Electrical System Management with High RES Penetration · Análisis de Sistemas Eléctricos de...
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International Conference on Renewable Energies in West Africa and the Canary Islands
July 8-10, 2014 Gran Canaria, SPAIN
Electrical System Management with High RES Penetration
Elías Jesús Medina Domínguez
Departamento de Energías Renovables Instituto Tecnológico de Canarias (ITC)
SPAIN
Electrical System Management with High RES Penetration
SPAIN_
Índice
- Aspectos Técnicos Generales
- Equilibrio de Generación - Demanda
- Niveles de Tensión
- Servicios Complementarios
- Características de la Generación Renovable
- Exigencias Técnicas a la Generación Renovable
- Actuaciones en el Sistema para una Mayor Penetración Renovable
- Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia – ITC
- Caso Práctico: Análisis del Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Aspectos Técnicos Generales – Equilibrio Generación / Demanda (Criterio de Boucherot)
«En un Sistema Eléctrico, la suma de las potencias generadas debe ser igual a la suma de las potencias consumidas».
ConsumidaGenerada PP
ConsumidaGenerada QQ
ConsumidaGenerada SS
asCPérdidasGenerada PPP arg
asCPérdidasGenerada PPP arg
asCPérdidasGenerada QQQ arg
asCPérdidasGenerada SSS arg
Si en un Sistema Eléctrico de Potencia no se cumpliese el criterio de Boucherot este terminaría colapsándose.
(Cero, «Apagón», Blackout).
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Aspectos Técnicos Generales – Equilibrio Generación / Demanda (Criterio de Boucherot)
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Aspectos Técnicos Generales – Niveles de Tensión
En los Sistemas Eléctricos las tensiones han de ser controladas para mantenerlas dentro de unos rangos establecidos.
Vmín ≤ V ≤ Vmáx
Asegura un valor de pérdidas en el transporte aceptable
Asegura un punto de operación alejado del colapso por tensión
V
5 Ok!
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2IRPpérdidas
Aspectos Técnicos Generales – Servicios Complementarios
SERVICIOS COMPLEMENTARIOS (Ancillary Services) Es un conjunto de servicios separados de la producción de energía que están
relacionados con la seguridad y fiabilidad del sistema eléctrico.
Electrical System Management with High RES Penetration
- Control de la Frecuencia
- Control de la Tensión
- Reserva Rodante
- Reserva rápida y lenta
- Arranque desde Cero
- Control de Generación Automático
- Compensación de Pérdidas en el Transporte
- Capacidad de actuación en caso de Emergencia
Fuente: Eurelectric
Equilibrio Generación / Demanda Criterio de Boucherot
Niveles de Tensión
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Aspectos Técnicos Generales – Servicios Complementarios
G 3
Sistema de Control
de velocidad
Central Eléctrica
Centro de Despacho del Área Control Automático de la Generación
w
Despacho Económico
Potencia Programada de Intercambio con Otras
Áreas
Frecuencia de Referencia
Potencia en líneas de
interconexión
Red Eléctrica
S
Electrical System Management with High RES Penetration
Servicio Complementario - Control de la Frecuencia
Regulación Primaria
Regulación Secundaria
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f
P Pnom Pmín Pconsig
f0 fpc
fv P
fS
Aspectos Técnicos Generales – Servicios Complementarios
G 3
Central Eléctrica
Red Eléctrica
Sistema de Control
de Tensión
Electrical System Management with High RES Penetration
Servicio Complementario - Control de la Tensión
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Iexc
Características de la Generación Renovable
Generación Eólica
Generación Fotovoltaica
Velocidad del viento
Irradiancia
V
Potencia generada (Independiente de las necesidades de regulación en el sistema)
P
G P
Potencia generada
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Características de la Generación Renovable
Energías Renovables
Centrales Eléctricas Convencionales
No prestación de Servicios
Complementarios
Prestación de Servicios
Complementarios
Baja Penetración de Energías Renovables Alta Penetración de Energías Renovables
Centrales Eléctricas Convencionales
Prestación de Servicios
Complementarios
Energías Renovables
No prestación de Servicios
Complementarios
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Desplazamiento de la capacidad de generación y de eliminación de la prestación de servicios complementarios
Características de la Generación Renovable
Alta Penetración de Energías Renovables
Centrales Eléctricas Convencionales
Prestación de Servicios
Complementarios
Energías Renovables
No prestación de Servicios
Complementarios
PUEDE EXISITR RIESGO PARA LA SEGURIDAD Y FIABILIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO
ANÁLISIS Y ESTUDIOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS
Electrical System Management with High RES Penetration
Generación variable con el recurso
Poco control de la frecuencia y de las tensiones
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Características de la Generación Renovable – Hueco de Tensiones
SCIG
Red Eléctrica
Aerogenerador Asíncrono Convencional (SCIG)
Cortocircuito trifásico franco 250 ms
Vista parcial del Sistema Eléctrico Lanzarote-Fuerteventura 2020
132 kV 66 kV
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Características de la Generación Renovable – Hueco de Tensiones
SCIG
Red Eléctrica
Aerogenerador Asíncrono Convencional (SCIG)
Vista parcial del Sistema Eléctrico Lanzarote-Fuerteventura 2020
132 kV 66 kV
Electrical System Management with High RES Penetration
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Cortocircuito trifásico franco 250 ms
Características de la Generación Renovable – No Aporte de Inercia
Constante de Inercia total del sistema
Constante de inercia (H) La Constante de Inercia (H) es la energía cinética de rotación que posee el conjunto máquina
primaria-generador a la velocidad de sincronismo por unidad de potencia aparente del generador.
MVA
sMW
S
J
Hn
s2
2
1
MVA
sMW
S
SHH
n sistema
generadorgeneradorSistema
1
G1 HG1
G 3
Red Eléctrica
G 3
G 3
…
G2 HG2
Gn HGn
dt
df1
Electrical System Management with High RES Penetration
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Características de la Generación Renovable – No Aporte de Inercia
Constante de Inercia total del sistema
Constante de inercia (H) La Constante de Inercia (H) es la energía cinética de rotación que posee el conjunto máquina
primaria-generador a la velocidad de sincronismo por unidad de potencia aparente del generador.
MVA
sMW
S
J
Hn
s2
2
1
MVA
sMW
S
SHH
n sistema
generadorgeneradorSistema
1
G1 HG1
G 3
Red Eléctrica
G 3
…
G2 HG2
Gn HGn
dt
df1
dt
df2
dt
df
dt
df 21
SG
Electrical System Management with High RES Penetration
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Características de la Generación Renovable – Tiempo Crítico de Eliminación Tiempo crítico de Eliminación (Critical Clearing Time)
El tiempo crítico de eliminación se define como el tiempo máximo que puede mantenerse un cortocircuito, sin que se produzca una perturbación crítica para el sistema en su conjunto, por la presencia de uno de los fenómenos siguientes: a) Pérdida de sincronismo de generadores, u oscilaciones entre ellos, que afecten a la estabilidad del sistema. b) Pérdidas de mercado significativas c) Incumplimiento de los criterios de seguridad estáticos en el régimen permanente, después de la perturbación.
Sistema eléctrico Lanzarote-Fuerteventura propuesto para el año 2020
Localización geográfica de Lanzarote y Fuerteventura
Evolución de los valores de los tiempos críticos de eliminación dependientes de la generación eólica
Desviación de la frecuencia ante un cortocircuito trifásico franco de 250 ms de duraciónen la subestación de Las Salinas con diferentes cantidades de
energía eólica conectada en el sistema
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Exigencias Técnicas a la Generación Renovable – Soporte de Hueco de Tensiones
Generación Eólica
Electrical System Management with High RES Penetration
Curva Tensión – Tiempo admisible sistema eléctrico peninsular español
Curva Tensión – Tiempo admisible sistemas eléctricos canarios
Elaboración de Normas Diferentes Curvas Tensión – Tiempo admisible en distintos sistemas eléctricos
Exigencias en cuanto a la Q consumida durante y posterior
a las faltas.
Procedimientos de Operación
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Exigencias Técnicas a la Generación Renovable – Soporte de Hueco de Tensiones
Generación Fotovoltaica
Electrical System Management with High RES Penetration
MWP caFotovoltai 2
Curva Tensión – Tiempo admisible sistema eléctrico peninsular español
Curva Tensión – Tiempo admisible sistemas eléctricos canarios
RD 1565/2010
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Exigencias Técnicas a la Generación Renovable – Control de la Potencia
Electrical System Management with High RES Penetration
P
30%
60%
100%
Capacidad de Regulación de Potencia Generada
Regulación de Potencia Generada en función de la Frecuencia
Energías Renovables
P
f fn f4 f1 f2
P1
P2
f3
P3
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Electrical System Management with High RES Penetration
Exigencias Técnicas a la Generación Renovable – Generación de Potencia Reactiva
Energía Eólica
Cos f
Capacidad de Generación de Potencia Reactiva
1
0,2
Qaerogenerador (p.u.)
Paerogenerador (p.u.)
Qmáx. gen. Qmáx. cons.
Característica mejorada con
STATCOM
Operación segura y eficiente del sistema
V
5
Ppérdidas
Ok!
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Electrical System Management with High RES Penetration
Exigencias Técnicas a la Generación Renovable – Aporte de Inercia
SG
Red Eléctrica
Control Inercia
Sintética
50,5
50,0
49,5
49,0
48,5
48,0
f (Hz)
P (MW)
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tiempo (s)
Potencia generada
Potencia disponible
50,0
49,5
49,0
48,5
Tiempo (s)
Con Inercia Sintética
Sin Inercia Sintética
10 20 30
f (Hz)
48,0
Mejor Evolución de la frecuencia gracias a la Inercia Sintética
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Electrical System Management with High RES Penetration
Actuaciones en el Sistema para una Mayor Penetración Renovable
1. Refuerzo, remodelación en la infraestructura eléctrica existente
GS
Repotenciación de Líneas Instalación de Compensadores Estáticos
Substitución de grupos generadores
Construcción de nuevas Líneas
2. Cambio en los esquemas de protecciones
GS
40
59P
51P
51U
51O
f Δf
Esquemas de protecciones
en Subestaciones eléctricas
Esquemas de protecciones
en Centrales Eléctricas
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Actuaciones en el Sistema para una Mayor Penetración Renovable
Electrical System Management with High RES Penetration
4. Gestión de la demanda
f f
24 h
3. Modificación de los esquemas de deslastre de Cargas
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Actuaciones en el Sistema para una Mayor Penetración Renovable
Electrical System Management with High RES Penetration
5. Instalación de Sistemas de Almacenamiento
G/M
G/M
Almacenamiento Electroquímico
Centrales Hidráulicas de Bombeo
Volantes de Inercia Supercondensadores
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Actuaciones en el Sistema para una Mayor Penetración Renovable
Electrical System Management with High RES Penetration
6. Interconexiones
Principales ventajas de las interconexiones: - Mayor seguridad y continuidad del suministro eléctrico - Explotación más eficiente y económica del sistema. - Mayor integración de Energías Renovables
Sistema Eléctrico A
Barra 2
Barra 3
Barra 4
Barra 5
Barra 6
Barra 7
Barra 8
Barra 9
Barra 10
Barra 11
Barra 12
Barra 13
Barra 14
C
G
G
C G
G G
G C
Barra 3
Barra 2
Barra 5
Barra 4
Barra 6
Barra 7
Barra 8
G
C G
G G
Barra 1
Sistema Eléctrico B
SPAIN_
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia
Electrical System Management with High RES Penetration
Integración de energía renovable requiere realización de estudios y análisis.
1. Recopilación de información de la infraestructura eléctrica
2. Elaboración de los modelos
3. Realización de los estudios
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Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Recopilación de Información de la Infraestructura Eléctrica
Electrical System Management with High RES Penetration
GS Td0’
Tq0’
Xq
Xd
Xq’
Xd’
H
D
Z= R+jX
Y= G+jB
Z= R+jX
Td0’’
Tq0’’
GS
Z
Y 2
Y 2
Información y Publicaciones Oficiales Planificación del Sector de Electricidad (Gobierno de España) Registros oficiales de generación (Gobierno de España) Planes Energéticos Regionales (Gobierno Autónomo de Canarias)
Otras Informaciones y Publicaciones Información aportada por Gestor y Operador del Sistema Información aportada por compañías de generación y de distribución Notas de prensa, artículos periodísticos,…
Información Aportada por el Cliente
Información Propia del ITC Información sobre los sistemas eléctricos canarios Valores de magnitudes características
Información Fabricantes y Artículos Científicos Valores de magnitudes características IEEE, ElSEVIER
Topología del sistema
Barra 2
Barra 3
Barra 4
Barra 5
Barra 6
Barra 7
Barra 8
Barra 9
Barra 10
Barra 11
Barra 12
Barra 13
Barra 14
C
G
G
C G
G G
G C
SPAIN_
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Elaboración de los Modelos
PSS®E MATLAB® - SIMULINK®
Electrical System Management with High RES Penetration
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Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Realización de los estudios y análisis
Electrical System Management with High RES Penetration
Análisis en Régimen Permanente
Flujo de Potencia
Análisis P-V
Análisis Q-V
Análisis de Cortocircuito
Análisis en el Régimen Dinámico
Pérdida de Generación
Pérdida de líneas
Cortocircuitos
Cortocircuitos
G 3
Pérdida de líneas eléctricas Pérdida de generación convencional
Pérdida de generación
renovable
Barra 2
Barra 3
Barra 4
Barra 5
Barra 6
Barra 7
Barra 8
Barra 9
Barra 10
Barra 11
Barra 12
Barra 13
Barra 14
C
G
G
C G
G G
G C
X%
…
12,5%
10%
7,5%
5%
2,5%
0%
Penetración Renovable
¿?
Sistema Eléctrico
Vmín ≤ V ≤ Vmáx P ≤ Pmáx
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Caso Práctico:
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
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Tenerife
La Gomera
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
Potencia prevista: 280,66 MW Tecnología: Turbina de vapor,
ciclo combinado.
Central Eléctrica Granadilla
Central Eléctrica Candelaria
Potencia prevista: 692,14 MW Tecnología: Ciclo combinado,
turbina de vapor, turbina de gas, motor diésel.
Niveles de Tensión en Transporte 66 kV, 220 kV
Punta de demanda prevista 882 MW
Generación Fotovoltaica 151 MW
Generación eólica 402 MW
Sistema Eléctrico Tenerife 2020
Generación Hidráulica Reversible 135 MW
Tenerife
Candelaria
Granadilla Chayofa
Guía de Isora
Los Olivos
Los Vallitos
Arona
Arona II
San Isidro
Arico
Tagoro
Caletillas
Pol. Guímar
El Rosario Buenos Aires
Dique del Este
Cotesa
Guajara
La Matanza
Tacoronte
Cuesta La Villa Realejos
Icod
Nota: No están representadas todas las subestaciones eléctricas.
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Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
Central Eléctrica El Palmar
Potencia prevista: 26,00 MW Tecnología: motor diésel.
Niveles de Tensión en Transporte 66 kV
Punta de demanda prevista 15,2 MW
Generación Fotovoltaica 0,05 MW
Generación eólica 8 MW
Alajeró
El Palmar
Central Hidroeléctrica
Generación Hidráulica Reversible
15 MW
Sistema Eléctrico La Gomera 2020
La Gomera
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Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
INTERCONEXIÓN SUBMARINA CA 66 kV 30 MVA
Circuito 1 El Palmar – Guía de Isora 35 km; 15 MVA
Circuito 2 El Palmar – Los Olivos 43 km; 15 MVA
Guía de Isora
Los Olivos El Palmar
3×95 mm2 Al Aislamiento XLPE
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Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
220 66 20 < 20
Niveles de Tensión (kV)
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration
Planteamiento del Escenario - Alta Penetración de Energías Renovables
La demanda de la isla de La Gomera será cubierta por la generación renovable de la isla y por la interconexión.
Generación convencional cubre en todo instante, al menos el 30 % de la demanda.
Despacho económico y reservas primaria y secundaria.
Determinación de los Puntos de Funcionamiento del Sistema Críticos Anuales
EnergyPLAN
1er punto – Valle (30 Julio 08:00 h.)
61,0 % Eólica
2,6 % Fotovoltaica
2o punto – Punta (30 Julio 13:00 h.)
45,9 % Eólica
24,3 % Fotovoltaica
SPAIN_
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
2o punto – Punta (30 Julio 13:00 h.); 45,9 % Eólica; 24,3 % Fotovoltaica
Tensiones muy bajas.
Valores inadmisibles
0,90 1,10
Tensión (p.u.)
Sobrecarga Granadilla – Abona
101,6 %
Déficit de Generación de Potencia Reactiva
≈51 MVAr
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Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
Necesidad de aumentar la capacidad de potencia reactiva
Se añaden a la generación en servicio dos grupos convencionales
Gas 6 CC2; 37,50 MVAr
Gas 5 CC3; 39,20 MVAr
Determinación de los Puntos de Funcionamiento Críticos Anuales
EnergyPLAN
1er punto – Valle (31 Julio 01:00 h.)
53,0 % Eólica
0 % Fotovoltaica
2o punto – Punta (31 Julio 14:00 h.)
39,1 % Eólica
25,6 % Fotovoltaica
SPAIN_
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
2o punto – Punta (30 Julio 13:00 h.); 45,9 % Eólica; 24,3 % Fotovoltaica
Valores de las tensiones dentro de
rango admisible
0,90 1,10
Tensión (p.u.)
Granadilla – Abona 98,4 % Gas 6 CC2 Gas 5 CC3
SPAIN_
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
G
3
Pérdida de Generación Convencional
Pérdida de Generación Renovable
Desconexión del Ciclo
Combinado 2 78,0 MW
Desconexión de los Parques Eólicos conectados a la
subestación PP. EE. 1 65,2 MW
ΔF
(p.u
.)
ΔF
(p.u
.)
SPAIN_
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
v (p
.u.)
Pérdida de Circuitos de Interconexión
ΔF
(p.u
.)
ΔF
(p.u
.)
v (
p.u
.)
Desconexión Circuito El Palmar – Guía de Isora
Desconexión Circuito El Palmar – Los Olivos
Pérdida de Circuitos de Interconexión
SPAIN_
Análisis Sistema Interconectado Tenerife – La Gomera 2020
Electrical System Management with High RES Penetration 0,90 p.u. 1,10 p.u.
Cortocircuito
ΔF
(p.u
.)
ΔF
(p.u
.)
ΔF
(p.u
.) Cortocircuito Trifásico
Franco de 250 ms de Duración
Granadilla II 220 kV
Cortocircuito
Cortocircuito Trifásico Franco de 250 ms de
Duración El Porís 66 kV
Cortocircuito
Cortocircuito Trifásico Franco de 250 ms de
Duración Buenos Aires 66 kV
SPAIN_
¡Gracias!
Elías Jesús Medina Domínguez Renewable Energies Deparment
Canary Islands Institute of Technology (ITC) [email protected]