ESTUDIOS ELÉCTRICOS RENOVABLES
TEMARIO
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Aspectos generales Flujo de carga Cortocircuito Protecciones Referencias
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INTRODUCCIÓN Para el análisis del comportamiento tanto en estado estable como en régimen dinámico de los sistemas eléctricos, es necesario modelar adecuadamente las nuevas fuentes de energía renovable. Se presentarán modelos a usar para plantas PV y Eólicas. Panel solar Eoply EP156M/60240W 30V Monocristalino
11/4/2020
PV : PhotoVoltaics
ASPECTOS GENERALES
Los módulos PV convierten la energía del sol en energía eléctrica (efecto fotoeléctrico). Las formas de onda de tensión y corriente generadas son de tipo D.C. Los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) transmiten y transforman la potencia de manera A.C. por tal motivo entre el módulo DC y el sistema AC existe una interfaz (conversor) para la interconexión de los sistemas. 11/4/2020
ASPECTOS GENERALES Modelo típico de inversor para conexión de celda PV a la red
Tomado de WECC Solar Plant Dynamic Modeling Guidelines 11/4/2020
ASPECTOS GENERALES SMA
SC1250MV-DES104720W.pdf 11/4/2020
FLUJO DE CARGA
Permite calcular u obtener los voltajes en cada nodo o punto del sistema y con base en estos valores los flujos de potencia activa (kW) y potencia reactiva (kvar)
11/4/2020
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FLUJO DE CARGA Para la evaluaciรณn de la conexiรณn al SIN (Sistema Interconectado Nacional), la fuente PV, generalmente se modela entregando su mรกxima potencia. Para los estudios de flujo de carga, la fuente PV es considerada como una inyecciรณn de potencia activa y reactiva. 11/4/2020
FLUJO DE CARGA Modelo tĂpico de un sistema PV conectado al SEP
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FLUJO DE CARGA Cuando son instalaciones grandes se deben realizar equivalentes
Tomado de: WECC solar plant dynamic modeling guidelines cagallegos@gmail.com
FLUJO DE CARGA Para la potencia activa (kW) se considera que los mรณdulos solares entregan su potencia nominal.
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FLUJO DE CARGA Para la potencia reactiva (kvar) es necesario hacer uso de la potencia nominal del inversor y de su curva de capacidad (capabitility curve)
HUAWEI SUN2000-45KTL-US-HV-D0 Datasheet US - (20161020).pdf 11/4/2020
FLUJO DE CARGA Potencia Reactiva (kvar)
SMA_Generic_Models_SC.PDF
11/4/2020
FLUJO DE CARGA
Tomado de WECC Solar Plant Power Flow Modeling Guidelines 11/4/2020
FLUJO DE CARGA
CREG 060
11/4/2020
FLUJO DE CARGA Notas varias: • Cuando no produce activa (kW), no tiene que producir reactiva • Cuando produce el 10% de la activa (kW), debe estar en capacidad de producir como mínimo 10% de reactiva (fp =70.7%) Cuando produce el 20% de activa debe producir – absorber, como mínimo un 33% de reactiva (fp=51.8%) 11/4/2020
FLUJO DE CARGA
FLUJO DE CARGA
Modelo Detallado
Modelo simplificado general
FLUJO DE CARGA
FLUJO DE CARGA (FC)
11/4/2020
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CREG 030
GD: Generación Distribuida (<=0.1 MW); AGPE: Auto Generación a Pequeña Escala (<=1 MW) Notas: • Si se conecta en baja tensión (208 V), sería la del transformador de distribución 13.2/0.208 kV. Ejemplo: Un transformador de 200 kVA, permitiría 30 kVA • SI se conecta a un circuito (13.2 kV) de 300 Amp, la capacidad nominal del circuito sería 6.86 MA y en tal caso esta autorizado para instalar 1.03 MVA • Si el transformador, supongamos 34.5/13.2 kV es de 15 MVA, podría instalar 2.25 MVA
PARADIGMA Las fuentes solares, no aportan reactiva. Impreciso Cuando se instala una fuente solar (celdas + inversor) con factor de potencia 0.95 y 500 kW nominales, significa que cuando inyecta los 500 kW, puede entregar como mรกximo:
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PARADIGMA Para aportar mas reactiva (kvar, Mvar), debe inyectar menos activa (kW â&#x20AC;&#x201C; MW). Impreciso Se comportan conforme a la curva de capacidad (Capability Curve) de la planta PV
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CORTOCIRCUITO • Como se mencionó anteriormente, una planta PV posee inversores como interfaz entre el lado D.C. y el lado A.C. • La IEC denomina este tipo de tecnologías como “Full size converter” • La planta PV se asemeja a un modelo WTG4 de turbinas eólicas. 11/4/2020
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CORTOCIRCUITO • La norma IEC de cortocircuito que involucra las PV es la IEC 60909 2016 • La norma IEC 60909 2016 fue desarrollada para sistemas trifásicos. En principio no aplica para todos los sistemas de Distribución, debido a que dichos sistemas tienen tramos asimétricos (bi y mono- fásicos). Solución parcial: se reducen los tramos bi y monofásicos. 11/4/2020
CORTOCIRCUITO • La norma IEC de cortocircuito que involucra las PV es la IEC 60909 2016 • Esta norma considera que las PV son fuentes de corriente y no de voltaje. Recordar que las plantas térmicas y las hidráulicas son fuentes de voltaje 11/4/2020
FULL SIZE CONVERTER
DER Actualmente (2020-10) la norma mas representativa para las DER es la IEC 60909 2016 Las DER son fuentes de corriente y no de voltaje Los generadores sincrรณnicos tradicionales son fuentes de voltaje
FUENTES DE CORRIENTE Fuente de Voltaje Fuente de Corriente Fuente de Voltaje
IEC 60909 2016
F. de Corr.
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CORTOCIRCUITO • La contribución, de la estación PV (panel, interfaz DC/AC, transformador), de corriente durante una falla depende del tipo de control implementado. • Por tal razón el fabricante de los inversores debe entregar los valores de corriente de cortocircuito, durante una falla en bornes del dispositivo. 11/4/2020
CORTOCIRCUITO
En caso de no contar con la información, investigaciones, fabricantes y organismos reconocidos recomiendan valores entre 1.1 – 1.5 veces la corriente nominal del inversor. 1.1: Factor de Prefalla según IEC
*1.5 11/4/2020
CORTOCIRCUITO En caso de no contar con la informaciĂłn, investigaciones, fabricantes y organismos reconocidos recomiendan valores entre 1.1 â&#x20AC;&#x201C; 1.5 veces la corriente nominal del inversor.
Datos de fabricante 11/4/2020
RESULTADOS DE LA SIMULACIÃ&#x201C;N Short-circuit current At node N2 = 3.903 kA
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PARADIGMAS
â&#x20AC;˘ Las PV no aumentan los niveles de corto, ya que no aportan al corto. Incorrecto â&#x20AC;˘ Se puede convertir una fuente tradicional, en una fuente solar, insertando un generador en serie con una reactancia. Incorrecto. Solo es valido en el punto de corto 11/4/2020
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PARADIGMAS Se puede convertir una fuente tradicional, en una fuente solar, insertando un generador en serie con una reactancia. Incorrecto. Solo es valido en el punto de corto
Norma IEC 60909 2016
PARADIGMAS Se puede convertir una fuente solar, en una fuente tradicional, insertando un generador en serie con una reactancia. Incorrecto. Solo es valido en el punto de corto
Correcto
Al hacer la falla en un nodo remoto, el generador no aporta lo mismo
PROTECCIONES CORTOCIRCUITO 1. Short Circuit Current Contribution of Distributed Photovoltaic Integration on Radial Distribution Networks 2. Short-Circuit Current Contribution From Large Scale PV Power Plant in the Context of distribution Power System Protection Perfomance “Because the fault contribution from PV power plant is limited by the maximum current level of the applied inverters, it may seem that the short-circuit current of the PV modules may have insignificant impact on MV protections” (2) “For these reasons, there should not be any problem with relays coordination when large scale PV power plant is connected to the grid. Undoubtedly utility service should be careful when the level of the PV power plant penetration is high. Then, a dedicated study is recommended and sometimes coordination with directional units may be required.” (2) cagallegos@gmail.com
CORTOCIRCUITO 1. Short Circuit Current Contribution of Distributed Photovoltaic Integration on Radial Distribution Networks 2. Short-Circuit Current Contribution From Large Scale PV Power Plant in the Context of distribution Power System Protection Perfomance “Although impact of grid-connected PV power plant on the protection performance is not significant, it must be noted that short-circuit current levels will increase. This must be taken into consideration when short-circuit capacity requirements of power system devices (e.g. circuit breakers) are analyzed.” (2) “Large number of simulation cases confirmed that even for large scale PV power plant fault contribution is insignificant” (1)
CORTOCIRCUITO 1. Short Circuit Current Contribution of Distributed Photovoltaic Integration on Radial Distribution Networks 2. Short-Circuit Current Contribution From Large Scale PV Power Plant in the Context of distribution Power System Protection Perfomance “It is generally considered that PV generators connected to distribution networks do not contribute significantly to short circuit faults, in case such events occur on the distribution system side. This is so because the short-circuit current of a PV array is 10-20% more than the rated maximum output current at most, inverters are normally equipped with under voltage relays and current controlled types mainly used in PVDG have over-current limiting in case of disturbances on the distribution system side.” (1) “This concludes that the PV had no significant impact on the short circuit level of the distributed network under study.” (1)
CORTOCIRCUITO
“The addition of a single 100-kVA PV unit will add only approximately 5 A of fault current on nearby 13.2-kV equipment”
RED BAJO ANĂ LISIS
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TRAMOS DE LĂ?NEA
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TRANSFORMADOR
PARÁMETROS CORTO
CORTOCIRCUITO Sin renovables PV
Con renovables PV
CONCLUSIONES - CORTOCIRCUITO “This concludes that the PV had no significant impact on the short circuit level of the distributed network under study.” Short Circuit Current Contribution of Distributed Photovoltaic Integration on Radial Distribution Networks
FLUJO DE CARGA
Protection of Power Systems with Distributed Generation: State of the Art.pdf
PROTECCIONES Desensibilización del relé de la subestación Generalmente la disminución de IS es baja. Alcanza a disminuir si la capacidad instalada es grande. Disminuye ya que EB sube.
En otras palabras Is sin renovables > Is con renovables
2.5.3 Handbook
AUMENTO DEL VOLTAJE DURANTE FALLA, EN LA FASES SANAS (FALLAS LÍNEA – TIERRA)
CREG 060
Intertrip: disparo transferido
DISTRIBUTED GENERATION (DG) “These sources pose a significant challenge due to bidirectional flows from DGs as well as lower fault current contribution from inverter interfaced DGs” “Protection regarding DG has been a significant issue in recent years and has recently engendered much research on microgrids and DG.”
Shahzad, U., & Asgarpoor, S. (2017). A comprehensive review of protection schemes for distributed generation. Energy and Power Engineering, 9(08), 430.
“….in case of inverter-interfaced DGs, current is not typically an acceptable means of detecting a fault as magnitude is not high enough to trip the breaker. Such DGs typically rely on undervoltage relays for the protection.” cagallegos@gmail.com
DISTRIBUTED GENERATION “A basic requirement, related to protection (DG) Shahzad, U., & Asgarpoor, S. (2017). A equipment, is to provide satisfactory protection facilities by the owner to protect the company service wires from fault currents and under/over voltage conditions originating from the DG facility or electrical system”.
comprehensive review of protection schemes for distributed generation. Energy and Power Engineering, 9(08), 430.
“Most companies require the customer to connect these relays when interconnecting a DG source greater than 5 MW: undervoltage, directional power, overvoltage, directional overcurrent, and frequency”. “In general, protection techniques involving communication are a good alternative to conventional schemes but their high cost makes them unsuitable for application in distribution networks”.
PROTECCIÃ&#x201C;N PANELES SOLARES
ABB
CONCLUSIONES “For these reasons, there should not be any problem with relays coordination when large scale PV power plant is connected to the grid”. Short-Circuit Current Contribution From Large Scale PV Power Plant in the Context of distribution Power System Protection Perfomance
“High penetrations of PV can change the fault current levels and also make it necessary to review the protection coordination currently implemented in the distribution network”. Handbook
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REFERENCIAS • Western Electricity Coordinating Council Modeling and Validation Work Group, WECC Guide for Representation of Photovoltaic Systems In Large-Scale Load Flow Simulations, 2010. • E. Muljadi y e. al, «EQUIVALENCING THE COLLECTOR SYSTEM OF A LARGE WIND POWER PLANT,» de IEEE Power Engineering Society General Meeting, Montreal, 2006. • J. Keller y B. Kroposki, Understanding Fault Characteristics of Inverter-Based Distributed Energy Resources, National Energy Renewable Laboratory (NREL), 2010. • D. V. Tu y S. Chaitusaney, «Impacts of inverter-based distributed generation control modes on short-circuit currents in distribution systems,» de Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2012 7th IEEE Conference on, 2012. • T. N. Boutsika y S. A. Papathanassiou, «Short-circuit calculations in networks with distributed generation,» Electric Power Systems Research, vol. 78, nº 7, pp. 1181-1191, July 2008. • SMA, Short-Circuit Currents: Information on short-circuit currents of SMA PV Inverters. • IEEE, IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, 2000. • Western Electricity Coordinating Council Modeling and Validation Work Group, Generic Solar Photovoltaic System Dynamic Simulation Model Specification, 2012. • Nicholas Miller, and Others, «Modeling of GE Solar Photvoltaic Plants for Grid Studies,» General Electric International, Inc, Schenectady, USA, 2011. • A. Ellis, M. Behnke and C. Barker, "PV SYSTEM MODELING FOR GRID PLANNING STUDIES". • Western Electricity Coordinating Council Modeling and Validation Work Group, WECC PV Power Plant Dynamic Modeling Guide, 2014. • IEC 60909-0:2016 Short-circuit currents in three-phase a.c. System – Part 0
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GRACIAS César Augusto Gallego Sánchez cagallegos@gmail.com 302 307 1111