Análisis de condiciones operativas en el alimentador rural Archidona Guagua Sumaco, considerando la inclusión de una central de generación distribuida en la población de Guagua Sumaco

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(1)! !. ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. ANÁLISIS DE CONDICIONES OPERATIVAS EN EL ALIMENTADOR RURAL ARCHIDONA – GUAGUA SUMACO, CONSIDERANDO LA INCLUSIÓN DE UNA CENTRAL DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN LA POBLACIÓN DE GUAGUA SUMACO. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. RAMIRO ALEJANDRO SANGUIL ANDRADE [email protected]. DIRECTOR: ING. CARLOS ENRIQUE RIOFRÍO REYES [email protected] Quito, Enero 2012. ! !.

(2) ! !. !"#$%&%#'(). Yo Ramiro Alejandro Sanguil Andrade, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo los derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ____________________ Ramiro Sanguil Andrade. *. i! !.

(3) ! !. * * *. #"&+','#%#'()*. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el señor Ramiro Alejandro Sanguil Andrade, bajo mi supervisión.. ------------------------* **************************'./0*#12345*&647284*&0* ***********************************!'&"#+9&*!"$*:&9;"#+9*. ii! !.

(4) ! !. %<&%!"#'='")+9>. Agradezco a mis padres por todo el apoyo recibido a lo largo de toda la carrera y en el tiempo de desarrollo del presente proyecto de titulación. También quiero agradecer al Ingeniero Carlos Solís ex director de la “Empresa Eléctrica Ambato Sede El Tena”, por su desinteresado aporte al presente trabajo, y de manera muy especial a mi director el Ingeniero Carlos Riofrío, por su compresión, apoyo y paciencia para el desarrollo de este proyecto de titulación.. *. iii! !.

(5) ! !. * * * * * !"!'#%+9&'% * * * * A mis padres Ramiro y Adriana, por su comprensión y apoyo incondicional a lo. largo de toda mi vida, sin el cual nada de esto habría sido posible. Y a mi hermana Rosana.. ! ! ! ! ! ! !. iv! !.

(6) ! !. ')!'#"! DECLARACIÓN!................................................................................................................................!i! CERTIFICACIÓN!..............................................................................................................................ii! AGRADECIMIENTOS!.....................................................................................................................!iii! DEDICATORIA!................................................................................................................................!iv! INDICE!. v!. ÍNDICE DE FIGURAS.!....................................................................................................................!1! ÍNDICE DE TABLAS!.......................................................................................................................!2! OBJETIVOS!.....................................................................................................................................!5! OBJETIVO GENERAL!....................................................................................................................!5! OBJETIVOS ESPECÍFICOS!.........................................................................................................!5! ALCANCE!6! JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO!.............................................................................................!7! RESUMEN!........................................................................................................................................!8! PRESENTACIÓN!..........................................................................................................................!10! 1.!. CAPÍTULO I - GENERALIDADES!...........................................................................!12!. 1.1.! GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE DISTRIBUCIÓN.!.............................................................................................................................!12! 1.2.!. BENEFICIOS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA!.............................................!14!. 1.3.!. TENDENCIAS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA!...........................................!17!. 1.4.!. TECNOLOGÍAS PARA LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA!...................................!18!. 1.4.1.!. MOTORES DE COMBUSTIBLES FÓSILES!............................................................!19!. 1.4.2.!. TURBINAS DE GAS!...................................................................................................!19!. 1.4.3.!. MICRO TURBINAS!....................................................................................................!20!. 1.4.3.1.!. Micro turbina a Gas!......................................................................................................!20!. 1.4.3.2.!. Micro turbina Hidráulica!..............................................................................................!20!. 1.4.4.!. CELDA DE COMBUSTIBLE!.....................................................................................!21!. 1.4.5.!. PANELES FOTOVOLTAICOS!..................................................................................!22!. 1.4.6.!. GENERADORES EÓLICOS!.......................................................................................!22!. 1.5.!. ELEMENTOS DE UNA MINI CENTRAL.!................................................................!24!. 1.5.1.!. GENERADOR SINCRÓNICO!....................................................................................!24!. 1.5.2.!. TURBINA.!...................................................................................................................!25!. v! !.

(7) ! ! 1.5.2.1.!. CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS!....................................................................!25!. 1.5.2.2.!. Características de las turbinas Francis!..........................................................................!27!. 1.5.3.!. REDUCTOR!................................................................................................................!28!. 1.5.3.1.!. Características de los reductores!..................................................................................!29!. 1.5.4.!. TRANSFORMADOR!..................................................................................................!29!. 1.5.4.1.!. Clasificación de los transformadores!...........................................................................!30!. 1.5.4.2.!. Transformadores de Distribución.!................................................................................!30!. 1.6.!. ELEMENTOS DE LA MINI CENTRAL DE GUAGUA SUMACO!.........................!30!. 1.6.1.! CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR SINCRÓNICO INSTALADO EN LA MICRO CENTRAL DE LA POBLACIÓN DE GUAGUA SUMACO!..........................................!31! 1.6.2.! CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA FRANCIS INSTALADA EN LA MICRO CENTRAL DE LA POBLACIÓN DE GUAGUA SUMACO!........................................................!33! 1.6.3.! CARACTERÍSTICAS DEL REDUCTOR UTILIZADO EN LA MICRO CENTRAL DE LA POBLACIÓN DE GUAGUA SUMACO.!...........................................................................!34! 1.6.4.! CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR UTILIZADO EN LA MICRO CENTRAL DE LA POBLACIÓN DE GUAGUA SUMACO.!.......................................................!35! 1.7.!. CARACTERÍSTICAS DEL ALIMENTADOR.!.........................................................!36!. 1.7.1.!. CONDICIONES OPERATIVAS ACTUALES.!..........................................................!38!. 1.8.!. DESCRIPCIÓN ACTUAL DE LAS PROTECCIONES.!............................................!39!. 1.8.1.!. GENERALIDADES!.....................................................................................................!39!. 1.8.2.!. PROTECCIONES EN LA SUBESTACIÓN!...............................................................!40!. 1.8.2.1.!. Relé de sobre corriente!.................................................................................................!40!. 1.8.2.2.!. Características del módulo de protecciones ABB REF 541.!........................................!40!. 1.8.2.3.! Configuración actual del Módulo de protecciones ABB REF 541, en el Primario Archidona.! 42! 1.8.3.! !. PROTECCIONES A LO LARGO DE LA TRAYECTORIA DEL ALIMENTADOR. 42!. 1.8.3.1.!. Seccionadores Porta fusibles.!.......................................................................................!42!. 1.8.3.2.!. Pararrayos de Distribución!...........................................................................................!43!. 1.8.3.3.!. Reconectadores.............................................................................................................!43!. 1.8.3.4.!. Reconectador OVR – 3 SP.!..........................................................................................!44!. 2.! CAPÍTULO II – ANÁLISIS DE CONDICIONES OPERATIVAS DEL ALIMENTADOR!............................................................................................................................!47! 2.1.!. CONDICIONES OPERATIVAS ACTUALES.!..........................................................!47!. vi! !.

(8) ! ! 2.1.1.! !. COMPORTAMIENTO DEL ALIMENTADOR EN UN DÍA TÍPICO LABORABLE. 47!. 2.1.2.! COMPORTAMIENTO DEL ALIMENTADOR EN UN DÍA TÍPICO NO LABORABLE.!.................................................................................................................................!50! 2.2.!. CONSIDERACIONES GENERALES!........................................................................!53!. 2.2.1.!. METODOLOGÍA.!.......................................................................................................!54!. 2.2.2.!. FLUJOS DE POTENCIA DEL ALIMENTADOR.!.....................................................!55!. 2.2.3.! TÍPICO.!. FLUJOS DE POTENCIA PARA DEMANDA MÁXIMA EN UN DÍA LABORABLE 56!. 2.2.4.! BALANCE DE FASES PROPUESTO PARA DEMANDA MÁXIMA EN UN DÍA LABORABLE TÍPICO.!...................................................................................................................!57! 2.2.5.! TÍPICO.!. FLUJOS DE POTENCIA PARA DEMANDA MÍNIMA EN UN DÍA LABORABLE 61!. 2.2.6.!. DEMANDA MÁXIMA EN UN DÍA TÍPICO NO LABORABLE!.............................!65!. 2.2.7.!. DEMANDA MÍNIMA EN UN DÍA NO LABORABLE TÍPICO.!.............................!68!. 2.3.! ANÁLISIS DE CONDICIONES OPERATIVAS FUTURAS (5 AÑOS DE PROYECCIÓN)!...............................................................................................................................!71! 2.3.1.!. PROYECCIÓN DE LA DEMANDA!..........................................................................!71!. 2.3.2.!. DEMANDA MÁXIMA!...............................................................................................!75!. 2.3.3.!. DEMANDA MÍNIMA!.................................................................................................!77!. 2.4.!. CORTOCIRCUITOS!...................................................................................................!79!. 2.4.1.!. FALLAS AL 50% DEL ALIMENTADOR.!................................................................!79!. 2.4.2.!. FALLAS EN EL GENERADOR!.................................................................................!81!. 2.5.!. DIAGRAMA DE CAPACIDAD DEL GENERADOR!...............................................!83!. 2.6.!. CURVAS PQ DEL GENERADOR.!............................................................................!84!. 2.6.1.!. LÍMITE POR CORRIENTE DE ARMADURA!..........................................................!84!. 2.6.2.!. LÍMITE POR CORRIENTE MÁXIMA DE CAMPO!.................................................!85!. 2.6.3.!. LÍMITE POR CORRIENTE MÍNIMA DE CAMPO!..................................................!85!. 2.6.4.!. LÍMITE POR POTENCIA MÁXIMA DE OPERACIÓN!...........................................!85!. 3.!. CAPÍTULO III – BENEFICIOS DE LA GENERACION DISTRIBUIDA!................!89!. 3.1.!. ANÁLISIS DE PERFILES DE VOLTAJE.!.................................................................!89!. 3.2.! EFECTOS CAUSADOS POR LA CONEXIÓN DE LA MICRO CENTRAL AL ALIMENTADOR PRINCIPAL.!......................................................................................................!95! 3.3.! ESTABLECIMIENTO DE UN PROCEDIMIENTO PARA RE CONEXIÓN DEL GENERADOR A LA RED DESPUÉS DE UNA FALLA.!.............................................................!97!. vii! !.

(9) ! ! 4.! !. CAPÍTULO IV – SISTEMA DE PROTECCIONES Y SERVICIOS AUXILIARES. 101!. 4.1.!. PROTECCIONES NECESARIAS PARA EL GENERADOR.!................................!101!. 4.2.! CALIBRACIÓN Y AJUSTE DE PROTECCIONES PRINCIPALES ASOCIADAS AL GENERADOR.!........................................................................................................................!103! 4.2.1.!. CALIBRACIÓN DE PROTECCIÓN DIFERENCIAL A TIERRA 87 GN.!.............!103!. 4.2.2.! CALIBRACIÓN Y AJUSTE DE PROTECCIONES CONTRA PÉRDIDA DE EXCITACIÓN 40.!.........................................................................................................................!105! 4.3.! CALIBRACIÓN Y AJUSTE DE PROTECCIONES DE RESPALDO ASOCIADAS AL GENERADOR.!........................................................................................................................!107! 4.3.1.! !. PROTECCIÓN CONTRA SOBRE CORRIENTE DE SECUENCIA NEGATIVA 46 107!. 4.3.2.!. PROTECCIÓN CONTRA POTENCIA INVERSA 32!.............................................!108!. 4.4.!. SINCRONIZACIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED.!................................!109!. 4.5.! PROTECCIONES NECESARIAS PARA RESGUARDAR AL GENERADOR FRENTE AL ALIMENTADOR PRINCIPAL...............................................................................!111! 4.5.1.! CALIBRACIÓN Y AJUSTE DE PROTECCIONES DE SOBRE CORRIENTE INSTANTÁNEA Y TEMPORIZADA (50 Y 51) DE FASE.!........................................................!111! 4.5.2.! CALIBRACIÓN Y AJUSTE DE PROTECCIONES DE SOBRE CORRIENTE INSTANTÁNEA TEMPORIZADA DE NEUTRO (51 N).!..........................................................!113! 4.6.! COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ENTRE EL GENERADOR Y EL ALIMENTADOR PRINCIPAL!.....................................................................................................!115! 4.7.! DESCRIPCIÓN DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE MEDICIÓN Y PROTECCIÓN.!..............................................................................................................................!117! 4.7.1.!. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO!..............................................................................!117!. 4.7.2.!. PARTES CONSTITUTIVAS DEL SISTEMA!..........................................................!118!. 4.7.3.!. DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES CONSTITUTIVAS!...........................................!118!. 4.7.3.1.!. TABLERO DE MEDICIÓN Y PROTECCIÓN!........................................................!118!. 4.7.3.2.!. RTU “Remote Terminal Unit”!...................................................................................!120!. 4.7.3.3.!. Software de Visualización!..........................................................................................!120!. 4.7.4.!. SELECCIÓN DEL TABLERO DE PROTECCIÓN Y MEDICIÓN!.........................!120!. 4.7.5.!. SELECCIÓN DE RTU!...............................................................................................!122!. 4.7.6.!. SELECCIÓN DE HMI!...............................................................................................!122!. 4.7.7.!. LISTADO DE I/O’S NECESARIOS!.........................................................................!123!. 4.7.8.!. LISTADO DE VARIABLES!.....................................................................................!124!. 4.8.!. SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE BATERÍAS!..............!128!. viii! !.

(10) ! ! 4.8.1.!. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA!........................................................................!128!. 4.8.2.!. BANCO DE BATERÍAS!...........................................................................................!129!. 4.8.3.!. CÁLCULO DEL BANCO DE BATERÍAS!..............................................................!130!. 4.8.3.1.!. Metodología!...............................................................................................................!130!. 4.8.3.2.!. Definición de la carga!................................................................................................!131!. 4.8.3.3.!. Gráfica de carga!.........................................................................................................!131!. 4.8.4.!. SELECCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS!...................................................!133!. 4.8.5.!. ALARMAS!................................................................................................................!133!. 4.8.6.!. TABLERO PARA PROTECCIÓN DE CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA!134!. 4.9.! COSTO DEL KW/H GENERADO POR LA CENTRAL DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA “GUAGUA SUMACO”!......................................................................................!134! 5.!. CAPÍTULO V – CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES!.............................!138!. 5.1.!. CONCLUSIONES!.....................................................................................................!138!. 5.2.!. RECOMENDACIONES!............................................................................................!141!. BIBLIOGRAFÍA.!...........................................................................................................................!142!. ix! !.

(11) ! !. ?)!'#"*!"*,'<@&%>0* ,6/A21*B0B* ,6/A21*B0C* ,6/A21*B0D* ,6/A21*B0E* ,6/A21*B0F* ,6/A21*B0G* ,6/A21*C0B* ,6/A21*C0C* ,6/A21*C0D* ,6/A21*C0E* ,6/A21*C0F* ,6/A21*C0G* ,6/A21*C0H* ,6/A21*C0I* ,6/A21*C0J* ,6/A21*C0BK* ,6/A21*C0BB* ,6/A21*C0BC* ,6/A21*C0BD* ,6/A21*C0BE* ,6/A21*C0BF* ,6/A21*C0BG* ,6/A21*C0BH*. Fotografía de los elementos constitutivos de la central (generador, reductor y turbina) de izquierda a derecha Fotografía de los datos de placa del Generador Fotografía de los datos de placa de la turbina. Fotografía de los datos de placa del reductor. Fotografía de los datos de placa del transformador. Coordinación de protecciones entre el alimentador Archidona y la Subestación de Distribución Tena. Potencia aparente para un día laborable típico. Corrientes de fase para un día laborable típico. Potencia aparente para un día no laborable típico. Corrientes de fase para un día no laborable típico. Perfiles de Voltaje para demanda máxima en un día laborable típico. Perfiles de Voltaje para demanda máxima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. Perfiles de Voltaje para demanda mínima en un día laborable típico. Perfiles de Voltaje para demanda mínima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. Perfiles de Voltaje para demanda máxima en un día no laborable típico. Perfiles de Voltaje para demanda máxima en un día no laborable típico, considerando el esquema de balance de fases Perfiles de Voltaje para demanda mínima en un día no laborable típico. Perfiles de Voltaje para demanda mínima en un día no laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. Gráfica de medias móviles para los periodos señalados. Perfiles de voltaje para demanda máxima proyectada. Perfiles de voltaje para demanda mínima proyectada. Curva de capacidad del generador de la población de Guagua Sumaco. Curvas de capacidad del generador considerando el punto de operación de demanda máxima. Curvas de capacidad del generador con punto de operación actual.. ,6/A21*C0BI* ,6/A21*C0BJ* Curvas de capacidad del generador con punto de operación proyectada. ,6/A21*D0B* Perfiles de voltaje presentes en el alimentador, para demanda máxima un día laborable típico. ,6/A21*D0C* Perfiles de voltaje presentes en el alimentador, para demanda mínima un día laborable típico. ,6/A21*D0D* Perfiles de voltaje presentes en el alimentador, para demanda máxima un día no laborable típico. ,6/A21*D0E* Perfiles de voltaje presentes en el alimentador, para demanda máxima un día laborable típico. ,6/A21*D0F* Diagrama de flujo del procedimiento para reconexión de la central generación distribuida. ,6/A21*E0B* Esquema de protección diferencial 87 GN. ,6/A21*E0C* Curva de operación de la protección diferencial. ,6/A21*E0D* Esquema de protección tipo Mho. ,6/A21*E0E* Zonas permisivas de operación del relé de sincronismo. ,6/A21*E0F* Curva de protección del Generador. ,6/A21*E0G* Curva de operación de sobre corriente del neutro. ,6/A21*E0H* Esquema unifilar de Protecciones ,6/A21*E0I* Curvas de protección del alimentador Archidona – Guagua Sumaco.. 31 32 34 35 36 46 48 49 51 52 57 60 62 63 66 66. 68! 69! 74! 76! 77! 85! 86! 87! 87!. en. 89! en. 90! en. 90! en. 91! de. 97! 100! 101! 103! 107! 109! 110! 111! 113!. 1! !.

(12) ! ! ,6/A21*E0J* Esquema de la arquitectura de control de la central de Generación Guagua Sumaco ,6/A21*E0BK* Esquema de Banco de Baterías. ,6/A21*E0BB* Cargas DC de la CGD Guagua Sumaco en función del tiempo. ,6/A21*E0BC* Cargas DC de la CGD Guagua Sumaco en función del tiempo.. 114! 126! 129! 129!. ! !. ?)!'#"*!"*+%L$%>** +1M31*B0B* +1M31*B0C* +1M31*B0D* +1M31*B0E* +1M31*B0F* +1M31*B0G* +1M31*B0H* +1M31*B0I* +1M31*B0J* +1M31*B0BK* +1M31*B0BB* +1M31*B0BC* +1M31*B0BD* +1M31*B0BE* +1M31*C0B* +1M31*C0C* +1M31*C0D* +1M31*C0E* +1M31*C0F* +1M31*C0G* +1M31*C0H* +1M31*C0I* +1M31*C0J*. Objetivo propuesto por la Unión Europea respecto a las energías renovables que incrementa notablemente su participación en el mercado energético futuro. Resumen de las principales características de las tecnologías utilizadas como unidades de Generación Distribuida, incluyendo su capacidad, costos y emisiones. Clasificación de turbinas en función de la velocidad específica y la altura. Datos de placa del Generador. Parámetros calculados a partir de los datos de placa del generador. Datos Técnicos de un generador de similares características. Datos de placa de la turbina. Datos de placa del reductor. Datos de placa del transformador. Impedancias del Alimentador para las zonas urbana y rural. Protecciones en el módulo REF 541. Configuración de sobre corriente extremadamente inversa. Características de los pararrayos empleados en el Alimentador Datos de configuración del reconectador utilizado en el alimentador Archidona Datos de carga del alimentador Archidona en un día laborable típico. Datos de carga del alimentador Archidona en un día no laborable típico. Resultados de flujos de potencia para demanda máxima en un día laborable típico Potencia abastecida por cada fase para demanda máxima en un día laborable típico Listado de cargas a las que se recomienda cambiar de fases. Resultados de flujos de potencia para demanda máxima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. Potencia abastecida por cada fase para demanda máxima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases.. 18! 23! 27! 31! 32! 33! 34! 35! 36! 37! 41! 42! 43! 45! 48! 51! 56! 57! 59! 59! 59!. Tabla 2.8 a Resultados de flujos de potencia para demanda mínima en un día laborable típico.. 61!. Resultados de flujos de potencia para demanda mínima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases.. 61!. +1M31*C0BK* Tabla 2.10 Potencia abastecida por cada fase para demanda mínima en un día laborable típico +1M31*C0BB* Potencia abastecida por cada fase para demanda mínima en un día laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. +1M31*C0BC* Resultados de flujos de potencia para demanda máxima en un día no laborable típico.. 62! 62! 65!. 2! !.

(13) ! ! +1M31*C0BD*. Resultados de flujos de potencia para demanda máxima en un laborable típico, considerando el esquema de balance de fases +1M31*C0BE* Potencia abastecida por cada fase para demanda máxima en un laborable típico. +1M31*C0BF* Potencia abastecida por cada fase para demanda máxima en un laborable típico, considerando el esquema de balance de fases +1M31*C0BG* Resultados de flujos de potencia para demanda mínima en un laborable típico +1M31*C0BH* Resultados de flujos de potencia para demanda mínima en un +1M31*C0BI* +1M31*C0BJ*. día no. 65! día no. 65! día no. 65! día no. día no laborable típico, considerando el esquema de balance de fases Potencia abastecida por cada fase para demanda mínima en un día no laborable típico Potencia abastecida por cada fase para demanda mínima en un día no laborable típico, considerando el esquema de balance de fases. Energía consumida en GW-h-mes por la distribuidora Valores de medías móviles para periodos del 1 al 2. Valores de medías móviles para periodos del 3 al 8. Valores de medías móviles para el periodo 9.. +1M31*C0CK* +1M31*C0CB* +1M31*C0CC* +1M31*C0CD* +1M31*C0CE* Proyección de la demanda para 5 años de operación considerando un día laborable típico +1M31*C0CF* Proyección de la demanda máxima para 5 años de operación considerando. un día laborable típico +1M31*C0CG* Proyección de la demanda mínima para 5 años de operación considerando un día laborable típico. +1M31*C0CH* Resumen de Cortocircuitos en 50% de la línea de conexión entre la central y la red de distribución +1M31*C0CI* Resumen de Cortocircuitos en barras de 220V de la central de Guagua Sumaco. +1M31*D0B* Puntos donde se encuentran las máximas caídas de voltaje +1M31*D0C* Puntos donde se encuentran las máximas caídas de voltaje +1M31*D0D* Puntos donde se encuentran las máximas caídas de voltaje +1M31*D0E* Puntos donde se encuentran las máximas caídas de voltaje. +1M31*D0F* Aporte del generador para diferentes escenarios. +1M31*D0G* Comparación de los perfiles de voltaje en los puntos más lejanos del alimentador. +1M31*D0H* Aporte de la GD en los perfiles de voltaje. +1M31*D0I* Comparación de los perfiles de voltaje en los puntos donde se tienen mayores caídas de voltaje con aportes de GD. +1M31*D0J* Efectos de la GD en los perfiles de voltaje. +1M31*E0B* Burden calculado del TC +1M31*E0C* Puntos de la curva de protección diferencial. +1M31*E0D* Valores de la curva de sobre corriente IEEE – EI +1M31*E0E* Datos de operación de la corriente de neutro. +1M31*E0F* Valores de la protección de sobre corriente del generador visto desde el lado de 13.8 kV. +1M31*E0G* Funciones de protección requeridas para la C.G.D. Guagua Sumaco +1M31*E0H* Variables a ser registradas por los equipos de medición comercial. +1M31*E0I* Funciones de Protección Cuttler Hammer modelo MD32G. +1M31*E0J* Funciones de Protección ABB modelo SPAU 140. +1M31*E0BK* Funciones de Protección VAMP modelo 210. +1M31*E0BB* Listado de entradas / salidas (IO’s) de la CGD Guagua Sumaco +1M31*E0BC* Listado de variables a ser monitoreadas de la CGD Guagua Sumaco. 67! 67! 68! 68! 72! 72! 73! 74! 75! 75! 77! 80! 81! 88! 89! 90! 91! 92! 93! 93! 94! 94! 99! 101! 109! 111! 112! 116! 116! 117! 118! 118! 121! 124!. 3! !.

(14) ! ! +1M31*E0BD* +1M31*E0BE* +1M31*E0BF* +1M31*E0BG* +1M31*E0BH* +1M31*E0BI* +1M31*E0BJ* +1M31*E0CK*. Cuadro comparativo para distintas combinaciones batería - cargador Cargas DC continuas para la CGD Guagua Sumaco Cargas DC momentáneas de la CGD Guagua Sumaco Alarmas del banco de baterías de la CGD Guagua Sumaco Costos Directos de inversión inicial Costos de operación y mantenimiento, evaluados en valor presente. Costos totales por instalación operación y mantenimiento. Evaluación del beneficio de la central en valor presente. 126! 128! 128! 131! 132! 133! 133! 134!. ! !. 4! !.

(15) ! !. 9LN"+'O9>* 9LN"+'O9*<")"&%$* ! Estudiar, Proyectar y Analizar las Condiciones Operativas: Actuales y en un horizonte de cinco años, del alimentador “Archidona – Guagua Sumaco” de la Subestación Tena, aplicando criterios de Generación Distribuida, considerando la influencia de la inclusión de una micro central hidráulica en la población de Guagua Sumaco. Analizar y Proyectar la demanda abastecida por el Alimentador.. 9LN"+'O9>*">:"#?,'#9>*. 1. Determinar las Condiciones Operativas del alimentador luego de la conexión de la micro central hidráulica en la población de Guagua Sumaco. 2. Calibrar y coordinar las Protecciones asociadas a la micro central hidráulica Guagua Sumaco y al alimentador principal.. 3. Determinar los efectos causados por la operación de la micro central hidráulica sobre el alimentador y sus posibles soluciones. ! !. 5! !.

(16) ! !. %$#%)#"* Analizar y Estudiar las Condiciones Operaciones: actuales y futuras en el alimentador “Archidona – Guagua Sumaco” de la subestación Tena, establecer los efectos causados por la influencia de la inclusión de una micro central hidráulica. Establecer las características y crecimiento de la demanda abastecida por el alimentador. Coordinar las protecciones necesarias para el alimentador y la micro central hidráulica. Simular el comportamiento del alimentador con todos los elementos que constituyen el sistema, para analizar las condiciones operativas del alimentador y lograr una efectiva calibración de protecciones y una adecuada coordinación de protecciones. Determinar el beneficio causado por la conexión de la micro central hidráulica con el alimentador.. 6! !.

(17) ! !. N@>+','#%#'()*!"$*:&9;"#+9* Desarrollar un estudio técnico adecuado que permita prever los efectos causados en las condiciones operativas del alimentador, la inclusión de una micro central hidráulica en el tramo final de este primario de 13,8kV. Mediante el presente estudio determinar las acciones correctivas y preventivas a tomarse en cuenta para lograr la mitigación de las caídas de voltaje que puedan presentarse en el alimentador. Es necesario determinar los parámetros adecuados de operación de la micro central hidráulica, a fin de mantener el sincronismo entre la red y la micro central, para evitar sobre cargas o condiciones de: voltaje y potencia anómalos que pueden poner en riesgo la vida útil de la micro central. Determinar una selección, calibración y coordinación de protecciones eficiente a fin de que garanticen el funcionamiento óptimo del alimentador y la micro central. Establecer y Proyectar la demanda abastecida para determinar las condiciones operativas del alimentador.. 7! !.

(18) ! !. &">@=")** En el Ecuador, las redes de distribución del sistema eléctrico siguen una configuración caracterizada por ser radial respecto al punto de generación (subestaciones de distribución), por esto se tiene una configuración que origina una expansión de las líneas igualmente radial conforme los usuarios aumentan. Una expansión de este tipo causa que la calidad del servicio eléctrico en el alimentador disminuya y se presenten apreciables variaciones de voltaje en la línea debido a las fluctuaciones propias de la demanda. Lo expuesto anteriormente causa que las líneas de distribución no cumplan con las regulaciones de voltaje vigentes en el régimen del sector eléctrico. En general, este problema se origina cuando la red de distribución comienza a extenderse y las pérdidas en el alimentador toman valores significativos, adicionalmente se debe considerar el incremento de la demanda eléctrica producto del crecimiento de la población, especialmente en zonas rurales. La Empresa Distribuidora trabaja en la solución de este tipo de problemas, sin embargo existen un número importante de líneas de distribución que operan bajo condiciones similares a las descritas anteriormente, por lo que la utilización de tecnologías de generación distribuida se presentan como alternativas efectivas para el mejoramiento de la calidad de energía, reducción de pérdidas y mejoramiento de la calidad del servicio en este tipo de redes de distribución. En las zonas rurales es donde más se acentúa este problema, por lo tanto, son estos sectores donde las tecnologías de generación distribuida se presentan como alternativas viables que pueden aportar beneficios a la red de distribución. Dependiendo del tipo de tecnología de generación distribuida utilizada: eólica, solar, hidráulica, térmica, los principales beneficios pueden ser: reducción del pico de demanda, reducción de pérdidas por distribución, aplazamiento de inversiones para incrementar la capacidad de la red de distribución y alivio térmico a los equipos de distribución en la red.. 8! !.

(19) ! ! En un escenario a futuro se podrían sustituir inversiones en capacidad de generación. y. transmisión,. si. se. implementan. adecuadamente. unidades. generación distribuida en alimentadores de distribución. Por lo que a mediano y largo plazo, las redes de distribución pueden evolucionar operativamente y estructuralmente hasta convertirse en redes similares a las redes de transmisión mediante la implementación de la generación distribuida en todo el espectro de energías alternas renovables y sus tecnologías asociadas, cambiando así con los precedentes de la generación convencional de energía eléctrica centralizada. La Generación Distribuida basada en energías renovables, combinadas con una mayor eficiencia energética, mediante esta base contribuye al desarrollo sostenible, mejorando el acceso a la energía de los sectores aislados. En la presente tesis se evalúa el impacto de la interconexión de una central de generación distribuida con una alimentador primario de distribución.. 9! !.

(20) ! !. :&">")+%#'()** #%:?+@$9*BP*<")"&%$'!%!">*!"$*:&9;"#+9* ! En este capítulo se definen las generalidades del proyecto, el concepto de Generación Distribuida, se detallan las diferentes tecnologías utilizadas como fuentes de generación distribuida, se describen los elementos constitutivos de la central de generación distribuida Guagua Sumaco y finalmente se especifican las características del alimentador Archidona.. #%:?+@$9*CP*%)Q$'>'> %$'=")+%!9&0*. *!"*#9)!'#'9)">*9:". &%+'O%>*!". $*. En este capítulo se definen las condiciones operativas del alimentador mediante el análisis registros de potencia activa, reactiva y corriente en cada fase del alimentador Archidona, se han realizado simulaciones en el alimentador considerando cuatro escenarios de operación típicos para realizar el estudio de flujos de potencia para evaluar perfiles de voltaje a lo largo del mismo como resultado de este análisis se ha propuesto un esquema de balance de cargas entre las fases del alimentador. Se ha realizado un estudio de cortocircuitos para mínima demanda a fin de determinar los ajustes necesarios para las protecciones de sobre corriente, para finalizar este capítulo se han determinado las curvas de capacidad del generador de la Central de Generación Distribuida Guagua Sumaco, para analizar el modo de operación del generador. * #%:?+@$9*DP*L")",'#'9>*!"*$%*<")"&%#'()*!'>+&'L@'!%0* En este capítulo se evalúa el impacto de la conexión de la central de generación distribuida Guagua Sumaco con el alimentador Guagua Sumaco, mediante el análisis de perfiles de voltaje a lo largo del alimentador, comparando estos perfiles con los perfiles de voltaje obtenidos en el Capítulo 2, también en este capítulo se establece un procedimiento para reconexión del generador con el alimentador.. 10! !.

(21) ! ! #%:?+@$9*EP*>'>+"=%*!"*:&9+"##'9)">*;*>'>+"=%>*%@R'$'%&">* En este capítulo se determinan las protecciones para el generador contra fallas internas y contra fallas externas (producidas en la red), se ha propuesto una coordinación entre las protecciones de sobre corriente del generador y las protecciones del alimentador, se ha esquematizado un sistema de adquisición de datos, control y monitoreo para los principales elementos de la central de generación distribuida, y se ha evaluado el beneficio de incorporar esta CGD a la red de distribución. . #%:?+@$9*FP*#9)#$@>'9)">*;*&"#9=")!%#'9)"> Se detallan las conclusiones y recomendaciones de este proyecto.. !. 11! !.

(22) ! !. 1.*CAPÍTULO I - GENERALIDADES 1.1.*GENERACIÓN. DISTRIBUIDA. EN. LOS. SISTEMAS. ELÉCTRICOS DE DISTRIBUCIÓN. La Generación Distribuida (GD), entendida como la generación de energía eléctrica mediante instalaciones de menor capacidad que las centrales convencionales y situadas en las proximidades de la carga, ha existido desde hace muchos años en el mundo, teniéndose en cuenta que antes de la existencia de grandes centrales de generación y de sistemas de transmisión, existían centrales hidráulicas y térmicas de pequeña capacidad instaladas en medio de las ciudades que abastecían el consumo de energía eléctrica de los usuarios, en Ecuador algunas de estas centrales instaladas en las cercanías de las ciudades aún se encuentran en operación. Se puede citar como curiosidad histórica que en las tres primeras centrales eléctricas, diseñadas y construidas por Edison se había seguido la estrategia que hoy se denomina GD, esto es instalar la generación eléctrica dentro de la zona donde se encuentran los centros de consumo. El nombre de Central, proviene del hecho de que la generación eléctrica estaba situada en el "centro geométrico" del consumo que "crecía" a su alrededor. Realmente, esto ocurrió con todas las centrales que se construyeron en los primeros años de la diversificación de la aplicación de la energía eléctrica, porque los generadores eléctricos eran de corriente continua. En la actualidad aún no existe una definición comúnmente aceptada para la GD e incluso la propia denominación difiere según la fuente documental. En ocasiones se utiliza el término Generación Dispersa o raramente el de generación "in-situ". El DPCA (Distribution Power Coalition of America) la define como “cualquier tecnología de generación a pequeña escala que proporciona. 12! !.

(23) ! ! electricidad en puntos más cercanos al usuario, siendo centralizada y que se pude conectar directamente al usuario, o a la red de distribución”. [R1] Otros autores proponen una definición de GD considerando algunos aspectos como propósito y ubicación de la GD, formulando la siguiente definición: “GD es una fuente de energía eléctrica conectada directamente a la red de distribución o en las instalaciones de los usuarios”. La agencia internacional de energía (IEA, International Energy Asociation), considera a la GD como una fuente de energía que se conecta a la red de distribución de bajo voltaje asociada a tecnologías como motores, mini y microturbinas, celdas de combustible, energía eólica y energía solar fotovoltaica. [R2] La IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), define a la GD como: "la producción de electricidad con instalaciones que son suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. Es un subconjunto de recursos distribuidos". [R3] Existen varias propuestas para clasificar a las centrales de generación distribuida, la más aceptada sugerida por Jenkins [R3], Define los siguientes criterios para agrupar a la GD: De acuerdo a su conexión. !. Generadores Dispersos: Poseen una potencia superior a 5 kW e inferior a 500 kW que se conectan a la red de distribución de BT.. !. Generadores Distribuidos: Poseen una potencia superior a 2 MW e inferior a 10 MW, estando conectados a la red de distribución de MT.. De acuerdo a su capacidad de generación:. 13! !.

(24) ! ! !. Hidrocargadores: Su potencia es menor que 1 KW, generan electricidad en corriente continua.. !. Micro centrales: Poseen una potencia superior a 1 KW e inferior a 100 KW.. !. Mini centrales: Poseen una potencia superior a 100 KW e inferior a 1MW.. En general, aunque no existe una definición universalmente aceptada sobre que es GD, algunos atributos que pueden caracterizar a la GD son [R3]: !. No es planificada.. !. Es frecuente que una parte de dicha generación sea consumida por la misma instalación y el resto se exporte a una red de distribución. !. Menor de 50 MW.. !. Se conecta al sistema de distribución.. 1.2.*BENEFICIOS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA En los últimos años el uso de la GD se ha incrementado, su implementación en sistemas de distribución resulta beneficiosa para el Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) y para los usuarios. Para las compañías eléctricas la GD tiene varias ventajas, especialmente las relativas a la limitación de las puntas de carga en la red de distribución, y reduce el costo causado por ampliaciones de la infraestructura de distribución. Por otra parte, la GD puede ser incorporada al sistema eléctrico en menor tiempo que las soluciones convencionales, presentando además la notable ventaja de que su capacidad de ser implantada por escalones suficientemente pequeños de forma que puede ajustarse estrictamente al crecimiento de la demanda. [R3] Al utilizar inyección de potencia por GD más cerca de los centros de consumo, disminuye el transporte de potencia en algunas zonas del sistema. Como resultado se espera una reducción de las pérdidas óhmicas (I2R) del sistema. Se aprecia entonces que la reducción de pérdidas es una consecuencia directa de la aplicación de la Generación Distribuida. [R4] 14! !.

(25) ! ! Un aspecto que puede condicionar el desarrollo de la GD, es la participación de ésta en los servicios complementarios (o servicios del sistema) de la red. Los posibles servicios que esta nueva forma de generación puede proporcionar a la red a nivel de distribución: soporte de tensión, potencia reactiva, y servicio de reserva de emergencia para restaurar el servicio en una zona limitada de consumidores (operación en islas). La tecnología de la GD es modular y puede ser producida en masa por la industria. Esto significa que sus costos bajan con la producción masiva. Además, una estandarización de los componentes, de la interconexión y de los permisos de instalación facilita su producción e implementación. La producción en masa hace que la ejecución de proyectos de generación distribuida pueda ser implementada en el corto plazo, pudiendo llegar a ser de días. De esta manera las predicciones de la demanda en el futuro lejano y las instalaciones para satisfacerla anticipadamente, pierden su importancia. [R3] La decisión de uso de la GD por una empresa eléctrica, ayuda a afrontar los problemas del aumento de la demanda en regiones urbanas o rurales, donde la red la distribución es restringida. La solución de expandir la red no es siempre la más económica ni la más inmediata. Por esta razón, el uso de la GD por parte de la empresa permite, evitar altos costos y reduce el tiempo de ejecución de proyectos para atender a la demanda. Si se utiliza la GD como reserva, puede aliviar la carga de la red en horas de demanda pico. La generación dispersa y basada a las fuentes energéticas locales, diversifica los recursos y aumenta la autosuficiencia de una región. Generadores pequeños interconectados, formando una micro red, pueden ofrecer un servicio confiable ya que la probabilidad de un fallo de todos los generadores es muy baja. Cuando un generador falla es muy fácil para los otros compartir la carga. Generalmente se puede afirmar que la generación distribuida hace un sistema eléctrico menos vulnerable a contingencias ocasionadas por desastres naturales. [R4]. 15! !.

(26) ! ! La energía renovable, que por su naturaleza se encuentra en forma dispersa y de poca densidad, no ofrece las ventajas de los recursos no renovables como carbón, derivados del petróleo, para los sistemas actuales de planificación y producción de energía, debido a que la producción se basa en grandes centrales. Aparte de los grandes parques eólicos existentes en países europeos los proyectos de energía renovable son de pequeña escala, en que el usuario puede ser desde una empresa generadora hasta una casa [R4]. De esta manera, la GD es un modelo donde la energía renovable que tiene todas las oportunidades de desarrollarse. A esto se puede añadir la conveniencia de la generación distribuida para proyectos de cogeneración. Debido a que la GD está en el sitio del consumo, facilita la explotación del calor que en otros casos se rechazaría. Casi toda la tecnología de la generación distribuida permite los proyectos de cogeneración. Actualmente existen tecnologías de turbinas de gas y celdas de combustible que son adecuadas para proyectos de ciclo combinado. De esta manera, en los proyectos de la GD se ha incrementado eficiencia energética. [R5] El uso de las energías renovables donde sea posible, el aumento de la eficiencia, la disminución de las pérdidas del transporte, la posibilidad del uso de combustibles renovables menos contaminantes como el gas natural, convierten la generación distribuida en un importante colaborador con la disminución de los impactos ambientales. En general, se puede decir que los proyectos generación distribuida se enfocan a un mayor desarrollo sostenible. En los países en vías de desarrollo la generación distribuida puede representarse como una solución sustentable para satisfacer rápidamente y con eficacia la creciente demanda. Al contrario a la generación tradicional, la generación distribuida puede suministrar energía casi inmediatamente, o bien donde esta se necesita de manera urgente o a regiones remotas. La generación distribuida, aunque no es barata, hace posible con pequeñas. inversiones. alcanzar gradualmente grandes objetivos. La generación distribuida es un modelo que se adapta a las condiciones locales.. 16! !.

(27) ! ! Sin embargo, la generación distribuida tiene algunos inconvenientes. Es necesario. contar. con. personal. calificado. que. tendrá. que. operar,. dar. mantenimiento a las instalaciones, asegurar el suministro del combustible para las instalaciones, adicionalmente debe considerarse la distancia existente entre la central de GD y los puntos de operación de la red. Por estos motivos y considerando el costo de tener personal parado en cada central de generación distribuida se hace necesario automatizar las centrales de generación distribuida, como se sugiere en [R5] para que de esta manera que se pueda realizar una operación y monitoreo de manera remota de cada central. En cuanto a la generación distribuida que se encuentra conectada a la red, la operación de la red de la distribución se torna más complicada.. 1.3.*TENDENCIAS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA Los altos costos de inversión y el impacto de las regulaciones medio ambientales hacen que la construcción de grandes centrales eléctricas para satisfacer los incrementos en la demanda de energía eléctrica sean cada vez más difíciles de implementar. Como consecuencia, es fácil predecir que la GD tendrá un papel importante en los sistemas de energía eléctrica del futuro. El despliegue de la GD en las redes de distribución podrá potencialmente aumentar su confiabilidad y bajar el costo de la potencia instalando fuentes de energía más cerca de los centros de demanda. Este tipo de generación incluye una gran variedad de fuentes de energía, tales como solar, eólica, hidráulica, combustibles fósiles, etc. [R6] Aunque actualmente representan una porción pequeña de los sistemas de potencia, las diversas tecnologías de GD empiezan a jugar un papel crucial en algunos países donde sus políticas han favorecido el desarrollo de sistemas de cogeneración (generación de calor y de electricidad), y el uso de energías renovables. Estas políticas y el desarrollo tecnológico, aseguran el crecimiento de este tipo de generación que tiene el potencial para alterar fundamentalmente la estructura y organización del sistema de energía eléctrica.. 17! !.

(28) ! ! De acuerdo con los datos del departamento de Desarrollo Energético de la Unión Europea, el nivel de penetración de la Generación Distribuida en los sistemas eléctricos se ha incrementado notablemente en los últimos años, siendo muy elevado en algunos países. Por ejemplo en Dinamarca y Holanda, alcanza el 40% en términos de potencia instalada. Un reciente estudio de EPRI (Electrical Power Research Institute) indica que de la nueva generación que se instalará hasta el año 2020 en EE.UU., el 25% será distribuida, siendo aún mayor esa proporción (30%) según un informe de la Natural Gas Foundation. [R7] Tabla 1.1 Proyección de la Producción de Energía Eléctrica a 2010 en la Unión Europea, con Energías Renovables Potencia Instalada Producción TW-h Tipo 1995 2010 1995 2010 2,5 GW Viento 40 GW 4 80 82,5 GW Hidráulica Grande 91 GW 270 300 9,5 GW Hidráulica Pequeña 14 GW 37 55 0,03 GW Fotovoltaica 3 GW 0,03 3 44,8 Mtoe 135 Mtoe Biomasa 22,5 230 Geotérmica 1 GW 3,5 7 0,5 GW. La Tabla 1.1 Objetivo propuesto por la Unión Europea respecto a las energías renovables que incrementa notablemente su participación en el mercado energético futuro.. 1.4.*TECNOLOGÍAS PARA LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA En la actualidad se utilizan diversas tecnologías para la producción de energía mediante criterios de generación distribuida, dentro de las cuales se puede mencionar: !. Motores de Combustibles Fósiles. !. Turbinas de Gas. !. Micro turbinas. !. Micro turbinas a Gas.. !. Micro turbinas Hidráulicas. !. Celda de Combustible. 18! !.

(29) ! ! !. Células Fotovoltaicas. !. Generadores Eólicos. Cada una de estas tecnologías se describe a continuación. 1.4.1.*. MOTORES DE COMBUSTIBLES FÓSILES. Los motores de combustibles fósiles son la tecnología utilizada más ampliamente como fuente de GD. Son una tecnología probada con costo de capital bajo, rango de operación alto, rápida puesta en marcha, eficiencia de conversión eléctrica relativamente alta, y una alta confiabilidad en su funcionamiento. Estas características, combinadas con la capacidad de funcionamiento durante una interrupción de potencia, los hace la elección principal para los suministros de respaldo. La potencia de los equipos de generación de este tipo más ampliamente utilizada es menor a 1 MW. [R8] En la actualidad, se utilizan principalmente dos tipos de motores: !. Los motores de gas natural. !. Los motores Diesel. Las principales desventajas de los motores son: el ruido, costos de mantenimiento y emisiones altas, particularmente de óxidos de nitrógeno (NOx). Estas emisiones pueden disminuir, con una pérdida de eficiencia, cambiando características de la combustión, utilizando convertidores catalíticos, los cuales son una tecnología probada de control de emisiones. Los grandes sistemas de generación pueden usar una reducción catalítica selectiva con el fin de reducir emisiones a un costo más conveniente que un generador de dimensiones menores. 1.4.2.*. TURBINAS DE GAS. Las turbinas de gas son ampliamente usadas en la industria. El combustible suele ser gas natural, aunque puede emplearse Gas Licuado de Petróleo o diesel. Sus capacidades van de 265 kW a 50 MW; permiten obtener 19! !.

(30) ! ! eficiencias eléctricas del 30% y eficiencias térmicas del 55%; los gases de combustión tienen una temperatura de 600 °C, ofrecen una alta seguridad de operación, tienen un bajo costo de inversión; el tiempo de arranque es corto (10 minutos), y requieren un mínimo de espacio físico. Su costo de mantenimiento es ligeramente inferior que para motores a base de combustibles fósiles, y también su eficiencia eléctrica. Las turbinas de gas pueden ser ruidosas. Las emisiones son algo inferiores que los motores, y el control de emisiones de NOx está comercialmente disponible. [R9] 1.4.3.*. MICRO TURBINAS. Las micro turbinas que se consideran como GD son principalmente de dos tipos: !. Micro turbinas a Gas.. !. Micro turbinas Hidráulicas. 1.4.3.1.*. Micro turbina a Gas. Las micro turbinas a gas provienen del desarrollo tecnológico de la turbina de gas para la escala más pequeña. La tecnología fue originalmente desarrollada para aplicaciones de transporte, pero ahora tienen gran uso en la generación de potencia. Una de las características técnicas más notables de las micro turbinas es su alta velocidad giratoria. Las unidades individuales se extienden de 30kW a 200 kW pero pueden estar combinadas fácilmente. Las temperaturas de combustión pueden asegurar niveles de emisiones NOx muy bajos. Hacen mucho menos ruido que un motor de tamaño comparable. La desventaja principal de las micro turbinas a gas son los altos precios en comparación con motores de gas. [R9] 1.4.3.2.*. Micro turbina Hidráulica. Las micro centrales hidráulicas son centrales de bajas potencias, menores a 100 kW. Sus beneficios son referidos a la no contaminación ambiental, tiene un 20! !.

(31) ! ! mantenimiento mínimo y su rendimiento es mayor a las demás tecnologías de GD [R10]. Una de sus mayores desventajas es el flujo irregular que se puede dar en pequeños ríos a lo largo del año. Sin embargo, si es posible la construcción de una presa de acumulación se puede controlar en cierto grado esta variación. Existe una clasificación de este tipo de centrales de acuerdo a su capacidad de generación, los tipos que interesan son: !. Mini centrales: Poseen una potencia superior a 100 KW e inferior a 1MW.. !. Micro centrales: Poseen una potencia superior a 1 KW e inferior a 100 kW.. La potencia utilizable en una central hidráulica depende, además del caudal, del salto de agua y de la eficiencia de los componentes que intervienen en la generación de electricidad. 1.4.4.*. CELDA DE COMBUSTIBLE. Las celdas de combustible se pueden considerar como motores compactos, utilizan hidrógeno y oxígeno para generar electricidad. El sector de transporte es el principal potencial mercado para las celdas del combustible. La generación de potencia puede ser una aplicación muy efectiva para estas tecnologías [R11]. Las celdas de combustible poseen una eficiencia de conversión muy alta (35% - 60%), comparadas con tecnologías convencionales. Su eficiencia limita las emisiones de gases que provocan efectos invernaderos CO2. Como no hay combustión, otras emisiones nocivas también son bajas. La celda de combustible puede funcionar con una confiabilidad alta y así también podría complementar el abastecimiento de electricidad de la red.. 21! !.

(32) ! ! 1.4.5.*. PANELES FOTOVOLTAICOS. La tecnología de los paneles Fotovoltaicos (FV) para la explotación de la energía solar es una de las fuentes renovables más conocidas. La típica estructura de un sistema FV está constituida por un número de módulos dispuestos en una estructura en paralelo y en serie para obtener el nivel deseado de tensión de salida. La potencia de un solo módulo varía entre 50 y 100W de acuerdo con el número de las celdas solares que estén conectadas en serie o paralelamente es la potencia que puede entregar una estructura FV [R13]. A diferencia de otras unidades de GD, los sistemas fotovoltaicos poseen un costo de inversión alto, y un costo de operación muy bajo. No generan calor y son intrínsecamente de escala pequeña. Debido a estas características los sistemas FV satisfacen las aplicaciones domésticas y comerciales, donde no se requieren altas potencias de operación. La tecnología fotovoltaica tiene una gran variedad de aplicaciones. La mayor. parte. de. las. aplicaciones. actuales. son. sistemas. remotos. de. telecomunicaciones, dónde la confiabilidad y los bajos costes de mantenimiento son los requisitos principales. Los sistemas FV también son ampliamente usados en poblaciones rurales que no tienen otro acceso para los servicios básicos de energía. Además pueden utilizarse para proveer electricidad para una variedad de aplicaciones en iluminación, negocios pequeños, agricultura, entre otras. La utilización de sistemas FV conectadas a la red, hoy en día no es muy factible debido a sus altos costos de inversión. 1.4.6.*. GENERADORES EÓLICOS. La energía eólica se ha utilizado principalmente en molinos de viento, los cuales han permitido principalmente el bombeo de agua, molienda de productos agrícolas y en los últimos años, la generación de electricidad. Una de las características de este recurso es su condición aleatoria y variable, por cuanto depende de condiciones atmosféricas. Esto lleva a que se requieran exhaustivas mediciones como condición previa para el desarrollo de proyectos destinados a su 22! !.

(33) ! ! aprovechamiento [R12]. En términos generales se distinguen cuatro escalas de aplicaciones de la energía eólica con fines de generación eléctrica: a) Sistemas eólicos a gran escala, conectados a la red eléctrica, también denominados parques eólicos. Potencias superiores a 1 MW. b) Sistemas medianos, utilizados para abastecer pequeños poblados, que requieren sistemas de respaldo por medio de generadores diesel. Potencias superiores a 100 kW e inferiores a 1 MW. c) Sistemas pequeños, utilizados para abastecer pequeñas comunidades, que constan de una turbina eólica, un generador diesel de respaldo y un banco de baterías. Potencias superiores a 1 kW e inferiores a 100 kW. d) Sistemas individuales por vivienda, que constan básicamente de una turbina eólica y baterías para el almacenamiento de energía. Potencias inferiores a 1kW. Las turbinas eólicas cada año cuestan menos por unidad de energía instalada. El costo por unidad de energía eólica de sistemas de gran escala en lugares con vientos adecuados puede ser más barato que el recurso energético hídrico. Por otro lado estos sistemas, en cualquier escala permiten tener acceso a la energía en distintos lugares, la principal ventaja que presentan este tipo de sistemas respecto a centrales hidráulicas si se considera que existen años de sequía pero no existen años sin viento. A continuación se muestra una tabla donde se describen las principales características de las diferentes tecnologías empleadas como fuentes de generación distribuida.. 23! !.

(34) ! !. Tecnología Capacidad (kW) Eficiencia (%) Coste de Generación ($/ kW) Coste de recuperación de calor ($/ kW) Emisiones de COx (kg/MWh). Motor Diesel. Generadores Turbinas a gas a gas. Micro turbinas. Celdas de Celda combustible Fotovoltaica.. Eólica. 20-10000 36-43. 50-5000 28-42. 1000+ 21-40. 30-200 25-30. 50-1000+ 35-54. 1+ -. 0.005 - 5 43. 125-300. 250-800. 300-600. 500-750. 1500-3000. -. 1500 - 2300. -. 75-150. 100-200. 200-600. incluido. -. -. 650. 500-620. 600-680. 720. 430-490. 0. 0. 10. 0,2-1. 0,3-0,5. 0.1. 0,006-0,01. 0. 0. Emisiones de Nox (kg/MWh). Tabla 1.2 Resumen de las principales características de las tecnologías utilizadas como unidades de Generación Distribuida, incluyendo su capacidad, costos y emisiones.. 1.5.*ELEMENTOS DE UNA MINI CENTRAL. La función principal de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial (agua almacenada) y convertirla primero en energía mecánica y luego en energía eléctrica, para este fin se utiliza un sistema de captación de agua, el mismo que provoca o aprovecha un desnivel que origina energía potencial que se acumula, así el paso del agua por la turbina desarrolla en esta un movimiento giratorio (energía cinética rotacional) que acciona el generador y produce energía eléctrica. Acorde a lo expuesto anteriormente una central hidráulica desde el punto de vista eléctrico está constituida por una turbina hidráulica, un generador y un transformador [R14]. A continuación se describen cada uno de estos elementos con mayor detalle. 1.5.1.*. GENERADOR SINCRÓNICO. El generador sincrónico es una máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica rotacional en energía eléctrica. El generador sincrónico está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator [R15].. 24! !.

(35) ! ! El rotor gira recibiendo un empuje externo, teniendo acoplada una fuente de corriente continua de excitación independiente variable a un bobinado, que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio que genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados del estator. El rotor también conocido como inductor, es la parte que induce el voltaje en el estator. El núcleo del rotor es construido por láminas troqueladas de acero al silicio, material de excelentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis y corrientes parásitas. En la máquina sincrónica con rotor de polos salientes, el campo magnético que aparece en el rotor se pretende que sea sinusoidal. Para conseguirlo, en las máquinas de polos salientes el entrehierro no es constante. De esa forma se logra que las distribuciones de campo sean apreciablemente sinusoidales. 1.5.2.*. TURBINA.. Una turbina hidráulica es una turbo–máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, es así como constituyen la parte fundamental de una central hidroeléctrica. [R16]* Las turbinas pertenecen al subgrupo de las turbo–máquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbo–máquinas motoras. 1.5.2.1.*. CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS. Comúnmente a las turbinas hidráulicas se las suele agrupar en función de los siguientes criterios: De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción: !. Turbinas de acción. Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete. 25!. !.

(36) ! ! !. Turbinas de reacción. Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete. Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el. grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior [R16]. De acuerdo al diseño del rodete: Esta clasificación es usada más ampliamente, ya que entre las distintas turbinas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o cangilones, o de otras partes de la turbo–máquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son: !. Turbina Kaplan. Son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales. (Turbina de reacción). !. Turbina Hélice. Son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.. !. Turbina Pelton. Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños. (Turbina de acción). !. Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudales medios. A continuación se muestra una clasificación de las turbinas en función de la. velocidad específica y la altura del salto, estos datos se muestran en la tabla 1.3.. 26! !.

(37) ! ! Velocidad específica en r.p.m. Hasta 18 De 18 a 25 De 26 a 35. Pelton de un inyector Pelton de un inyector Pelton de un inyector. De 26 a 35. Pelton de dos inyectores 800 a 400. De 36 a 50. Pelton de dos inyectores 400 a 100. De 51 a 72 De 55 a 70 De 70 a 120 De 120 a 200 De 200 a 300 De 300 a 450 De 400 a 500 De 270 a 500 De 500 a 800 De 800 a 1100. Tipo de turbina. Pelton de cuatro inyectores Francis muy lenta Francis lenta Francis normal Francis rápida Francis extrarrápida Hélice extrarrápida Kaplan lenta Kaplan rápida Kaplan extrarrápida. Altura del salto en m . 800 800 a 400 400 a 100. 400 a 100 400 a 200 200 a 100 100 a 50 50 a 25 25 a 9 9 50 a 15 15 a 5 Menos de 5. Tabla 1.3 Clasificación de turbinas en función de la velocidad específica y la altura. 1.5.2.2.*. Características de las turbinas Francis. La turbina instalada en la micro central de Guagua Sumaco es una turbina Francis, por esta razón se realizará una descripción más detallada de este tipo de turbina. La Turbina Francis es conocida como turbina de sobre-presión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción [R16]. El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). La turbina Francis, se caracteriza por tener un rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal 27! !.

(38) ! ! máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total. Una turbina Francis puede ser instalada con el eje en posición horizontal o vertical, siendo esta última disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia [R16]. Se considera la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto. !. Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más).. !. Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m). !. Turbinas Francis rápidas y extra rápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m). 1.5.3.*. REDUCTOR. Es un elemento mecánico adecuado para el accionamiento de todo tipo de máquinas y aparatos de uso industrial, para aplicaciones en las cuales se necesite reducir o incrementar la velocidad de ingreso de una forma eficiente, constante y segura. Las ventajas de usar Reductores, se pueden resumir en: alta eficiencia de la transmisión de potencia del motor, alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitidos, espacio reducido para el mecanismo, reducido tiempo de instalación y mantenimiento. Estos se suministran normalmente acoplando al mecanismo reductor a una máquina eléctrica normalizada, cerrada y refrigerada. Para el dimensionamiento de reductores se deben tener en cuenta las características del reductor y de las características de la aplicación que va a realizar. [R17] 28! !.

(39) ! ! 1.5.3.1.*. Características de los reductores. Los reductores se pueden dimensionar de acuerdo a dos características, Características mecánicas del reductor y características del trabajo a realizar por el reductor. CARACTERÍSTICAS DEL REDUCTOR Dentro de las características mecánicas del reductor se tienen: !. Potencia, en HP, de entrada y de salida.. !. Velocidad, en RPM, de entrada y de salida.. !. Torque a la salida del mismo, en kg/m.. !. Relación de reducción: índice que detalla la relación entre las RPM de entrada y salida. CARACTERÍSTICAS DEL TRABAJO A REALIZAR. Dentro de las características del trabajo a realizar se tienen: !. Tipo de máquina motriz.. !. Tipos de acoplamiento entre máquina motriz, reductor y salida de carga.. !. Carga: uniforme, discontinua, con choque, con embrague, etc.. !. Duración de servicio: horas/día.. !. Nº de Arranques/hora.. 1.5.4.*. TRANSFORMADOR. Es una máquina eléctrica no rotativa que permite aumentar o disminuir el voltaje en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia constante. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un porcentaje mínimo de pérdidas, dentro de estas se tiene pérdidas en el hierro y en el cobre [R15].. 29! !.