Máxima capacidad de generación eólica a ser instalada en el Sistema Eléctrica Ecuatoriano

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(1)Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.. MÁXIMA CAPACIDAD DE GENERACIÓN EÓLICA A SER INSTALADA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO ECUATORIANO.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO.. LUIS DANIEL ANDAGOYA ALBA dnl_a21@hotmail.com. DIRECTOR: DR. CARLOS FABIAN GALLARDO QUINGATUÑA (Ph.D.) carlos.gallardo@epn.edu.ec. CO-DIRECTOR: ING. FAUSTO GUILLERMO AVILES MERINO (Msc.) fausto.aviles@epn.edu.ec. Quito, Febrero 2014.

(2) DECLARACIÓN. Yo, Luis Daniel Andagoya Alba, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. __________________________ Luis Daniel Andagoya Alba. i.

(3) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Luis Daniel Andagoya Alba bajo mi supervisión.. __________________________ Dr. Carlos Gallardo (Ph.D). DIRECTOR DEL PROYECTO. __________________________ Ing. Fausto Avilés (Msc) CO-DIRECTOR DEL PROYECTO. ii.

(4) AGRADECIMIENTOS Con mucha alegría quiero expresar mi agradecimiento principalmente a mi Dios que personificado en mis padres me dieron la vida y su apoyo incondicional en todo momento. Gracias a ustedes Papi y Mami por su amor, por su cariño, por la confianza, por el sacrificio que día a día realizaron para brindarme la posibilidad de estudiar y poder alcanzar mis sueños y metas. Gracias a ustedes Papi y Mami, su apoyo hizo que este sueño se haga realidad. A mi director Dr. Carlos Gallardo, Gracias por su guía y sus sabios consejos, por su paciencia y dedicación en la realización de este proyecto, por ser más que mi profesor mi amigo, y por la confianza depositada en mí para la realización de este trabajo. A mis hermanos Gustavo, Margarita y Roberto. Gracias por brindarme su apoyo y la alegría de tenerlos siempre cerca. Gracias por su amistad, la confianza y el cariño inculcado por nuestros padres a lo largo de los años. A mis cuñados Juan y Anita, por ser parte de la familia y estar siempre presentes en cada acontecimiento suscitado en nuestro hogar. A mis sobrinos Carlitos, Valeria y Sarahí. Gracias por ser siempre una inspiración a seguir adelante. A mis abuelitos que desde el cielo estarán muy contentos y orgullosos del logro conseguido. Gracias por enseñarme la importancia del estudio y de la superación, pero sobre todo del valor de saber quién soy y de dónde vengo. A mis tíos y primos. Gracias por el apoyo. A mis amigos y amigas por acompañarme en este largo camino estudiantil, gracias por compartir conmigo momentos felices y tristes a lo largo de la carrera, siempre los llevare en mi corazón.. iii.

(5) DEDICATORIA. A mis padres José Luis y Gertrudis por ser el principal apoyo de mi vida y un ejemplo de amor, cariño y sacrificio. A mis hermanos Gustavo, Margarita y Roberto por su apoyo y confianza. A quienes me enseñaron el valor de la identidad, de la lucha, del sacrificio y la esperanza en que días mejores vendrán para nuestra gente: A mis abuelitos Juan Antonio y Teresa. iv.

(6) RESUMEN El siguiente trabajo muestra un estudio detallado para determinar la máxima capacidad eólica permitida en el sistema eléctrico ecuatoriano, para garantizar una operación segura del sistema. Se determinan las potencias de los diferentes parques eólicos mediante dos índices que aseguran el ingreso de este tipo de generación al sistema, el primer índice conocido como Índice de Fluctuación de Voltaje (IFV) es recomendado por la IEEE Standard 141, 1993 y el segundo índice conocido como Grado de Penetración Eólica (GP) recomendado por países con gran experiencia en generación eólica como España, Dinamarca y Alemania. Además de estos índices se toma en cuenta los sitios con gran potencial eólico recomendados en estudios del INECEL y en el mapa eólico publicado por el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable publicado en el 2013. Con la determinación de todos los Parques Eólicos a instalarse en el sistema para efectos del presente estudio, así como sus respectivas potencias, se procede con el análisis operativo del sistema tanto en estado estable como en estado dinámico antes y después de la incorporación de los Parques Eólicos para poder determinar los efectos producidos en la red. La penetración en el sistema eléctrico ecuatoriano de la generación eólica modifica el punto de operación del sistema. El estudio presenta los resultados del análisis tanto en estado estable como en estado dinámico del sistema evaluando principalmente el estado operativo del sistema y la estabilidad del sistema tanto para pequeña señal como para estabilidad. transitoria antes y después de la. incorporación de los parques eólicos. Para este análisis se utiliza un modelo dinámico del aerogenerador de 3.6MW de tecnología Full Converter cuyo modelo se encuentra en las librerías de DigSILENT Power Factory.. v.

(7) PRESENTACIÓN El presente trabajo presenta un estudio detallado para determinar la máxima capacidad de generación eólica que se puede instalar en el Sistema Eléctrico Ecuatoriano desde el punto de vista técnico, manteniendo los parámetros del sistema dentro de los rangos permitidos tanto en estado estable como en estado dinámico. El capítulo uno presenta la introducción, los objetivos, los antecedentes, la justificación y los alcances que tendrá el proyecto. El capítulo dos presenta dos partes. En la primera parte se realza una descripción de las diversas tecnologías de aerogeneradores así como su modelación para estudios eléctricos. La segunda parte presenta los conceptos básicos necesarios para la realización de un análisis de estabilidad de ángulo de un sistema eléctrico de potencia, haciendo énfasis en la estabilidad de ángulo tanto de pequeña señal como de estabilidad transitoria. El capítulo tres presenta la inserción de los parques de generación eólica en el Sistema Eléctrico Ecuatoriano, realizando un estudio para determinar los tamaños preliminares de los parques eólicos a ser conectados en la red dependiendo de los diferentes puntos de operación del sistema eléctrico ecuatoriano. El capítulo cuatro presenta un análisis comparativo de la estabilidad de pequeña señal del sistema eléctrico ecuatoriano antes y después de la inserción de los parques eólicos en diversos puntos de operación del sistema. El capítulo cinco presenta un análisis comparativo de la estabilidad transitoria del sistema eléctrico ecuatoriano antes y después de la inserción de los parques eólicos en diversos puntos de operación del sistema. El capítulo seis presenta las conclusiones y recomendaciones del estudio.. vi.

(8) CONTENIDO DECLARACIÓN………………………..……………………………………………………………………..i CERTIFICACIÓN…………………………………………………….………………………………………ii AGRADECIMIENTOS…………………………………………………..………..……………………….iii DEDICATORIA………………………………………………………………………………..…………….iv RESUMEN…………………………………………………………….........................…………………….v PRESENTACIÓN…………………………………………………………………..………………………vi CONTENIDO…………………………………………………………….………………………………….vii LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………………….……………..x LISTA DE TABLAS………………………………………………...…………………………..………..xiii CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 1.1 Justificación del proyecto ..................................................................................... 2 1.2 Objetivos .............................................................................................................. 3 1.2.1 Objetivo General ........................................................................................... 3 1.2.2 Objetivos Específicos .................................................................................... 3 1.3 Alcance ................................................................................................................ 3 1.4 Antecedentes ....................................................................................................... 4 1.4.1 Potencial Eólico en el Ecuador. .................................................................... 4 1.4.2 Mapa Eólico del Ecuador con fines de Generación Energética .................... 7 CAPITULO 2 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................ 10 2.1 Tecnologías de Aerogeneradores. ...................................................................... 10 2.1.1 Generador de inducción de Velocidad Constante. ....................................... 11 2.1.2 Generador de inducción doblemente alimentado. ........................................ 13 2.1.3 Generador Síncrono con Impulso Directo (Direct-drive o Full Converter). ... 16. vii.

(9) 2.2. Implementación del Modelo de Parque Eólico. ................................................. 18 2.2.1 Representación de los parques con red equivalente ................................... 18 2.2.2 Implementación del generador de inducción doblemente alimentado (DFIG). ............................................................................ 19 2.2.3 Implementación del generador síncrono con impulso directo (SG) .............. 24 2.3 Estabilidad de Sistemas Eléctricos. ..................................................................... 26 2.3.1 Estabilidad de Voltaje. .................................................................................. 28 2.3.2 Estabilidad de frecuencia. ............................................................................ 29 2.3.3 Estabilidad de Ángulo................................................................................... 30 2.3.3.1. Estabilidad de Ángulo de Pequeña Señal (Perturbación Pequeña). ................................................................................... 31 2.3.3.2. Análisis Transitoria (Perturbacion Grande). ......................................... 43 CAPITULO 3: INSERCIÓN DE LA GENERACIÓN EÓLICA EN LA RED. ...................................... 59 3.1 Sitios candidatos y expectativas de explotación Eólica en el Sistema Electrico Ecuatoriano. ............................................................................................... 59 3.2. Determinación de los Tamaños Preliminares de las Plantas.............................. 59 3.2.1 Índice de Fluctuación de Voltaje (IFV). ........................................................ 60 3.2.2. Grado de Penetración (GP)......................................................................... 62 3.2.3 Tamaños Preliminares de los Parques Eólicos a ser instalados en el Sistema Electrico Ecuatoriano............................................ 64 3.3 Inserción de la Generación Eólica en la RED ...................................................... 68 3.3.1 Estudio del Escenario de Mínima Demanda ................................................ 72 3.3.2 Estudio del Escenario de Media Demanda .................................................. 79 3.3.3 Estudio del Escenario de Máxima Demanda ................................................ 82 CAPITULO 4 ESTABILIDAD DE PEQUEÑA SEÑAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO ECUATORIANO CON PARQUES EÓLICOS. ......................................................................... 89 4.1. Efecto de los Parques Eólicos ............................................................................ 90 4.2. Análisis de pequeña señal del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Mínima Demanda. ..................................................................................................... 92. viii.

(10) 4.3. Análisis de pequeña señal del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Media Demanda. ....................................................................................................... 96 4.4. Análisis de pequeña señal del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Máxima Demanda. .................................................................................................... 99 4.5. Análisis de pequeña señal del S.N.I en Mínima, Media y Máxima Demanda. .. 103 CAPITULO 5 ESTABILIDAD TRANSITORIA DEL SISTEMA ELÉCTRICO ECUATORIANO CON PARQUES EÓLICOS. ....................................................................... 106 5.1 Efecto de los Parques Eólicos.................................................................................................... 107 5.2. Análisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Mínima Demanda. ....................................................................................................... 108 5.3. Análisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Media Demanda. .......................................................................................................... 113 5.4. Análisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques eólicos para el escenario de Máxima Demanda. ...................................................................................................... 109 CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................... 122 6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 122 6.2 Recomendaciones. ............................................................................................ 125 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 127 ANEXO 1................................................................................................................. 130 ANEXO 2................................................................................................................. 132 ANEXO 3................................................................................................................. 146 ANEXO 4................................................................................................................. 166 ANEXO 5................................................................................................................. 186. ix.

(11) Lista de Figuras Figura 1.1: Atlas Eólico del Ecuador. ......................................................................... 8 Figura 2.1: Componentes y disposición en un aerogenerador de inducción (SCIG) .................................................................................................. 12 Figura 2.2: Componentes y disposición en un aerogenerador de inducción doblemente alimentado (DFIG). ................................................................................ 14 Figura 2.3: Componentes y disposición en un aerogenerador síncrono impulsado directamente (SG) ..................................................................... 16 Figura 2.4: Representación con red equivalente del Parque Eólico Membrillo conectado a la subestación Loja 138kV .................................................... 19 Figura 2.5: Esquema simplificado representando el generador eólico doblemente alimentado DFIG.................................................................................... 20 Figura 2.6: Esquema a bloques de los principales componentes en el modelo del generador DFIG para Power Factory .................................................. 21 Figura 2.7: Esquema unifilar del Parque Eólico Villonaco con Modelo tipo DFIG conectado a una barra infinita. .................................................................. 22 Figura 2.8: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo DFIG en DigSILENT Power Factory. .................................................................. 23 Figura 2.9: Principales disposiciones de un aerogenerador síncrono impulsado directamente.............................................................................. 24 Figura 2.10: Esquema unifilar del Parque Eólico Salinas (Ibarra) SG implementado en la S/E Ibarra 138kV ................................................................. 25 Figura 2.11: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo SG en DigSILENT Power Factory. ..................................................................... 26 Figura 2.12: Clasificación de la Estabilidad .............................................................. 28 Figura 2.13: Oscilaciones entre Áreas .................................................................... 31 Figura 2.14: Oscilaciones Locales ........................................................................... 32 Figura 2.15: Oscilaciones Entre Maquinas .............................................................. 32 Figura 2.16: Oscilaciones de Modos de Control ...................................................... 33 Figura 2.17: Oscilaciones de Modos de Torsión ..................................................... 33 x.

(12) Figura 2.18: Diagrama de bloques del espacio de estado para un sistema lineal ............................................................................................... 38 Figura 2.19: Autovalores y respuesta asociada........................................................ 39 Figura 2.20: Sistema máquina-barra infinita ............................................................. 44 Figura 2.21: Circuito equivalente del sistema de la Figura 2.20. .............................. 44 Figura 2.22: Reducción del circuito equivalente del sistema de la Figura 2.20. ...................................................................................................... 45 Figura 2.23: Relación Potencia – Angulo δ .............................................................. 46 Figura 2.24: Diagrama unifilar de un sistema de potencia simple ............................ 50 Figura 2.25: Circuito equivalente del sistema de la Figura 2.24. .............................. 51 Figura 2.26: Diagrama fasorial. ................................................................................ 51 Figura 2.27: Relación potencia-ángulo. .................................................................... 53 Figura 2.28: Criterio de Áreas Iguales para un Sistema Generador – Barra Infinita ......................................................................................... 54 Figura 2.29: Diagrama unifilar del circuito a ser analizado (localización de la falla) ............................................................................................. 56 Figura 2.30: Circuito equivalente (localización de la falla) ........................................ 56 Figura 2.31: (a) Respuesta del despeje de la falla ...................................................... (b) Respuesta del despeje de la falla ........................................................................ 57 Figura 3.1: Variaciones Admisibles del Voltaje en función de la Frecuencia de Ocurrencia. ........................................................................................ 62 Figura 3.2: Sensibilidad del voltaje al cambio de 1Mvar en los nodos candidatos ...................................................................................................... 67 Figura 3.3: Curva Típica de Potencia hora-hora de un Parque Eólico en función de la velocidad del viento ......................................................................... 71 Figura 3.4: Curva Típica de Demanda hora-hora del Sistema Eléctrico Ecuatoriano................................................................................... 71 Figura 3.5: Demanda equilibrante incorporada en la S/E Zhoray ............................. 76 Figura 4.1: Requerimientos de Amortiguamiento. .................................................... 90 xi.

(13) Figura 4.2: Valores Propios Demanda Mínima ......................................................... 93 Figura 4.3: Valores Propios Demanda Media ........................................................... 97 Figura 4.4: Valores Propios Demanda Máxima ...................................................... 100 Figura 4.5: Valores Propios Min, Med y Max Demanda. ........................................ 104 Figura 5.1: Respuesta Dinámica del generador G_EQEMELNORTE_TUL. ...................................................................................... 110 Figura 5.2: Respuesta Dinámica del generador G_EMAAP_RECUPERADORA ............................................................................... 111 Figura 5.3: Respuesta Dinámica del generador G_U1_SAN FCO ..................................................................................................... 112 Figura 5.4: Respuesta Dinámica del generador G_EQUEMELNORTE_IBA ...................................................................................... 114 Figura 5.5: Respuesta Dinámica del generador G_MULALO ............................................................................................................. 115 Figura 5.6: Respuesta Dinámica del generador G_PASOCHOA ....................................................................................................... 116 Figura 5.7: Respuesta Dinámica del generador G_EQEERSA_LOJ. ................................................................................................. 118 Figura 5.8: Respuesta Dinámica del generador G_MULALO ............................................................................................................. 119 Figura 5.9: Respuesta Dinámica del generador G_U1_SAN FCO ..................................................................................................... 120. xii.

(14) Lista de Tablas Tabla 1.1: Estaciones Meteorológicas con registro de velocidad superior a 2.5m/s [1]. ................................................................................................... 5 Tabla 1.2: Lugares con Potencial Eólico [1]. ............................................................. 6 Tabla 1.3: Proyectos Eólicos impulsados por el Gobierno Nacional [3]. ..................... 7 Tabla 3.1: Lugares con posible Potencial Eólico en función de la disponibilidad de viento [1] [2] [4]. ............................................................................. 59 Tabla 3.2: Generación Eólica por Sitio y Región en Base al Índice de Fluctuación de Voltaje del 5 % ................................................................... 65 Tabla 3.3: Generación Eólica por Sitio en Base al Índice de Fluctuación de Voltaje del 5 % ................................................................... 66 Tabla 3.4: Generación Eólica a incorporar en la red ................................................. 73 Tabla 3.5: Generación Eólica definitiva a ser incorporar en la red............................ 74 Tabla 3.6: Generación Térmica antes y después de incorporar la Generación Eólica – Min Dem [17]. ........................................................................... 75 Tabla 3.7: Comparación de los valores de voltaje fuera de los límites permitidos luego de incorporar la Generación Eólica ..................................... 76 Tabla3.8: Comparación de sobrecargas luego de incorporar la Generación Eólica ..................................................................................................... 77 Tabla 3.9: Comparación del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Eólicos ............................................................................. 78 Tabla 3.10: Generación Térmica previa a incorporar la Generación Eólica – Med. Demanda [17]. ................................................................. 79 Tabla 3.11: Comparación de los valores de voltaje fuera de los límites permitidos luego de incorporar la Generación Eólica ..................................... 80 Tabla 3.12: Comparación de sobrecargas luego de incorporar la Generación Eólica ..................................................................................................... 81 Tabla 3.13: Comparación del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Eólicas ......................................... 82 Tabla 3.14: Generación Eólica a incorporar – Max. Demanda. ................................ 83 xiii.

(15) Tabla 3.15: Generación Térmica previa a incorporar la Generación Eólica – Max. Demanda [17]. ................................................................. 84 Tabla 3.16: Comparación valores de voltaje fuera de los límites permitidos luego de incorporar la Generación Eólica ..................................... 86 Tabla 3.17: Comparación de sobrecargas luego de incorporar la Generación Eólica ................................................................................ 86 Tabla 3.18: Comparación del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Eólicas ........................................ 87 Tabla 4.1: Generación Eólica a ser implementada en el S.N.I.................................. 91 Tabla 4.2: Generación Eólica a ser implementada en el S.N.I. (Max Demanda)......................................................................................................... 91 Tabla 4.3: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio ............................ 92 Tabla 4.4: Modos Poco Amortiguados Demanda Mínima, Sistema Original. ....................................................................................................... 94 Tabla 4.5: Modos Poco Amortiguados Demanda Mínima, Con Parques Eólicos ................................................................................................. 94 Tabla 4.6: Modos Poco Amortiguados Demanda Mínima, Con Gen. Convencional. ........................................................................................... 95 Tabla 4.7: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio Dem. Media .................................................................................................. 96 Tabla 4.8: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Sistema Original. ....................................................................................................... 97 Tabla 4.9: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Con Parques Eólicos. ................................................................................................ 98 Tabla 4.10: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Con Gen. Convencional. ........................................................................................... 98 Tabla 4.11: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio Dem. Máxima ............................................................................................................ 99 Tabla 4.12: Modos Poco Amortiguados Demanda Máxima, Sistema Original ...................................................................................................... 100 Tabla 4.13: Modos Poco Amortiguados Demanda Máxima, Con Parques Eólicos. .............................................................................................. 101 xiv.

(16) Tabla 4.14: Modos Poco Amortiguados Demanda Máxima, Con Gen. Convencional. ......................................................................................... 102 Tabla 4.15: Modos Poco Amortiguados Mínima Demanda. .................................... 104 Tabla 4.16: Modos Poco Amortiguados Media Demanda. ...................................... 104 Tabla 4.17: Modos Poco Amortiguados Máxima Demanda. ................................... 105 Tabla 5.1: Eventos de simulación para Análisis de Estabilidad Transitoria ............................................................................................. 106 Tabla 5.2: Generación Eólica a ser implementada en el S.N.I................................ 107 Tabla 5.3: Generación Eólica a ser implementada en el S.N.I . (Max Demanda)....................................................................................................... 108 Tabla 5.4: Línea y Generadores referenciales para Análisis Transitorio .................................................................................................. 109 Tabla 5.5: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio .......................... 109 Tabla 5.6: Línea y Generadores referenci ales para Análisis Transitorio ............... 113 Tabla 5.7: Línea y Generadores referenciales para Análisis Transitorio ................ 113 Tabla 5.8: Línea y Generadores referenciales para Análisis Transitorio ................ 117 Tabla 5.9: Línea y Generadores referenciales para Análisis Transitorio ................ 117. xv.

(17) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Organismos gubernamentales han realizado estudios del potencial eólico en el país. En estos estudios se ha determinado sitios candidatos con un alto potencial eólico para fines energéticos. El incremento de este tipo de generación puede modificar ciertos parámetros del sistema como la calidad del suministro, niveles de voltaje, niveles de cortocircuito, topología de la red, etc. Estos cambios pueden ser más representativos en aquellas zonas en las que se tiene un soporte de voltaje débil, o en aquellas zonas que se encuentran aisladas del resto del sistema. Por tal razón es necesario un estudio detallado de los efectos producidos por este tipo de generación de energía en la red, con fines de determinar la máxima potencia de generación eólica permitida en el sistema eléctrico ecuatoriano. El presente estudio se ha enfocado en los Escenarios de Mínima, Media, y Máxima Demanda del sistema eléctrico ecuatoriano, considerando como base los despachos económicos realizados en el presente año (2013). En el estudio se considera la inyección de potencia proveniente de la generación eólica sobre las subestaciones candidatas del sistema nacional interconectado, contemplando que en lo posible la potencia aportada tiene factor de potencia 1 su, esto es, sólo aporta potencia activa al sistema y por ello los impactos estudiados sobre la red de transmisión son los menores que podrían preverse. Todos los sistemas internos de los parques eólicos como: el sistema de recolección de la energía producida en los aerogeneradores, el sistema de transporte de esta energía hacia la subestación del sistema nacional interconectado; no son objeto del presente estudio. Estos sistemas internos de los parques eólicos deberán ser analizados en los estudios de pre-operatividad, que podrían tomar como referencia las máximas capacidades determinadas en el presente estudio. 1.

(18) 1.1 Justificación del proyecto El crecimiento de la demanda energética y la búsqueda imperiosa de fuentes de energías limpias y amigables con el medio ambiente han dado lugar al desarrollo de fuentes de energía limpia entre las cuales se encuentra la energía eólica, la cual ha tenido un gran crecimiento en los últimos años al punto de tener el país sitios ya establecidos como candidatos para desarrollar proyectos de explotación de este tipo de energías. Algunos de estos proyectos se encuentran en estudios preliminares mientras que otros ya se encuentran en etapa de ejecución. Inicialmente al ser muy pequeña la generación eólica no influye de una manera notoria en la operación del sistema eléctrico, sin embargo cuando este es de una magnitud considerable ya empieza a producir efectos notorios en los parámetros eléctricos de operación normal del Sistema Nacional Interconectado. Muchos aspectos son afectados por la inclusión de generación eólica entre los cuales se encuentran: la calidad del servicio eléctrico, la. seguridad,. el reparto. de la. generación, la regulación del mercado, etc. Estos aspectos deben ser analizados para poder determinar la máxima capacidad de generación que el sistema puede soportar sin alterar su comportamiento normal. Es por estas razones que se ha desarrollado el presente proyecto con el objetivo de definir los parámetros necesarios para que la inclusión de los parques eólicos en el país no afecte a la operación normal del sistema tanto en estado estable como en estado dinámico. Este análisis tomara en cuenta todos los aspectos que pueden sufrir un cambio por la inclusión de los parques eólicos en el sistema eléctrico nacional, de tal manera que todos estos se mantengan dentro de los parámetros recomendados para una operación normal del sistema.. 2.

(19) 1.2. Objetivos. 1.2.1 Objetivo General Determinar la capacidad total máxima de generación eólica que puede ser instalada y operada en las zonas del S.N.I (Sistema Nacional Interconectado) de manera que se preserve en lo posible la calidad del servicio, la seguridad de la operación del sistema y la estabilidad en pequeña señal y transitoria del mismo.. 1.2.2 Objetivos Específicos ·. Determinar la máxima potencia que podrían admitir los sitios candidatos desde el punto de vista técnico, sobre la base del Índice de Fluctuación de Voltaje y de un Grado de Penetración.. ·. Determinar el impacto que tiene la inclusión de fuentes de energía eólica en la operación normal del sistema eléctrico ecuatoriano.. ·. Analizar el comportamiento en estado estable y dinámico del Sistema Eléctrico Ecuatoriano, mediante los métodos utilizados en sistemas con generación convencional.. ·. Estudiar la estabilidad de pequeña señal y transitoria del sistema nacional interconectado con la inclusión de parques eólicos conectados a la red.. 1.3 Alcance En el presente proyecto se realizara un análisis del sistema eléctrico ecuatoriano antes y después de la inclusión de parques eólicos, con el objetivo de determinar la máxima capacidad de generación eólica que el sistema puede soportar según los índices de fluctuación de voltaje y el grado de penetración en el sistema. En el proyecto se realizará un análisis del impacto que puedan tener los parques eólicos en la operación normal del sistema eléctrico ecuatoriano, analizando 3.

(20) parámetros como la calidad del servicio, los efectos en el sistema y la estabilidad de pequeña señal y transitoria del sistema nacional interconectado. Siendo este último el principal análisis a realizarse en el presente proyecto. Se realizará simulaciones en estado estable y dinámico con el objetivo de determinar el comportamiento del sistema e identificar posibles anomalías en la operación normal en diferentes puntos de operación. Se realizará un análisis para determinar el efecto de la inclusión de parques eólicos en la estabilidad de ángulo del sistema. Para lo cual se utilizará la metodología utilizada para el análisis de estabilidad con generación convencional.. 1.4 Antecedentes 1.4.1 Potencial Eólico en el Ecuador. El Ecuador al encontrarse en. el centro de la tierra goza de condiciones. climatológicas privilegiadas que le permiten tener una amplia y muy variada biodiversidad. Sin embargo no todos los recursos son abundantes, el recurso eólico por ejemplo es escaso en esta parte del planeta. Pero gracias a ciertas condiciones geográficas como la cordillera de los andes y la cercanía de la misma al océano han permitido que en el Ecuador se pueda determinar algunos lugares con un potencial eólico aceptable, ya que cuentan con una velocidad del viento entre media y alta, lo cual permitiría la utilización de los mismos para fines de generación energética. Hace pocos años atrás no se contaba con un mapa general que permita determinar con exactitud el potencial eólico de una zona determinada. Sin embargo para la fecha se ha podido determinar sitios candidatos para una posible explotación de energía eólica mediante métodos no muy exactos y basados en criterios de expertos en este tipo de generación. El extinto INECEL en su publicación “Estudio del Potencial Solar y Eólico del Ecuador” realiza un breve análisis de la información registrada en ciertas estaciones. 4.

(21) meteorológicas del INAMHI. Este estudio determino el escaso número de estaciones con un promedio de 5 por cada 10000km2 [1] [2]. El estudio determino que de 154 estaciones en las cuales se realizaron las mediciones, únicamente 36 registraban velocidades superiores a 2.5m/s, las cuales se presentan en la Tabla 1.1. PROVINCIA Carchi. Imbabura. Pichincha. Cotopaxi Tungurahua Chimborazo Cañar Azuay. Loja. Esmeraldas Manabí Guayas. Galápagos. NOMBRE DE LA ESTACIÓN Tulcán El Ángel San Gabriel Atuntaqui Lita Inguincho Otavalo Olmedo Tabacundo San Antonio Conocoto Palo Quemado Machachi Cotopaxi Patate Guamote Pachama Tixán Chunchi Cañar El Labrado Minas de Huascachaca Saraguro La Toma Cotacocha Gonzanamá Cariamanga Las Palmas La Propicia Pedernales Boyacá Guayaquil AP Inocar Salinas El Progreso Seymour Puerto Baquerizo. VELOCIDAD DEL VIENTO [m/s] 2,70 6,50 2,86 2,90 2,88 2,90 2,56 5,03 4,06 3,30 3,86 2,90 6,56 8,10 3,76 4,20 3,50 3,43 4,53 3,00 3,70 4,60 3,70 3,30 3,00 2,53 3,86 3,19 3,33 3,26 3,50 2,60 3,36 2,50 5,10 3,00. Tabla 1.1: Estaciones Meteorológicas con registro de velocidad superior a 2.5m/s [1].. 5.

(22) Sin embargo esta información es muy inexacta debido a que se realizaron únicamente dos mediciones en el día, lo cual es muy poco para determinar el verdadero potencial eólico del Ecuador, sin embargo al ser este el único análisis existente, se tomó como referencia para la determinación de lugares con posible potencial energético. Según este análisis se determinó sitios con un potencial eólico interesante, que presentaban vientos entre medio y fuertes, pero sobre todo constantes. Estos sitios se muestran en la Tabla 1.2. PROVINCIA Carchi Imbabura Pichincha Cotopaxi Chimborazo Bolívar Azuay. Loja. LOCALIDAD El Ángel Salinas Machachi Malchinguí Páramo Grande Minitrac Tigua Chimborazo Tixán Altar Salinas Simiatug Huascachaca Saraguro El Tablón Manú Villonaco Membrillo Chinchas. Tabla 1.2: Lugares con Potencial Eólico [1].. El primer parque eólico en Ecuador, San Cristóbal, se encuentra ubicado en el Archipiélago de Galápagos, en operación desde Octubre de 2007 con una potencia instalada de 2,4 MW y consta de 3 aerogeneradores. El primer parque eólico en el Ecuador continental es el Villonaco en la provincia de Loja cuya primera fase entró en operación a principios del 2013, este proyecto tiene una capacidad de 16,5MW. 6.

(23) Los proyectos con potencial eólico viables para generación eléctrica, impulsados por el Gobierno Nacional, se presentan a continuación en la Tabla 1.3 [3]. LOCALIDAD Villonaco Huascachaca Membrillo Las Chinchas Salinas García Moreno San Cristóbal Baltra-Santa Cruz. PROVINCIA Loja Azuay-Loja Loja Loja Imbabura Carchi Galápagos Galápagos. POTENCIA ESTIMADA 16.5MW 50MW 60MW 51MW 40MW 10-15MW 2.4MW 2.25MW. Tabla 1.3: Proyectos Eólicos impulsados por el Gobierno Nacional [3].. Como se mencionó anteriormente el proyecto eólico Villonaco (16.5 MW), ubicado cerca de la ciudad de Loja ya se encuentra en funcionamiento en su primera fase a la fecha del presente análisis. Se tiene previsto continuar con los estudios del resto de proyectos eólicos antes detallados.. 1.4.2 Mapa Eólico del Ecuador con fines de Generación Energética. A la fecha del presente análisis se presentó por parte del Ministerio de Electricidad y Energías Renovables, el Atlas Eólico del Ecuador con fines de Generación energética (Figura 1.1) [4]. En este documento se realizó un análisis de las velocidades del viento en todo el país. Con este documento se logró determinar los puntos en los cuales se centrará el presente análisis, especialmente en la región interandina por presentar vientos con velocidades altas y subestaciones cercanas con barras fuertes para poder inyectar la energía generada por los parques eólicos en el S. N. I.. 7.

(24) Figura 1.1: Atlas Eólico del Ecuador [4].. El Atlas Eólico del Ecuador permite observar la distribución del recurso eólico sobre todo el territorio. Como se mencionó anteriormente el Ecuador no es muy rico en 8.

(25) vientos debido principalmente a que los vientos que llegan a esta parte del planeta son provenientes del Este, es decir, los vientos antes de llegar al Ecuador deben atravesar prácticamente todo el continente perdiendo velocidad en todo este trayecto. A pesar de la poca velocidad que tienen los vientos al llegar al territorio ecuatoriano, estos se aceleran de una manera significativa en la región interandina debido a que la orografía de esta parte del país hace que los vientos se compriman y eleven su velocidad en un ejemplo claro del efecto de Venturi. Sin embargo esta región tiene una desventaja en relación a las otras regiones del país, esta desventaja es la altura sobre el nivel del mar a la que se encuentran los posibles lugares con potencial eólico. Esta altura hace que la densidad del aire disminuya, lo cual repercute en la generación de energía que podrían tener los aerogeneradores, ya que esta generación es directamente proporcional a la densidad del aire como se muestra en la siguiente ecuación: ࡼ࢝ ൌ Siendo:. ૚ ࢉ ࣋࡭࢜૜࢝ ૛ ࢖. cp : Coeficiente de potencia [ൎ ͲǤͷͻ] ρ : Densidad del aire [kg/m3]. A : Área de barrido de las palas [m2] ࢜ : Velocidad del viento [m/s]. Para la elaboración del Atlas Eólico del Ecuador se tomó además de esta consideración otras relacionadas con la forma de estimación del potencial eólico como los factores de disponibilidad, factores de planta, densidad del aire, etc. Bajo estas consideraciones el estudio presenta un estimado total de 1670MW de Potencial Disponible Bruto, y un Potencial Factible a Corto Plazo de 884MW. La estimación del Potencial Disponible Bruto y el Potencial Factible a Corto Plazo que tendría el territorio ecuatoriano se presentan en el Anexo 1. 9.

(26) CAPITULO 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 Tecnologías de Aerogeneradores. En la actualidad se tiene diversos programas orientados a la investigación y el desarrollo de modernos tipos de aerogeneradores con mejores características técnicas y de mayor potencia. El desarrollo de este tipo de tecnologías ha permitido tener generadores eólicos más sofisticados, que no afectan de manera negativa al sistema debido a la incertidumbre de la velocidad del viento, y que han logrado minimizar los efectos eléctricos que se producen como son las fluctuaciones de potencia. Las tecnologías de aerogeneradores se las puede clasificar en dos grupos importantes que son los aerogeneradores de velocidad fija y los aerogeneradores de velocidad variable [5]. Los aerogeneradores de velocidad fija son utilizados conectados directamente a la red, mientas que los de velocidad variable se conectan a la red mediante un sistema de convertidores electrónicos basados en electrónica de potencia. Cada una de estas tecnologías tiene aspectos tanto técnicos como económicos que le dan ciertas ventajas y desventajas cuando se las compara entre sí. Estos aspectos serán analizados en el presente capitulo A continuación se realiza una descripción de las características más importantes de las diversas tecnologías de aerogeneradores que actualmente se encuentran en el mercado,. haciendo. hincapié. en. aquellas. tecnologías. más. implementadas. actualmente y que podrían utilizarse en los parques eólicos utilizados en este estudio.. 10.

(27) Según estas tecnologías se puede resumir las opciones de control para los aerogeneradores de la siguiente manera. 1. Control de velocidad, con aerogeneradores: A velocidad constante (fixed speed); A velocidad variable con un rango limitado; A velocidad variable con un rango amplio; 2. Control de la potencia reactiva intercambiada con el sistema; 3. Control de la potencia activa Por pérdida aerodinámica con las palas fijas ("stall controlled") Con ajustes en el ángulo de paso de las palas (“Pitch Controlled”) 4. Mecanismo de control de orientación del aerogenerador (“Yaw Control”) (aerogeneradores pequeños) [6].. 2.1.1 Generador de inducción de Velocidad Constante. Este tipo de aerogenerador fue el primero que se empezó a fabricar por lo cual fue el más utilizado hace pocos años atrás. Este aerogenerador incluía un rotor controlado por pérdidas aerodinámicas y paso de palas fijo. Esta tecnología utiliza una máquina del tipo asíncrona con rotor en jaula de ardilla, por lo cual el rango de variación de la velocidad es casi nulo (inferior del 2% de la velocidad nominal). Los generadores empleados en esta tecnología constan de 4 y 8 polos por lo que funcionan a velocidades de 1800 y 900 rpm. Mientras que las hélices de los aerogeneradores tienen una velocidad de giro de entre 10 y 35 rpm. Por esta razón es necesario el uso de una caja multiplicadora que enlace la baja velocidad producida por las hélices del aerogenerador con las altas velocidades a las que requiere trabajar el generador eléctrico.. 11.

(28) Esta tecnología además requiere de un aporte de reactivos a través de la red para mantener el acople magnético entre el rotor y el estator, si la red no está en capacidad de aportar estos reactivos, se debe instalar bancos de capacitores o algún dispositivo electrónico que realicen esta función. Esta tecnología es la que más presenta problemas al sistema debido a su rango muy limitado de variación de la velocidad. Esto produce que las variaciones del viento se traduzcan directamente en variaciones de potencia activa y reactiva, por lo que requiere. de. otras. centrales. convencionales. para. garantizar. el. correcto. funcionamiento cuando se encuentra conectado a la red [5] [6] [7]. Los principales componentes en un aerogenerador de inducción se muestran en la Figura 2.1:. Figura 2.1: Componentes y disposición en un aerogenerador de inducción (SCIG). Principales Ventajas ² Tecnología simple y conocida, relativamente económica por su producción en masa. ² No se requiere ninguna conexión eléctrica entre el rotor y el sistema fijo: la potencia mecánica del rotor se transfiere al estator, por medio del fenómeno del campo magnético. Principales desventajas Ø Las variaciones de la velocidad del viento se transmiten directamente a la cupla electromecánica. Esto produce fatigas y tensiones mecánicas en el 12.

(29) sistema (las palas de la turbina, el multiplicador y el generador) produciendo oscilaciones entre la turbina y el árbol del generador. Adicionalmente no son amortiguados los efectos torsionales de las palas debido a las variaciones de la velocidad, lo cual produce un parpadeo (“flicker”) con valores relativamente significativos. Ø No se puede realizar ningún proceso de optimización aerodinámica, puesto que la velocidad de la turbina no se puede ajustar a la velocidad del viento. El porcentaje más alto de energía cinética que puede extraer una turbina del viento es 59 % (por el límite de Betz). El valor real de este porcentaje es llamado coeficiente de desempeño Cp y depende del diseño de la turbina y de la relación entre la velocidad de rotación de la turbina y la velocidad del viento. Por cada velocidad del viento, existe una velocidad de la turbina que produce un Cp más alto. El alcance de esta velocidad óptima no se puede lograr de manera continua en este tipo de aerogeneradores. Ø Esta tecnología requiere de una caja de engranajes (multiplicadora) que enlace el eje de baja velocidad en el lado de la turbina con el lado de alta velocidad del generador. Ø Este tipo de aerogenerador no proporciona un soporte de voltaje a la red, ya que este se presenta a la red como una carga inductiva, cuyo valor no puede ser controlado. Esta característica hace que este tipo de generador requiera de potencia reactiva suministrada por la red, o a su vez por otros dispositivos como bancos de capacitores o elementos electrónicos [6].. 2.1.2 Generador de inducción doblemente alimentado. Los aerogeneradores de velocidad variable se están convirtiendo en los más utilizados, debido a las múltiples ventajas que presentan en relación la tecnología mencionada anteriormente (Generador de Inducción).. 13.

(30) En este tipo de aerogenerador el estator se encuentra constituido de la misma manera que en el caso anterior (generador de inducción), sin embargo el rotor en este caso ya no es de jaula de ardilla, este está conformado por tres arrollamientos que se conectan al sistema de potencia a través de un convertidor electrónico tipo IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”). La potencia que pasa por los convertidores de potencia es una fracción de la potencia nominal, lo cual provoca que las pérdidas en el convertidor sean reducidas además de que lo hace más económico en relación a un Generador síncrono con impulso directo [5] [6] [7]. La Figura 2.2 muestra el esquema de este aerogenerador.. 3Figura 2.2: Componentes y disposición en un aerogenerador de inducción doblemente alimentado (DFIG).. La potencia del estator es (aparte de las pérdidas) igual a la potencia del entrehierro Pd. Por lo tanto según la expresión de la potencia del rotor se puede deducir que el rango para el deslizamiento es de ± 0.3 pu. De esta manera la velocidad puede variar en un rango comprendido entre el 70 % de la velocidad síncrona hasta el 130%. Para turbinas con tamaños superiores a 1 MW este tipo de aerogenerador es el más difundido a nivel mundial.. 14.

(31) Principales Ventajas Ø La velocidad puede ser variable dentro de un rango relativamente suficiente y aceptable. Ø Permiten tener un control independiente de la potencia activa y reactiva que se entrega al sistema. Ø Se puede ajustar la velocidad del rotor en función de la velocidad del viento, con lo cual se puede lograr que la eficiencia aerodinámica sea la óptima. Ø Se puede disponer de cierto apoyo de voltaje hacia la red, gracias al control de las corrientes del rotor por parte del convertidor que permite controlar la potencia reactiva. Ø Se puede controlar el flujo de potencia entre el rotor y el estator, por lo tanto se puede hacer que la maquina trabaje con su máximo rendimiento. Principales Desventajas Ø Esta tecnología también necesita una caja multiplicadora entre el eje de la turbina y el eje del generador. Ø Se requiere una conexión eléctrica entre un sistema giratorio y uno fijo para el control de potencia en el rotor por medio del convertidor. Tal conexión se efectúa por medio de las escobillas de carbono (parte fija) que se ponen en contacto sobre los anillos del colector (parte giratoria). Estas escobillas requieren un frecuente mantenimiento, ellas son una causa potencial de fallas de la máquina y aumentan las pérdidas eléctricas. Ø El convertidor electrónico de potencia es muy sensible a las sobre corrientes, por lo que se le puede considerar un elemento frágil. Para la protección de este dispositivo contra las sobre corrientes se ha diseñado un (by-pass) que desvía estas sobre corrientes por medio de una barra de cortocircuito llamada “crowbar”. Este (by-pass) permite poner en cortocircuito el arrollamiento 15.

(32) trifásico del rotor, permitiendo de esta manera que el generador actúe como uno de jaula de ardilla. Ø Se necesitan modelos dinámicos detallados y un buen conocimiento de los parámetros de la máquina para poder determinar la velocidad que esta presentará, además del efecto que tendrá el aerogenerador en la red externa [6].. 2.1.3 Generador Síncrono con Impulso Directo (Direct-drive o Full Converter). La configuración básica de este tipo de aerogenerador consiste en una maquina sincrónica multipolos conectada a la red a través de un convertidor electrónico. Este sistema es llamado de transmisión directa debido a la eliminación de la caja multiplicadora. Toda la potencia generada tiene que pasar por el convertidor por lo cual este debe ser de un gran capacidad de potencia [5] [6] La disposición de los principales componentes en un aerogenerador síncrono impulsado directamente se muestra en Figura 2.34Figura 2... 4Figura 2.3: Componentes y disposición en un aerogenerador síncrono impulsado directamente (SG). Principales ventajas Ø Una de las principales ventajas es que en este tipo de aerogenerador ya se elimina la caja de engranajes (multiplicadora), lo cual es bastante beneficioso 16.

(33) no solo en el campo económico, sino también en el aspecto técnico ya que este genera ruido, necesita un mantenimiento frecuente y también es una fuente de posibles fallas mecánicas. Ø Esta tecnología cuenta con un convertidor electrónico para toda la potencia generada por el aerogenerador, lo cual permite el control total de la potencia activa y reactiva suministrada a la red ya sea en condiciones normales de uso o en condiciones perturbadas. Ø Mantiene constante el par electromagnético por lo que las fluctuaciones del viento son absorbidas por la velocidad del rotor. Ø Mejora la eficiencia aerodinámica, lo cual permite aprovechar de mejor manera la energía del viento. Ø Reduce las tensiones mecánicas en la turbina. Principales desventajas Ø El convertidor electrónico es de gran potencia lo cual requiere de elementos electrónicos que aparte de necesitar una buena disipación de calor, económicamente son muy costosos, lo cual hacen a los convertidores de potencia equipos con un costo económico bastante considerable. Ø Las pérdidas de potencia en el convertidor electrónico es la mayor de todos los casos mencionados (entre un 2 y 3% dependiendo de la potencia transmitida) Ø Este tipo de aerogenerador tiene un diseño diferente al resto, esta máquina debe proporcionar una cupla eléctrica alta a las más bajas velocidades. Por ello requiere de un rotor con un diámetro bastante grande (por ej. casi 8 m para la turbina Enercon E-112 Direct – Drive de 4.5 MW) [6].. 17.

(34) 2.2. Implementación del Modelo de Parque Eólico. 2.2.1 Representación de los parques con red equivalente El modelado del Parque Eólico constituye la representación del parque dentro de un programa computacional, que permite realizar las simulaciones necesarias para la determinación de los diversos parámetros que son objeto de este estudio. Las evaluaciones de operación de los Parques Eólicos dentro de todo el Sistema Nacional Interconectado (S.N.I), se han realizado considerando las inyecciones de potencia de estos Parques Eólicos en cada una de las S/S candidatas dentro del S.N.I. [6]. El primer modelo estudiado a continuación es aquella representación mediante una red equivalente que aporta la inyección de potencia activa necesaria con intercambio nulo de potencia reactiva, además de que esta red equivalente no contribuye a los niveles de cortocircuito y no presenta una inercia que modifique la inercia de todo el S.N.I. [5] [6]. Para estudios de flujos de carga este modelo fue el más utilizado antes de que el programa computacional DigSILENT Power Factory presente dentro de sus librerías un modelo de generador eólico, el cual representa de mejor manera a este tipo de generadores. La Figura 2.4 ilustra el parque eólico Membrillo representada por una red equivalente y conectada a la Subestación Loja 138kV.. 18.

(35) MEMBRILLO. 142,847 1,035 -34,251. -12,22 8,92 18,39. 19,00 .. -0,00 .. 1,00. Loja 138 31,22 -8,92 32,48 48,76 3. T_ATQ_LOJ -31,16-4 10,14 32,77 48,76. 31,75 3,78. 13,60 2,30 68,97. Loja 69 13,01 0,82. 70,250 1,018 -36,110. -0,00 -12,44 1. C_Cue_Sin_Azogues. C_Loj_Loja1. X_C_Loja. G ~ G_EQEERSSA_LOJ. C_Loj_Loja2. 5Figura 2.4: Representación con red equivalente del Parque Eólico Membrillo conectado a la subestación Loja 138kV. 2.2.2 Implementación del generador de inducción doblemente alimentado (DFIG). De la misma manera con la finalidad de observar el funcionamiento de cada tipo de generador eólico, se ha implementado una base de datos de los modelos digitales de cada tipo de aerogeneradores, cada uno con las características propias de cada tecnología implementada en cada aerogenerador. El modelo DFIG (Doubly Fed Induction Generator) es muy utilizado en los parques eólicos que se operan en la actualidad, porque permiten una operación constante tanto en voltaje como en frecuencia. Las características de este tipo de aerogenerador fueron revisados en anteriores temas tratados en este capítulo. A diferencia de las centrales de generación convencionales, los parques eólicos constan de un gran número de generadores eólicos pequeños interconectados entre sí. Por lo tanto para este tipo de modelación representar cada uno de estos generadores eólicos pequeños resultaría contraproducente en cuanto a los tiempos 19.

(36) de cálculo en el momento que se pretenda realizar simulaciones dinámicas. Por tal motivo el modelado del parque eólico se realiza mediante un solo generador que represente la potencia combinada de todos los aerogeneradores pequeños interconectados. El modelo DFIG consiste en una máquina de inducción y un convertidor electrónico con dos terminales, uno conectado a la red externa y otro conectado al motor del generador. Para la conexión a la red externa este modelo utiliza un transformador elevador tridevanado. El modelo indicado a continuación es del tipo motor de inducción doblemente alimentado (llamado “Doubly-fed induction generator” DFIG) el cual está disponible en la librería de modelos estándar del Power Factory, un esquema se muestra en la Figura 2.5: Convertidor de Frecuencia. Red. Reductor. 6Figura 2.5: Esquema simplificado representando el generador eólico doblemente alimentado DFIG. Un esquema más conceptual del modelo es el siguiente reportado en la Figura 2.6:. 20.

(37) 7Figura 2.6: Esquema a bloques de los principales componentes en el modelo del generador DFIG para Power Factory. El bloque denominado Movimiento Primario representa la conversión de energía que proviene del viento en energía mecánica que impulsa el generador de inducción. Este representa de manera conjunta los siguientes elementos: “sintonizador” del ángulo del rotor de la turbina, el eje y la caja de engranajes (multiplicador). El estator del DFIG está directamente conectado a la red en AC, los anillos de deslizamiento del rotor están alimentados por convertidores del tipo PWM self-commutated. Estos convertidores permiten controlar la potencia activa y reactiva ya que permite controlar el voltaje que llega al rotor tanto en magnitud como en ángulo [8] [9]. El sistema de control de la potencia activa y reactiva se lo realiza a través del convertidor que se encuentra conectado al rotor. Este sistema de control incluye los límites máximos de potencia, las medidas de corrientes y de potencias y los controles PQ y de corriente. Este modelo también cuenta con un sistema de protecciones de voltajes, de velocidad de la turbina y de la corriente del rotor (crow bar protection). Si bien es cierto que este sistema de protecciones no se representa en la Figura 2.6, este es 21.

(38) muy importante cuando se realice modelados con bloques en DSL (DIgSilent Simulation Language). La Figura 2.7 representa el parque eólico Villonaco modelado mediante un modelo tipo DFIG. Nótese que la potencia generada por todo el parque es representada mediante un solo modelo, es decir, a pesar de que este parque costa de varios aerogeneradores interconectados, en este tipo de modelación toda la capacidad del parque es representado por un solo modelo de aerogenerador.. External Grid. 16.92 -1.73 91.47. Terminal. 20.07 1.00 0.57. -16.85.. 1.85 Mvar -0.99. -16.92 1.73 359.01. 0.40 1.01 2.64. Terminal(4) 18.00 1.80 198.19. 16.85 -1.76 16.95. 0.40 1.00 0.00. 1.08 2.85 61.01. Series Re... Terminal(3). -1.08 -2.85 359.01. G ~ Doubly-Fe.. 2.92 0.00 198.19. Terminal(5). -7625.97 -19064.93 0.00. -16.85 1.85 16.95. 2-Winding... 3-Winding... 18.00 1.80 359.01. 69.00 1.00 0.00. Line. Terminal(1). Terminal(2). 19.99 1.00 0.29. -16.85 1.76 91.47. -1.08 -2.85 61.01. Terminal(6) -0.00 0.00. 1.08 0.00. 0.40 1.00 0.00. -1.08 -2.85. PWM Conve... Shunt/Filter. 8Figura 2.7: Esquema unifilar del Parque Eólico Villonaco con Modelo tipo DFIG conectado a una barra infinita.. Los bloques en DSL (DigSilent Simulation Language) para este modelo de aerogenerador se muestran en la Figura 2.8. El bloque Mechanics representa la conversión de la energía cinética del viento a través de las palas en energía rotacional en el eje del generador. Este incluye el control pitch, la turbina y el eje del generador. El bloque correspondiente a la turbina del viento necesita una entrada de la velocidad del viento, la velocidad de la turbina y 22.

(39) el control de ángulo pitch. El control de Angulo de pala se lo realiza a través del control de Angulo pitch, este control regula la potencia generada con la variación del coeficiente de potencia Cp. El control de la potencia activa y reactiva se lo realiza a través de los convertidores conectados al rotor. El sistema de control incluye los bloques MPT (Maximum Power Traking), Power and Current Measurement y los controles PQ y de corrientes. El bloque de protección consta de protecciones de bajo/sobre voltajes, bajo/sobre velocidad y sobre corriente en el rotor, este sistema de protecciones es llamado crow bar protection [9] [10].. SpeedR ef ElmD s l*. Mechanics speed. Electronic beta pw. Turbine ElmD s l*. vw. Shaft ElmD s l*. speed_ref. pt. Pitch Cont.. ElmD s l*. MPT ElmMpt*. Speed-Ctrl ElmD s l*. D FIG ElmAsm*. pref_.. Pref OverFreq P.. ElmD s l* pctrl;qc trl. Fmeas. SlowFrequM.. ElmPhi*. P tot. PQ C ontrol ElmPQ*. PQ_tot StaPqmea. usr;us i ird_r... Ir_c trl *. C ompensation ElmC om. dud_s y nc h;duq_s ync h Protec tion ElmPro*. Vac _bus StaVmea*. psir_r;psi.. cosphiref;... id;iq. u;ugr... cosphiu;si... Vac _gen StaVmea*. ird;irq. udc. cosphim;si... Theta meas.. ElmPhi* Irot C urrent Meas urement *. 9Figura 2.8: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo DFIG en DigSILENT Power Factory.. 23.

(40) 2.2.3 Implementación del generador síncrono con impulso directo (SG). El aerogenerador síncrono (SG Direc-Drive) está equipado con un arrollamiento trifásico en el estator. Mientras para el rotor, se encuentran dos posibilidades: Ø un arrollamiento de rotor alimentado externamente por una fuente DC (circuito separado); Ø un rotor con imanes permanentes; La teoría necesaria para entender el funcionamiento de este tipo de generador eólico se ha desarrollado anteriormente. La Figura 2.9 muestra un esquema con los principales componentes y disposiciones del aerogenerador síncrono.. Convertidor de Frecuencia. Red. 10Figura 2.9: Principales disposiciones de un aerogenerador síncrono impulsado directamente. En la Figura 2.9 se puede observar el generador síncrono, el reactor en serie, el convertidor tanto en el lado del generador como en el lado de la red externa, los capacitores y el transformador elevador que forman el modelo de este tipo de aerogenerador. Este tipo de aerogenerador puede controlar de manera total la producción de potencia activa y reactiva, así como la amplitud y la frecuencia del voltaje independientemente de las características de la red externa. Este control total de debe a que toda la potencia producida por el aerogenerador pasa a través del convertidor electrónico de potencia antes de ser inyectada la red [8] [9]. 24.

(41) El generador está impulsado directamente por la turbina, de esta característica resulta la denominación “Direct - drive”. La Figura 2.10 muestra la implementación del Parque Eólico Salinas (Ibarra) conectado a la subestación Ibarra 138kV. Terminal(3). Terminal(2). 2 .9 9 1 .0 0 1 .4 2. 1 0.28 -2 .7 5 4 2.76. -1 0.28 2 .7 5. 7 .7 9 0 .9 7 0 .0 0. Terminal(1) 2 0.55 0 .0 0. -2 0.55 0 .0 0. 7 .7 9 0 .9 7 0 .0 0. 2 0.55 0 .0 0. -2 0.55 0 .0 0. 2 0.55 5 .8 9. Terminal(7). 2 0.55 -5 .7 1 7 8.38. 2 .9 9 1 .0 0 1 .4 2. 2 9.89 1 .0 0 0 .7 1. 1 0.28 0 .0 0. 2 0.55 5 .8 9 4 2.76. G ~. -1 0.28 2 .7 5. 0 .0 0 0 .0 0. Shunt/Filter External Grid. -2 0.51 .. 5 .9 6 Mv ar -0 .9 6. Terminal(10) 2 0.51 -5 .6 9 4 2.72. 3 .8 9 0 .9 7 0 .0 0. Synchrono... -2 0.51 5 .6 9 7 8.38. Terminal(9). Terminal(4). 6 .0 0 1 .0 0 0 .0 0. Rectifier... 2 9.93 1 .0 0 0 .8 8. Line. Terminal(8). Terminal. -1 0.28 0 .0 0 1 0.28 -2 .7 5 4 2.76. -2 0.55 5 .7 1 4 2.76. Rectifier... 3-Winding Transformer. Rectifier... Series Re... 2-Winding... 1 38 .0 0 1 .0 0 0 .0 0. -2 0.51 5 .9 6 4 2.72. 11Figura 2.10: Esquema unifilar del Parque Eólico Salinas (Ibarra) SG implementado en la S/E Ibarra 138kV. El modelo en bloques DSL del aerogenerador síncrono se muestra en la Figura 2.11. Los principales bloques DSL para el modelado de esta máquina, al igual que en el caso del aerogenerador DFIG, consta de control pitch, la turbina, el eje del generador y lo sistemas de medición. El generador síncrono tiene un AVR que provee la corriente de excitación al rotor [8] [10] [11].. 25.

(42) 0. PQ StaPqmea* 1. Pin. 0. Qin. 1. id_ref. 0. 0. PQ Control ElmDsl*. u. 2. pred Vac StaVmea*1. iq_ref. 1. 0. 1. 3. 0. u1r_i... 0. ActivePowerReduction ElmDsl. 2. ir. 0. Iac StaImea*. ii. 1. Generator ElmGen*,ElmVsc*. 2. 3 1. cosref. 0. sinref. PLL ElmPhi*1. 1. Current Controller ElmDsl*. 5. Fmeas. Fmeas. 2. 4. u1i_i... Slow PLL ElmPhi*. 6 7. 12Figura 2.11: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo SG en DigSILENT Power Factory.. 2.3 Estabilidad de Sistemas Eléctricos. La estabilidad de un sistema eléctrico de potencia se define como la capacidad de dicho sistema para recuperar su estado original de equilibrio operacional luego de sufrir una perturbación física, manteniendo las variables del sistema dentro de los límites establecidos. El fenómeno de inestabilidad puede ser producido por diversas causas como: pérdida de un generador, pérdida de carga o el cortocircuito en una línea de transmisión, lo cual produce oscilaciones de potencia que modifican los parámetros de operación del sistema [12] [13]. El sistema eléctrico de potencia debe tener la capacidad de soportar los fenómenos de inestabilidad que producen oscilaciones de potencia mediante sus sistemas de control y protección.. 26.

(43) Cuando se produce un cortocircuito en una línea de transmisión el sistema de potencia debe despejar la falla mediante los relés de protección de la línea, mientras que cuando se produce una variación en la velocidad de los rotores de los generadores el sistema de potencia busca atenuar la variación de potencia producidas por este fenómeno mediante reguladores de voltaje y reguladores de velocidad del generador que forman parte del sistema de control. El sistema eléctrico de potencia al operar en un sistema altamente cambiante en sus parámetros de operación, es altamente no lineal, por lo que las ecuaciones que describen su funcionamiento dinámico son de carácter integro diferenciales. Cuando es sometido a un disturbio, la estabilidad del sistema depende de la condición de operación inicial así como de la naturaleza del disturbio. La estabilidad de un sistema eléctrico de potencia es así una característica del movimiento del sistema alrededor de un punto de equilibrio, por ejemplo: la condición inicial de operación. En un punto de equilibrio, las varias fuerzas de oposición que existen en el sistema son iguales instantáneamente (como en el caso de puntos de equilibrio) o sobre un ciclo (como en el caso de variaciones cíclicas lentas debido a continuas fluctuaciones pequeñas en cargas). El estudio de estabilidad tiene un alto grado de complejidad debido a que el sistema de potencia crece continuamente mediante interconexiones, nuevos equipos de control y protección y nuevas tecnologías dentro del sistema, esto ha permitido la aparición de diversas formas de inestabilidad, las cuales se presentan en la Figura 2.12.. 27.

(44) Clasificación de la Estabilidad en Sistemas Eléctricos. Estabilidad de Frecuencia. Estabilidad de Angulo. Corto Plazo. Estabilidad Oscilatoria (Pequeña Señal). Largo Plazo. Estabilidad Transitoria (Gran Señal). Corto Plazo. Inestabilidad no oscilatoria. Modos entre Áreas. Estabilidad de Voltaje. Estabilidad de Voltaje ante grandes Perturbaciones (Gran Señal). Estabilidad de Voltaje ante pequeñas Perturbaciones (Pequeña Señal). Corto Plazo. Largo Plazo. Inestabilidad oscilatoria. Modos Locales. Modos entre Plantas. Modos de Control. Modos de Torsión. 13Figura 2.12: Clasificación de la Estabilidad. 2.3.1 Estabilidad de Voltaje. La estabilidad de voltaje es la capacidad del sistema eléctrico de potencia de mantener los voltajes dentro de los límites establecidos en todas las barras que lo conforman, luego de haber sufrido una perturbación que modifica los parámetros iniciales de operación [12]. La inestabilidad de voltaje puede producir un incremento o disminución del voltaje en algunas barras de manera progresiva, lo cual ocasionaría una pérdida de carga en 28.