Futuro de los sistemas de energa elctrica

Curso de Mercados Elctricos Departamento de Ingeniera Elctrica

Profesor Gabriel Olgun, Ph.D.

Contenidos

Objetivos y Alcance Introduccin y conceptos bsicos

Sistemas interconectados Conceptos de Transmisin en CA de alto

voltaje HVAC Futuro de los SEE

Breve revisin de tecnologas emergentes Transmisin en CC de alto voltaje HVDC

2

Objetivos y alcance

Identificar las caractersticas tcnicas bsicas relevantes de los SEE y su desarrollo futuro esperado. Tratamiento conceptual con nfasis en los fenmenos

fsicos y sus implicancias en el desempeo de la transmisin masiva de potencia elctrica.

Breve descripcin de tecnologas emergentes que afectarn el desarrollo futuro de los sistemas de energa elctrica (y su regulacin)

Sistemas interconectados y conceptos de transmisin en c.a. de alto voltaje HVAC

Introduccin:

4

Un poco de historia DC versus AC

5

Para una entretenida descripcin de la guerra AC versus DC ver AC/DC: The Savage Tale of the First Standards War by Tom McNichol

Los SEPs ayer y hoy

Ayer (General Electric v/s Westinghouse Electric): Thomas Alba Edison: corriente continua George Westinghouse, W. Stanley, N. Tesla:

corriente alterna Ventajas de la CA: Campo magntico trifsico, facilidad de

elevacin y disminucin del voltaje Desventajas de la CA: Necesidad de compensar la potencia

reactiva, el sistema debe operar en sincronismo

Hoy: SEE (AC) que cubren grandes extensiones de territorio que

permiten el transporte de energa elctrica a costos razonables y con niveles de SyCS establecidos en reglamentos y estndares

SEE: Definicin y objetivos Un SEE es la infraestructura necesaria para generar/producir,

transportar y distribuir energa elctrica en condiciones establecidas de calidad y seguridad. Su obje6vo es generar EE en can6dades sucientes, transmi6r grandes bloques de EE a los centros de consumo y distribuir la EE a consumidores nales en condiciones reguladas de calidad y seguridad y a mnimo costo.

Generacin V < 33kV

Transmisin V > 110kV

Distribucin primaria V

Caractersticas tcnicas bsicas

Sistema de CA La magnitud de la tensin varia: funcin senoidal del tiempo

Frecuencia No hay definicin clara sobre la frecuencia ptima Europa privilegi 50Hz, Norte Amrica 60 Hz

Nmero de fases Dificultades para disear motores monofsicos hicieron poco

atractiva la adopcin de sistemas de este tipo Los sistemas trifsicos son ms eficientes, mejor uso de los

conductores del espacio areo en una lnea area

v(t) =Vmaxsen(t +)

Topologa de las redes elctricas

Topologa: se refiere a la estructura de la red Evoluciona en respuesta a mayores exigencias de

disponibilidad y considera condiciones normales y contingencias (N-1)

Puede ser radial, enmallada, en anillo

Mayor seguridad implica mayor inversin El ptimo inversin/seguridad depende del tipo de consumo y su

costo de falla. Mientras ms grande la potencia involucrada mayor la exigencia de disponibilidad (STT con N-1)

Para cada sistema, y cada etapa dentro del SEP habr una topologa diferente

Estructura bsica de un SEE

Un SEE est conformado por tres etapas bsicas Generacin

Voltajes: entre 5 y 25kV por limitaciones de la aislacin Transmisin

Voltajes: 110 154 220 - 500kV Distribucin

Voltajes distribucin primaria: 12, 13,2 15 y 23kV Voltajes distribucin secundaria 380 v

Por convencin todos son voltajes que se sealan son entre lneas o fase a fase. Esto es prc6ca general en estudios de SEPs

La Generacin

Producto electricidad en

condiciones reguladas de

calidad

Producto electricidad en

condiciones reguladas de

calidad

Control (a nivel de G) de las variables elctricas

Al modicar una variable de control (Tm, iexc) se controlan las variables de salida (PG, QG, E, f).

En la mquina de generacin se controla frecuencia y voltaje En transmisin (actualmente) slo se controla voltaje El almacenamiento de energa en red permi6r ms control

en transmisin 2012 Gabriel Olgun

12

La Transmisin

Etapa del SEE que se encarga de transmitir grandes bloques de energa elctrica (potencia) desde los centros de produccin hasta los centros de consumo industriales o residenciales (a travs de una distribuidora) Para potencias mayores que unas decenas de MWs y

distancias de hasta unos 40km se transporta en lneas areas de alta tensin 110 kV. Para un par de cientos de MW en 220 kV. Para potencias de 1-2 mil MW se usa extra alta tensin 500kV.

En algunos casos se usa cable de poder de AT, pero el costo y las limitaciones tecnolgicas (potencia reactiva) lo limitan a unos 50km

La Distribucin

Es la etapa del SEP que distribuye la potencia a los consumidores finales, se distingue entre primaria y secundaria Distribucin primaria en MT, en Chile principalmente 13,2kV y

23kV Distribucin urbana, ejemplo centro de Santiago

Zonas de alta densidad de carga (KVA/km^2) Alimentadores cortos y uso de cable

Distribucin rural Zonas con baja densidad de carga Alimentadores largos y areos

Distribucin secundaria en BT, en Chile 380V

Concepto de Sistema Interconectado

Los sistemas elctricos se interconectan para compartir la reserva del sistema, aprovechar la

estacionalidad (pluvial o nivel) y aumentar la seguridad mediante respaldo mutuo (ejemplo SIC-SING).

Operar interconectado requiere coordinar la operacin

Los Centros de Despacho Econmico de Carga CDEC-SIC y CDEC-SING son los encargados de coordinar la operacin y velar por la operacin a mnimo costo La ENE plantea que el futuro tendrn tambin responsabilidades

de planificacin de la expansin del sistema de transmisin

Curva de demanda

El SEE se disea para atender la demanda mxima (ms reserva en generacin 20%) e infraestructura de respaldo en transmisin (N-1) y eventualmente en distribucin

Curva de duracin de la demanda

El SEE que suministra este consumo se utiliza To horas a un Po/Pmax de su capacidad (8760-To) horas el SEE est subutilizado irrogando sobrecostos

8760 hrs

Pmax

Qu es diferente hoy?

Creciente rechazo a la nueva infraestructura de EE LLTT, SSEE, centrales de generacin Empoderamiento de la sociedad: movimientos ciudadanos

Preocupacin por el medio ambiente Incorporacin de ERNC => disminuya emisiones CO2 Presin por el uso del suelo => mnimo uso de suelo, lneas y

SC compactas

Presin por la eficiencia econmica Disminucin de costos: inversin, operacin y mantenimiento Optimizacin/intensificacin de uso de la infraestructura

existente 18

y el futuro?

Nuevas tecnologas tendientes a hacer ms eficiente el sistema Transmisin en corriente continua: HVDC Mayor control de la potencia activa y reactiva: FACTS,

SVC, STATCOM, Trafos desfasadores Mayor monitoreo, supervisin y control: SCADA,

Sincrofasores, WAMCAP Conductores de alta temperatura, dynamic rating,

transforamcin AC-DC Cables de poder (AC y DC) Administracin de la demanda Almacenamiento de energa

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CURSO DE MERCADOS ELECTRICOS

Transmisin en Corriente Alterna de Alto Voltaje, HVAC

20

Gabriel Olgun, Ph.D.

Contenido

Conceptos bsicos de lneas de transmisin Transmisin masiva de potencia elctrica Estructuras de lneas elctricas, distancias tipicas Conductores, materiales Aisladores

Parmetros de lneas de transmisin Resistencia, reactancia inductiva y capacitiva Uso de tablas

Capacidad de transmisin Potencia natural Curva de cargabilidad de una lnea

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Transmisin de energa elctrica

La potencia es la rapidez con que se realiza un trabajo. En sistemas elctricos la potencia se mide en W, kW, GW, etc.

La energa elctrica se mide en Wh, kWh, MWh, GWh, etc. Corresponde al trabajo realizado por un W (kW, MW, etc.) en una hora.

Desde el punto de vista de infraestructura de G, Tx y D, es ms relevante la potencia, por ello en SEP se suele hablar de transporte de potencia elctrica

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Transmisin masiva de energa electrica

SISTEMA TRANSMISIN MASIVO de ENERGA ELCTRICA 220-500kV

SUBTRANSMISIN

ADICIONAL

ADICIONAL

ADICIONAL ADICIONAL

SUBTRANSMISIN

Generadores

Distribuidores Distribuidores

Consumidor

Consumidor

Conceptos bsicos

Las distancias son un asunto de seguridad de las personas Los conductores responden trmicamente dilatndose y

contrayndose afectando las distancias al suelo La aislacin puede ser cermica, polimrica o de vidrio templado.

Se contamina y requiere lavado Las estructuras pueden ser de madera, metlicas o de concreto Los principales esfuerzos sobre las estructuras los conforman el

viento y carga de hielo

Niveles de tensin y distancias

26

Transmisin en Corriente Alterna de Alto Voltaje, HVAC

Parmetros de lneas de transmisin y capacidad de transporte

Gabriel Olgun, Ph.D.

Lneas de transmisin de alta tensin

Las lneas de transmisin permiten el transporte de potencia (y consecuentemente de energa) desde los centros de generacin a los de consumo Pero el producto electricidad debe ser entregado en

condiciones reguladas de calidad y disponibilidad

El comportamiento elctrico de la lnea depende de su longitud, voltaje y configuracin geomtrica. Para efectos de estudio se clasifican en: Lneas cortas: voltajes menores a 130 kV y hasta 80km Lneas medias: voltajes de hasta 220 kV y hasta 200km Lneas largas: voltajes desde 220kV a longitudes superiores a

200km

Lneas de transmisin

El desempeo de la lnea se estudia mediante su modelo elctrico

El modelo elctrico general de una lnea area consiste de una impedancia serie y una admitancia paralelo. Un modelo comnmente utilizado es el modelo pi.

En lneas medias y largas, tanto la impedancia serie como la admitancia paralelo son relevantes

En lneas largas, el modelo pi tiene aplicacin limitada y por tanto se usa un modelo de parmetros distribuidos

Modelos circuitales de lneas: modelo pi

En general, toda lnea tiene una impedancia serie (resistencia y reactancia inductiva) y admitancia al neutro (conductancia y susceptancia capacitiva).

Una lnea de transmisin larga absorbe o entrega potencia reactiva dependiendo de su nivel de carga

Parmetros de lneas

La determinacin del circuito equivalente de una lnea requiere determinar sus parmetros circuitales

Se distinguen parmetros serie y paralelo de lneas La impedancia serie: resistencia R y reactancia XL. La

resistencia esta asociada a las prdidas joule, la reactancia al campo magntico entre lneas

En lneas de AT y EAT, XL>R Admitancia paralela: conductancia G y susceptancia capacitiva

YC. La conductancia G es despreciable y modela las corrientes de

fuga en aisladores, la capacidad modela la ionizacin del aire debido a la diferencia de potencial y es relevante en lneas de AT y EAT

Parmetros serie: Resistencia

La resistencia elctrica de los conductores de lneas de transmisin dependen de diversos factores. Material (Cu o Al), dimensiones, temperatura, frecuencia

elctrica, etc.

Desde el punto de vista de SEE, (frecuencias de 50Hz) se distingue: Resistencia a la corriente continua o directa RDC Resistencia a la corriente alterna RAC tambin llamada Refe

La resistencia dc es menor que la resistencia efectiva RDC

Resistencia DC de un conductor cilndrico

La resistencia dc a una temperatura T de un conductor cilndrico de resistividad , longitud l y seccin A es

32

RT =T lA

Donde :l : longitud del conductor en m o kmT : resistividad del conductor a T oC,

expresada en mm2

m%

& '

(

) * o en m[ ]

A : seccion del conductor, expresada enmm2[ ] o en unidades inglesas

Circular Mil CM, MCM o calibres AWG

Resistencia a la corriente continua

La resistividad vara linealmente con la temperatura Efecto pelicular, efecto cableado y composicin del

conductor (ACSR) hacen crecer la resistencia a CA El rea o seccin se mide en mm2, tambin en circular

mils CM o mil circular mils MCM. Un CM corresponde al rea de un circulo de dimetro una

milsima de pulgada, luego 1CM = 0,5067 x 10-3 mm2

Inversamente 1 mm2 = 1973,55 CM MCM son mil CM, 1 MCM = 0,5067 mm2 1 mm2 = 1,973 MCM (2MCM)

Tabla de conductores

34

Inductancia de una lnea trifsica, configuracin equiltera

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[H/m] ln2

: tantolopor y ln2

==

=

a

o

a

aa

aa

oa

RMGD

iL

RMGDi

...(1.6)[H/m]/fase ln102=ln2

es equiltera trifsicalnea una de fasepor ainductanci la tantoloPor

7

=

aa

o

RMGD

RMGDL

Lnea trifsica, configuracin equiltera

36

L = 2 107 ln DRMGa$

% &

'

( ) [H/m]/fase...(1.6)

La reactancia inductiva por fase de la lnea es :XL = 2 f L por lo tanto

XL = 4 104 f lnD

RMG$

% &

'

( ) [/km]/fase ... (1.7)

o empleando logaritmos base 10nota : ln(x) = log(x) / log(e)

XL = 2,894 103 f logD

RMG$

% &

'

( ) [/km]/fase ... (1.8)

Lnea trifsica, configuracin asimtrica

Razones tcnicas y econmicas hacen necesaria la construccin de lneas trifsicas asimtricas

37

Las distancias entre conductores no son iguales, esto provoca que el ujo enlazado por cada fase sea diferente. Por lo tanto en principio LaLbLc y la lnea es un elemento trifsico desequilibrado.

Lnea trifsica, configuracin asimtrica

En lneas de cierta longitud o relevancia es necesario compensar o igualar el flujo enlazado mediante transposiciones de la lnea.

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DMG = Dab Dbc Dca3

La inductancia por fase L entonces resulta :

L = o2 lnDMGRMGaa

$

% &

'

( ) y la reactancia inductiva XL

XL = 2 f L

XL = 4 f 104 lnDMGRMGaa

$

% &

'

( ) [ /km]/ fase

XL = 2,894 103 f logDMGRMGaa

$

% &

'

( ) [ /km]/ fase

Obs :DMG = Dab Dbc Dca3

Lnea trifsica, configuracin asimtrica

Uso de tablas

40

La inductancia por fase es

XL = 2,894 103 f logDMGRMGaa

$

% &

'

( ) [ /km]/ fase

que tambien se puede escribir

XL = 2,894 103 f log1

RMGaa$

% &

'

( ) +

2,894 103 f log DMG( ) [ /km]/ faseXL = Xa + XdXa : valor tabulado, slo depende del conductorXd : valor a calcular, slo depende de la geometria

Uso de tablas

41

Xd = 2,894 103 f log DMG( ) [ /km]/ faseXL = Xa + Xd [ /km]/ fase

Ej. Kiwi Xa = 0,2549 /km; Xd debe calcularse de acuerdo a la geometra de la lnea, en particular

de acuerdo a DMG entre fases.

En el caso de una lnea trifsica asimtrica, pero con transposiciones, se comprueba que la capacidad fase - neutro Cn =

0,02416logDMGr

[F/m]/fase ...(17) y la reactancia capacitiva

al neutro es Xcn =6,5876

f logDMGr

#

$ %

&

' ( [M km] ...(18)

La capacidad entre fases puede calcularse mediante transformacin estrella - delta, por lo tanto Cab = Cbc = Cca = C =

Cn3

Lnea trifsica, configuracin asimtrica

42

Uso de tablas

En las tablas de conductores se indica Xa por lo que slo se requiere calcular Xd

Observacin: Xa esta en mts, luego la DMG tambien debe estar en mts En las tablas no confunda Xa con Xa (observe las

unidades)

43

La reactancia capacitiva es

Xcn =6,5876

f logDMGr

#

$ %

&

' ( [M km]

que se puede escribir

Xcn =6,5876

f log1

r(mts)#

$ %

&

' ( +

6,5876f log DMG(mts)( ) [M km]

Xcn = Xa' + Xd'

Reactancia capacitiva: tabla de fabricantes

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Considere una lnea trifsica a 50Hz, Drake 795MCMcon DMG = 5 mtsLa reactancia capacitiva es

Xcn =6,5876

f log1

r(mts)#

$ %

&

' ( +

6,5876f log DMG(mts)( ) [M km]

la tabla de fabricantes entrega la reactancia capacitivapara cada conductor a un metro de distancia, luegoXa' = 0,2440 y por tanto solo hay que calcularXd' =

6,5876f log 5( ) = 0,0921

Xc = 0,336 [M km]/fase

Lmites al transporte de potencia

La transmisin de potencia por una lnea de AT o EAT queda limitada por tres factores bsicos:

Lmite trmico los conductores alcanzan su temperatura mxima de

operacin, por sobre la cual se arriesga violar distancias mnimas al suelo o prdida caractersticas mecnicas

Regulacin de tensin (el voltaje en los extremos de la lnea debe cumplir las normas establecidas, NTSyCS)

Estabilidad angular (la variacin angular entre voltajes debe ser segura ante contingencias plausibles)

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Lmites al transporte de potencia: temperatura

La temperatura mxima de operacin de conductores est indicada en tablas (tpico 80C), excederla pone en riesgo las propiedades mecnicas del conductor

La temperatura final depende de: temperatura ambiente, radiacin solar, corriente transportada y ventilacin Wi: calor por efecto joule I2R por unidad de longitud Ws: calor por radiacin solar por unidad de longitud Wc: calor por conveccin por unidad de longitud Wr: calor por radiacin por unidad de longitud

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Wi +Ws =Wc +Wr

Lmites al transporte: regulacin de tensin

El flujo de corriente (potencia activa) por una lnea implica variaciones de tensin en el extremo receptor producto de la cada de tensin en la lnea El parmetro serie X es el ms relevante en la cada de

tensin; en AT y EAT X puede ser del orden de 10 veces R

La normal variacin de la carga implica variacin de la tensin en el extremo receptor

La potencia a transmitir por la lnea no puede exceder el valor asociado a una regulacin de tensin conforme a la NTSyCS. Por ejemplo en 500kV, la regulacin permisible es +/-3%

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Curva de demanda y regulacin de tensin

48 Sistemas de Energa Elctrica

Lmites al transporte: estabilidad angular

El transporte de potencia en una lnea de AT o EAT implica no slo variacin de la magnitud de la tensin, sino adems una abertura o desfase angular.

El desfase entre los voltajes en los extremos de las lneas no puede superar en ninguna circunstancia un lmite esttico de /2 (90)

Normalmente para lograr lo anterior y dejar un margen de estabilidad, la operacin exige un ngulo de

El valor mximo de potencia PGmax que se produce para =/2 y constituye un lmite de estabilidad esttica del generador

Curva potencia ngulo

2012 Gabriel Olgun 50

)(Pqueda ngulo potenciarelacin La

)(P

EAT lnea unapor activa potencia La

maxG

1212

12

senP

senXVV

G=

=

Potencial natural de una lnea de transmisin

El SIL es la potencia asociada a la impedancia caracterstica Zc Impedancia caracterstica: por definicin es la raz del cociente

entre la impedancia serie Z y la admitancia paralela Y. Valores tpicos entre 200 y 400 .

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y Zc voltajedel depende slo [W]; Z

=SIL

:es natural potencia la Luego

; prdidas,sin lnea una para ;

c

2V

CLZ

yzZ cc ==

Potencia natural: SIL

Interpretado correctamente la potencia natural o surge impedance load SIL de una lnea es un ndice de capacidad de transmisin.

En la prctica una lnea de transmisin elctrica es capaz de transmitir algo ms o algo menos que su SIL. Cuanto ms o cuanto menos depende de la longitud de la lnea

Es costumbre expresar la capacidad de lnea de AT y EAT como mltiplo de su SIL Ejemplo: una lnea en 500kV tiene un SIL del orden de

1000MW; una lnea particular de 500kV podra tener una capacidad de transporte de 1,2SIL=1200MW

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Valores tpicos

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Voltaje nominal 220kV 500kV

R (/km) 0,050 0,028

X (/km) 0,407 0,271

B (uS/km) 2,810 4,333

Zc () 380 250

SIL (MW) (1,2,3,4 conductores/fase)

127/160/200/240 X/800/1000/1250

Capacidad MVAr/km 0,136 1,08

Frecuencia nominal 50 H; R, X y B valores por fase; SIL y Capacidad trifsica

Curva de cargabilidad universal

Los distintos aspectos que limitan la capacidad de transporte de una lnea pueden ser visualizados en las curvas de cargabilidad de St Clair.

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Curva de cargabilidad universal

Ejemplo: Una lnea de 500kV tiene un SIL de

1000MW, la curva indica que para una longitud de 300 millas (480km), el lmite de trasferencia es justamente su SIL y est dado por estabilidad angular

Para una longitud de 100 millas (160km) la lnea podra transmitir 2,2SIL limitada por regulacin de tensin

Para longitudes menores a 50 millas (80km), la lnea queda limitada por temperatura.

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Conclusiones

Las lneas de transmisin son elementos esenciales del sistema de potencia

La potencia natural V2/Zc es un aspecto de la capacidad de una lnea, el otro es la longitud SIL 220kV: 127/160/200/240 (MW) SIL 500kV:X/800/1000/1250 (MW)

La capacidad de transporte es inversamente proporciona a la longitud de la lnea

La capacidad de transporte de una lnea est limita por 1) lmite trmico, 2) regulacin de tensin, 3) estabilidad angular

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