Dist_PP_EREI_Energia

Impacto de la Generación Distribuida en los sistemas de distribución de energía eléctrica Taller Tecnológico para Ingeniería Eléctrica Dr. Ing. Juan Carlos Gómez Targarona Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia

Universidad Nacional de Río Cuarto

I Encuentro Regional de Estudiantes de Ingeniería Hacia el II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Universidad Nacional de San Luis Villa Mercedes, San Luis, 28 de Mayo de 2009

Generaci贸n distribuida: Generaci贸n 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 fósiles Conciencia del daño al ambiente Crecimiento del consumo Consideraciones económicas • Requerimientos: Cambios de la estructura del mercado eléctrico Desarrollo de nuevas tecnologías de generación Tecnologías 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: Generadores Almacenadores Sistemas 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 comercial Ventajas: - bajo costo de instalaci贸n por MW, - aumento de disponibilidad de gas, - gran demanda para picos de carga, - alto rendimiento de equipos derivados de aviaci贸n, - rapidez de instalaci贸n de 1 a 40 MW en d铆as o semanas.

Generaci贸n e贸lica Su evoluci贸n

Caracter铆sticas de la generaci贸n e贸lica No despachable

Turbina Darrieus

Aprovechamiento de la energ铆a E贸lica

EnergĂ­a solar: su disponibilidad No despachable

Disponibilidad del recurso de 200 a 1.000 W/m2

EnergĂ­a 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 gas 1. Tama帽o menor a 200 kW 2. Ciclo simple: compresor y turbina de una sola etapa 3. Relaci贸n de presiones: 3 a 4:1 en lugar de 13 a 15:1 4. Rotor: eje corto con el generador en un extremo y bolillero central 5. Genera a alta frecuencia 1,5 kHz, requiere conversor

Microturbinas de gas

Ciclo combinado (P>=10MW) Potencias elevadas Alto rendimiento Tecnolog铆a conocida Uso de gas Generaci贸n central

Calor y potencia combinadas (CHP)

Calor y potencia combinadas (CHP) Tipo

Tamaño

Costo

(MW)

(USD/kW)

Rendimiento Eléctrico

Total

CHP: Datos comparativos

LHV: Low Heating Value

Celdas de combustible Rendimiento 50 a 60 % (motor explosiﾃｳn 30 %) Combustible

Oxidante

Lentas 10 a 20 MW Rﾃ｡pidas 50 kW

ﾃ］odo

Electrolito

Cﾃ｡todo

Celdas de combustible

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

GENERACIÓN DISTRIBUIDA Resumen de características principales Motor Comb Int Despachable Potencia Rendimiento Costo (USD/kW) Mantenimiento (USD/kW) Gas Petróleo Estado

Microturbina

FV

Celda Combustible

Si

Si

No

Si

Comercial

Comercial

Comercial

Comercial

gran tamaño

FV: celda fotovoltaica

nivel piloto

Resumen de caracterĂ­sticas principales

GENERACIÓN DISTRIBUIDA Principales Tecnologías de Almacenadores Altura de agua (hidrostática) Aire comprimido Baterías electroquímica Bobina magnética superconductora Volante inercial Capacitor electroquímico

Altura de agua o central de bombeo Grandes potencias, hay centrales con más de 600 MW 2

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Embalse superior Dique superior Galería de conducción Chimenea de equilibrio Tubería forzada Casa de máquinas Turbogeneradores Embalse inferior Líneas eléctricas Desagüe

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.

Baterías

Electroquímica 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

Densidad de energía Wh/l

Energía específica Wh/kg

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 magnĂŠticos LĂ­mite actual 5 MJ Ejemplo comercial: 4,3 H, 2,15 MJ, 800 kVA, 1s.

Almacenamiento en volante inercial 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 Barra de CC Alimentación de alterna 50 Hz

Rectificador

Inversor

Inversor bidireccional

Módulo de almacenamiento en volante

Salida de alterna o contínua

Módulo electrónico

Módulo de almacenamiento de energía

Almacenamiento en Volante Inercial para regulaci贸n de voltaje y frecuencia

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

Almacenamiento en supercapacitores

Comparaci贸n de tecnolog铆as de almacenamiento

Sistema hĂ­brido

Interface

GD: Impacto ambiental Nitrogen oxides

Carbon dioxide SCGT: simple cycle gas turbine CCGT: combined cycle gas turbine SOFC: solid oxide fuel cel PAFC: phosphoric acid fuel cel Gas engine/cat: w/three way catalyst Lean gas engine: poor mix gas engine /SCR: with selective catalyst reduction technology

Interconexión • Generador Sincrónico Asincrónico excitado por estator Asincrónico doble alimentado Asincrónico con convertidor Corriente contínua con convertidor • Sistema de puesta a tierra • Convertidor • Transformador

Tipos de generadores

Asincr贸nico

Sincr贸nico

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 excitaci贸n y regulaci贸n

Principales tipos de transitorios a inyectar al sistema

Transitorios de conexi贸n generador asincr贸nico

Transitorio de desconexión generador asincrónico

Pérdida de excitación plena

Continúa con excitación capacitiva

Variaci贸n de la tensi贸n generada generador asincr贸nico Curva de sensibilidad

Efecto de sombra de torre

Variaci贸n de la corriente suministrada generador asincr贸nico

Potencia y tensi贸n

Comportamiento del generador de inducci贸n frente a cortocircuitos: tensi贸n y corriente

Comportamiento del generador de inducci贸n 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

Introducci贸n a la Calidad de Potencia 1,5

Voltaje (pu)

1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 0

0,05

0,1

0,15

Tiempo (s)

0,2

0,25

Interacción GD – hueco de tensión

Voltage limit curve of a network fault for generators with high symmetrical short circuit current component (large thermal plant) Voltage limit curve of a network fault for low symmetrical short circuit current component of a generator (wind generator)

Flicker

Año 1937

Relación con Regulación y por ende con Inversión

FFF 30 Hz Variación de tensión (%)

• 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

6

Límite de irritación Límite de detección

5 4 3 2 1 0 1

10

100

1000

10000

100000

Frecuencia de la fluctuación de tensión (1/hora)

Flicker causado por generadores impulsados por motor a explosi贸n Grupo Electr贸geno, 900 rpm, 6 cilindros, 4 tiempos.

Flicker causado por generadores impulsados por energía eólica PST = [cos ϕsc + dQ/dP sin ϕsc ] Swn / Ssc Iw fw(W) Donde ϕsc = Q= P= Swn = Ssc = Iw = fw (W) =

Ángulo de corto circuito Potencia reactiva Potencia activa Potencia nominal de la turbina Potencia de cortocircuito del sistema Promedio de la turbulencia del viento Coeficiente de flicker (función del viento)

Ejemplo de sombra de torre: 1000 rpm, 3 palas  5,5 Hz

Sobretensiones por pĂŠrdida 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

Generaci贸n de arm贸nicas

Factor de Potencia

Regulaci贸n de tensi贸n

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: modificaci贸n de la direcci贸n y fallas de coordinaci贸n

GD

Comportamiento frente a fallas: reducci贸n de sensibilidad

Comportamiento frente a fallas: lĂ­mite en el alcance

Conversión de curvas de inmunidad al plano t i Ih (t) = IPCC short-circuit x ( 100 – Vh (t) ) / 100 CBEMA t-V

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

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 inclusi贸n de GD

1,2

Operaci贸n fusible 0,066 pu2s

1 (pu)

Current and voltage

ES

0,8

Salida de servicio (ss) ES 0,205 pu2s

0,6 0,4 0,2 0 -0,1

0

0,1

0,2

0,3

Time (s) Faulted branch current

0,4

0,5

0,6

SE voltage

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

Concepto de conexión semi-rígida Gs

DG

Zs

ZDG

Zf

fault

Zv & CB

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

Load (SE)

• •

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.

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

Curva caracterĂ­stica tĂ­pica de un reconectador

Coordinación reconectador – fusible en presencia de Generación Distribuida Temperature rise (% Tf)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Relative time (t/θ)

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

Temperature rise (% Tf)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,2

0,4

0,6 Relative time (t/θ)

0,8

1

1,2

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 1000

100

Time (s)

10

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.

1

0,1

0,01 10

100

1000 Current (A)

10000

Efecto de la GD sobre los reconectadores 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 0

0.1

0.2

0.3

0.4

Time (seconds) Current

Voltage

Desionizaci贸n exitosa Par谩metros de ensayo: I = 10 A, l de 90 a 205 mm y relaci贸n corrientes GD / sistema de 1/16 a 1/10

2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0.5 -6

Voltage (pu)

Current (A x 10)

Desionizaci贸n fallida

Protecci贸n completa (IEEE 1547)

Nuevo esquema elĂŠctrico

Red inteligente

REC Regional electricity companies

Hogar eficiente desde el punto de vista energĂŠtico

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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