Wilfredo Sifuentes

Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional

Perú

Modelación de generadores y recurso renovable para estudios eléctricos

Contenido Introducción Estado Estacionario Estado Dinámico (Estabilidad Gran Perturbación) Centrales eólicas (tipos, características) Integración a la Red Modelamiento para estudios de estabilidad Centrales Solares

Introducción

Principalmente, los estudios eléctricos tienen por finalidad analizar/predecir el comportamiento de un Sistema de Potencia desde los puntos de vista:

•Estacionario: Flujo de Potencia (niveles de tensión, sobrecargas).

•Dinámico: Detectar problemas de estabilidad (respuesta del sistema o un generador ante fallas, diseñar esquemas de protecciones, análisis de contingencias etc.)

Fuente: Holttinen et al. (2007)

Introducción: Generación Eólica

Estado estacionario: Modelamiento de la Generación RenovablePara generación que no es hidráulica o térmica, en estado estacionario un modelo PQ normalmente es suficiente.

Dependiendo del detalle del análisis se puede trabajar con un parque agregado o una representación un poco mas detallada.

Fuente: Western Electricity Coordinating Council (WECC) Wind Power Plant Power Flow Modeling Guide. Date: 5/2008

Fuente: WECC Guide for Representation of Photovoltaic Systems in Large-Scale Load Flow SimulationsDate: 11/2010

Estado estacionario: Modelamiento de la Generación Renovable

Si la fuente renovable puede variar su potencia reactiva, se podría modelar como un nodo PV.

Estabilidad de un SEP: Habilidad de retornar a un punto de equilibrio después de haber sufrido una perturbación física, con la mayoría de las variables del sistema en sus límites de manera tal que el sistema entero continua intacto en su condición de operación.

a) El estado de régimen final puede ser distinto al inicial.

b) La definición indicada de estabilidad de un SEP difiere ligeramente de la definición matemática de estabilidad de un sistema dinámico cualquiera, en cuanto a que se exige que los estados de régimen sean “aceptables” (ejemplo: Tensión dentro del ± 5%).

Estabilidad de los Sistemas Eléctricos de Potencia

La estabilidad de ángulo: Habilidad de los generadores de permanecer en sincronismo (diferencias angulares = constantes) después de la ocurrencia de una perturbación.

La estabilidad de tensión: es la capacidad del sistema de mantener la tensión de los nodos dentro de los límites normales de operación. La inestabilidad ocurre cuando la tensión cae de forma progresiva e incontrolable después de una perturbación.

Estabilidad: Clasificación

Análisis Dinámico: Estudio en el dominio del tiempo

Involucra varios aspectos:

ini

P

x max

Pot. Eléctrica

Pot. Mecánica

aceA

desA

Dinámica de la máquina sincrónica

'( )t

m inie

E Up sen

X

Para un análisis realista se tiene la necesidad de modelos detallados que incluyen los elementos de control (especialmente tensión), los elementos rotatorios, protecciones, etc.

Turbina eólica convelocidad fija

Turbina eólica convelocidad variable limitada

Con la caída de tensión estos generadores aumentan su deslizamiento y por tanto su consumo de reactiva de forma cuadrática, dando lugar a un proceso de realimentación del hueco de tensión.Requieren de algún tipo de compensación capacitiva ya que en el arranque o después de una falla consumen grandes cantidades de potencia reactiva.

Tipos de Generadores Eólicos

Generador síncrono con full conversión AC/DC/AC

Turbina eólica con generador asíncrono doblemente alimentado: La técnica más empleada consiste en la inyección de corriente en el rotor mediante un convertidor electrónico conectado entre el rotor y la red

Tipos de Generadores Eólicos

Tipo A: Velocidad Constante

Tipo C: Doblemente Alimentado

Tipo D: Full conversión

AC/DC/AC

Simple y Robusto, Menos eficiente aerodinámicamente

Aerodinámicamente eficiente

Aerodinámicamente eficiente

Menos costoso Costoso Costoso

Eléctricamente eficienteMenos stress mecánico

Menos stress mecánico

Generador estándarConvertidor pequeño, Generador estándar

Convertidor grande

Necesita caja de engranajesNecesita caja de engranajes

No necesita caja de engranajes

Algunas características distintivas

Aspecto sumamente importante para evitar la desconexión en avalancha de los parques eólicos

Comportamiento ante una falla transitoria: Fault Ride Through

Comportamiento ante una falla transitoria: Fault Ride Through

• Necesidad de adaptar la turbina eólica (o parque eólico) y el resto del sistema en una forma que se asegure una operación óptima del conjunto.

• Fluctuaciones de Tensión – Factor clave de diseño.

• Propiedades a ser consideradas:

• Potencia de Corto Circuito (Ssc)• Proporción del nivel de corto circuito entre la potencia

aparente de la instalación eólica (Ssc/Sr)

Integración con la Red

• Impactos Locales:

• Fluctuaciones de tensión en el punto de conexión.• Flicker• Armónicos• Comportamiento durante fallas

• Impactos en el Sistema de Potencia:

• Consumo de potencia reactiva• Estabilidad de sistema• Frecuencia del sistema

Efectos en la Red

• Control de Frecuencia.• Puede ser logrado controlando la potencia de salida del generador

eólico.

• Control de Tensión.• Generadores del tipo A pueden requerir equipamientos adicionales

para garantizar una respuesta rápida o control de potencia reactiva.• Generadores del tipo C y D pueden cumplir fácilmente con estos

requerimientos.

• Fault ride through.• Generadores del tipo A y B pueden requerir de equipamiento

adicional.• Por lo general, los generadores del tipo C y D son capaces de

cumplir este requerimiento

Cumplimiento con las normas locales

VientoAerodinámica de la turbina

Caja de engranajes y acoplamiento

Generador eléctrico

Sistema de Potencia

Sistemas de Control y

Protección

Equipos de Interfaz con

la Red

Modelo general de un generador eólico

Modelos propietarios que no son de fácil acceso.Algunos modelos genéricos están disponibles (WECC y librerías de algunos programas de estabilidad).

Generación Fotovoltaica: Curva típica I-V

Fuente: Earthscan, Planning & Installing Photovoltaic Systems – A guide for installers,architects and engineers, Second Edition, Earthscan, UK, 2008

Generación Fotovoltaica

Fuente: Earthscan, Planning & Installing Photovoltaic Systems – A guide for installers,architects and engineers, Second Edition, Earthscan, UK, 2008

Formas de contectar sistemas fotovoltaicos (PV) a un sistema de potencia (conversor trifásico o monofásico)

Generación Fotovoltaica

PV Model: Frame

Salida en Voltios DC.

Salida en Amp.

Medicion de TensionStaVmea*

Medicion de PotenciaStaPqmea*

Modelo Barra CD y CapacitorElmDsl*

0

1

Control de Tens..ElmCon*

dvdcref

0

1

2

3

4

5

0

1

Medicion de F..ElmPhi__pll*

PV ArrayElmDsl*

0

1

Reduccion de Potencia ActivaElmCon*

Medicion Lenta de Frecue..ElmPhi__pll*

Generador EstaticoElmGenStat*

0

1

2

PV Model: Frame

Iarray

pred

uac

pist

cosr

ef;s

inre

f

Uarray

Fmeas

vdcref

iq_ref

id_ref

DIg

SIL

EN

T

Generación Fotovoltaica

PV Array Model: Definicion de Bloque

PV Module EquationsE,theta, U10, Umpp0, Impp0, Ik0, au,..

0

1K_UI nSerial Modules

K_U1

K_I nParaller ModulesK_I

1/K Serial Modules K_UK_U

1/(1+sT) Filtro Pasa ..Tr

PV Array Model: Definicion de Bloque

0

1

Iarray

Vmpp

I

Uarray U_filt U

Vmpp_array

DIg

SIL

EN

T

Generación Fotovoltaica

PEDREGAL2323.551.02-6.10

BB

23.611.03-6.01

BB

23.631.03-5.97

Transform..

-1.000.0269.60

0.50-0.0069.60

0.50-0.0069.60

CFI 05..

0.500.0080.00

CFI 05..

0.500.0080.00

Línea(16)

7.990.1456.64

-7.97-0.1656.64

Lín

ea

(3)

7.990.1156.64

-7.97-0.1356.64

TR

PE

DR

EG

..

-15.820.9277.84

15.940.2977.84

Lín

ea

(7)

3.440.0324.39

-3.44-0.0624.39

Línea(6)3.550.0325.15

-3.55-0.0625.15

DIg

SIL

EN

T

GRACIAS!

Wilfredo SifuentesComité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES)Perúwsifuentes@coes.org.pe