Webinar - Integración de la Energía Eólica a los sistemas eléctricos de potencia - Una visión para América Latina

INTEGRACIÓN DE LA GENERACIÓN EÓLICA EN
LAS REDES ELÉCTRICAS DE POTENCIA

Roberto Villafáfila Robles
Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y
Accionamientos (CITCEA)
Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)

roberto.villafafila@citcea.upc.edu
roberto.villafafila@upc.edu

Acciones para el Desarrollo de la Energía Eólica en Latinoamérica ( ADEEL)
1 Roberto Villafáfila Robles (CITCEA-UPC) Webinar Leonardo Energy en español, 17/03/09

Índice
Introducción
CYTED-ADEEL
Situación de la energía eólica
El reto de la integración de la energía eólica en los sistemas
eléctricos
Retos de la energía eólica
Impactos sobre el sistema eléctrico
Estrategias para abordar el reto de la integración de generación
eólica en los sistemas eléctricos


Introducción


Programa Iberoamericano
de Ciencia y Tecnología
para el Desarrollo

PROGRAMA CYTED
El Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para
el Desarrollo (CYTED) fue creado en 1984 por 19 países de
América Latina, España y Portugal.
(Argentina, Bolivia, Brasil, Chile, Colombia, Costa Rica, Cuba,
Ecuador, El Salvador, España, Guatemala, Honduras, México,
Nicaragua, Panamá, Paraguay, Perú, Portugal, República
Dominicana, Uruguay y Venezuela).

OBJETIVOS: establecer mecanismos de cooperación entre:
grupos de I+D y
empresas innovadoras

para la consecución de resultados transferibles a los
sistemas productivos y a las políticas sociales.

ADEEL: Acciones para el Desarrollo de la Energía
Eólica en Latinoamérica

http://gcsp.uc3m.es/

En Latinoamérica existe un inmenso potencial de generación eólica, y un
gran interés por aprovecharlo.
Se reconoce de forma unánime el impacto positivo que tendría la
utilización masiva de esta tecnología, al aumentar la autonomía
energética, ser respetuosa con el medio ambiente y proporcionar una
alternativa limpia para la electrificación de zonas remotas.
En estas circunstancias en las que se inicia la implantación de la energía
eólica como opción creíble, se hace necesario potenciar localmente el
capital humano formado en esta tecnología, de manera de poder guiar y
encarar con éxito los cambios necesarios: técnicos y regulatorios.
Para ello se crea en 2008 la red ADEEL, formada (por ahora) por 8
grupos de investigación con gran experiencia en energía eólica de 6
países: Argentina, Brasil, Cuba, España, República Dominicana y
Venezuela.


Integrantes de la red ADEEL
Argentina
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional de Santa Fe - Grupo de Investigación de
Sistemas Eléctricos de Potencia
Universidad Nacional de Río Cuarto - Grupo de Electrónica Aplicada
Brasil
Universidade Federal de Santa Catarina - Grupo de Concepção e Análise de Dispositivos
Eletromagnéticos
Cuba
Centro de Investigación de Sistemas Costeros
España
Universidad Carlos III de Madrid - Grupo de Control de Potencia
Universidad Politécnica de Cataluña - Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y
República Dominicana
Instituto Tecnológico de Santo Domingo – Centro de Investigación de Energías No-convencionales
Tecnología (CIENTEC)
Venezuela
Universidad Simón Bolívar – Grupo de Investigación y Unidad de Gestión de Sistemas Industriales de
Electrónica de Potencia (GSIEP / UGSIEP – USB)


Situación de la eólica a nivel mundial

2º 2º
38,4 GW
1º 39.9 GW

76,2 GW
3º
2.4 GW
4º
1.4 GW

770 MW 5º
Finales 2009
Fuente: WWEA y
Emerging Energy Research



Fuente: World Wind Energy Association (www.windea.org)



Fuente: WWEA
(www.windea.org)


Perspectiva de crecimiento en Latinoamérica


Perspectiva de crecimiento en Latinoamérica

Comentarios generales para Latinoamérica

El recurso eólico es abundante pero todavía existe poco
desarrollo.

Las redes eléctricas de potencia, en general, son
relativamente sólidos y están preparados para la incorporación
de la generación eólica.

Hacen falta criterios técnicos, marcos regulatorios y
normas específicas para regular y promover la incorporación
de las energías alternativas (eólica) en los sistemas eléctricos.


El reto de la integración de la energía
eólica en los sistemas eléctricos


Campos de aplicación aerogeneradores

GRANDES
100kW a 5MW
• Normalmente forman parques eólicos.
• Para generación de energía eléctrica.

PEQUEÑOS
Hasta 100kW
• Normalmente funcionan aislados de la red, en conjunto con
sistemas de almacenamiento de energía (baterías) o formando
parte de sistemas híbridos.
• Para alimentación de sistemas remotos.


Ejemplos de grandes aerogeneradores


Ejemplos de pequeños aerogeneradores


Concepción del sistema eléctrico

GENERACIÓN
CENTRALIZADA

TRADICIONAL

GENERACIÓN
CONSUMIDORES DISTRIBUIDA

MODERNA


Integración de parques eólicos a la red eléctrica.
El nuevo reto de los sistemas eléctricos de potencia

PG=PD+Ppérdidas
Nuevo paradigma
Central
convencional

p(t) fija
REDES
p(t) variable p(t) variable ELÉCTRICAS

?



Energía intermitente / no gestionable

Gradientes de potencia significativos

Se pueden producir fluctuaciones de frecuencia y tensión

Respuesta ante huecos de tensión


Energía intermitente → muy variable

Energía no gestionable → impredecible

Fuente: REE


Energía intermitente / no gestionable → Disponibilidad

Fuente: REE


Gradientes de potencia → dP/dt → Variabilidad

P decrece 10001000 MW 1h y 45'
Power decrease:
MW en
ΔP
within 1 h and 45 min.
= −570 MW h
Gradient: -570 MW/h
Δt

P crece 800MW en 45'
Power increase: 800 MW
ΔPwithin 45 min.
= 1067 MW h
Δt
Gradient: 1067 MW/h

Fuente: REE


Fluctuaciones de potencia → Control de potencia

ΔP = −3000 MW → ¿ Δf ?

Fuente: REE


Fluctuaciones de tensión → Control de tensión
CATADAU 400 JBP1 V MvMoment LA PLANA 400 B1 V MvMoment ESCOMBRE 400 NESCO V MvMoment

435
434
22,5
433
432
431
ΔV = ×100 = 5, 4%
430
429
420
428
427
426
425
424
423
422
421
V (kV)

420
419
418
417
416
415
414
413
412
411
410
409
408
407
406
405
0:00:00

1:00:00

2:00:00

3:00:00

4:00:00

5:00:00

6:00:00

7:00:00

8:00:00

9:00:00

10:00:00

11:00:00

12:00:00
Fuente: REE


Incidencias en la red → Huecos de tensión

Fuente: REE


Estabilidad transitoria:
Desconexión durante huecos de tensión
Consumo de potencia reactiva
Inercia baja
Control de frecuencia:
Regulación primaria/secundaria/terciaria
Control de tensión

Potencia de cortocircuito Sk

Calidad de suministro


Control de frecuencia
Servicio complementario de control de equilibrio
generación-demanda.

Control jerarquizado de ajuste de la potencia de la generación:
Regulación P/f primaria (automática):
hasta 30 s
Regulación P/f secundaria (automática):
a partir de 30 s
Regulación P/f terciaria (puede ser manual)
a partir de 15 min


Control de frecuencia
Servicio complementario de control de equilibrio
generación-demanda.

La energía eólica entrega la máxima energía en cada momento y
no tiene capacidad de regulación primaria, pero aumenta las
necesidades de ésta dad sus fluctuaciones.

La regulación secundaria y terciaria está ligada a los niveles de
penetración eólica y a la reserva rodante existente.


Reserva rodante
La generación eólica puede variar rápidamente.
La reserva rodante son las centrales que cubren las
desviaciones de generación-demanda.
Lo sistemas eléctricos con alta penetración eólica requieren
más reserva rodante.

(MVA)
(MVA)
30
30
20
20
10
10

9 12 15 (h)
9 12 15 (h)


Control de tensión
Servicio complementario de control de potencia reactiva.
Mantener los niveles de tensión dentro de los límites en todos los
nodos del sistema.
Posibilidades:
Transformador con cambiador de tomas.
Bancos de condensadores o reactores en los nodos.
Aerogeneradores con capacidad de absorber o generar
reactiva según sea necesario.


Fluctuaciones de tensión
Huecos de tensión
Flicker
Sobretensiones
Armónicos
Frecuencia
Desequilibrios
…

Más información:


Fluctuaciones de tensión: disminuyen al agregar generación
eólica.


Flicker: variación rápida y periódica de la tensión por una
variación de la potencia activa generada.
Origen:
Arranque aerogenerador.
Turbulencias y ráfagas de viento.
Efecto sombra de la torre.
Diferentes velocidades de viento en las palas.
Oscilaciones en el sistema mecánico.
ΔV
Amplitud (V)

Ux

Tiempo
T=1/f
0 2 4 6 (s)


Huecos de tensión
Posible desconexión de los aerogeneradores.
Los aerogeneradores tienen que permanecer conectados
durante un hueco para apoyar al sistema durante las faltas.

Fuente: REE


Estrategias para abordar el reto de la
integración de generación eólica en
los sistemas eléctricos


Estrategias para la integración

Sistemas de previsión de generación eólica.

Sistemas de almacenamiento de energía.

Desarrollo de las TIC’s.

Desarrollo de criterios de conexión y procedimientos de operación

Adaptación de las tecnologías de aerogeneradores a las
necesidades del sistema.


Sistemas de previsión de generación eólica
Modelos
Físico: predicciones meteorológicas:
48-72 horas
Predicción: medidas reales + inteligencia artificial
<24 horas

Coordinación eólica con otras tecnologías de generación:
Centrales de bombeo e hidráulicas.
Turbinas de gas.


Sistemas de almacenamiento de energía
Permitir una mayor gestionabilidad del recurso eólico.

Diferentes tecnologías:

Fuente: ESA


Tecnologías de la Información y la Comunicación

Hacer posible la gestión del recurso eólico en coordinación con
el sistema. Generación distribuida

IEC 61850-7-420
Plantas
generación eólica
Centrales
IEC 61400-25 hidroeléctricas
IEC 62445-2

IEC 62445-2 IEC 62445-2 IEC 61850-7-410

Centro de control

IEC 61850-90-1

IEC 61850 Subestaciones
IEC 61850


Tecnologías de la Información y la Comunicación

IEC 61400-25: Communications for monitoring and control of
wind power plants

Cliente Servidor
Modelo de intercambio de Mensajes utilizando los Modelo de intercambio de
datos definidos en IEC mapeos del intercambio datos definidos en IEC
61400-25-3: de datos definidos en 61400-25-3:
Get IEC 61400-25-4: Get
Set MMS Set
Report OPC XML DA Report
Log Web Services Log
Control DNP3 Control
Etc... IEC 60870-5-104 Etc...

Modelo de
Modelo de datos de un Modelo de datos de un
parque eólico definidos en comunicación definido parque eólico definidos en
IEC 61400-25-2. IEC 61400-25-2.
en IEC 61400-25

Elementos de Elementos del
supervisión: parque eólico:
SCADA Aerogenerador
HMI Estación
Aplicación
Etc... meteorológica Aplicación
Etc...


Desarrollo de criterios de conexión
y procedimientos de operación

El operador del sistema tiene que garantizar la seguridad y
calidad del suministro:
Criterios de conexión.
Procedimientos de operación.
Programación de la generación.

Análisis del comportamiento del sistema eléctrico ante la
solicitud de conexión de aerogeneradores (estudios de red).

Se realiza con software de simulación especializado.


Estudios de red

Régimen Régimen Técnico- Especiales
permanente transitorio económicos

Flujo de Estabilidad Coste del Armónicos
potencia transitoria equipamiento
requerido

Cortocircuito Estabilidad Evaluación Otros
dinámica del coste de
O&M del
sistema


Criterios administrativos de conexión


Criterios de conexión
La relación de cortocircuito en el punto de conexión.
Pcc MVA Pn MW < valor especificado (>20)
Las protecciones de máxima y mínima tensión.
(0,95) ← Vmin ≤ Vop ≤ Vmax → (1, 05)
El funcionamiento con factor de potencia mínimo
especificado
cos (ϕ )min ≤ cos (ϕ )op ≤ cos (ϕ )max

La frecuencia de conexión o el tiempo mínimo de conexión
de aerogeneradores (Tmin).
f conexion < f conexion − min , Tconexion > Tmin


Procedimientos de operación: control de frecuencia.


Procedimientos de operación: control de tensión.


Procedimientos de operación: huecos de tensión.


Diferentes en cada país porque los sistemes eléctricos son
diferentes y los modelos de desarrollo eólica varían en cada
país.

Fuentes: REE i EMD International A/S


Operación del sistema eléctrico

Centros de control
Centro de Control Eléctrico (Cecoel)
Centro de Control para el Régimen Especial (Cecre)

Fuente: REE


Estudios de red
Respuesta ante un cortocircuito.


GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!

Roberto Villafáfila Robles
Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y
Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)

roberto.villafafila@citcea.upc.edu
roberto.villafafila@upc.edu


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