Impacto de la Generación Distribuida en los sistemas de distribución de energía

eléctrica Taller Tecnológico para Ingeniería Eléctrica

Dr. Ing. Juan Carlos Gómez TargaronaInstituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia

Universidad Nacional de Río Cuarto

I Encuentro Regional de Estudiantes de IngenieríaHacia el II Congreso Latinoamericano de Ingeniería

Universidad Nacional de San LuisVilla Mercedes, San Luis, 28 de Mayo de 2009

Generación distribuida:Generación de menos de 10 MW, interconectada al

sistema y que puede funcionar en forma independiente alimentando sus usuarios propios

Definiciones• Generación distribuida: planta alimentando un

usuario próximo o respaldando al sistema • Generación dispersa: generación distribuida más

generación pequeña localizada alejada del usuario (es la anterior más la eólica)

• Potencia distribuida: generación distribuida más equipos almacenadores de energía

• Fuentes distribuidas de energía: potencia distribuida más la gestión del sistema

• Fuentes descentralizadas: generación distribuida conectada a la red de distribución

Introducción• Historia: distribuida, centralizada y ahora distribuida• Causas: Agotamiento de combustibles fósilesConciencia del daño al ambienteCrecimiento del consumoConsideraciones económicas• Requerimientos:Cambios de la estructura del mercado eléctricoDesarrollo de nuevas tecnologías de generaciónTecnologías de comunicaciones y control• Futuro: 7 al 14% del agregado próxima década será GD

45% de los Ing. eléctricos se retirarán antes del 2013

Generación Distribuida

• Principales tecnologías:GeneradoresAlmacenadoresSistemas Híbridos

Principales Tecnologías de Máquinas de impulso

• Máquinas de combustión interna• Máquinas de combustión externa (Stirling,< 5 a 7 kW)

Turbinas de gas Turbina Tradicional

Esquema comercialVentajas: - bajo costo de instalación por MW, - aumento de disponibilidad de gas, - gran demanda para picos de carga, - alto rendimiento de equipos derivados de aviación, - rapidez de instalación de 1 a 40 MW en días o semanas.

Generación eólicaSu evolución

Características de la generación eólica

No despachable

Turbina Darrieus

Aprovechamiento de la energía Eólica

Energía solar: su disponibilidadNo despachable

Disponibilidad del recursode 200 a 1.000 W/m2

Energía solar: Celdas fotovoltaicas

Colectores solares

Celdas fotovoltaicas

Desventajas:(1)Área requerida por difusión del recurso, (2)Elevado costo una vez instalado en comparación con otras GD, (3) Intermitencia de la potencia si no se dispone de almacenamiento(4) Bajo rendimiento, y(5) Normas de interconexión a la red poco claras

Microturbinas de gas1. Tamaño menor a 200 kW 2. Ciclo simple: compresor y turbina de una sola etapa3. Relación de presiones: 3 a 4:1 en lugar de 13 a 15:14. Rotor: eje corto con el generador en un extremo y bolillero central5. Genera a alta frecuencia 1,5 kHz, requiere conversor

Microturbinas de gas

Ciclo combinado (P>=10MW)

Potencias elevadasAlto rendimientoTecnología conocidaUso de gasGeneración central

Calor y potencia combinadas (CHP)

Calor y potencia combinadas (CHP) Tipo Tamaño Costo Rendimiento

(MW) (USD/kW) Eléctrico Total

CHP: Datos comparativos

LHV: Low Heating Value

Celdas de combustible

Ánodo Electrolito Cátodo

Combustible

Oxidante

Rendimiento 50 a 60 % (motor explosión 30 %)

Lentas 10 a 20 MW

Rápidas 50 kW

Celdas de combustible

MCFC, Molten carbonate; PAFC, Phosphoric acid; PEMFC,Proton exchange membrane; SOFC, Solid oxid

GENERACIÓN DISTRIBUIDAResumen de características principales

FV: celda fotovoltaica

Motor Comb Int Microturbina FV Celda CombustibleDespachablePotenciaRendimientoCosto (USD/kW)Mantenimiento (USD/kW)Gas PetróleoEstado

Si Si No Si

Comercial Comercial Comercial Comercial gran tamaño nivel piloto

Resumen de características principales

GENERACIÓN DISTRIBUIDA

Principales Tecnologías de Almacenadores

Altura de agua (hidrostática)Aire comprimido Baterías electroquímicaBobina magnética superconductoraVolante inercialCapacitor electroquímico

Altura de agua o central de bombeo

Grandes potencias, hay centrales con más de 600 MW

1. Embalse superior2. Dique superior3. Galería de conducción4. Chimenea de equilibrio5. Tubería forzada6. Casa de máquinas7. Turbogeneradores8. Embalse inferior9. Líneas eléctricas10. Desagüe

2

Aire comprimido• Al comprimir muy lentamente 1,0 m3 de aire a

temperatura ambiente, dentro de una botella de 1 litro a 200 bares ( ≈ atmósferas), se almacenan 583 kJ (0,16 kWh) de energía potencial.

• Rango de potencias disponibles 35 a 350 MW• Tecnología competitiva con turbinas y ciclos combinados • Costos del orden de 300 a 500 USD/kW• Existe una instalación en Alabama, USA, que almacena

en caverna, con potencia nominal de 110 MW.

BateríasElectroquímica Voltaje Características Plomo-ácido 2,0 Menor costo

Níquel-cadmio 1,2 Con efecto memoria

Níquel hidruro metálico 1,2 Sensible a la temperatura

Litio – ión 3,4 Segura, sin litio metálico

Litio – polímero 3,0 Con litio metálico

Zinc – aire 1,2 Requiere buen manejo del aire

Energía específica Wh/kg

Densidad de energía Wh/l

Almacenamiento en baterías• Ventajas- Elevada capacidad de almacenamiento• Desventajas- Ecológicas: el plomo es altamente contaminante, usando

en baterías el 80 % del plomo empleado y el 50 % de los metales peligrosos

- Requisitos especiales para su instalación (temperatura ambiente, ventilación, materiales no corrosibles, etc.)

- Confiabilidad: uso en serie y numerosos contactos- Número máximo de ciclos de descarga, según

profundidad- Elevado costo de desactivación

Almacenamiento en campos magnéticosLímite actual 5 MJ

Ejemplo comercial:

4,3 H, 2,15 MJ,

800 kVA, 1s.

Almacenamiento en volante inercial

Rectificador InversorAlimentación de alterna 50 Hz

Salida de alternao contínua

Barra de CC

Inversor bidireccional

Módulo de almacenamiento

en volante

Módulo electrónico

Módulo de almacenamiento de

energía

Tiempo de soporte:

Batería 900 s

UPS rotativa 15 s

Incidencia de h.v. y micro- cortes

85 % < 13 s

87 % < 900 s

incidencia 2 %

30.000 rpm, 2kWh

Almacenamiento en Volante Inercialpara regulación de voltaje y frecuencia

Unidades de 25kW/h, 100 kWPotencias totales de 1 MW, adicionables hasta 20 MW

Almacenamiento en supercapacitores

Comparación de tecnologías de almacenamiento

Sistema híbrido

Interface

GD: Impacto ambiental

SCGT: simple cycle gas turbineCCGT: combined cycle gas turbineSOFC: solid oxide fuel celPAFC: phosphoric acid fuel celGas engine/cat: w/three way catalystLean gas engine: poor mix gas engine/SCR: with selective catalyst reduction technology

Nitrogen oxides

Carbon dioxide

Interconexión• GeneradorSincrónicoAsincrónico excitado por estatorAsincrónico doble alimentadoAsincrónico con convertidorCorriente contínua con convertidor• Sistema de puesta a tierra• Convertidor• Transformador

Tipos de generadores

Sincrónico

Asincrónico

Convertidores• DC – AC: para celdas de combustible,

celdas fotovoltaicas, almacenamiento en baterías, supercapacitores, magnetos y volantes inerciales.

• AC – AC: generación eólica y turbinas de gas.

Desde muy simples, hasta altamente sofisticados con control de potencia activa y reactiva, energía, cupla, velocidad, etc.

Tipo de excitación y regulación

Principales tipos de transitorios a inyectar al sistema

Transitorios de conexióngenerador asincrónico

Transitorio de desconexión generador asincrónico

Pérdida de excitación plena Continúa con excitación capacitiva

Variación de la tensión generada generador asincrónico

Efecto de sombra de torre

Curva de sensibilidad

Variación de la corriente suministrada generador asincrónico

Potencia y tensión

Comportamiento del generador de inducción frente a cortocircuitos: tensión y corriente

Comportamiento del generador de inducción frente a cortocircuitos: potencia y velocidad

IMPACTO SOBRE EL SISTEMA ELÉCTRICO

• Seguridad personal y de equipos• Efecto sobre la Calidad de Potencia• Regulación de tensión• Incremento de la corriente de falla• Sistema de protección contra sobrecorriente• Consideraciones sobre planificación• Confiabilidad del sistema, 6 nueves, 30 s.• Flujos de potencia activa y reactiva• Pérdidas en el sistema de distribución

IMPACTO SOBRE LA CALIDAD DE POTENCIA

• Introducción a la Calidad de Potencia• Efectos sobre los huecos de tensión• Armónicas• Flicker• Sobretensiones semipermanentes• Ferroresonancia

Introducción a la Calidad de Potencia

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25Tiempo (s)

Volta

je (p

u)

Interacción GD – hueco de tensión

Voltage limit curve of a network fault forgenerators with high symmetrical short circuitcurrent component (large thermal plant)

Voltage limit curve of a network fault for low symmetrical short circuit current component of a generator (wind generator)

FlickerRelación con Regulación y por ende

con Inversión

• Fenómeno altamente subjetivo• Función de la respuesta del sistema

lámpara-ojo-cerebro• No produce deterioro a equipos• Limites establecidos por

reglamentaciones nacionales e internacionales

• Confusión con hueco de tensión cíclico

0

1

2

3

4

5

6

1 10 100 1000 10000 100000Frecuencia de la fluctuación de tensión (1/hora)

Varia

ción

de

tens

ión

(%)

Límite de irritaciónLímite de detección

FFF 30 Hz

Año 1937

Flicker causado por generadores

impulsados por motor a explosiónGrupo Electrógeno, 900 rpm, 6 cilindros, 4 tiempos.

Flicker causado por generadores impulsados por energía eólica

PST = [cos sc + dQ/dP sin sc ] Swn / Ssc Iw fw(W) Dondesc = Ángulo de corto circuitoQ = Potencia reactivaP = Potencia activaSwn = Potencia nominal de la turbinaSsc = Potencia de cortocircuito del sistema Iw = Promedio de la turbulencia del viento fw (W) = Coeficiente de flicker (función del viento)

Ejemplo de sombra de torre:

1000 rpm, 3 palas 5,5 Hz

Sobretensiones por pérdida de referencia

?

Ferroresonancia

Armónicos debidos a la GD• Los inversores conmutados actuales generan niveles bajos de

armónicas de orden bajo, como la 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, 11ª y 13ª.• Los órdenes elevados, de 25ª a 35ª, usados para la conmutación

de los inversores pueden entrar en resonancia con los cables. • Dificultades para cumplir con la IEEE 519-1992, que es más

exigente para generadores que para cargas.• Discusión para considerar a la GD como carga• En general, la distorsión armónica depende del tipo de inversor

y de la estrategia de control

Generación de armónicas

Factor de Potencia

Regulación de tensión

Protecciones contra sobrecorrientes y sobretensiones

• Funcionamiento en isla• Tipo de conexión del transformador• Protección diferencial• Protección por sobrevelocidad y

estabilidad• Retorno de energía y caída de frecuencia• Protección contra pérdida de carga• Coordinación de aislación• Protección contra descargas atmosféricas

Comportamiento frente a cortocircuitos:modificación de la dirección y fallas de coordinación

GD

Comportamiento frente a fallas:reducción de sensibilidad

Comportamiento frente a fallas:límite en el alcance

Conversión de curvas de inmunidad al plano t - i

Vh (%) t (ciclos) ΔV (%) I (pu del cortocircuito en el PCC)

0 0,5 100 1

30 1 70 0,7

58 10 42 0,42

70 100 30 0,30

87 1000 13 0,13

Ih (t) = IPCC short-circuit x ( 100 – Vh (t) ) / 100

CBEMA t-V

CBEMA t-I

Efecto de la Generación Distribuida

VSE [pu] = 1–(Zs+Zis)*(Zd+Zid)/(Zf*Z+(Zs+Zis)*(Zd+Zid+Zim))

con Z = Zs + Zi +Zd. En caso de cambio de posición, se estudia como “espejo”, Zs Zd

Concepto de energía específica• Energía específica en corriente∫i2dt = I2t (A2 s)• Energía específica en tensión∫v2dt = V2t (V2 s)• Efecto combinado y su conversión:

importancia de la potencia de cortocircuito del sistema en el punto en estudio

Sistema radial con inclusión de GD

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Time (s)

Cur

rent

and

vol

tage

(p

u)

Faulted branch current SE voltage

Operación fusible 0,066 pu2s

Salida de servicio (ss) ES 0,205 pu2s

Si CB abre en 0,2 s ES ss en 0,42 sSi CB abre en 0,38 s F4 opera en 0,49 sy ES no sale de servicio

ES

Concepto de conexión semi-rígida

• EDr = (87– 30%)2 0,16 s = 520%2 s. • EDnr = (87– 30%)2 0,04 s + (87–

80%)2 0,12 s = 136%2 s.

Gs Zs Zf fault

DG ZDG Zv & CB

Load (SE)

Impedancia Ifalla Déficit de energía específica con

generación distribuida e impedancia limitadora

Déficit de energía específica sin generación

distribuida e impedancia limitadora

ohm % s-c %2 s %2 s

j 15.7 3 19.22 438.9

j 15.7 6 30.60 276.4

j 15.7 6 26.04 388.7

j 15.7 10 33.31 757.1

j 6.28 50 47.87 1062.6

j 3.14 100 60.83 955.5

j 31.4 100 64.80 952.2

Ejemplo: 13,2 kV; Pns=30 MVA, Pngd= 3 MVA, lf= 10 km, t= 40 ms

Operación de un reconectadorEliminación fallas: 85% - 1°, 4% - 2° y 1% - 3°

Curva característica

típica de un

reconectador

Coordinación reconectador – fusible en presencia de Generación Distribuida

05

101520253035404550

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Relative time (t/θ)Te

mpe

ratu

re ri

se (%

Tf)

05

101520253035404550

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Relative time (t/θ)

Tem

pera

ture

rise

(% T

f)

Fusible In=40 A, constante tiempo 12,4 s, If= 165 A, IDG=65 A abre 100 ms. Fusible abre 14 s no GD, 6,28 s (0,506) si GD abre 100 ms y 3,4 s (0,274) si GD no abre

Con impedancia, IDG=25 A. 14 s, 4,8 s (0,388) y 3,4 s (0,274)

Modificación en la curva tiempo – corriente debido a la GD

0,01

0,1

1

10

100

1000

10 100 1000 10000

Current (A)

Tim

e (s

)

Curva modificada- Cuadrados vacíos corresponden a TCC mínima fusión para 40 A- Cuadrados llenos, desplazamiento por GD que colabora 0,65 pu. - Círculos corresponden al corrimiento vertical para 300 A por corriente de GD de 1, 1,65, 2, y 3 pu.

Efecto de la GD sobre los reconectadores

-3-2-1012345

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Time (seconds)

Cur

rent

(A x

10)

-6-5-4-3-2-1012

Volta

ge (p

u)

Current Voltage

Desionización fallida

Desionización exitosa

Parámetros de ensayo:I = 10 A, l de 90 a 205 mm y relación corrientes GD / sistema de 1/16 a 1/10

Protección completa (IEEE 1547)

Nuevo esquema eléctrico

Red inteligente

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Hogar eficiente desde el punto de vista energético

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