea(2)

T11

T11

1015 kVA cos=0.95Compensacin 1140kVar

Carga General(5)

625 kVA cos=0.95

355 kVA cos=0.95

T4

T4

Lnea(3)

Carga Gen..

CargaBase800kWLnea(9)

Carga Electrolizer 500kW

185 kVA cos=0.95

Carga Gen..

Lnea(1)

Empalme Ro Maipop. Rio Maipo

190 kVA cos=0.95Emp. Watts

Carga Base 1500kW

Carga Electrolizer 2200kW

T3

T3

Carga Gen..

185 kVA cos=0.95

Watts Alimentos (Planta Cogeneracin)Cable empalme-B12

Cable B12-empalme

T2

T2

Station1/B_PG

Carga Gen..

185 kVA cos=0.95

T1Trafo1 Trafo2 Trafo3

T1

Lnea

Carga General

: 12 kV : 110 kVG ~ G ~ G ~

Subestacin PanamericanaG1 G2 G3(respaldo)SIC(1)

185 kVA cos=0.95

Trafo

S/E Panamericana

Carga Gen..

185 kVA cos=0.95

Figura 22: Diagrama unilineal alimentador La Divisa

3.10. MODELO RED EXTERNALa red externa est definida como una barra infinita o un generador sincrnico de alta inercia. En otras palabras, todas las lneas y los transformadores del sistema en estudio se conectan

34

a un slo punto de la red externa (ver Figura 23). Para el clculo de flujos de potencia y cortocircuitos, la representacin puede ser aplicada siempre. En el caso de estudios de estabilidad transitoria, para que la red externa pueda ser considerada como una barra de potencia infinita, el sistema en estudio debe ser al menos 10 veces menor que la red externa [11].

35

Sistema en Estudio Psistema

Red Externa Pred>>Psistema

Figura 23: Modelo red externa

Para la representacin de redes externas en Power Factory, se deben considerar los siguientes criterios: Para clculos de flujo de potencia la red externa puede ser definida como PQ, PV o Slack, en este caso ha sido definida como Slack, La informacin bsica requiere la potencia de cortocircuito y el R/X ratio, Para simulaciones de transitorios y electromecnicas, las impedancias de secuencia negativa y cero deben ser dadas, Para estudios dinmicos, el software remplazar la red externa por un generador sincrnico con las siguientes especificaciones durante el clculo de condiciones iniciales: cos =0,8 ; TAG =99,0 Td = Tq =1,0 ; Td = Tq =0,1 x d = x q = 0,22 ; xd = xq = 0,2 xd = xq = 0,2 SGN = xd SK/1,1 ; RS = xd R/X X2 = xd Z2/ Z1 ; X2 = xd Z0/ Z1 R2 = xd Z2/ Z1 R/X ; R0 = xd Z0/ Z1 R/X Este modelo, dependiendo de la potencia de cortocircuito especificada puede ser utilizado para representar una barra infinita.

36

Para el caso particular del modelo, se ha modelado como red externa la red en 110kV de Ro Maipo a la que se conecta el alimentador La Divisa. Esta red se model a partir de los datos de cortocircuitos proporcionados por la distribuidora (Anexo D).

37

4. ESCENARIOS DE ESTUDIO Y SIMULACIN DE ESCENARIOS4.1. DEFINICIN ESCENARIOS DE ESTUDIOA partir de la operacin real de planta de cogeneracin de Metrogas, se definen 4 escenarios de operacin posibles de la planta. Estos escenarios dependen de las unidades generadoras, de la red externa de media tensin de Ro Maipo, de los escenarios de consumo (hora punta y no punta) y de las cargas conectadas a la planta. Adems, se definen 3 escenarios extras, que corresponden a la operacin del alimentador antes de la entrada en servicio de la planta de cogeneracin, es decir Ro Maipo entregando toda la potencia requerida por la planta en horario punta y no punta, y otro con la planta con los transformadores elevadores con conexin Dy11 con la estrella levantada de tierra.

4.1.1. Operacin en paralelo con la red en horario fuera de puntaEn este horario de operacin, que corresponde a todo el da de lunes a sbado, con excepcin del periodo comprendido entre las 18:00hrs. y las 22:30hrs., se conecta toda la carga de la Planta Watts, es decir 2.300kW de carga base y 2.700kW correspondientes a las plantas de electrlisis, sumando un total de 5.000kW. En esta configuracin los grupos G1 y G2 trabajan a carga nominal y factor de potencia 0,94 fijo. Es decir G1 genera 1.950kW y G2 1.000kW. El banco de condensadores se fija en 250kVAr, para tener un factor de potencia 0,94 en la barra de distribucin de carga

4.1.2. Operacin en paralelo con la red horario puntaDesde las 18:00hrs. hasta las 22:30hrs. de lunes a sbado, la Planta Watts es limitada para consumir el mnimo contractual permitido de la red de Ro Maipo. El mnimo corresponde a 50kW, por lo que la planta se fija en 2.750kW. El consumo de las plantas de electrlisis, de 2.700kW se reduce a 500kW, desconectado 2.200kW, mientras que la carga base es de 2.300kW, teniendo una carga total de 2.800kW. El banco de condensadores se fija en 170kVAr para tener un factor de potencia 0,94 en la barra de distribucin de carga.

38

En caso de ocurrir la contingencia, prdida del alimentador Ro Maipo, la Planta pasa a operar en modo isla

4.1.3. Operacin modo islaEsta forma de operar ocurre cuando se pierde el alimentador de Ro Maipo, y quedando la Planta con alimentacin de los grupos G1 y G2. En este caso, se mantiene la carga base en 2.300kW y la carga de las plantas de electrlisis en 500kW, sumando 2.800kW, que son entregados por las generadoras, quedando una reserva de potencia de al menos 150kW, para cualquier eventualidad en la Planta. Se desconecta el banco de condensadores.

4.1.3. Operacin planta fuera de servicioLos domingos, la planta de Watts alimentos, funciona a baja carga y los generadores G1 y G2 quedan fuera de servicio. La planta slo consume 1.500kW de carga base, que son entregados en su totalidad por la red de Ro Maipo. Se desconecta el banco de condensadores.

4.1.4. Operacin planta con transformadores elevadores desconectados de tierraEste es un escenario ficticio equivalente al escenario en horario fuera de punta, pero con los neutros de los transformadores elevadores levantados de tierra. Este escenario se considera solamente para observar el efecto que tiene el hecho le levantar la conexin a tierra del neutro de los transformadores elevadores en la planta de cogeneracin. Se desconecta el compensador de reactivos.

4.1.5. Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario fuera de puntaEn este horario de operacin que corresponde a todo el da de lunes a sbado, con excepcin del periodo comprendido entre las 18:00hrs. y las 22:30hrs., la Planta Watts opera a plena carga (con todos los consumos conectados), teniendo una carga total de 5000kW. Se desconecta el compensador de reactivos. Este escenario representa la operacin del alimentador en horario fuera de punta, previa a la entrada en servicio de la planta de

39

cogeneracin. Este escenario se utilizar slo para realizar clculos de flujos de potencia, para observar el efecto regulador de la planta.

4.1.6. Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario puntaDesde las 18:00 hasta las 22:30 de lunes a sbado, la Planta Watts limita la carga electroltica a 500kW, desconectado 2.200kW, mientras que la carga base es de 2.300kW, teniendo una carga total de 2.800kW. Se desconecta el compensador de reactivos. Este escenario representa la operacin del alimentador la Divisa en el horario punta, cuando se realiza la desconexin de las plantas electrolticas. Slo se realizaran clculos de flujo de potencia para poder observar los efectos en el alimentador de la planta de cogeneracin.

4.3. SIMULACIN DE ESCENARIOSCon el fin de estudiar el comportamiento cuasi-esttico de la planta de cogeneracin se realizan clculos de flujos de potencia y de cortocircuitos. Mediante los clculos de flujos de potencias se pretende observar el efecto que tiene la puesta en servicio de la planta de cogeneracin sobre la tensin y los factores de potencia a lo largo del alimentador. En los clculos de flujos de potencia se consideran todos los escenarios de estudio mencionados anteriormente, menos el escenario Operacin planta con transformadores elevadores desconectados de tierra. Los clculos de cortocircuitos se realizan para realizar un estudio de la coordinacin actual de las protecciones de la planta. Para cada condicin de operacin, se realizan clculos de cortocircuito para falla monofsica a tierra, falla entre fases o bifsica y falla trifsica. Cada una de estas fallas es simulada en tres locaciones distintas del alimentador, al inicio de ste, en el empalme de la distribuidora en Watts Alimentos y en la barra de carga de Watts alimentos.

4.3.1. Clculos de flujos de potenciaSe realizaron clculos de flujos de potencia con dos motivos principales. El primero es obtener perfiles de tensin y factor de potencia a lo largo del alimentador, para poder concluir

40

acerca del efecto de la puesta en servicio de la planta de cogeneracin. El segundo motivo es realizar flujos variando el factor de potencia de los generadores y as observar el efecto de esta accin sobre la tensin y el factor de potencia de las barras a lo largo del alimentador. Los flujo de potencia han sido calculados utilizando el mtodo de Newton-Raphson clsico.

- Perfiles de Tensin y Factor de Potencia Para obtener los perfiles de tensin y factor de potencia se realizaron clculos de flujos de potencia en todos los escenarios descritos anteriormente, exceptuando el escenario Operacin planta con transformadores elevadores desconectados de tierra. Los clculos se han realizado de forma que la tensin en la barra de distribucin de carga de la planta de cogeneracin (B_PG) sea 1 en p.u. o equivalentemente 12kV. Para lograr este objetivo se debe variar la tensin en la subestacin Panamericana, moviendo la tensin de la red externa. Adems, los set generadores G1 y G2 son operados en modo PQ, es decir se fija la potencia activa y el factor de potencia de operacin. La potencia activa que genera cada generador vara segn el escenario, mientras que el factor de potencia es fijo en 0,94, segn el ajuste real utilizado en la planta de cogeneracin. Esto ltimo, sin embargo, no tiene sentido en el escenario de la planta operando en isla. En este caso, G1 opera como generador de referencia (Slack) de la pequea red que forman G1, G2 y los consumos, fijando la tensin y la frecuencia de operacin. Se obtiene para cada escenario los resultados del flujo de potencia en barras, transformadores y generadores, es decir los flujos de potencias activa y reactiva y las tensiones en barras del sistema (Anexo F, /R/FP/flujo de potencia-FP=094.xls). Para cada escenario de simulacin se ha generado un diagrama de flujo, para poder observar claramente las direcciones y magnitudes de la potencia activa y reactiva (ver Figura 24 a la Figura 29). Adems, con los resultados se han elaborado los grficos mostrados en las Figura 30 y Figura 31, que representan el perfil de tensin y el de factor de potencia a lo largo del alimentador. Con respecto a los factores de potencia, stos se calculan a partir de los flujos de potencia, se considera para el clculo las potencias activa y reactiva inyectadas en cada barra.

41

Q=250kVAr V=1 p.u. P=2058kW Q=750kVAr P=5002kW Q=1728kVAr P=1933kW Q=642kVAr P=1011kW Q=336kVAr V=0,999 p.u.

V=1 p.u.

V=0,997 p.u.

V=0,995 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 24: Diagrama de flujo, Operacin en paralelo con la red en horario fuera de punta

Q=173kVAr V=1 p.u. P=50kW Q=18kVAr P=2800kW Q=934kVAr P=1815kW Q=604kVAr P=935kW Q=311kVAr V=0,999 p.u.

V=1 p.u.

V=0,996 p.u.

V=0,995 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 25: Diagrama de flujo, Operacin en paralelo con la red en horario punta

42

V=1,003 p.u.

V=1.003 p.u.

P=2800kW Q=1107kVAr P=1857kW Q=673kVAr P=943kW Q=434kVAr

V=1 p.u.

V=1 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 26: Diagrama de flujo, Operacin en modo isla

V=1 p.u. P=1500kW Q=592kVAr P=1500kW Q=592kVAr

V=0,999 p.u.

V=1 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 27: Diagrama de flujo, Operacin planta fuera de servicio

43

V=0,962 p.u. P=5005kW Q=1973kVAr P=5002kW Q=1977kVAr

V=0,961 p.u.

V=0.962 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 28: Diagrama de flujo, Operacin previa a la entrada en servicio de la planta, en horario fuera de punta

V=1 p.u. P=2801kW Q=1107kVAr P=2800kW Q=1107kVAr

V=0,999 p.u.

V=1 p.u.

12kV 0,4kV

Figura 29: Diagrama de flujo, Operacin previa a la entrada en serviciode la planta, en horario punta

44

Perfil de tensin a lo largo del alimentador1,07 1,06 1,05 1,04 1,03 Modo isla Horario fuera de punta Horario punta

V[p.u.]

1,02 1,01 1 Planta fuera de servicio Horario fuera de punta antes de cogeneracin Horario punta antes de cogeneracin

0,99 0,98 0,97 0,96 0,95

p. W at t B_ s P G 1 B_ P G 2 Em p. B_P R io G M ai po T1 1

Figura 30: Perfil de tensin a lo largo del alimentador con generadores operando a FP=0,94

En la Figura 30, se advierte claramente el efecto regulador que tiene la planta de cogeneracin en el alimentador La Divisa, ver adicionalmente Figura 22 con estructura del alimentad