CAPT

Calidad de la potencia en la conexión de parques eólicos a sistemas de transmisiónVIII Jornadas Técnicas del Comité de Transmisión del Consejo Nacional de Operación

I Jornadas Técnicas del Comité Asesor de Planeamiento de Transmisión

1

23 de agosto de 2017

Convenio de Investigación

ISAGEN y UniAndes establecieron un convenio de cooperación para el estudio de conexión de fuentes de energía eólica a sistemas de potencia.

Estudio de tecnologías:

• Parques Eólicos

• BESS

• HVDC

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Equipo de Investigación

UniAndes

• DIEE

• Prof. Mario A. Ríos (Director Proyecto de Investigación)

• Prof. Gustavo Ramos

• Ing. Diego Gómez

• Ing. María Paula González

• Ing. Andrés Vera

ISAGEN

• Investigación y Desarrollo

• Ing. Luis Alberto Posada

• Ing. Hernán Palacios

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Contenido

Regulaciones internacionales

Integración BESS con energías renovables• Selección de aplicación• Método de dimensionamiento• Modelo de simulación y estrategia de control

Modelo de simulación de parques eólicos• Métodos de agregación• Estimación de distorsión armónica de corriente

Estudio de calidad de la potencia• Focos de investigación• Estudio de fluctuaciones de voltaje• Estudio de distorsión armónica de voltaje y corriente

Conclusiones y trabajos futuros

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Regulaciones internacionales

5

Normas y estándares

IEC Std. 61400-21: Measurement and assessment of powerquality characteristics of grid connected wind turbines

• Estudio de fluctuaciones de voltaje

• Estimación de la distorsión total armónica de corriente

IEEE Std. 519-2014: IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems

• Limites operacionales de distorsión armónica de voltaje y corriente

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IEC Std. 61400-21

Fluctuaciones de voltaje

CASO DE PRUEBA

Magnitud de

voltaje linea-linea

(pu)

Magnitud de voltaje

de secuencia

positiva(pu)

Duración (s)

VD1- fluctuacion trifásica 0.90 ± 0.05 0.90 ± 0.05 0.5 ± 0.02

VD2- fluctuación trifásica 0.50 ± 0.05 0.50 ± 0.05 0.5 ± 0.02

VD3- fluctuación trifásica 0.20 ± 0.05 0.20 ± 0.05 0.2 ± 0.02

VD4- fluctuación bifásica 0.90 ± 0.05 0.95 ± 0.05 0.5 ± 0.02

VD5- fluctuación bifásica 0.50 ± 0.05 0.75 ± 0.05 0.5 ± 0.02

VD6- fluctuación bifásica 0.20 ± 0.05 0.60 ± 0.05 0.2 ± 0.02

Distorsión armónica de corriente

ORDEN ARMÓNICO β

< 5 1.0

5 < 10 1.4

10 < 2.0

7

• Las pruebas de fluctuaciones de voltaje deben realizarse

para 10%, 30% y 90% de la potencia nominal del parque

eólico

• Las pruebas se simulan a partir de fallas de corto circuito

𝑇𝐻𝐶 = ℎ=250 𝐼ℎ

2

𝐼𝑛

𝐼ℎ =𝛽

𝑖=1

𝑁𝑤𝑡𝐼ℎ,𝑖𝑛𝑖

𝛽

𝐼𝑛 corriente nominal de la turbina eólica

𝑁𝑤𝑡 número de turbinas conectadas al PCC

𝐼ℎ distorsión de corriente del h-ésimo armónico

𝑛𝑖 relación del transformador de la i-ésima turbina

eólica

𝐼ℎ,𝑖 distorsión de corriente del h-ésimo armónico

correspondiente a la i-ésimo turbina

𝛽 valor de escalamiento del orden armónico

IEEE Std. 519-2014

Voltaje

NIVEL DE VOLTAJE EN PCC armónico individual (%)Distorsion total armónica THD

(%)

< 1,0 kV 5,0 8,0

1 kV < 69 kV 3,0 5,0

69 kV < 161 kV 1,5 2,5

161 kV < 1,0 1,5a

Corriente

DISTORSIÓN MÁXIMA DE CORRIENTE CON RESPECTO A IL

ORDEN ARMÓNICO INDIVIDUAL (ARMÓNICOS IMPARES)

ISC/IL

3

<11

11

<17

17

<23

23

<35

35

<50TDD

<20 2,0 1,0 0,75 0,3 0,15 2,5

20-50 3,5 1,75 1,25 0,5 0,25 4,0

50-100 5,0 2,25 2,0 0,75 0,35 6,0

100-1000 6,0 2,75 2,5 1,0 0,5 7,5

> 1000 7,5 3,5 3,0 1,25 0,7 10

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• Se estudian orden armónicos entre 0 y 50

• Distorsión armónica de voltaje y corriente son comparados con los límites operacionales

correspondientes al caso de estudio

Integración BESS con energías renovables

En trabajos previos (Optimización de parques eólicos con almacenamiento de energía – BESS) se realizó la investigación para seleccionar y optimizar, para el control de fluctuaciones de energía, los siguientes elementos:

• Tipo de tecnología – Batería de Litio

• Capacidad – BESS: 86 MW, WPP: 400 MW

• Localización – Centralizada

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Modelo dinámico de BESS

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Vbatt = Ebatt − 𝐾 ∙Q

Q − 𝐢𝐭∙ 𝐢𝐭 − Rint ∙ i + A ∙ e

−B∙𝐢𝐭

EbattBT1

+

_

Rint

Ibatt

Vbatt

[11] A. A. H. Hussein and I. Batarseh, «An overview of generic battery models,» 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, 2011, pp. 1-6.

[12] O. Tremblay, L. A. Dessaint and A. I. Dekkiche, «A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles,» 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Arlington, TX, 2007, pp. 284-289.

Ebatt Voltaje de circuito abierto (V)

Q Capacidad de la batería (Ah)

Rint Resistencia interna (Ω)

Vbatt Voltaje de batería (V)

A Voltaje exponencial (V)

i Corriente de batería (A)

it Capacidad extraída (Ah)

B Capacidad exponencial (1/Ah)

K Constante de polarización (V/Ah)

it → variable dinámica del modelo

Control de potencia activaCBEST – Modelo EPRI

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MBase

SBasePmed

Pref

1

Pmax

−Pmax

IacmaxVac

−IacmaxVac

Pac MBase

SBase

Pout1

+

-

Out Eff

s

In Eff

s

Pout

Pout > 0

Pout < 0

+

+

Eout

[1] Electric Power Research Institute (EPRI), «Electricity Energy Storage Technology Options,» EPRI, California, 2010.

[14] K. Saeed, «Battery Energy Storage Systems: Grid Applications, Technologies, and Modeling,» S&C Electric Company, IEEE SMARTGRID, Chicago, 2016.

Descarga

Carga

Control de voltajeCBEST – Modelo EPRI

12

[1] Electric Power Research Institute (EPRI), «Electricity Energy Storage Technology Options,» EPRI, California, 2010.

[14] K. Saeed, «Battery Energy Storage Systems: Grid Applications, Technologies, and Modeling,» S&C Electric Company, IEEE SMARTGRID, Chicago, 2016.

Vmed

Vref

1 + 𝑠𝑇1 1 + 𝑠𝑇21 + sT3 1 + 𝑠𝑇4

𝐾𝑉𝐴𝑅𝑠

Vac

Iq

𝐾𝑓𝑏

IQmax

−IQmax

MBase

SBase

Vmax

Vmin

Qout

+

-

-

Modelo de simulación de parques eólicos

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Métodos de agregación

14

La agregación es necesaria para reducir la complejidad de la simulación en estudios

de parques eólicos de gran tamaño.

• Modelo multi-completamente agregado con velocidad de viento equivalente (Método empleado por MATLAB)

• Modelo semi agregado

• Modelo combinado semi-completamente agregado

j

n

j

jeq nSSS 1

n

j

jjeq nCCC1

Caso de estudio

Modelo agregado

5 turbinas

Modelo detallado

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Se realiza la estimación de la distorsión armónica de corriente para

todo el porque eólico con base en el estándar IEC 61400-21.

Comparación

Resultados •La distorsión armónica de corriente y voltaje presenta un error absoluto máximo de 1,12% entre el THD y los armónicos individuales.

•El máximo error absoluto de la estimación de la distorsión armónica de corriente para el parque eólico es de 0,83%.

•La distorsión armónica total de corriente disminuye con el número de turbinas, mientras que la distorsión de voltaje es independiente y presenta pequeños cambios

•El cambio en el tiempo de simulación entre el modelo agregado y el modelo detallado es notorio.

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Estudio de calidad de la potencia

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Investigaciones actualesD

isto

rsió

n a

rmó

nic

a

Compensación reactiva

Inte

rmit

enci

as d

e p

ote

nci

a, r

egu

laci

ón

d

e fr

ecu

enci

a y f

luct

uac

ion

es d

e v

olt

aje

Sistemas de almacenamiento de energía (ESS)

• SuperconductingMagnetic Energy Storage (SMES)

• Supercapacitores

• Baterías electroquímicas (BESS)

Est

abil

idad

de

sist

emas

de

po

ten

cia

StaticCompensator(STATCOM)

Ubicación óptima de ESS

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Desafíos de calidad de la potencia Fluctuaciones de potencia

Estabilidad de voltaje

Regulación de frecuencia

Distorsión armónica de voltaje y corriente

Estudio de calidad de la potencia de un parque eólico enfocado en fluctuaciones de voltaje y distorsión armónica de voltaje y corriente.• IEC Std. 61400-21

Impacto de BESS en la calidad de la potencia de un parque eólico• Fluctuaciones de voltaje• Distorsión armónica de voltaje y corriente

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Requerimientos de calidad de la potencia

Modelo de simulación

20

Modelo de simulación con BESS

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Impedancia de falla

FLUCTUACIÓN DE

VOLTAJE (PU)

Falla trifásica (Ω) Falla bifásica (Ω)

Rf Xf Rf

0.9 39,2 841,3 298,7

0.5 3,41 83,07 75,77

0.2 0,83 20,55 0,054

22

Simulación de fluctuaciones de voltajes basadas en

corto-circuito a través de impedancia de falla

23Fluctuaciones trifásicas de voltaje

Mayor estabilidad

Mejor tiempo

de respuesta

24Fluctuaciones trifásicas de voltaje

Mayor estabilidad

Mejor tiempo

de respuesta

25Fluctuaciones trifásicas de voltaje

Mayor estabilidad

Mejor tiempo

de respuesta

26Fluctuaciones bifásicas de voltaje

BESS compensa fase no fallada

27Fluctuaciones bifásicas de voltaje

BESS compensa fase no fallada

28Fluctuaciones bifásicas de voltaje

BESS compensa fase no fallada

Fluctuaciones de voltaje

Parque eólico con y sin BESS continua en operación durante la caída de voltaje.

Efecto de Pny el nivel de voltaje

El valor de Pn afecta la robustez y el comportamiento del voltaje.

Para valores grandes de Pn, el parque eólico retorna con mayor velocidad a operación normal.

Para mayores fluctuaciones de voltaje la acción de control requiere mayor energía para retornar a operación normal.

Impacto BESS

Mayor estabilidad y robustez de la acción de control.

El amortiguamiento del voltaje se realiza con mayor suavidad.

El control de voltaje del almacenamiento actúa con mayor rapidez que el control de las turbinas eólicas. Por lo tanto, requiere mayor energía y presenta un mayor overshoot.

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Distorsión armónico del parque eólico

Distorsión de voltaje Distorsión de corriente

30

-0,05%

0,45%

0,95%

1,45%

1,95%

2,45%

2,95%

3,45%

0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638404244464850

THD = 3,44% (Lim: 5%)

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

THD = 1,72% (Lim: 2.5%)

Distorsión armónica con BESSEstado de carga

Distorsión de voltaje Distorsión de corriente

31

-0,05%

0,45%

0,95%

1,45%

1,95%

2,45%

2,95%

3,45%

0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638404244464850

THD = 2,66% (Lim: 5%)

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

THD = 1,59% (Lim: 2.5%)

Distorsión armónica con BESSEstado de descarga

Distorsión de voltaje Distorsión de corriente

32

-0,05%

0,45%

0,95%

1,45%

1,95%

2,45%

2,95%

3,45%

0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638404244464850

THD = 3,62% (Lim: 5%)

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

THD = 1,90% (Lim: 2.5%)

Distorsión armónica

Sin BESSPara la distorsión armónica de corriente, los límites son excedidos por armónicos de alta frecuencia (supra armónicos - mayores del orden 23).

Estado de carga

Disminuye el THD de voltaje y corriente.

Componentes de alta frecuencia (mayores que el orden 23) exceden los límites.

Estado de descarga

Se incremental el THD y los armónicos individuales de voltaje y corriente.

La distorsión armónica de corriente medida a la salida del parque eólico corresponde a la suma de la distorsión armónica de corriente del parque eólico y del almacenamiento de energía.

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Conclusiones y trabajo futuro

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Conclusiones

El método de agregación presenta errores para los resultados de distorsión de armónica no mayores a 1.12%.

La estimación de armónicos con base en la Ley de la suma tiene un máximo error del 0.83% con relación a la simulación.

La distorsión de corriente es inversamente proporcional al número de turbinas conectadas. Sin embargo, la distorsión de voltaje no presenta grandes variaciones.

La violación en los limites operativos de la distorsión se debe a la presencia de supra-armónicos de corriente.

El parque eólico puede seguir en funcionamiento durante el 100% de las pruebas realizas para fluctuaciones de voltaje.

BESS pueden operar como un método de mitigación de armónicos.

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Trabajo Futuro

Es necesario establecer protocolos de medición y métodos de detección de supra-armónicos.

Se debe trabajar es normativa y regulaciones sobre estos componentes frecuenciales para realizar una mas completa acción correctiva.

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