Universidad Nacional Autónoma de México
Centro de Investigación en Energía
POSGRADO EN INGENIERÍA (ENERGÍA)
FUENTES RENOVABLES-PROCESOS Y USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA
Protocolo de Investigación para Doctorado:
PENETRABILIDAD DE LA POTENCIA EOLOELÉCTRICA EN UNA RED ELÉCTRICA NO ROBUSTA:
ESTUDIO DE CASO, PENÍNSULA DE BAJA CALIFORNIA.
Presentado por:
AMILCAR FUENTES TOLEDO
Tutor:
Dr. Oscar A. Jaramillo Salgado
Antecedentes
En los últimos años, la generación de energía eléctrica a través de fuentes renovables de energía se ha visto incrementada, en el caso particular de la energía eléctrica generada a partir del viento o generación eoloeléctrica, ha tenido un importante auge principalmente en Europa. Cabe señalar que actualmente la capacidad instalada en el mundo es 83,000 MW [1].
En nuestro país existen varias regiones donde es posible el emplazamiento de parques eólicos para la generación eoloeléctrica, destacando la zona del istmo de Tehuantepec, las penínsulas de Baja California y la de Yucatan, así como zonas del altiplano central, iniciándose apenas los primeros emplazamiento para producción de electricidad por este medio, por lo que se espera que en los próximos 10 años se incremente sustancialmente la capacidad instalada de energía eoloeléctrica en nuestro país.
Ahora bien, con la puesta en marcha de parques eoloeléctricos interconectados a la red eléctrica se presenta retos en cuanto a la operación de dichas redes, esto debido a que las características de un aerogenerador resultan muy diferentes de las características de las plantas de generación eléctrica convencionales. En la generación de potencia eléctrica a partir del viento, principalmente se presentan fluctuación hacia el suministro de la carga ya que el recurso eólico es intermitente y con variaciones que afectan la operación y control de la red. La calidad de potencia, definida como la estabilidad de la frecuencia, el voltaje y la intensidad de la corriente, se puede ver afectada por el ruido eléctrico que acompaña las fluctuaciones por la distorsión debido a la generación de armónicos en el sistema [2]. Así, en el caso de la energía eoloeléctrica, una alta penetración en la red eléctrica requiere un cambio en el diseño y manejo del sistema eléctrico tales como: protección de los componentes, despachabilidad, interrupción, suministro, entre otros [3].
Se pueden identificar como los principales problemas que ocurren cuando se tienen altos porcentajes de penetrabilidad de energía eoloeléctrica [2,4,5]:
• Cuando la velocidad del viento es alta, por encima de las velocidades de diseño de los aerogeneradores, estos son desconectados de la red y cuando la velocidad del viento vuelve al rango de operación de los aerogeneradores, estos se reconectan a la red. Una rápida reconexión de un aerogenerador de gran capacidad puede resultar en un corte en el suministro de energía eléctrica debido a demanda de corriente requerida para magnetizar el generador.
• Las variaciones en la potencia generada por el viento causan fluctuaciones de voltaje en la red conocidas como flicker. Las rápidas variaciones de voltaje pueden dañar equipo eléctrico sensible a las variaciones de voltaje. Cabe indicar que en redes eléctricas no robustas un solo aerogenerador puede producir flicker que impactan la operación del suministro eléctrico.
• En las instalaciones eoloeléctrica existen momentos en donde la potencia generada excede el consumo de la carga provocando un aumento del voltaje más allá de la capacidad de la red eléctrica. En ese momento el emplazamiento eoloeléctrico tiene
que ser retirado del suministro eléctrico provocando variaciones en frecuencia y voltaje.
Así, se puede decir que el principal problema por una alta penetrabilidad eoloeléctrica es que un parque eoloeléctrico puede producir transitorios los cuales no pueden ser contrarrestados por las unidades de control de la red eléctrica, lo cual ha sido reportado en sistemas autónomos de pequeña escala (menor a 1 kV.) [6].
Para niveles de penetración altos, los parques eoloeléctricos puede afectar la calidad de la potencia entregada a pesar de estar conectados a una red eléctrica robusta como lo indican algunos estudios de caso en las modernas redes europeas [7,8]. Estos mismos estudios indican que no ocurren problemas técnicos en la operación con una penetración de energía eoloeléctrica del 10-20 % para dichas redes.
Strbac et al. [8] estudiaron los costos y beneficios de la generación eoloeléctrica en el sistema eléctrico del Reino Unido, asumiendo para dicho estudio diferentes niveles de la capacidad eoloeléctrica instalada. En su investigación encontrando que el costo de la electricidad al consumidor sólo aumentaría un 5% si un 20% de la energía del sistema eléctrico se produce mediante aerogeneradores, por lo que puede verse que una alta penetrabilidad de la energía eólica no tiene porque representar un aumento significativo en el costo de la electricidad no obstante la intermitencia del recurso o el mayor costo asociado a las plantas de generación eoloeléctrica
Slootweg y KLin [9] estudiaron el efecto, en las oscilaciones de un sistema eléctrico teórico, al reemplazar generadores síncronos por aerogeneradores de velocidad fija y variable, observando que la energía eoloeléctrica mejoraba el amortiguamiento o disipación de oscilaciones en sistemas robustos y en redes interconectadas, mientras que en redes no robustas no se daba este efecto, concluyendo además que con aerogeneradores de velocidad fija el amortiguamiento o disipación de las oscilaciones mejora, en comparación con el uso de aerogeneradores de velocidad variable.
En este mismo sentido, Fernández et. al. [10] analizaron el comportamiento dinámico de la frecuencia en un sistema de potencia simple el cual contaba con una alta penetración de energía eoloeléctrica. En este trabajo modelaron diferentes tipos de generación eoloeléctrica, encontrando bajo un análisis de eigenvalores, y utilizando un sistema de pruebas para analizar sistemas de potencia, que si se aplica energía eoloeléctrica a través de turbinas que tengan generadores de doble alimentación se puede obtener una mejor respuesta en frecuencia que si se utilizan generadores con jaula de ardilla.
Figura 1 . Diagrama del sistema de prueba de Fernández et. al.[10]
En el sistema eléctrico nórdico, el cual es un sistema robusto (que es aquel que cuenta con diferentes tipos de centrales eléctricas tales como hidroeléctricas, térmicas, etc. y que permiten una gran demanda de carga, mas allá de los 3000 MW.) con países interconectados (Dinamarca, Noruega, Alemania y Suecia) se han estimado niveles de penetración mayores que 30% y en particular hasta un 50 % para el caso del oeste de Dinamarca [11,12,13]. Dicha penetración se ha logrado a través de una combinación de refuerzos de la red y el uso de Bufers de energía los cuales permiten trasladar excesos de producción de energía a zonas donde la demanda es alta, incluso de país a país. Sin embargo este nivel de penetrabilidad es en gran parte factible debido a la interconexión de varios sistemas y por tanto su gran robustez.
En el caso de redes aisladas, o inclusive sistema no robustos, no es posible una alta penetrabilidad de la generación eoloeléctrica debido a que las red no es capaz de disipar los procesos transitorios que tiene lugar en la propia operación de las centrales eoloeléctricas.
Sin embargo, se puede pensar que existe un máximo de factor de penetración que es función de la disponibilidad del recurso eólico, de capacidad eólica instalada, de la operación de las centrales eoloeléctricas y del comportamiento de la demanda del suministro eléctrico por la carga [14], antes de que ocurra un desbalance significativo en la operación de la red eléctrica.
Como estudio de caso se propone analizar el comportamiento que tendría lugar una red no robusta, tomando como estudio caso el sistema eléctrico de la península de Baja California, la penetración de centrales eloeléctricas interconectada a la red. Se propone desarrollar una metodología para estudiar la penetrabilidad de la energía eoloeléctrica en el sistema eléctrico con la finalidad de conocer el impacto de esta fuente renovable en este tipo de redes.
En cuanto a mis antecedentes en el tema, en mi proyecto de tesis de maestría efectúe la modelación de un sistema de energía híbrido conformado por un generador eoloeléctrico y un sistema de celda de combustible, en dicho estudio la fuente de energía primaria era la fuerza del viento. En la primera etapa se llevo a cabo la evaluación del recurso eólico para
tres localidades desarrollándose las metodologías correspondientes, enseguida se efectuó el estudio, análisis y modelación de los diversos componentes de dicho sistema, realizando la integración de los mismos y obteniendo finalmente la configuración optima del sistema para operar de manera autónoma e ininterrumpida con base en el recurso eólico del sitio de emplazamiento.
Objetivo General
Desarrollar e implementar una metodología para evaluar la penetrabilidad de energía eoloeléctrica en un sistema no robusto tomando como base el sistema eléctrico de la península de Baja California.
Objetivos Específicos
Implementar un modelo para el análisis del comportamiento de la red eléctrica cuando se adiciona energía fluctuante proveniente de centrales eoloeléctricas.
Determinar el porcentaje de penetrabilidad óptimo de potencia eoloeléctrica de acuerdo con la capacidad de la red existente.
Estimar la penetrabilidad futura de potencia eoloeléctrica con base en el crecimiento esperado de la red eléctrica.
Justificación del proyecto
En el ámbito mundial es deseable la implementación de sistemas de generación de energía eléctrica a través de fuentes renovables de energía debido al agotamiento de los combustibles fósiles, el aumento en el costo de estos y la reducción de los gases de efecto invernadero. En México en el último año se puso en marcha la primera central eoloeléctrica de gran capacidad (81 MW) y existen diversas zonas viables para la generación de energía por medios eoloeléctricos. Por ello es prioritario desarrollar metodologías para evaluar el impacto en la red eléctrica cuando se ponen en operación centrales eólicas de mediana y alta capacidad interconectadas a la red y estimar contribución de dichas centrales en el desarrollo futuro red eléctrica.
Metodología
Para el desarrollo de este proyecto se utilizarán modelos teóricos donde se involucran los siguientes aspectos:
Evaluación del recurso eólico de la península de Baja California para determinar la capacidad de generación eoloeléctrica de la región y su posible incorporación a la red eléctrica.
Determinación del comportamiento de la carga y la estructura de la red eléctrica en la región a evaluar, con la finalidad de determinar la demanda de energía eléctrica y garantizar el aprovisionamiento de energía eoloeléctrica a la red.
Creación de un modelo teórico para evaluar el comportamiento de la red eléctrica ante la penetrabilidad y fluctuaciones en la generación de energía eléctrica a través de una central eoloeléctrica.
Hipótesis
Teniendo en cuenta los estudios reportados en la literatura se establecen las siguientes hipótesis:
Es posible el desarrollo de un modelo que permita determinar el grado de penetrabilidad de la energía eoloeléctrica en redes no robustas como es el caso de la red eléctrica de la península de Baja California.
Los impactos en la red eléctrica debido a las fluctuaciones de la generación eoloeléctrica son amortiguados hasta un máximo de penetrabilidad.
El factor de penetrabilidad de la red de generación eoloeléctrica esta en fundón del factor de planta, la variabilidad del recurso eólico, de la carga eléctrica demandada y de la robustez de la red eléctrica, por lo que debe existir un óptimo de factor de penetración.
Infraestructura requerida
1.- Sistemas de cómputo: Se cuenta con el equipo de cómputo necesario para realizar los cálculos de potencial, simulación de centrales, análisis matemático, etc.
2.- Software libre de programación. En la actualidad se cuenta con el software de programación necesario (lenguaje C, MATLAB, Simulink, Scientific WorkPlace) para realizar la modelación de los componentes eoloeléctricos y de los sistemas de potencia de la red eléctrica así como para realizar el análisis numérico del sistema.
3.- Base de datos del recurso eólico.
a) Base de datos IIE. Desde la realización de mi tesis de maestría contamos con acceso a la base de datos anemométricos del IIE por lo que tenemos acceso continuo a la misma.
b) Datos del recurso recopilados por la UAM-Azcapotzalco. La cual será obtenida a través del Dr. Rubén José Dorantes.
c) Mapas NREL. Se cuenta con los Mapas de recurso eólico generados por dichas institución la cual tiene una larga experiencia en medición y estimación del recuso eólico.
4.- Diagrama unifilar de la red eléctrica y de comportamiento de la carga en la península de Baja California. Se cuenta con los diagramas generales generados por subdirección de programación de la CFE.
5.- Actualmente se está llevando a cabo la recopilación de los datos del comportamiento de la carga eléctrica la península de Baja California
Marco teórico
1.- Estadística.
2.-Sistemas eléctricos de potencia.
3.- Programación.
4.- Cálculo.
5.- Métodos numéricos.
Comité tutoral propuesto
Dr. Oscar A. Jaramillo Salgado Tutor principal. CIE-UNAM
Proporcionará asesoría al proyecto en general en especial en el análisis de potencial eólico, análisis de las centrales eoloeléctricas e integración de estos a la red
Dr. Aarón Sánchez Juárez CIE-UNAM
Contribuirá principalmente en la integración de los sistemas eoloeléctricos y los sistemas de la red eléctrica. El Dr. Sánchez cuenta con gran experiencia en cuanto a la integración de sistemas de energías renovables.
Dr. Sergio Cuevas García CIE-UNAM
Asesorará en el planteamiento y análisis matemático de las ecuaciones que se propongan para describir el comportamiento de la integración eoloeléctrica en la red.
Dr. Rubén José Dorantes Rodríguez UAM-Azcapotzalco.
Contribuirá en el análisis de potencial eólico de la península de Baja California.
Actualmente dirige proyectos de medición anemométrica y bus aplicaciones de energía eólica en Baja California.
Dr. Gerardo René Espinosa Peréz FI-UNAM
Principalmente proporcionará asesoría en cuanto al análisis y modelado de los sistemas eléctricos de potencia
Cronograma de actividades.
SEMESTRE
ACTIVIDAD I II III IV V VI
Actualización y revisión de bibliografía x
Colecta de datos históricos de velocidad de viento x Recopilación y análisis de los componentes de la red eléctrica x
Estimación del potencial eólico de la región x
Asistencia a congreso Internacional x x
Desarrollo del modelo de centrales eoloeléctricas x
Desarrollo del modelo de la red eléctrica existente x x Integración de los modelos y evaluación de los mismos x X
Examen de candidatura x
Envío de artículo X
Análisis de proyecciones futuras de la red x
Análisis de resultados x
Escritura de tesis x x
Examen de grado x
Referencias bibliográficas.
[1] http://home.wxs.nl/~windsh/stats.html
[2] Danish Wind Industry Associaton. Wind Turbines and Power Quality Issues (www.windpower.org)
[3] Weisser D., Garcia Raquel S. Instantaneous Wind Energy Penetration in Isolated Electricity Grids: Conceps and Review. Renewable Energy 30. 1299-1308. 2005 [4] Binder H. Power Control for Wind Turbine in Weak Grids: Project Summary. Riso National Laboratory. 1999
[5] Evaluating the Maximum Wind Energy Penetration in Weak Grids: EWEC Conference.
p 1215-8. 2001
[6] Turkenburg W. Renewable Energy Technologies. World Energy Assessment: Energy and the Challenge of the Sustainibility-an Overview. United Nations Development Program.
[7] Milborrow D. Penalties for Intermittent Sources of Energy Paper for the UK PIU Energy Review. 2001.
[8] Strbac et. al. Impact of Wind Generation On the Operation and Development of the UK Electricity Systems. Electric Power Systems Research 77 (2007) 1214-1227
[9] Slootweg J.G., Kling W.L. The Impact of Large Scale Wind Power Generation on Power System Oscilations. Electric Power Systems Research 67 (2003) 9-20.
[10] Fernández R.D., Mantz R.J. Impact of Wind Farms on a Power System. An Eigenvalue Analysis Approach. Renewable Energy 32 (2007) 1676–1688.
[11] BWEA, Greenpeace. Wind Force 12.
http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/WF12/wf12- 2005.p
[12] Akhmatov V., Knudsen H. Large penetration of wind and disperse generation into Danish Power Grid. Electricity Power Systems Research 77(2007) 1228-1238.
[13] Jauch C., Sorensen P. Norheim I, Rasmussen C. Simulation of the Impact of Wind Power on the Transient Fault Behavior of the Nordic Power System. Electricity Power Systems Research 77(2007) 135-144.
[14] Porter K., Yen-Nakafuji D., Morgenstern B. A Review of the International Experience With Integrating Wind Energy Generation. The Electricity Journal 20 (2007) 48-59.
Comité tutoral:
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TUTOR: Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado CIE UNAM
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Dr. Aarón Sánchez Juárez CIE-UNAM
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Dr. Sergio Cuevas García CIE-UNAM
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Dr. Rubén José Dorantes Rodríguez UAM-Azcapotzalco.
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Dr. Gerardo René Espinosa Peréz FI-UNAM
