N° tesis:
jcb
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
por
Luis Carlos Jiménez Vergara
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión HVDC para un Parque
Eólico Offshore
Sustentado el 28 de Mayo del año 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
-
Asesor
:
Mario Alberto Rios Mesías, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
2
Contenido
1
INTRODUCCIÓN ... 7
2
OBJETIVOS... 8
2.1
Objetivo General ... 8
2.2
Objetivos Específicos ... 8
2.3
Alcance y productos finales ... 9
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .... 9
4
PARQUE EÓLICO
OFFSHORE
... 10
5
ENERGÍA AERODINÁMICA EN LAS TURBINAS EÓLICAS ... 11
5.1
Distribución velocidad del viento ... 11
5.2
Principios de operación turbina eólica ... 12
6
TURBINAS EÓLICAS ... 12
6.1
Turbinas eólicas de velocidad variable ... 12
6.2
Doubly-fed induction generator (DFIG) en turbinas eólicas ... 13
6.3
Disposición de las turbinas eólicas ... 13
7
SISTEMA ELÉCTRICO DE INTERCONEXIÓN HVDC ... 14
7.1
Ventajas de la interconexión HVDC ... 15
7.2
Configuración de la interconexión HVDC Punto a Punto en enlace Bipolar ... 16
7.3
SISTEMA DE TRANSMISIÓN HVDC CON CONVERTIDOR DE
TECNOLOGÍA LCC (LINE CONMUTED CONVERTER) ... 16
8
CASO DE ESTUDIO PARQUE EÓLICO OFFSHORE ... 17
9
SELECCIÓN SISTEMA DE TRANSMISION HVDC ... 21
9.1
Costo de inversión sistema HVDC-LCC ... 23
9.2
Costo de inversión sistema HVDC-VSC ... 23
9.3
Costo de transmisión de energía (€/kWh) ... 24
10
SELECCIÓN NIVEL TENSIÓN SISTEMA DE TRASMISIÓN HVDC ... 24
11
ESTUDIOS ELÉCTRICOS CONEXIÓN PARQUE EÓLICO OFFSHORE
SISTEMA HVDC LCC ... 25
11.1
Estudio de contingencias N-1 interconexión parque eólico offshore ... 27
11.1
Contingencia una línea DC enlace bipolar interconexión HVDC... 28
11.2
Estudio de cortocircuito ... 29
11.3
Estudio de armónicos ... 32
11.4
Simulación dinámica del parque eólico offshore ... 33
12
ESTACIONES DE CONVERSIÓN ... 35
12.1
Transformador ... 36
12.2
Válvula de tiristores ... 37
12.3
Reactor de Amortiguamiento ... 38
12.4
Filtros DC ... 38
13
CONCLUSIONES ... 40
14
REFERENCIAS ... 41
15
APENDICES ... 44
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
3
15.2
Flujo de carga sistema NETS sin conexión del parque eólico ... 44
15.3
Estudio de corto circuito sistema NETS sin interconexión del parque eólico ... 52
15.4
Perfil de voltaje sistema NETS con conexión de parque eólico ... 54
15.5
Flujo de carga sistema NETS con conexión parque eólico ... 55
15.6
Estudio de corto circuito sistema NETS con conexión parque eólico ... 62
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
4
Í ndice de tablas
Tabla 1 Energía eólica instalada en Europa para el 2013 [3] ... 9
Tabla 2 Parámetros de configuración del parque eólico offshore ... 17
Tabla 3 Parámetros Turbina eólica offshore M5000-116 AREVA ... 17
Tabla 4 Cable XLPE 2XS2YRAA 18/30(36)kV para sistema interno de transmisión radial
parque eólico... 18
Tabla 5 Tipo de cable a utilizar en la interconexión HVDC enlace bipolar ... 25
Tabla 6 Problemas en el sistema de potencia al conectar el parque eólico offshore al nodo
28 ... 26
Tabla 7 Corrección para problemas presentados al conectar el parque eólico al sistema de
potencia ... 26
Tabla 8 Resumen problemas presentados para contingencias N-1 nodo 28... 27
Tabla 9 Corrección frente a contingencias N-1 interconexión parque eólico nodo 28 ... 27
Tabla 10 Flujo de carga sobre la interconexión HVDC frente a la falla de una línea DC ... 29
Tabla 11 Corriente y potencia de cortocircuito Nodos de acople... 30
Tabla 12 Información de cortocircuito pre y post conexión del parque eólico ... 31
Tabla 13 Inclusión de armónicos al sistema ... 32
Tabla 14 Parámetros característicos trasformadores de conversión ... 36
Tabla 15 Parámetros transformador convertidor de operación ... 37
Tabla 16 Valores nominales del transformador ... 37
Tabla 17 Valores nominales del transformador ... 37
Tabla 18 Parámetros reactancia de amortiguamiento ... 38
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
5
Í ndice de figuras
Figura 1 configuración general de un parque eólico offshore ... 10
Figura 2 Velocidad promedio del viento para una muestra de 365 días... 11
Figura 3 Ajuste de los datos de velocidad del viento a las distribuciones Weibull, Rayleigh
y Normal ... 11
Figura 4
Doubly –fed induction generator
(DFIG)
configuration
... 13
Figura 5 Disposición de las turbinas en configuración radial ... 14
Figura 6 Enlace HVDC configuración Bipolar ... 16
Figura 7 Modelo turbina eólica de 5MW, con transformador integrado de 3,3/33kV. ... 19
Figura 8 Modelo parque eólico offshore ... 19
Figura 9 Modelo Sistema de potencia
New England Test System
(NETS) ... 20
Figura 10 Modelo sistema de interconexión HVDC-LCC ... 21
Figura 11
Pérdidas en % de sistemas HVDC-LCC a una velocidad del viento promedio de
8m/s ... 22
Figura 12
Pérdidas en % de sistemas HVDC-VSC a una velocidad del viento promedio de
8m/s ... 22
Figura 13 Costo de transmisión de energía en €/kWh según la longitud de interconexión,
para un sistema con potencia de 200MW, con velocidad media del viento de 8m/s
.
... 24
Figura 14 . Inversión y costos de instalación para un cable DC submarino en función de la
potencia nominal y voltaje nominal... 25
Figura 15 Perfil de voltaje sistema NETS con conexión parque eólico offshore ... 26
Figura 16 Diagrama unifilar del nodo de interconexión al parque eólico y elementos
involucrados en contingencias N-1... 27
Figura 17 Diagrama unifilar del nodo 28 con inclusión línea paralela L26-29 de refuerzo . 28
Figura 18 Perfil de voltaje sistema NETS con conexión parque eólico offshore y refuerzo
de contingencias N-1 nodo 28 ... 28
Figura 19 Contingencia de una línea DC del enlace bipolar de interconexión HVDC ... 28
Figura 20 Perfil de voltaje sistema NETS con conexión parque eólico offshore y falla de
una línea DC del enlace bipolar de interconexión ... 29
Figura 21 Corrientes de cortocircuito IK en kA para el sistema NETS pre y post conexión
del parque eólico ... 30
Figura 22 Variación en % corriente cortocircuito IK sistema NETS pre y post conexión... 31
Figura 23 Variación de la potencia del parque eólico ... 33
Figura 24 Variación del ángulo beta de control de viento de la turbina eólica ... 33
Figura 25 Voltaje en p.u de los nodos Nodo R1, Nodo COLECTOR1 Y NODO DC1, frente
a la variación de la potencia del parque eólico ... 34
Figura 26 Variación de la potencia del parque eólico ... 34
Figura 27 Voltaje en p.u de los nodos Nodo R1, Nodo COLECTOR1 Y NODO DC1, frente
a la variación de la potencia del parque eólico ... 35
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
6
Resumen ejecutivo
El proyecto de grado se titula “Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión HVDC
para un Parque Eólico Offshore”, desarrollado por Luis Carlos Jiménez Vergara estudiante
de la Universidad de los Andes aspirante al título de ingeniero eléctrico y asesor Dr. Mario
Alberto Rios Mesías Profesor Asociado de la Universidad de Los Andes. El objetivo
general de este proyecto es realizar el diseño conceptual y básico de una interconexión
HVDC para un parque eólico
offshore
, teniendo en cuenta las nuevas tecnologías y métodos
para este tipo de instalación e involucrando la normativa de regulación de nuevas
conexiones al sistema nacional de transmisión, para lo cual es necesario realizar estudios
eléctricos del sistema de interconexión y generación, con el fin de validar la viabilidad
técnica y regirse bajo las normas de la CREG y UPME.
Como caso de estudio se seleccionó un parque eólico offshore con una capacidad nominal
de 200MW ubicado a 80km de la orilla, conectado al sistema de potencia N
ew England
Test System
(NETS) de 345kV, la conexión se realiza sobre el nodo 28 del mismo mediante
una interconexión HVDC con tecnología LCC en enlace bipolar. Para la selección del
sistema de transmisión fue necesario realizar un estudio comparativo de costos de
implementación de la tecnología LCC y VSC, lo que involucra los costos de inversión y
costos de las pérdidas, para lo cual se obtuvo que para el sistema LCC se tiene un menor
costo de transmisión de energía.
La conexión del sistema de generación al sistema de potencia presenta problemas, lo que
hace necesario los refuerzos eléctricos por medio de la implementación de nuevas líneas de
transmisión paralelas en el sistema, también necesarios para cumplir con los requerimientos
de contingencias N-1, los estudios de cortocircuito demuestran que la red es lo
suficientemente fuerte para que el sistema de interconexión no necesite compensación de
reactivos y el estudio de armónicos arroja que en los puntos de acople de la interconexión
HVDC hay un THD menor al 1%, lo que implica que no es necesaria la utilización de
filtros AC.
La variación de la potencia generada en el parque eólico no tiene repercusiones sobre el
sistema de HVDC, específicamente en la conmutación de los tiristores, ya que la tecnología
DFIG PWM de los generadores eólicos permiten una frecuencia y voltaje constante
independientemente de la velocidad del viento que afecta a la turbina. Según los resultados
anteriores es posible realizar un diseño básico de la interconexión HVDC como del parque
eólico.
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
7
1
INTRODUCCIÓN
El constante aumento de la demanda de energía eléctrica y la disminución de los recursos
no renovables se ha convertido en uno de los problemas de importancia en la actualidad.
Los retos a nivel tecnológico y científico que nacen a partir de esta problemática sugieren la
necesidad de explorar e implementar nuevas fuentes de energía. La generación eólica es
una forma de generación alternativa que ha tomado fuerza en países como Alemania, USA,
Dinamarca, India y España, en donde se concentra más del 83% de la enérgica eólica del
mundo [1]. Se estima que para el año 2020, el 12% de la electricidad generada a nivel
mundial será de origen eólico [2]. En USA, aunque no se tiene un vasto complejo de
parques eólicos, se están haciendo proyectos de este tipo, se proyecta que para el 2030,
cerca del 20% de la generación de energía eléctrica en los Estados Unidos será eólica
aportando 50 GW de los 300 GW necesarios para cubrir la demanda [3]. Por lo cual la
energía eólica ha experimentado un rápido crecimiento en comparación con otras fuentes de
energía renovables, con una tasa promedio anual de implementación e instalación de un
30% durante los últimos 10 años [4], lo que la hace una fuente de generación de gran
importancia en el mundo actual.
Dentro de este tipo de generación se encuentran los parques eólicos
offshore
que
representan un gran potencial para convertirse en fuentes de generación a gran escala.
Debido al auge que ha tenido este tipo de tecnología, se ha identificado la necesidad de
conocer los principales aspectos que hacen parte del diseño conceptual y básico de un
parque eólico
offshore
. Los parques eólicos
offshore
son fuentes de generación eólica
ubicadas en alta mar, lo que requiere de estructuras de transmisión capaces de transportar la
potencia eléctrica a las orillas donde se encuentran los centros de consumo. Estos sistemas
de transmisión deben ser confiables y cumplir con los requerimientos técnicos básicos para
la interconexión al sistema de transmisión nacional, teniendo en cuenta que la ubicación de
los parques eólicos
offshore
pueden estar a distancias de 100km de la orilla y con
capacidades mayores a los 100 MW.
La inversión inicial para la implementación de un parque eólico
offshore
puede representar
un 50% más de capital en comparación con un parque eólico
onshore
[4]. Sin embargo, los
sistemas
offshore
poseen varias ventajas que lo convierten en una opción viable y atractiva,
la velocidad promedio y la consistencia del viento es mayor lejos de la orilla que en tierra,
lo que implica una mayor eficiencia en la producción de energía eléctrica (hasta un 30%
más de producción de energía, [5],[6]); también se tiene una disminución en la
contaminación visual ocasionada por los parques eólicos
onshore
, dado a esto la ubicación
de los mismos es preferible que sea a una distancia en la cual no puedan ser visto desde la
costa [7].
La ubicación
offshore
de los parques eólicos implica nuevos retos de ingeniería, ya que se
debe diseñar un sistema de interconexión que sea capaz de transmitir la energía eléctrica a
los centros de consumo ubicados
onshore
, las alternativas para interconectar los parques
eólicos
offshore
con la red son mediante sistemas
High-Voltage Alternating-Current
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
8
generación, la distancia entre el parque y la costa aumentara, por esta razón la tecnología
HVDC toma mayor importancia. Otra ventaja de los sistemas HVDC frente los sistemas
HVAC es que la potencia transmitida es independiente a la distancia del cable; para los
cables submarinos no existe ninguna restricción que límite la distancia ni la potencia del
cable y permite la interconexión entre sistemas asíncronos [8], típico de sistemas de
generación alternativa.
En este proyecto se realizó el diseño conceptual y básico de una interconexión HVDC de
un parque eólico
offshore
de 200MW, tomando como sistema de potencia base el
New
England Test System
(NETS) de 345kV, se realiza la interconexión del parque eólico
offshore
ubicado a 80km de la costa con un sistema HVDC de tecnología de conversión
LCC de configuración bipolar, el punto de conexión es el nodo 28 que posee una carga de
207,841 MVA de los cuales 206MW es potencia activa, esta conexión se hace cumpliendo
la normatividad que exige la comision de regulacion de energia y gas (CREG), para este
documento se presenta los diseños conceptuales pertenecientes al parque eólico, y los
elementos que conforman el sistema de interconexión.
2
OBJETIVOS
2.1
Objetivo General
Realizar el diseño conceptual y básico de una interconexión HVDC para un parque eólico
offshore, teniendo en cuenta las nuevas tecnologías y métodos para este tipo de instalación
e involucrando la normativa de regulación de nuevas conexiones al sistema nacional de
transmisión.
2.2
Objetivos Específicos
Investigar sobre las tecnologías involucradas en la interconexión HVDC para un
parque eólico offshore, teniendo en cuenta la normativa y métodos vigentes.
Dentro del marco estipulado por la CREG y la UPME, se realizara la investigación
sobre la normatividad de interconexión de sistemas offshore y sobre las
regulaciones de conexión de nueva generación al sistema regional de trasmisión.
Para el caso de estudio se definirá las capacidades de los equipos, características
generales, dimensionamiento y esquema de conexión del parque eólico a la línea
DC y sistema AC.
Evaluación del desempeño del sistema implementado. Mediante simulaciones se
realizarán diagnósticos técnicos (Validar flujos de carga, regulación de voltaje,
capacidad de transporte) y soluciones a los problemas presentados.
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
9
2.3
Alcance y productos finales
El alcance del proyecto consiste en la realización del diseño conceptual y básico de los
sistemas eléctricos involucrados en el parque eólico offshore, lo que incluye turbinas
eólicas offshore, líneas de transmisión AC submarinas, y estaciones de transformación.
También al diseño conceptual de la interconexión HVDC del parque eólico al sistema de
potencia base
New England Test System
(NETS), lo que incluye el diseño básico de las
estaciones de conversión, para este proyecto no se tuvo en cuenta el costo ni el presupuesto
que implica la construcción del sistema. Sobre la viabilidad técnica se tuvo en cuenta flujos
de carga, estudios de corto circuito, análisis de contingencias y análisis de armónicos, no
está dentro de los alcances estudios de estabilidad transitoria.
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN
DEL TRABAJO
Debido a la necesidad del mundo actual de crear nuevas alternativas de generación de
energía eléctrica en formas no convencionales, la generación eólica ha tomado gran
importancia. Hoy en día la mayor concentración de parques eólicos
offshore
instalados se
encuentra en Europa. En 1991 se inauguró el primer parque eólico en la costa de Danish en
Vindeby, a una distancia de 2,5 km de la costa, con una capacidad de total de 4,95 MW, ya
para el 2010 en Europa hay una capacidad instalada de 2946 MW, distribuidas en 45
parques eólicos offshore en nueve países diferentes, lo que demuestra un gran crecimiento
de esta tecnología. En la siguiente tabla se puede observar, un consolidado de proyectos
offshore en Europa [3].
Tabla 1 Energía eólica instalada en Europa para el 2013 [3]
Energía eólica instalada en Europa para el 2013 (acumulada)
EU Capacity
(MW)
Instalada
2012
final 2012 Instalada
2013
final 2013
Austria
296
1377
308
1684
Belgium
297
1375
276
1651
Bulgaria
158
674
7,1
681
Croatia
48
180
122
302
Cyprus
13
147
0
147
Czech Republic
44
260
9
269
Denmark
220
4162
657
4772
Estonia
86
269
11
280
Finland
89
288
162
448
France
814
7623
631
8254
Germany
2297
30989
3238
3373
Greece
117
1749
116
1865
Hungary
0
329
0
329
Ireland
121
1749
288
2037
Italy
1239
8118
444
8551
Latvia
12
60
2
62
Lithuania
60
263
16
279
Luxembourg
14
58
0
58
Malta
0
0
0
0
Netherlands
119
2391
303
2693
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
10
Poland
880
2496
894
3,39
Portugal
155
4529
196
4724
Romania
923
1905
695
2599
Slovakia
0
3
0
3
Slovenia
0
0
2
2
Spain
1110
22784
175
22959
Sweden
846
3582
724
4470
United
Kingdom
2064
8649
1883
10531
Total EU-28
12102
106454
11159
117289
Total EU-15
9879
99868
9402
108946
Total EU-13
2224
6586
1757
8343
Con la información de la Tabla 1 se evidencia la importancia de este tipo de sistemas en
áreas geografías como Europa, lo que implica la posibilidad de reproducción en zonas
como Sur América con grandes capacidades de viento marítimo. Por ende es de gran aporte
realizar un estudio de una interconexión de un parque eólico de estas características.
4
PARQUE EÓLICO
OFFSHORE
Los parques eólicos tienen un gran potencial en las zonas
offshore
, gracias a las grandes
extensiones de área disponible, y las condiciones del viento presentes. Por lo tanto el diseño
conceptual y básico de este tipo de generación es clave para la implementación e inversión
en estas tecnologías. En esta sección se presentaran los aspectos básicos sobre el diseño de
un parque eólico offshore para la integración a los sistemas de potencia, lo que involucra el
desarrollo de nuevas tecnologías en la generación y configuración optima de los parques.
En la actualidad existen muchas plantas eólicas con potencias superiores a los 100 MW. El
aumento de la capacidad de estas plantas ha sido posible gracias a una selección adecuada
de parámetros como distancias entre turbinas, disposición y tipo de conexión. El diseño
óptimo de los parques eólicos implica la determinación de configuraciones que sean viables
técnica y económicamente. En general, la configuración de un parque eólico se puede
representar como se muestra en la Figura 1[9].
Figura 1 configuración general de un parque eólico offshore
Como se puede observar en la Figura 1, un parque eólico está conformado por un arreglo de
turbinas eólicas, un punto colector, un sistema de transmisión y una interfaz del parque
eólico en el punto de acople común (PCC). La red de turbinas (dispuestas normalmente de
Diseño Conceptual y Básico de una Interconexión
HVDC para un Parque Eólico Offshore
11
forma radial y en paralelo) es conectada al punto colector, donde se incrementa el voltaje a
un nivel apropiado para la transmisión. La energía es entonces transmitida hasta la interfaz
del parque eólico, en donde se adapta la tensión, frecuencia y potencia reactiva del sistema
de transmisión a los valores que la red eléctrica demanda en el punto de acople común.
5
ENERGÍA AERODINÁMICA EN LAS TURBINAS EÓLICAS
5.1
Distribución velocidad del viento
La velocidad del viento puede ser descrita como una variable de una probabilidad descrita
por una función de densidad [4]. Entre las funciones de densidad más utilizadas se
encuentra la función Weibull y la Rayleigh. Para el caso en específico se toma una muestra
de la velocidad del viento promedio diaria durante un año de 365 días.
Figura 2 Velocidad promedio del viento para una muestra de 365 días.
Los datos obtenidos en la figura 2 son ingresados al programa MATLAB, y mediante la
función Log Likelihood son ajustados a una distribución, para lo cual se obtuvo los
siguientes resultados.
Figura 3 Ajuste de los datos de velocidad del viento a las distribuciones Weibull, Rayleigh y Normal
Según la información de la Figura 3, y el valor del logaritmo de la función de verosimilitud
evaluada en los estimadores de máxima verosimilitud, mediante la función “distribution
fitting” de MATLAB se encuentra el estimador para cada tipo de ajuste, teniendo como
resultado un Log Likelihood 1644,1 para la función Weibull, 1644,5 para Rayleigh y
-1665,5 para la Normal (control), lo que permite determinar que el comportamiento del
viento sigue estas funciones de distribución de probabilidad. Esto permite realizar el ajuste
0 20 40 60 80 100 120
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Data
D
e
n
s
it
y
Velocidad data Normal Weibull Rayleigh
