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
Juan Camilo Mecón Ruiz
Diseño De Conexión De Granja Eólica En Sistemas Eléctricos
Interconectados
Sustentado el día 28 de Mayo de 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Mario Alberto Ríos Mesías Ph.D., Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Diseño De Conexión De Granja Eólica En Sistemas
Eléctricos Interconectados
2
Contenido
1
INTRODUCCIÓN
... 6
2
OBJETIVOS
... 7
2.1
Objetivo General
... 7
2.2
Objetivos Específicos
... 7
2.3
Alcance y productos finales
... 8
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
... 8
4
MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
... 9
4.1
MARCO NORMATIVO Y LEGAL
... 9
4.2
MARCO CONCEPTUAL
... 12
5
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NEW ENGLAND Y
DEL CASO DE ESTUDIO
... 14
6
MODELAMIENTO DE LA GRANJA EOLICA
... 17
6.1
DESCRIPCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA EÓLICA
... 17
6.2
POSICIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EN LA GRANJA EOLICA
... 22
6.3
DISEÑO DE MALLA COLECTORA DE ENERGIA ELÉCTRICA.
... 24
7
ESTUDIOS DE VIABILIDAD DE LA CONEXIÓN
... 28
7.1
ESTUDIO DE FLUJO DE CARGA
... 29
7.1
ANALISIS DE CORTO CIRCUITO
... 37
8
DISEÑO DE CONEXIÓN DE LA GRANJA EOLICA
... 39
8.1
DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN 13,8kV / 115kV
... 41
8.2
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS MAYORES PARA S/E DE 13,8kV/115kV
43
8.3
DISEÑO DEL DOBLE CIRCUITO ENTRE SUBESTACIONES
... 47
8.3.1
DIMENSIONAMIENTO DEL CONDUCTOR
... 48
8.3.2
DIMENSIONAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS
... 50
8.4
DISEÑO DE LA SUBESTACION 115kV / 345kV
... 51
8.5
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS MAYORES PARA S/E de 115kV a 345kV
53
8.6
DIAGRAMA UNIFILAR DE LA CONEXIÓN DE LA GRANJA EOLICA AL SISTEMA
NO INTERCONECTADO NEW ENGLAND
... 56
9
CONCLUSIONES ... 58
Diseño De Conexión De Granja Eólica En Sistemas
Eléctricos Interconectados
3
Figura No 1. Sistema de Potencia New England Con Conexión de la Granja Eólica
(Modificada de la Referencia 11)
... 15
Figura No 2. Potencia Generada por la Turbina en Función de la Velocidad del Viento
(Modificada de Referencia 13)
... 18
Figura No 3. Características Mecánicas y Eléctricas de la Turbina [14][15]
... 19
Figura No 4. Electrónica de Potencia de la Turbina Enercon E-126 para Acoplar a la
Red Eléctrica (Modificada de Referencia 14)
... 20
Figura No 5. Posicionamiento de las Turbinas Eólicas en el Terreno. ... 23
Figura No 6. Disposición de las Turbinas Eólicas en el Terreno para Evitar Efecto Estela 24
Figura No 7. Diseño de la Malla Colectora de Energía Eléctrica para la Granja Eólica ... 25
Figura No 8. Contingencias N-1 para el Sistema de Potencia New England ... 30
Figura No 9. Diagrama General de la Conexión de la Granja Eólica al Sistema de Potencia
New England ... 40
Figura No 10. Diagrama de la Subestación Elevadora 13,8kV/115kV
... 42
Figura No 11. Diagrama de las Líneas de 115kV ... 48
Figura No 12. Estructura Típica de 115kV
... 50
Figura No 13. Diagrama de la Subestación Elevadora 115kV/345kV
... 53
Figura No 14. Diagrama de Conexión de la Granja Eólica al sistema de Potencia New
England
... 57
Tablas
Tabla No 1.Descripción de Nodos PV del Sistema de Potencia New England
(Modificada de Referencia 11)
... 16
Tabla No 2 Descripción de Nodos PQ del Sistema de Potencia New England
(Modificado de Referencia 11)
... 16
Tabla No 3. Calculo de la Ampacidad de Cada Circuito
... 27
Tabla No 4 Características de los Conductores Seleccionados.
... 27
Tabla No 5. Características Físicas de los Conductores
... 27
Tabla No 6. Comparación Sistema de Potencia New England con Energía Eólica y Sin
Energía Eólica... 31
Tabla No 7. Resultado de la Tensión y el ángulo en cada Bus del Sistema de Potencia
New England para los Diferentes Casos de Contingencias N-1
... 33
Tabla No 8. Resultado del Flujo de Potencia Activa y Reactiva en las Diferentes Ramas
del Sistema de Potencia New England para el Caso con y sin Energía Eólica.
... 34
Tabla No 9. Resultados del Flujo de Potencia Activa y Reactiva en las Diferentes Ramas
del Sistema de Potencia New England para los diferentes Casos de Contingencias N-1
... 36
Tabla No 10. Niveles De Corriente de Corto Circuito Para El Caso Base En El Nodo 24
38
Tabla No 11. Niveles de Corriente de Corto Circuito para el Nodo 24 ... 38
Tabla No 12. Corriente de Corto Circuito para una Falla en el Nodo 40 del Sistema
.... 38
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4
Tabla No 14. Corriente de Corto Circuito para una Falla en el Nodo 42 del Sistema
.... 39
Tabla No 15. Corriente de Corto Circuito para una Falla en el Nodo 43 del Sistema
.... 39
Tabla No 16. Dimensionamiento del Transformador de Potencia para la SE
13,8kV/115kV
... 43
Tabla No 17. Dimensionamiento del Transformador de Corriente para el Lado de
13,8kV [25]
... 44
Tabla No 18. Dimensionamiento del Transformador de Corriente para el Lado de
115kV [26]
... 44
Tabla No 19. Dimensionamiento del Transformador de Potencial para el Lado de
13,8kV
... 45
Tabla No 20.Dimensionamiento del Transformador de Potencial para el Lado de 115kV.. 45
Tabla No 21. Dimensionamiento de los Seccionadores del Lado de 13,8kV
... 46
Tabla No 22. Dimensionamiento de los Seccionadores del Lado de 115kV
... 46
Tabla No 23. Dimensionamiento de Interruptores del lado de 13,8kV
... 47
Tabla No 24. Dimensionamiento de Interruptores del Lado de 115kV
... 47
Tabla No 25. Calculo de la Ampacidad para las Líneas de 115kV ... 49
Tabla No 26. Características de los Conductores Seleccionados ... 49
Tabla No 27. Características Físicas de los Conductores Seleccionados ... 49
Tabla No 28. Dimensionamiento del Transformador de Potencia de la Subestación
Elevadora de 115kV a 345kV
... 54
Tabla No 29. Dimensionamiento del Transformador de Corriente para el Lado de
345kV
... 55
Tabla No 30. Dimensionamiento del Transformador de Potencial para el Lado de
345kV
... 55
Tabla No 31. Dimensionamiento de los Seccionadores para el lado de 345kV ... 55
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5
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios sobre todas las cosas por haberme llenado de fuerza para continuar adelante en todo momento y por haberme otorgado sabiduría para afrontar cada obstáculo y cada reto.
Agradezco a mis padres por su constante apoyo y dedicación para ayudarme a perseguir mis sueños y metas. Sin la colaboración de ellos no hubiese sido posible llegar hasta acá. Siento una satisfacción inmensa de saber que el ejemplo y la ayuda que me han brindado me han llevado a lograr todas las metas que me he propuesto durante el transcurso de mi vida.
Agradezco a mis tíos, tías y familiares por su colaboración y apoyo en el transcurso de mi carrera. Sin ellos no hubiese sido posible culminar mis estudios. Espero que sea de orgullo para ellos saber que la meta fue cumplida y sus esfuerzos fueron bien reconocidos.
Finalmente, agradezco a Mario Alberto Ríos Mesías Ph.D. quien fue mi asesor y me entrego todo su apoyo, conocimiento y experiencia para que pudiese realizar este trabajo y culminar con éxito este proyecto sin importar las dificultades que se presentaran.
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1
INTRODUCCIÓN
Una de las principales tendencias que se han venido presentando a nivel mundial ha sido la búsqueda de nuevas tecnologías para realizar generación de energía eléctrica sin ocasionar efectos negativos en el medio ambiente. Si bien es cierto, durante muchos años se han utilizado los combustibles fósiles para generar energía eléctrica y así lograr atender la demanda pero, la emisión de gases de efecto invernadero ha impactado el ambiente y la disponibilidad de estos recursos ha disminuido progresivamente, lo cual ha generado preocupación dado que la energía eléctrica resulta ser un recurso esencial para que las personas puedan desempeñar sus diferentes actividades cotidianas con normalidad.
Ahora, es importante reconocer que cuando se habla de combustibles fósiles se está haciendo referencia a un recurso que es considerado como una fuente no renovable de energía que genera altos índices de contaminación ambiental. De acuerdo a esto, la comunidad internacional ha venido otorgando una mayor importancia a las fuentes de energía renovables disponibles y ha enfocado sus esfuerzos en la búsqueda de la obtención de electricidad a partir de recursos como la energía solar, la energía hidráulica, la energía eólica, geotérmica e incluso la energía por medio de biomasa.
Realizando un enfoque detallado en la generación de energía a partir del medio eólico, se puede deducir que se trata de uno de los medios más utilizados en gran cantidad de países a nivel internacional a tal punto que lugares como Alemania y Suecia han venido reestructurando su sistema de generación a una base mayoritariamente renovable con alta presencia de granjas eólicas. De acuerdo con el World Wind Energy Report del año 2012, la capacidad mundial alcanzó un valor de hasta 282.275 MW donde países como China contribuyen con un total de 75.342 MW mientras que Estados Unidos genera 59.882 MW y Alemania aporta 31.038 MW que corresponden a cifras considerables de potencia para tratarse de generación de energía eléctrica por medio eólico.
En cuanto a los países latinoamericanos, es posible encontrar que Brasil alcanza niveles de 1077MW mientras que México produce un total de 419MW y Argentina llega a los 104MW aunque también hay que resaltar que Colombia no es un país ajeno a esta tendencia dado que actualmente cuenta con un parque eólico con capacidad de generación de hasta 19MW situado en la península de la Guajira, que resulta ser uno de los puntos con mayor afluencia del viento durante todos los días del año. [1]
En este orden de ideas, es posible apreciar que a través de granjas eólicas se puede llegar a obtener grandes cantidades de energía eléctrica dependiendo de la disponibilidad de viento con la que se cuente en el sector donde se instalan. Lo anterior permite contemplar la opción de incorporar una granja eólica a determinado sistema de
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potencia que se encuentre interconectado con la red nacional para lograr realizar una adecuada alimentación mixta de las cargas entre el medio eólico y otros medios de generación sincrónica, es decir, atender la demanda de un sector a partir de la energía obtenida por granjas eólicas y por otro tipo de máquinas como los son las maquinas sincrónicas.
Aun así, cuando se tienen sistemas de potencia interconectados que operan con máquinas sincrónicas se pueden llegar a presentar perturbaciones en el sistema y en sus componentes cuando se realiza una integración entre las máquinas de inducción propias de los medios renovables y las demás máquinas que posee el sistema de potencia como tal. En otras palabras, resulta necesario contemplar el desempeño de las granjas eólicas cuando se integran a un sistema de potencia que se encuentra operando con otro tipo de generadores para así realizar un diseño adecuado de la conexión de una granja eólica.
De acuerdo a esto, el presente proyecto plantea el diseño de la conexión de una granja eólica en un sistema eléctrico interconectado realizando una especificación detallada de cada uno de los equipos mayores que harán parte del sistema considerando factores como las respuestas que muestran los nodos frente a variaciones de potencia inyectada y la respuesta que muestren las maquinas tanto de inducción como sincrónicas frente a diferentes fallas para garantizar confiabilidad continuidad en el servicio.
2
OBJETIVOS
2.1
Objetivo General
Diseñar la conexión de una granja eólica en un sistema eléctrico interconectado realizando una especificación detallada de cada uno de los equipos mayores que harán parte del sistema.
2.2
Objetivos Específicos
Analizar el comportamiento del sistema frente a diferentes variaciones de potencia inyectada por la granja eólica.
Determinar la respuesta que muestra el sistema frente a diferentes fallas tanto de las maquinas sincrónicas con las que se cuenta como fallas presentes en los generadores propios de la granja eólica.
Analizar el impacto que muestra la carga frente a la incorporación de la granja eólica en el sistema de potencia interconectado con el fin de garantizar continuidad en el servicio.
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2.3
Alcance y productos finales
Sistema Eléctrico interconectado con generación sincrónica y con la conexión de una granja eólica.
Diseño del sistema de potencia interconectado contemplando la especificación de equipos mayores.
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
La generación de energía eléctrica a partir del recurso eólico ha sido un método que ha mostrado muy buenos resultados en diferentes países alrededor del mundo, es decir, este medio de generación se ha perfilado como un buen candidato para asistir grandes proporciones de la demanda en países como China, Estados Unidos o incluso Alemania. De igual forma, es de gran ventaja poder contar con un medio de generación alterno a la generación realizada a través de combustibles fósiles dado que esto implica menor dependencia frente a este recurso y menor emisión de gases de efecto invernadero que impacten el ambiente.
Aun así, no basta solo con construir el parque eólico y conectarlo directamente a determinado sistema de potencia sino que se debe analizar el impacto que se puede ocasionar al colocar nuevas máquinas, como lo son los generadores eólicos, en algún sistema existente. En otras palabras, es importante realizar un análisis de las consecuencias y el posible impacto eléctrico que puede existir cuando se adiciona una granja eólica a un sistema de potencia con características básicas como cargas, líneas de transmisión, transformadores o incluso generadores de carácter sincrónico.
Este sería el caso de países como Colombia que cuentan con un Sistema Interconectado Nacional SIN, que no es más que una red eléctrica que entrega energía a diferentes regiones del país a través de las diversas subestaciones, puntos de generación, líneas de transmisión y distribución con varios niveles de tensión. Este sistema interconectado nacional basa gran parte de su generación en energía hidráulica aunque no logra cubrir la totalidad de la demanda a través de este medio, lo que obliga a recurrir a plantas térmicas e incluso a la generación diesel cuando la demanda presenta picos máximos.
De acuerdo a esto, la opción adicionar granjas eólicas en puntos estratégicos a sistemas eléctricos interconectados como un medio de generación alterno a la generación a partir de combustible causa buenas expectativas. Sin embargo, para acoplar este medio de generación a un sistema de potencia es necesario realizar estudios de flujo de carga y corto circuito que demuestren que el sistema permanece estable y que garanticen una confiabilidad y seguridad alta para así proceder al modelamiento, diseño de conexión y proceso de construcción de las granjas eólicas.
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Sin embargo, la información y los estudios con los que se cuenta actualmente referentes al tema del diseño de conexión a sistemas de potencia interconectados es reducido por lo que resulta necesario generar un instructivo que indique los estudios previos necesarios y la forma adecuada de realizar el modelamiento de una granja eólica y el diseño de conexión de la misma para analizar la viabilidad de implementar estos medios de generación en las zonas interconectadas y así ofrecer a los habitantes una mayor continuidad en el servicio, seguridad, confiabilidad y bienestar.
4
MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
Antes de iniciar con el modelamiento del parque eólico o con algún diseño de conexión al sistema interconectado es importante tener claridad sobre algunos conceptos teóricos referentes a la operación de los aerogeneradores y a la normatividad que se encuentra establecida en Colombia para este tipo de generación energética, ya que todas las conexiones deben hacerse dentro del marco legal exigido por las autoridades locales y cumpliendo con todos los aspectos eléctricos necesarios.
4.1
MARCO NORMATIVO Y LEGAL
Colombia se ha convertido en uno de los países que ya ha implementado ciertas normas y leyes para ejercer control sobre el establecimiento, construcción, operación, mantenimiento y conexión tanto de parques eólicos como de pequeñas turbinas que sean conectadas al SIN con fines de generación de energía eléctrica.
En particular, la Unidad de Planeación Minero Energética UPME generó el documento ANC-0603-18-01 que hace parte de la formulación de un programa básico de normalización para aplicaciones de energías alternativas y difusión y que se titula “Guía para la utilización de la energía eólica para generación de energía eléctrica” [2]. En este documento se encuentran los aspectos técnicos, de instalación, operación y mantenimiento que deben ser cumplidos al momento de establecer una granja eólica o algunas turbinas para generar electricidad, es decir, en esta guía se establece la metodología para seleccionar el sitio donde se debe instalar un parque eólico, las tecnologías sugeridas de acuerdo al terreno, las referencias normativas importantes, entre otros.
De igual forma, es en este documento donde se sugiere que todo parque eólico debe cumplir principalmente con la norma IEC 61400 en casi todos sus artículos ya que esta norma de carácter internacional establece una serie de requerimientos que buscan garantizar un apropiado diseño de ingeniería de los parques eólicos y las
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turbinas eólicas, es decir, esta norma establece requerimientos durante toda la fase de modelamiento, diseño y conexión de un parque eólico desde el momento en el que se estudia el terreno de construcción hasta el punto en que se hacen pruebas sobre las turbinas. Los siguientes artículos se tomaron en consideración [3]:
IEC 61400-1: Design Requirements
IEC 61400-12: Power Performance Measurement
IEC 61400-16: Transformers for Wind Turbines Applications
IEC 61400-21: Measurement Of Power Quality Characteristics
IEC 61400-27:Electrical Simulation Models For Wind Power Generation
A través de esta normatividad quedan indicados y estandarizados los requerimientos mínimos que deben ser cumplidos para realizar la construcción, conexión y operación de una granja eólica. Aun así, este estándar aclara todos los conceptos eléctricos que deben ser cumplidos pero los aspectos legales son establecidos de acuerdo a la normatividad colombiana por lo que se consultaron las leyes y artículos respectivos a la conexión de una granja eólica.
En Colombia, cualquier generación de energía eléctrica, con independencia de la fuente, se rige por las dos leyes principales que son la ley 142 y la ley 143 de 1994 e incluso por las normas que establezca la Comisión de Regulación De Energía y Gas CREG por lo que cualquier parque o turbina eólica que llegue a ser instalada en el territorio colombiano debe seguir lo establecido por dichas leyes.
A manera particular, la ley 142 de 1994 define la generación de energía eléctrica, con independencia de las fuentes que se utilicen, como una actividad complementaria del servicio público de energía eléctrica [5] mientras que la CREG, a través de resoluciones, ejerce control sobre los agentes generadores de energía eléctrica y regula el mercado de electricidad en el marco de competencia de acuerdo a la ley 143 de 1994. Las siguientes resoluciones fueron establecidas por la CREG y pueden resultar importantes:
CREG 055 de 1994: A través de esta resolución se regula la actividad de generación de energía eléctrica en el SIN.
CREG 086 de 1996: Establece el reglamento de distribución de energía eléctrica como parte del reglamento de operación del SIN.
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Ahora, al momento de realizar el montaje de una granja eólica se deben cumplir determinados requisitos que están contemplados en algunos artículos de las leyes 142 y 143 de 1994. Entrando en detalle, los siguientes artículos de la ley 143 de 1994 deben tomarse en consideración:
Artículo 24: Establece que la construcción de plantas generadoras, con sus respectivas líneas de conexión a las redes de interconexión y transmisión está permitida a todos los agentes económicos.[4]
Artículo 25: Establece que los agentes económicos privados o públicos que hagan parte del SIN deberán cumplir con el reglamento de operación y con los acuerdos adoptados para la operación del mismo. El incumplimiento de estas normas o acuerdos da lugar a las sanciones que establezca la CREG o la respectiva autoridad.[4]
Artículo 85: Las decisiones de inversión en generación, interconexión, transmisión y distribución de energía eléctrica, constituyen responsabilidad de aquellos que las acometan, quienes asumen en su integridad los riesgos inherentes a la ejecución y explotación de los proyectos.[4]
En cuanto a la ley 142 de 1994 también es posible encontrar artículos que se deben considerar en el momento de realizar el modelamiento y la conexión de una granja eólica. En otras palabras, se deben contemplar los siguientes:
Artículo 22: Régimen de funcionamiento. Las empresas de servicios públicos debidamente constituidas y organizadas no requieren permiso para desarrollar su objeto social, pero para poder operar deberán obtener de las autoridades competentes, según sea el caso, las concesiones, permisos y licencias de que tratan los artículos 25 y 26 de esta ley, según la naturaleza de sus actividades.[5]
Por otro lado, el artículo 11 de la ley 142 de 1994 establece claramente que las empresas que presten servicios públicos estarán obligadas a informar sobre el inicio de sus actividades a la superintendencia de servicios públicos domiciliarios y a la CREG.[6]
De manera adicional, cualquier empresa prestadora de servicio público debe cumplir con un reglamento de operación que es estipulado en el artículo 11 de la ley de 143 de 1994 que establece lo siguiente:
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Artículo 11: Reglamento de operación. Conjunto de principios, criterios y procedimientos establecidos para realizar el planeamiento, la coordinación y la ejecución de la operación del SIN y para regular el funcionamiento del mercado mayorista de energía eléctrica. El reglamento de operación comprende varios documentos que se organizan conforme a los temas propios del funcionamiento de un sistema eléctrico.[4]
Adicionalmente a este reglamento de operación, la CREG expidió unas resoluciones para complementar este artículo dentro de las cuales se encuentran las siguientes:
CREG 070 de 1998: Resolución que establece el reglamento de distribución de energía eléctrica.
CREG 024 de 1995: Resolución que señala la obligación de los generadores de registrarse ante el administrador de intercambios comerciales, de vender su energía en dicho mercado y constituir las garantías que se definen en la regulación.
CREG 025 y 070 de 1995 y 1998: Establecen las condiciones que deben cumplirse para conectar plantas de generación a redes de transporte o distribución.
CREG 106 de 2006: Resolución que establece la obligación de las plantas de generación de adelantar la solicitud a la conexión a la red de transmisión ante la UPME y constituir la garantía respectiva.
4.2 MARCO CONCEPTUAL
Dentro del desarrollo de una granja eólica y su posterior conexión se deben tener en cuenta no solo los aspectos legales sino también algunos aspectos técnicos y conceptuales que resultan necesarios para realizar una ingeniería adecuada y acertada. De acuerdo a esto, se presentan algunos conceptos sobre los cuales se debe tener claridad antes de realizar el diseño de conexión de la granja eólica:
Límite de Betz
Uno De los principales conceptos que aparece en el tema de la generación de energía eléctrica a partir de la energía eólica es la ley creada por el físico Albert Betz en el año de 1919. Esta ley plantea un límite máximo de potencia que puede ser extraída del viento, es decir, se establece un máximo de potencia que una turbina eólica puede extraer de la energía cinética que posee el viento en movimiento. De manera específica, una turbina eólica no logrará capturar más
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del 59,3% de la energía cinética que contiene el viento sin importar el diseño, la cantidad de aspas o la forma que tenga el aerogenerador.
En este orden de ideas, el físico Albert Betz logró establecer el coeficiente que lleva su nombre y que posee un valor de 0.593 que corresponde al máximo porcentaje de energía que puede ser extraído. Es importante tener este dato en mente debido a que la eficiencia de una turbina eólica no podrá superar dicho valor dado que resulta ser físicamente imposible por lo que la eficiencia de una turbina en una granja eólica puede tener hasta un máximo de 59,3% o menos dependiendo de si existen afecciones ocasionadas por el efecto sombra [7].
Factor de potencia y Potencia reactiva
El factor de potencia resulta ser una relación que existe entre la potencia activa y la potencia aparente de un circuito eléctrico, es decir, matemáticamente se define como:
| |
Donde √ y donde P es la potencia activa y Q la potencia reactiva. A través de este cociente se puede llegar a medir la cantidad de energía activa que es transmitida o consumida con respecto al total de la potencia aparente que se genera o se transmite en un circuito eléctrico, es decir, idealmente se buscaría que el factor de potencia fuese 1 lo que indicaría que el total de la potencia aparente correspondería a la potencia activa sin presentarse ningún tipo de potencia reactiva. Esta ecuación también tiene una expresión equivalente que se muestra a continuación:
Donde corresponde al ángulo que existe entre la potencia activa y el valor absoluto de la potencia aparente [8].
Ahora, es importante definir el concepto de potencia reactiva dado que también juega un papel importante dentro de lo que es la generación de energía eléctrica por medio de parques eólicos. La potencia reactiva aparece solo cuando hay presencia de componentes capacitivos o inductivos y es una potencia que afecta el factor de potencia en los sistemas eléctricos dado que resulta ser una potencia que no es del todo aprovechable por una carga. De acuerdo a esto, es posible mencionar que muchos sistemas de potencia requieren de compensaciones de potencia reactiva para mantener los niveles de tensión en los rangos establecidos por lo que en el sistema de potencia New
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England será necesario observar que sucede cuando se introduce la generación eólica.
Si se hace un énfasis en lo que corresponde a la generación de energía eléctrica por medio de energía eólica se puede encontrar que cada una de las turbinas posee un sistema de compensación de potencia reactiva que impacta directamente en la eficiencia e incluso la red eléctrica local. Por otro lado, suele suceder que los aerogeneradores presenten un consumo de potencia reactiva en el momento en el que el generador arranca y este nivel de consumo puede resultar alto si no se ejerce un control sobre el mismo lo cual puede traducirse en pérdidas de potencia reactiva en el sistema de potencia al cual sea conectado el parque eólico o incluso en caídas de tensión en algunos nodos de la red.
Finalmente, se debe destacar que el factor de potencia que poseen las turbinas siempre estará mostrando una variación dependiendo de la carga que tenga el sistema al cual es acoplado el parque eólico y dependiendo de la potencia total que sea generada por lo que cuando existe mínima generación en las turbinas se tendrá un factor de potencia más bajo mientras que cuando existe una mayor generación se tendrán aumentos en el factor de potencia.[9] [10]
Software a Utilizar
Para el diseño del sistema de potencia y la realización de los estudios de flujo de carga y corto circuito se hará uso del software PSS/E University 33 de Siemens que corresponde a una versión académica de dicho software. A través de este programa se puede realizar una comparación de resultados entre diferentes casos de estudio al igual que se permite modelar parques eólicos con hasta un total de 5 turbinas eólicas. Por otro lado, en ésta herramienta computacional se modelarán todos los equipos mayores que hacen parte de las subestaciones elevadoras así como los conductores que transportarán la energía desde las turbinas hacia el sistema de potencia New England con el fin de poder realizar estudios que sean altamente aproximados a lo que podría ser la realidad.
5
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO INTERCONECTADO NEW ENGLAND Y
DEL CASO DE ESTUDIO
Una parte fundamental que se debe contemplar en el momento de realizar el diseño de conexión de una granja eólica es tener un conocimiento amplio sobre el sistema de potencia con el cual se va a trabajar ya que esto permite tener claridad sobre los niveles
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de tensión presentes en los nodos, la dimensión de las cargas o incluso la cantidad de transformadores.
De acuerdo a esto, el New England Power System resulta ser un sistema de potencia que contiene 39 buses y un total de 10 máquinas generadoras encargadas de proveer con energía eléctrica a las diferentes cargas. Estas 10 máquinas están repartidas por todo el sistema de potencia y no se encuentran concentradas en un solo sector lo que permite realizar una buena distribución de la energía por cada uno de los nodos sin presentar sobrecargas significativas en alguna línea del sistema.[11] A través de la figura 1 se podrá detallar la composición del sistema y la conexión que se desea realizar.
Figura No 1. Sistema de Potencia New England Con Conexión de la Granja Eólica (Modificada de la Referencia 11)
El generador identificado como G2 opera como el nodo Swing del sistema entregando un total de 1000MW potencia eléctrica mientras que el nodo 30 cuenta con el generador de menor capacidad que entrega un total de 250 MW al sistema. Adicionalmente, en la tabla 1 se puede encontrar información referente a todos los nodos generadores del sistema y sus capacidades.
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Tabla No 1.Descripción de Nodos PV del Sistema de Potencia New England (Modificada de Referencia 11)
Bus Voltaje Carga Generador
MW MVAr MW MVAr Unidad
30 1,0475 0 0 250 - 10
31 0,9820 9.2 4.6 - - 2
32 0,9831 0 0 650 - 3
33 0,9972 0 0 632 - 4
34 1,0123 0 0 508 - 5
35 1,0493 0 0 650 - 6
36 1,0635 0 0 560 - 7
37 1,0278 0 0 540 - 8
38 1,0265 0 0 830 - 9
39 1,0300 1104 250 1000 - 1
Por otro lado, también se deben considerar las cargas con las que cuenta el sistema para así tener conocimiento sobre la demanda total. De acuerdo a esto, la tabla 2 muestra información referente a la potencia activa y reactiva demandada en cada nodo.
Tabla No 2 Descripción de Nodos PQ del Sistema de Potencia New England (Modificado de Referencia 11)
Bus Carga Bus Carga
MW MVAr MW MVAr
1 0 0 16 329 32,3
2 0 0 17 0 0
3 322 2,4 18 158 30
4 500 184 19 0 0
5 0 0 20 628 103
6 0 0 21 274 115
7 233,8 84 22 0 0
8 522 176 23 247,5 84,6
9 0 0 24 308,6 -92
10 0 0 25 224 47,2
11 0 0 26 139 17
12 7,5 88 27 281 75,5
13 0 0 28 206 27,6
14 0 0 29 283,5 26,9
15 320 153
Ya conociendo las características básicas del sistema de potencia se puede realizar el diseño de la conexión del parque eólico. En la figura 1 se puede observar que la granja eólica será instalada en el bus 24 entregando un total de 38 MW al sistema New England a través de un total de 5 turbinas generadoras que aportan una potencia de 7.6MW cada una cuando se encuentran en máxima operación. Por otro lado, es importante
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mencionar que el sistema de transmisión con el que se cuenta opera a una tensión de 345kV y que el voltaje que entregan las turbinas es de 13,8kV.
Finalmente, se debe realizar un análisis del sistema antes y después de realizar la conexión de la granja eólica para poder identificar si existe algún impacto eléctrico que se ocasione alguna contingencia y así realizar un adecuado diseño de conexión.
6
MODELAMIENTO DE LA GRANJA EOLICA
A manera general, una granja eólica resulta ser un conjunto de múltiples aerogeneradores situados en altamar o en tierra firme que cumplen con la función de generar energía eléctrica a partir de la energía cinética obtenida gracias al movimiento del aire en el ambiente. Estos aerogeneradores deben ser ubicados en lugares estratégicos para lograr capturar la mayor cantidad de viento posible y para evitar que las turbulencias generadas por las aspas de determinada turbina afecten el comportamiento de las demás, es decir, a la hora de diseñar una granja eólica es necesario realizar estudios previos que permitan determinar el comportamiento del viento en la zona donde se instalarán para así tomar decisiones referentes al tipo de turbina con el cual se trabajará y a la ubicación de cada una de las mismas en el campo.
A partir de esto, para el presente proyecto se asumirá que los estudios meteorológicos requeridos fueron realizados previamente y que reflejan como resultado un viento de clase IA que, de acuerdo con la normatividad IEC 61400, corresponde a una alta disponibilidad de viento con velocidades mayores a los 10m/s en promedio anual a una altura de aproximadamente 130m y con una probabilidad alta de fuertes turbulencias llegando a niveles superiores al 5 en la escala de Beaufort. Teniendo esta información, se puede realizar una adecuada caracterización de la turbina eólica que se podría utilizar para la implementación de la granja eólica y su posterior conexión a la red del sistema eléctrico interconectado New England.
6.1
DESCRIPCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA TURBINA EÓLICA
Considerando la presencia de viento de clase IA es posible determinar que el aerogenerador que logra adaptarse a estas condiciones meteorológicas resulta ser el ENERCON E-126 fabricado por la compañía Alemana ENERCON. Esta turbina eólica es capaz de generar hasta un total de 7,6MW en su máxima capacidad llegando a ser la turbina eólica con mayor capacidad de generación construida hasta la fecha para operaciones realizadas en tierra, es decir, para la construcción de granjas eólicas onshore.
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De igual forma, esta turbina resulta ser de velocidad variable con un sistema de control de ángulo de paso que permite adaptar el ángulo de incidencia de cada aspa del rotor para así enfrentar las diferentes variaciones que muestre el viento, es decir, la turbina es modificada en sus aspas para poder aprovechar el viento incidente de la mejor forma o para detener el rotor completamente en caso de presentarse alguna emergencia por exceso de viento. Por otro lado, es importante comentar que la turbina contiene la electrónica de potencia necesaria para poder acoplarse adecuadamente a alguna red o sistema de potencia y para regular internamente la tensión, la frecuencia e incluso la cantidad de potencia reactiva que se presente en el aerogenerador como tal.[12]
Adicionalmente, en la figura 2 se observa la capacidad de potencia y a la potencia generada por la turbina dependiendo de la velocidad del viento disponible ya que, como es de conocerse, la energía eléctrica que producen los aerogeneradores depende de la velocidad de viento con la que se cuente y este fenómeno muestra una variabilidad alta.
Figura No 2. Potencia Generada por la Turbina en Función de la Velocidad del Viento (Modificada de Referencia 13)
De acuerdo a esto, la turbina E-126 comienza su producción de energía cuando cuenta con una velocidad de viento de entre 3 m/s y 4m/s y alcanza su punto máximo de generación cuando se tienen velocidades de 17m/s en adelante. Aun así, la turbina posee un control de ráfagas que desconecta el aerogenerador cuando se alcanza una velocidad que oscila entre los 28m/s y los 34m/s lo que evita que la maquina sea expuesta a exigencias o daños mecánicos.
Ahora, a manera de resumen la figura 3 contiene las características tanto mecánicas como eléctricas de la turbina E-126 que se tomará en consideración. Una característica importante que se debe tomar en cuenta es que la turbina entregará
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potencia a un nivel de tensión de 13,8kV por lo que será el punto de partida para diseñar la conexión hacia el bus 24 que opera a 345kV.
Figura No 3. Características Mecánicas y Eléctricas de la Turbina [14][15]
Detallando con mayor cuidado el generador, se observa que se trata de un generador en anillo multipolar, síncrono y que no cuenta con una conexión directa a la red sino que requiere de electrónica de potencia para lograr el acople al sistema eléctrico interconectado. Por otro lado, tanto el voltaje como la frecuencia que se obtienen a la salida de esta máquina eléctrica varían en función de la disponibilidad de viento con la que se cuente lo cual convierte a la turbina en un aerogenerador de velocidad variable capaz de aprovechar los constantes cambios de velocidad de viento pero con mayores requerimientos de electrónica para regular la tensión a la salida.
De igual forma, el generador cuenta con un accionamiento directo lo que implica que la cantidad de componentes rotatorios en la maquina es pequeña y que el buje del rotor y el generador en anillo son acoplados directamente sin ningún tipo de soporte mecánico. Esto se traduce en que este aerogenerador no cuenta con grandes pérdidas energéticas, desgastes mecánicos o fallas por fricción.
Aun así, para que la potencia generada por estas turbinas pueda ser entregada al sistema eléctrico New England se requiere de una serie de componentes tecnológicos para lograr una adecuada integración a la red sin ocasionar daños o fallas, es decir, para acoplarse a la red es necesario cumplir con algunos requisitos que impone el sistema New England como lo son el nivel de tensión o la frecuencia a la cual opera todo el sistema. De acuerdo a esto, la totalidad de la potencia generada por el generador debe ser llevada a un sistema propio de la turbina para realizar el tratamiento necesario.[14]
En este orden de ideas, la figura 4 muestra que después del generador en anillo se cuenta con un sistema de rectificación construido con FACTS que permite que el
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aerogenerador aporte mejoras a la estabilidad de la red. Adicionalmente, se cuenta con un circuito intermedio de corriente continua y un sistema modular de conversores que se encarga de convertir una onda DC en una onda AC que cumpla con las características de frecuencia requeridas que, en este caso, es de 60Hz y a un nivel de tensión de 400V.
Figura No 4. Electrónica de Potencia de la Turbina Enercon E-126 para Acoplar a la Red Eléctrica (Modificada de Referencia 14)
Es importante destacar la presencia de un sistema de control, ubicado inmediatamente después del sistema convertidor, que posee una unidad de
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procesamiento principal conocida como MPU que tiene la función de establecer comunicación con todos los periféricos de la turbina como lo son el sistema de control de ángulo de paso o el sistema de orientación para ajustar los parámetros y mantener siempre un nivel máximo de producción.
Por otro lado, este sistema de control también monitorea las condiciones de la red en el lado de baja del transformador lo que implica que se toman medidas de tensión, corriente y frecuencia en este punto para así tomar decisiones ante cambios repentinos de frecuencia en el sistema eléctrico o incluso cambios inesperados de tensión. En otras palabras, si llega a haber un exceso o disminución de la tensión el control se encarga de activar el sistema de protección de la turbina para desconectarla o asilarla de forma inmediata y así evitar daños tanto a la turbina como al sistema de potencia
El sistema de control también se encuentra en la capacidad de aplicar ajustes a la frecuencia del sistema de potencia en el cual sean conectados los aerogeneradores, es decir, si ocurre un caso de sobre frecuencia del sistema entonces las turbinas podrán disminuir su alimentación para así aportar mayor estabilidad. De igual forma, logra ejercer control del intercambio de potencia reactiva que ocurre entre la turbina y el sistema de potencia, es decir, el aerogenerador puede llegar a abastecer a la red con potencia reactiva en caso de que ocurra un evento indeseado lo cual es un comportamiento o una característica similar a la que presentan los STATCOM en los sistemas de potencia.
Adicionalmente, se cuenta con un transformador propio de la turbina que está encargado de elevar el nivel de tensión de 400V que entrega el conversor a un valor total de 13,8kV que corresponde al nivel de media tensión utilizado para fines de generación de energía eléctrica en Colombia. Finalmente, aparecen los filtros que están encargados de eliminar todo tipo de armónicos que se generen y así lograr obtener una onda pura. [15]
Finalmente, se debe destacar que estas características propias de la turbina que fue seleccionada muchas veces no pueden ser modeladas en el software que se encarga de realizar las simulaciones de flujo de carga y de corto circuito, es decir, en el caso del software PSS/E es posible agregar hasta un total de 5 turbinas pero no es posible modelar las características de la electrónica de potencia y de la estructura mecánica como tal lo cual limita un poco los resultados entregados por el programa y aleja los valores de flujo de carga y de corto circuito de la realidad.
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6.2
POSICIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EN LA GRANJA EOLICA
Uno de los factores determinísticos en el momento de realizar el diseño de una granja eólica es la ubicación de los aerogeneradores en el terreno. Si bien es cierto, antes de realizar alguna instalación o cimentación de las turbinas es necesario contar con los estudios meteorológicos pertinentes que revelen la velocidad máxima de viento en la zona así como la dirección de mayor incidencia que se presente ya que esto será crítico para garantizar mejores condiciones de generación y una mayor obtención de energía eléctrica.
Teniendo esto en cuenta, también hay que considerar que la operación de una turbina eólica puede generar afecciones directas en la operación de las demás turbinas que hacen parte de una granja eólica por lo que la ubicación de las mismas no puede realizarse de forma aleatoria sino que se deben tener en cuenta ciertas distancias de separación entre turbinas para evitar afecciones por parte del efecto Estela.
Este efecto puede ser definido como la creación de una zona espacial que presenta un diámetro mayor al de la turbina y en donde la velocidad del viento es menor con respecto a la velocidad del viento incidente, es decir, cuando el viento incidente impacta la turbina ocurre una conversión de energía cinética producto de la velocidad del viento a energía mecánica producto del movimiento del rotor de la turbina por lo que la velocidad del viento después de haber pasado a través del aerogenerador será menor.[16]
En otras palabras, el aerogenerador toma energía cinética del viento a través del movimiento de la turbina pero deja una estela que reduce la velocidad del viento y aumenta las turbulencias lo cual representa una afección para alguna turbina que se encuentre cerca dado que no es lo mismo realizar generación con un viento incidente a realizarla con un viento que posea las características mencionadas.
Entrando en detalle, cuando una turbina recibe un viento turbulento producto del efecto estela ocasionado por otra turbina se disminuirá la cantidad de energía eléctrica producida y el aerogenerador no podrá operar normalmente dado que los vientos turbulentos se caracterizan por presentar cambios de dirección repentinos y rápidos. Como consecuencia, es necesario ubicar las turbinas de forma estratégica y con una organización específica para lograr aprovechar al máximo la energía cinética del viento incidente y así obtener mayores cantidades de energía eléctrica.[16][18]
En este orden de ideas, es teóricamente recomendado separar las turbinas al máximo manteniendo una proporción con la cantidad de terreno disponible para la instalación de la granja eólica, es decir, se debe tomar una separación entre
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aerogeneradores de 5 a 9 diámetros del rotor en la dirección del viento dominante, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular al viento dominante. [17]
Ahora, si se toma en cuenta la turbina E-126 seleccionada se podrá dimensionar la ubicación de cada una de las 5 turbinas que se conectarán al New England. De acuerdo a esto, la figura 5 muestra el posicionamiento de las turbinas necesario para que el efecto estela no influya en la producción de energía eléctrica.
Figura No 5. Posicionamiento de las Turbinas Eólicas en el Terreno.
En la figura 5 también se puede observar que el viento incidente va de Norte a Sur por lo que la distancia de separación entre turbinas será de un total de 9 diámetros que corresponde a 1.143m mientras que la distancia que se presenta entre turbinas para la dirección perpendicular al viento incidente es de 5 diámetros que corresponde a 635m. La configuración en la cual fueron dispuestas las turbinas es una configuración típica utilizada en las granjas eólicas en donde las turbinas son dispuestas en una forma de zigzag mostrando dispersión, pero la configuración logra captar la mayor cantidad de viento incidente dado que evita los las afecciones causadas por el efecto estela al no disponer las turbinas en línea recta lo cual garantiza una mayor obtención de energía eléctrica.[18]
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Para percibir la disposición de las turbinas de una forma más clara se creó la figura 6 en donde se muestra en una mejor perspectiva la forma en la que se colocan las turbinas para evitar el efecto estela. Bajo esta disposición se tendrá una mayor producción energética permitiendo que el parque opere de forma óptima independientemente de la velocidad de viento con la que se cuente dado que las pérdidas se disminuyen.
Figura No 6. Disposición de las Turbinas Eólicas en el Terreno para Evitar Efecto Estela
6.3
DISEÑO DE MALLA COLECTORA DE ENERGIA ELÉCTRICA.
En un parque eólico, cada una de las turbinas cumple con su objetivo principal de generar determinada potencia eléctrica de acuerdo con la disponibilidad de viento con la que se cuente, pero cada turbina ocasiona un efecto sombra que disminuye la velocidad del viento como consecuencia de la transformación de la energía causando reducciones en la producción de electricidad. De acuerdo a esto, la separación de las turbinas surge como una solución a la problemática de las perdidas en producción por vientos turbulentos o vientos con velocidades menores provenientes del efecto sombra de aerogeneradores próximos, es decir, al crear distancias considerables entre las turbinas se reduce el impacto que tiene el efecto sombra en la producción
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de energía eléctrica en una granja eólica pero se crean otras problemáticas que deben ser consideradas.
En este orden de ideas, es importante tener en cuenta que se debe recolectar la energía que cada una de las turbinas produce partiendo del hecho de que se encuentran separadas entre sí, es decir, aparece la necesidad de contar con un sistema de recolección que tome la energía producida por cada aerogenerador y la transporte a un punto común en donde pueda ser entregada a la subestación respectiva para distribuir al consumidor final o para elevar el nivel de tensión y transmitir a mayores distancias.
A partir de esto, es necesario realizar el diseño de una malla colectora que se encargue de tomar la energía de cada una de las turbinas de la granja eólica para transportarla, a través de líneas de transmisión independientes, a una línea común del cual se puede partir para realizar la conexión a la subestación que se encargará la transmisión al sistema de potencia New England. Para esto, en la figura 7 se aprecia el esquema diseñado que muestra la totalidad de la malla colectora con cada uno de sus componentes.
Figura No 7. Diseño de la Malla Colectora de Energía Eléctrica para la Granja Eólica
De acuerdo a esto, la figura 7 muestra en detalle que de cada una de las cinco turbinas eólicas sale una línea que transporta la energía hacia un conductor común que tiene la función de recibir el total de la energía eléctrica producida por los aerogeneradores. También se puede observar que la subestación elevadora obtiene
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la energía proveniente de la granja eólica a través de dos conductores que poseen una longitud de 1km y que se encargan de transportarla.
Ahora, al tener una idea clara de la malla colectora para la granja eólica solo resta realizar el dimensionamiento de todos los conductores para asegurar que se encuentren en la capacidad de transportar la corriente suficiente sin que vayan a existir inconvenientes ni fallas. Para esto, es importante tomar en consideración la NFPA 70 en donde se establece que se debe calcular la ampacidad que habría en cada uno de los conductores para así dimensionar el calibre del mismo. La tabla 3 muestra los cálculos realizados para obtener el valor de corriente que fluiría cada uno de los conductores.
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Tabla No 3. Calculo de la Ampacidad de Cada Circuito
Tabla No 4 Características de los Conductores Seleccionados.
Tabla No 5. Características Físicas de los Conductores
HP kw KVA Continua [kVA] Intermitente [kVA] StanBy [kVA]
Corriente continua 125% [A]
WT-1 Turbina Eólica WT-1 13,8 5.968 7.600 8.000 0,95 59,30% 334,70 5,63 - - 418,37
WT-2 Turbina Eólica WT-2 13,8 5.968 7.600 8.000 0,95 59,30% 334,70 5,63 - - 418,37
WT-3 Turbina Eólica WT-3 13,8 5.968 7.600 8.000 0,95 59,30% 334,70 5,63 - - 418,37
WT-4 Turbina Eólica WT-4 13,8 5.968 7.600 8.000 0,95 59,30% 334,70 5,63 - - 418,37
WT-5 Turbina Eólica WT-5 13,8 5.968 7.600 8.000 0,95 59,30% 334,70 5,63 - - 418,37
CW Línea Comun CW 13,8 - 38.000 40.000 0,95 95,40% 1673,48 45,32 - - 2091,85
W-1 Línea 1 13,8 - 38.000 40.000 0,95 95,40% 1673,48 45,32 - - 2091,85
W-2 Línea 2 13,8 - 38.000 40.000 0,95 95,40% 1673,48 45,32 - - 2091,85
Eficiencia (Full Load) [%] Corriente FLC [A] Potencia Operativa TAG
Equipo Descripción Nivel de Tensión [KV]
Potencia Instalada
Factor de Potencia (Full Load)
TAG
Conductor Tamaño AWG, kcmil
Cobre/
Aluminio Rango[ kV]
Nivel de Aislamiento [%] Aislamiento Temperatra de Operación
[oC]
Ampacidad [A]
Longuitud del Cirucito [km]
Longitud total [Km]
(+10% toleracia)
Coyote 260 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 450 Single 1 2,29 2,51
Coyote 260 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 450 Single 1 2,29 2,51
Coyote 260 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 450 Single 1 2,29 2,51
Coyote 260 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 450 Single 1 1,14 1,26
Coyote 260 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 450 Single 1 1,14 1,26
Curlew 1033,5 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 1046 Single 2 1,91 2,10
Curlew 1033,5 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 1046 Single 2 1,00 1,10
Curlew 1033,5 Kcmil Cobre 13,8 100 XLPE 75°C 1046 Single 2 1,00 1,10
CARACTERISTICAS DE CONDUCTOR
Número de Conductores Por Fase
Diametro de Núcleo de Acero
Diametro Exterior Área sección de Aluminio Masa Nominal Resistencia Nominal a 20 °C
Tamaño AWG, kcmil Aluminio Acero Aluminio Acero mm mm mm kg/km W/ km
Coyote 260 Kcmil 26 7 2,54 1,98 5,94 16,1 131,7 534 0,2192
Curlew 1033,5 Kcmil 54 7 3,51 3,51 10,5 31,6 523,4 1981 0,055
Número de Hilos
Tag Calibre
Diametro de Cada Hilo(mm)
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De acuerdo con la tabla 3, los conductores que transportan la energía desde la turbina hacia la línea común deben estar en la capacidad de transportar una corriente de hasta 418.37A considerando el aumento del 25% exigido por la norma en su artículo 694.12 en donde se consideran los sistemas eólicos como continuos [19]. Esta ampacidad fue calculada de la siguiente manera:
√
Donde S corresponde a la potencia aparente en VA y V hace referencia al nivel de tensión que se tiene.
En cuanto a las líneas comunes que reciben toda la energía proveniente de las turbinas es posible detallar que la ampacidad se eleva a un nivel de 2091.85A operando a un nivel de tensión de 13,8kV. Esta ampacidad resulta ser mayor debido a que esta línea debe transportar toda la corriente proveniente de todas las turbinas al mismo nivel de tensión al cual operan lo que obliga a seleccionar un conductor más robusto para el tramo de 1 km.
Conociendo los niveles de corriente que se deben soportar se continuo con la selección de un conductor que cumpla con dicho requerimiento. En la tabla 4 se muestran las características básicas tanto del conductor que recibe toda la corriente como el conductor que transporta la corriente de cada turbina, es decir, para el caso del conductor que transporta la energía desde las turbinas se determinó que el conductor apropiado sería el 260 kcmil mientras que para la línea común y el tramo de 1 km el conductor apropiado es el 1033,5 kcmil.
Finalmente, en la tabla 5 aparecen las características físicas que deben ser consideradas para efectos de simulación, es decir, aparecen los radios tanto externos como internos, la resistencia e incluso el peso de cada uno. Estos datos fueron empleados para realizar el cálculo de las impedancias de secuencia positiva y de secuencia cero utilizando el software ATP Draw.
7
ESTUDIOS DE VIABILIDAD DE LA CONEXIÓN
Una parte esencial dentro del diseño de conexión de la granja eólica resulta ser la realización de los estudios pertinentes para evaluar el comportamiento del parque eólico frente a diferentes fallas que puedan ocurrir en el sistema de potencia New England. Dentro de los estudios más destacados encontramos análisis del flujo de carga del sistema de potencia y el análisis de corto circuito.
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En este orden de ideas, antes de dimensionar los equipos se realizan dichos estudios para determinar las tensiones máximas que se pueden alcanzar o las corrientes máximas que fluirían por el sistema cuando ocurren contingencias con el fin de preparar al sistema para que afronte situaciones y fallas del orden de N-1.
7.1
ESTUDIO DE FLUJO DE CARGA
El estudio de flujo de carga que se aplica a los sistemas de potencia permite analizar el desempeño en estado estable bajo diferentes condiciones de operación, lo que puede contribuir a observar el comportamiento de un sistema de potencia frente a contingencias de diferente orden o incluso frente a cambios de la configuración de los equipos. Tomando esto en cuenta, es necesario realizar el estudio de flujo de carga en el diseño que se está desarrollando para la conexión de una granja eólica al sistema interconectado New England.
De acuerdo a esto, se plantean dos análisis diferentes donde el primero compara el sistema de potencia sin energía eólica contra la granja eólica conectada mientras que el segundo análisis busca comparar el caso base que es el sistema de potencia New England con la granja eólica conectada contra los siguientes casos:
Caso 1: Sistema con energía eólica operando con una falla en el generador 6
Caso 2: Sistema con energía eólica operando con una falla en la línea 24-16
Caso 3: Sistema con energía eólica operando con una falla en la línea 24-23
Caso 4: Sistema con energía eólica operando con una falla en la línea 40-41
Caso 5: Sistema con energía eólica operando con falla en aerogenerador
Caso 6: Sistema con energía eólica operando con una falla en la línea 13,8kV
Caso 7: Sistema con energía eólica operando con una falla en la línea 16-19
Caso 8: Sistema con energía eólica operando con una falla en el generador 7
En la figura 8 es posible observar el lugar donde se sitúan cada una de las fallas para cada caso que se va a analizar. Es importante destacar que se está contemplando un nivel de contingencias N-1 por lo que no se considera la ocurrencia de dos o más de las fallas mencionadas en cada uno de los casos sino que se asume que puede fallar un componente a la vez.
Por otro lado, se utilizó el software PSS/E University 33 para realizar el planteamiento de cada uno de estos casos con el fin de poder hacer una adecuada comparación con respecto al caso base y así determinar los cambios en tensión en cada uno de los buses y los cambios del flujo de potencia de nodo a nodo. Es importante mencionar que para las líneas de 115kV también se realizó el cálculo de la impedancia de secuencia positiva y la impedancia de secuencia cero. Con esta información se modelaron las líneas para que los efectos de alguna falla en el sistema se aproximaran a la realidad.
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Cuando se conecta la granja eólica al sistema de potencia New England ocurre que los niveles de tensión en su gran mayoría se conservan pero se presentan algunos aumentos en nodos como el 24 que es aquel en donde se conecta todo el parque. La tabla 6 contiene los valores de tensión de todos los buses del sistema para ambos casos en cuestión permitiendo realizar una comparación de lo que ocurre cuando se comienza a inyectar potencia eléctrica proveniente de la granja eólica.
Tabla No 6. Comparación Sistema de Potencia New England con Energía Eólica y Sin Energía Eólica
Voltaje Ángulo Voltaje Ángulo Delta Voltaje Delta Angulo
1 1,046 -9,43 1,045 -9,17 0,00037 -0,26
2 1,044 -6,86 1,044 -6,17 0,00003 -0,69
3 1,020 -9,74 1,021 -8,95 -0,00028 -0,79
4 0,998 -10,57 0,998 -9,80 -0,0002 -0,76
5 0,994 -9,34 0,994 -8,65 -0,00004 -0,69
6 0,997 -8,62 0,997 -7,92 -0,00003 -0,69
7 0,941 -10,76 0,941 -10,11 0,00001 -0,65
8 0,955 -11,37 0,955 -10,75 0,00002 -0,63
9 1,011 -11,18 1,011 -10,93 0,00007 -0,24
10 1,009 -6,20 1,009 -5,45 -0,00012 -0,75
11 1,003 -7,03 1,003 -6,29 -0,00009 -0,73
12 0,991 -7,04 0,991 -6,29 -0,00014 -0,75
13 1,005 -6,93 1,005 -6,16 -0,00018 -0,77
14 1,001 -8,63 1,001 -7,81 -0,00032 -0,82
15 0,994 -9,01 0,995 -8,01 -0,00077 -1,01
16 1,006 -7,52 1,007 -6,44 -0,001 -1,08
17 1,013 -8,59 1,014 -7,61 -0,00071 -0,97
18 1,015 -9,47 1,015 -8,57 -0,00052 -0,91
19 1,040 -2,81 1,041 -1,73 -0,00037 -1,08
20 0,986 -4,26 0,986 -3,17 -0,0002 -1,08
21 1,014 -5,04 1,014 -3,93 -0,00072 -1,1
22 1,040 -0,49 1,041 0,63 -0,00045 -1,12
23 1,035 -0,69 1,035 0,44 -0,00058 -1,13
24 1,014 -7,40 1,015 -6,20 -0,00163 -1,2
25 1,052 -5,47 1,052 -4,74 -0,00032 -0,73
26 1,038 -6,70 1,038 -5,85 -0,00047 -0,85
27 1,020 -8,75 1,021 -7,85 -0,00061 -0,91
28 1,034 -3,08 1,035 -2,23 -0,00024 -0,85
29 1,034 -0,24 1,034 0,61 -0,00017 -0,85
30 1,048 -4,43 1,048 -3,74 0 -0,69
31 1,040 -1,59 1,040 -0,89 0 -0,69
32 0,983 1,86 0,983 2,61 0 -0,75
33 0,997 2,43 0,997 3,51 0 -1,08
34 1,012 0,95 1,012 2,03 0 -1,08
35 1,049 4,52 1,049 5,63 0 -1,12
36 1,064 7,23 1,064 8,36 0 -1,13
37 1,028 1,34 1,028 2,07 0 -0,73
38 1,027 6,89 1,027 7,74 0 -0,85
40 N/A N/A 1,031 -4,67 1,031 -4,67
41 N/A N/A 1,016 -6,17 1,016 -6,17
42 N/A N/A 1,016 -6,18 1,016 -6,18
43 N/A N/A 1,015 -6,2 1,015 -6,2
Bus Diferencia Existente
Sistema New England Sin Energía Eólica
Sistema New England Con Energía Eólica
Diseño De Conexión De Granja Eólica En Sistemas
Eléctricos Interconectados
32
A manera general, la granja eólica no modifica los niveles de tensión de los buses del sistema de potencia New England debido a que la potencia de 38MW entregada por los aerogeneradores no es significativa en comparación con generadores como el G1 que produce 1000MW o incluso el menor generador del sistema que produce un total de 250MW. Aun así, se puede detallar una tensión baja en el nodo 7 con un valor de 0,941 p.u. en ambos casos y una sobre tensión en el nodo 36 con un valor de 1,064 p.u. que se conserva también cuando se realiza la conexión de la granja.
Al observar que las condiciones del sistema New England no son alteradas en gran proporción cuando se introduce la energía eólica se puede continuar a analizar todos los casos planteados con anterioridad para ver si los voltajes en los nodos sufren de cambios radicales o si sencillamente se presentan los mismos inconvenientes. De acuerdo a esto, la tabla 7 muestra los resultados para el voltaje y para el ángulo en cada uno de los nodos en los diferentes casos por lo que se puede apreciar que el nodo 7 conserva su bajo nivel de tensión en todos los casos mientras que el nodo 36 presenta una sobre tensión independiente de la falla que ocurra.
Por otro lado, aparecen dos casos en donde los nuevos nodos que hacen parte del sistema eólico muestran sobre tensión, es decir, en particular el caso en el que falla la línea 24 – 16 genera un aumento en la tensión de los nodos 40 y 41 que hacen parte de la granja eólica. Este comportamiento se presenta como consecuencia de la desaparición de la línea en cuestión que genera un aumento en el voltaje del bus dado que solo queda disponible la línea 24-23 como único contacto con el resto del sistema New England.
En cuanto al flujo de potencia activa y reactiva que se presentan en el sistema de potencia New England, es importante analizar que sucede cuando se realiza la conexión de la granja eólica al nodo 24 del sistema de potencia. De acuerdo a esto, la tabla 8 permite detallar los porcentajes de cambio que se presentan en MVAr con respecto a los MW para el caso en el que la granja eólica es conectada al sistema. Es posible apreciar como las variaciones de potencia reactiva resultan ser significativas llegando a presentar la más alta en las ramas 9-39 y 8-9 con un valor de variación del hasta un 901%. Y 724%
Hay que tener en cuenta que la CREG 108 establece que el valor de potencia reactiva no debe exceder el 50% de la potencia activa dado que si esto ocurre el excedente debe ser pagado por la empresa generadora de energía que, en este caso, sería la empresa a cargo del parque eólico. En este orden de ideas, el sistema de potencia New England muestra serios problemas con las potencias reactivas de algunas de sus líneas por lo que es importante considerar una compensación de reactivos para determinados nodos con el fin de cumplir con la normatividad establecida.
