Electrical System Management with High RES Penetration · Análisis de Sistemas Eléctricos de...

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


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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.


- 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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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


Servicio Complementario - Control de la Frecuencia

Regulación Primaria

Regulación Secundaria

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f

P Pnom Pmín Pconsig

f0 fpc

fv P

fS


G 3

Central Eléctrica

Red Eléctrica

Sistema de Control

de Tensión


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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Energías Renovables

Centrales Eléctricas Convencionales

No prestación de Servicios

Complementarios

Prestación de Servicios

Complementarios

Baja Penetración de Energías Renovables Alta Penetración de Energías Renovables



Complementarios



Complementarios


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Desplazamiento de la capacidad de generación y de eliminación de la prestación de servicios complementarios


Alta Penetración de Energías Renovables



Complementarios



Complementarios

PUEDE EXISITR RIESGO PARA LA SEGURIDAD Y FIABILIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO

ANÁLISIS Y ESTUDIOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS


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


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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


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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


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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


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


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


P

30%

60%

100%

Capacidad de Regulación de Potencia Generada

Regulación de Potencia Generada en función de la Frecuencia


P

f fn f4 f1 f2

P1

P2

f3

P3

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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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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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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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4. Gestión de la demanda

f f

24 h

3. Modificación de los esquemas de deslastre de Cargas

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5. Instalación de Sistemas de Almacenamiento

G/M

G/M

Almacenamiento Electroquímico

Centrales Hidráulicas de Bombeo

Volantes de Inercia Supercondensadores

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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

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Barra 9

Barra 10

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Barra 12

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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

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Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia


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


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

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C

G

G

C G

G G

G C

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Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Elaboración de los Modelos

PSS®E MATLAB® - SIMULINK®


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Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia Realización de los estudios y análisis


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

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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


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Tenerife

La Gomera



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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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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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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220 66 20 < 20

Niveles de Tensión (kV)



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

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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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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

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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

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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

.)

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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

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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

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¡Gracias!

Elías Jesús Medina Domínguez Renewable Energies Deparment

Canary Islands Institute of Technology (ITC) [email protected]

Date post:	15-Mar-2020
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