Impacto en la estabilidad de un sistema de potencia al integrar generación distribuida

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(1). IMPACTO EN LA ESTABILIDAD DE UN SISTEMA DE POTENCIA AL INTEGRAR GENERACIÓN DISTRIBUIDA. HORACIO ANTONIO TORRES RIASCOS. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA PEREIRA 2008.

(2) IMPACTO EN LA ESTABILIDAD DE UN SISTEMA DE POTENCIA AL INTEGRAR GENERACIÓN DISTRIBUIDA. HORACIO ANTONIO TORRES RIASCOS. Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista.. Director: Ph.D. Juan José Mora Flórez. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA PEREIRA 2008.

(3) Nota de aceptación. Firma del jurado. Firma del jurado. Pereira, 28 de julio de 2008.

(4) DEDICATORIA.

(5) TABLA DE CONTENIDO 1. FUENTES DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA ................................................15 1.1 TURBINAS DE GAS .......................................................................................... 15 1.2 MICROTURBINAS............................................................................................. 17 1.3 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ...................................................... 19 1.4 ENERGÍA EÓLICA............................................................................................. 21 1.4.1 Turbinas eólicas ........................................................................................... 23 1.4.2 Potencia extraída del viento ......................................................................... 24 1.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................................................. 27 1.5.1 Circuito eléctrico equivalente de una célula fotovoltaica ............................ 29 1.6 CÉLULAS DE COMBUSTIBLES ...................................................................... 32 1.7 ENERGÍA MAREOMOTRIZ ............................................................................. 35 1.7.1 Conceptos fundamentales............................................................................. 35 1.7.2 Ventajas y desventajas ................................................................................. 37 1.7.3 Centrales mareomotrices en el mundo ......................................................... 37 2 CONCEPTOS BÁSICOS DE ESTABILIDAD EN UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.......................................................................................................39 2.1 GENERACIÓN DISTRIBUIDA ......................................................................... 39 2.1.1 Conceptos y atributos de la generación distribuida. .................................... 39 2.1.2 Impacto de la generación distribuida en la operación de un sistema de potencia 40 2.2 ESTABILIDAD EN SISTEMAS DE POTENCIA ............................................. 41 2.2.1 Dinámica de los sistemas de potencia.......................................................... 41 2.2.2 Conceptos y métodos para el análisis de la estabilidad de un sistema de potencia. 42 2.3 Características y conexión de la generación distribuida con la red ..................... 47 2.3.1 Generación distribuida conectada directamente a la red.............................. 49 2.3.2 Generación distribuida indirectamente conectada a la red........................... 51 3 IMPACTO DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN LA ESTABILIDAD DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA. ...............................................................54 3.1 PROBLEMAS GENERALES ............................................................................. 54 3.1.1 Sobrecargas .................................................................................................. 54 3.1.2 Disminución del tiempo disponible para despejar una falla ........................ 55 3.1.3 Variaciones inadmisibles en la frecuencia ................................................... 57 3.1.4 Disponibilidad de datos relevantes............................................................... 58 3.1.5 Modelos dinámicos de las tecnologías en generación distribuida ............... 59 3.1.6 Efecto de los generadores asíncronos o de inducción.................................. 60 3.1.7 Convertidores conmutados por la red .......................................................... 60 3.1.8 Efecto de los generadores síncronos ............................................................ 61 3.1.9 Disparo innecesario de protecciones ............................................................ 63 3.1.10 Fallas no detectadas por las protecciones..................................................... 64 3.2 PROBLEMAS PARTICULARES ....................................................................... 65.

(6) 3.2.1 Generación por microturbinas a gas............................................................. 65 3.2.2 Generación con motores de combustión interna .......................................... 67 3.2.3 Generación eólica......................................................................................... 67 3.2.4 Generación a partir de células fotovoltaicas ................................................ 73 3.2.5 Generación a partir de células de combustible............................................. 74 4 Medidas para amortiguar los impactos de la generación distribuida sobre la estabilidad de los sistemas de potencia.................................................................75 4.1 Cuantificación de los niveles de sobrecarga debido a la integración generación distribuida......................................................................................................................... 75 4.2 Amortiguamiento de pequeñas oscilaciones del rotor ......................................... 79 4.2.1 Funcionamiento básico de un estabilizador de sistemas de potencia........... 80 4.2.2 Estabilizadores de sistemas de potencia delta-p-omega (basado en ∆Pe y 80 ∆ω ) 4.2.3 Amortiguación de grandes perturbaciones del rotor .................................... 83 4.2.4 Deslastre de carga por frecuencia ................................................................ 83 4.3 Prevención del colapso de tensiones por la inserción de generación distribuida a base de máquinas de inducción ........................................................................................ 86 4.3.1 Acciones para el control de tensiones .......................................................... 86 CONCLUSIONES ..................................................................................................90 5 BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................93.

(7) ÌNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Elementos constructivos del ciclo ranking .....................................16 Figura 1.2 Diagramas P_S y T_S del ciclo Rankine ..........................................16 Figura 1.3: Conformación de una microturbina ................................................17 Figura 1.4.Los cuatro tiempos del motor de combustión interna. ..................20 Figura 1.5 Aerogenerador de velocidad variable con banco de condensadores para compensar reactivos. ......................................................22 Figura 1.7 Eficiencia de un aerogenerador........................................................26 Figura 1.8 Efecto fotovoltaico, transforma la energía de los fotones en una diferencia de tensión en la juntura p-n ..............................................................28 Figura 1.9 Constitución básica de una célula fotovoltaica ..............................28 Figura 1.10 Circuito eléctrico equivalente de un modulo fotovoltaico ...........29 Figura 1.11 Células fotovoltaicas forman un modulo y algunos módulos forman un arreglo ................................................................................................30 Figura 1.12 Diagrama de funcionamiento de una célula de combustible .......32 Figura 2.1 Bola dentro de una superficie de inercia .........................................45 Figura 2.2 Diagrama esquemático de generación distribuida conectada directamente a la red ...........................................................................................49 Figura 2.3 Diagrama esquemático de la conexión de generación distribuida a la red a través de una caja de engranajes .........................................................50 Figura 2.4 Generación distribuida indirectamente conectada a la red. ..........51 Figura 2.5 Generación distribuida indirectamente conectada a la red. ..........52 Figura 2.6 Generador de inducción con convertidor en el rotor .....................53 Figura 3.1 Curva p-v para un nodo hipotético...................................................62 Figura 3.2 disparo innecesario del relé 1, en caso de una falla en el alimentador 2........................................................................................................63 Figura 3.3 la generación distribuida previene la correcta operación de la protección del alimentador. ................................................................................65 Figura 3.4 impacto de la temperatura ambiente en una microturbina ............66 Figura 3.5 Hueco de tensión ...............................................................................68 Figura 3.6 Generador asíncrono directamente conectado a la red .................69 Figura 3.7 Crowbar activo, formado por diodos y un IGBT..............................70 Figura 3.8 Aerogenerador asíncrono doblemente alimentado ........................71 Figura 3.9 Aerogenerador síncrono con convertidor en el estator .................72.

(8) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Características de las microturbinas. ...............................................19 Tabla 1.2. Características de los motores de combustión interna. .................21 Tabla 1.4. Característica de parques eólicos.....................................................27 Tabla 1.5 Características de la energía solar fotovoltaica ...............................31 Tabla 1.6 Característica de central mareomotriz...............................................38.

(9) AGRADECIMIENTOS.

(10) INTRODUCCIÓN Motivación de la tesis Desde hace unas décadas, el sistema eléctrico de distribución ha sufrido algunos cambios en su configuración debido en parte a la inclusión de pequeñas unidades generadoras que son normalmente colocadas cerca a los centros de consumo. Estas unidades se han vuelto populares ya que permiten aprovechar algunos recursos disponibles con tecnologías limpias que no producen impacto ambiental negativo en comparación con la generación tradicional. Hoy en día, la mayor parte de las unidades de generación distribuida se utilizan para suplir parte de la carga en las industrias, como soporte ante posibles fallos y en menor medida para suplir pequeñas poblaciones aisladas. Aunque las ventajas de la generación distribuida son grandes, aún no se conocen los efectos que pueda causar su penetración a gran escala en los sistemas eléctricos; por lo tanto este es un tema asociado con el reto de integrar adecuadamente las unidades distribuidas al sistema eléctrico de tradicional.. La motivación principal para realizar este proyecto, consiste en identificar las principales consecuencias que trae para la estabilidad de un sistema eléctrico de potencia, la inserción de generación distribuida a gran escala.. Definición del problema En los últimos años, en Colombia se ha presentado un importante incremento en el número de instalaciones de pequeñas unidades generadoras (generación distribuida), las cuales se han conectado principalmente a las redes de distribución de media y baja tensión. Estas conexiones crean una serie de costos y beneficios en dichas redes como son: aumentar o reducir las pérdidas, aumentar en algunos casos los flujos de potencia debido al exceso inyectado por la generación distribuida y en otros la disminución del flujo de potencia por la generación cercana a los puntos de consumo. Estos cambios en los flujos de potencia causan sobretensiones y sobrecargas que se ven reflejados en pérdida de líneas importantes e incapacidad de las máquinas generadoras para sostener la tensión en ciertos nodos del. 10.

(11) sistema. Por otra parte, también se presentan problemas que son inherentes al tipo de tecnología que se utilice para generar electricidad (eólica, solar, microturbinas, etc.), tales como: pérdida repentina de par en la máquina generadora, fallos en la caja de velocidades de un aerogenerador, caída repentina de la potencia de salida de una microturbina, entre otros. Todas estas son situaciones con potencial para causar un impacto negativo en la estabilidad de un sistema eléctrico de potencia. [TRE, 2006]. Breve estado del arte La generación distribuida es un tema de gran actualidad e interés para los investigadores debido al calentamiento global y aspectos económicos, rubros en los cuales ésta ofrece ventajas frente a la generación tradicional. Sin embargo, la integración de este tipo de generación a la red presenta retos importantes que aún no han sido resueltos y en este sentido diferentes entidades, laboratorios y universidades realizan esfuerzos para mejorar tecnologías y métodos de integración. A continuación se enuncian algunos de estos esfuerzos:. En [TRE, 2006] se desarrolla un análisis de los diferentes problemas que se encuentran en los sistemas de distribución españoles, dada la integración de generación distribuida. Se realiza un análisis técnico y regulatorio de este nuevo escenario.. En [SUC, 2006] se plantea el impacto que tiene la alta penetración de generación distribuida en la confiabilidad de un sistema de distribución, y se propone una metodología que permite analizar este tipo de redes. Adicionalmente, se desarrolla una metodología para definir la capacidad y localización optima de la generación distribuida, dado que la ubicación de esta tiene influencia sobre el perfil de tensiones en la red. Finalmente en [STR, 2002] se plantea un manejo distinto para redes con un alto nivel de penetración de generación distribuida, realizando control activo sobre las tensiones del sistema de distribución.. 11.

(12) En [MUK, 1999] se hace una recopilación de las principales tecnologías emergentes utilizadas para generar electricidad, tales como: energía fotovoltaica, energía eólica, microturbinas, células de combustibles entre otros. Se analizan los principales componentes y algunos de los requerimientos necesarios para la interconexión con la red del sistema de potencia tradicional. En [ARA, 2002] se incorporan modelos de mercados y marcos regulatorios para una planificación dinámica de sistemas eléctricos, con la finalidad de resolver un conjunto de desafíos técnicos y económicos que crea la introducción masiva de generación distribuida al sistema eléctrico Chileno.. Resumen de la tesis Este documento consta de cuatro capítulos, los cuales tratan en forma teórica los principales impactos, que sobre la estabilidad de un sistema eléctrico de potencia tendría una alta penetración de generación distribuida, y se realiza un análisis teórico en donde se expone la forma en que la generación distribuida afectaría la estabilidad de los sistemas de potencia, y las consecuencias para la su operación. Finalmente, se proponen alternativas para amortiguar los impactos negativos de la generación distribuida sobre la estabilidad de un sistema.. El primer capítulo, está asociado con la descripción de las principales tecnologías utilizadas para producir energía eléctrica en forma no convencional. Algunas de estas tecnologías son:. a) Turbinas de gas b) Microturbinas c) Turbinas de vapor d) Motores de combustión interna e) Eólica f) Solar g) Células de combustibles. 12.

(13) Para cada una de las tecnologías antes mencionadas se presenta su funcionamiento básico, sus principales elementos constructivos, sus principales características, entre otros datos relevantes.. En el segundo capítulo, se realiza un breve repaso de algunos conceptos de la teoría de estabilidad para los sistemas de potencia. Se realiza una clasificación del fenómeno de estabilidad, y se enuncian algunas técnicas de simulación apropiadas para cada caso. Algunos de los aspectos teóricos más importantes mencionados son:. a) La dinámica de los sistemas eléctricos de potencia; la cual es necesaria para entender el comportamiento de este ante diferentes perturbaciones.. b) Conceptos y atributos de la generación distribuida. c) Breve descripción del impacto de la generación distribuida en la operación de un sistema de potencia.. El objetivo de este capítulo es analizar los conceptos básicos sobre el funcionamiento de la generación distribuida, y además de los conceptos básicos sobre estabilidad en sistemas de potencia.. En el tercer capítulo se identifican los principales impactos que tiene sobre la estabilidad del sistema de potencia, el hecho de insertar generación distribuida. Algunos impactos son: deterioro de los perfiles de tensión, disminución del amortiguamiento en el sistema, líneas sobrecargadas, entre otros. Además se explica de qué manera el sistema podría llegar a estas y otras situaciones.. En el cuarto capítulo, se plantean soluciones a algunas de las principales preguntas resultantes del capítulo tres, tales como: cuál debería ser el nivel de penetración de la. 13.

(14) generación distribuida en una red de distribución, como amortiguar algunos efectos negativos para la estabilidad del sistema, entre otros.. Aporte de la tesis En este trabajo se pretende identificar los posibles impactos que sobre la estabilidad de un sistema de potencia, tiene la inserción a gran escala de la generación distribuida. Se pretende mostrar de que manera ocurren estos efectos, así cómo métodos y acciones que contribuyan a disminuirlos.. La información de este documento se puede utilizar como un punto de partida para realizar estudios más profundos y específicos, que estén encaminados a analizar la estabilidad de un sistema de potencia moderno (con alta penetración de generación distribuida).. Debido a la inserción de generación distribuida en el sistema de distribución, aparecen nuevos flujos de potencia a través de las líneas que lo conforman, tales que en determinada situación, estos flujos pueden sobrecargar las líneas de distribución. Una de las preocupaciones que se desprende de la anterior situación, es ¿que cantidad de generación distribuida se puede incluir en un sistema de potencia, sin que ésta afecte los límites de cargabilidad para los cuales fueron diseñadas la lineas? En este documento se intentara dar respuesta a esta pregunta.. Se identifican las principales fuentes de generación distribuida y las tecnologías que permiten su aprovechamiento como energía eléctrica.. 14.

(15) 1 FUENTES DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA La generación distribuida se refiere a la utilización de forma integrada o individual de pequeños generadores por parte de compañías eléctricas, clientes eléctricos o terceros, en aplicaciones que benefician al sistema eléctrico o a usuarios eléctricos específicos. Existen múltiples tecnologías consideradas como generación distribuida, algunas de ellas son: turbinas de gas, microturbinas, motores de combustión interna, energía eólica, energía solar, células de combustibles, energía mareomotriz, entre otras [TRE, 2006].. A continuación se presenta un análisis general sobre las principales tecnologías que dan paso a la generación distribuida, sus principales características, ventajas y desventajas.. 1.1. TURBINAS DE GAS. Una turbina de gas es un motor térmico de flujo continuo que se caracteriza por presentar una baja relación peso potencia y una velocidad de giro muy elevada. Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base al principio del ciclo Rankine [VAN, 1972], en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión es expandido en la turbina, lo que hace que ésta gire. La energía mecánica que se produce en la turbina puede ser transformada en electricidad mediante generadores eléctricos, que son acoplados al mismo eje de la turbina. En la Figura 1.1 se muestra el diagrama de funcionamiento de una turbina a gas.. 15.

(16) Figura 1.1 Elementos constructivos del ciclo ranking. Figura 1.2 Diagramas P_S y T_S del ciclo Rankine. Las turbinas de gas han tenido un gran desarrollo en las últimas décadas debido, principalmente, a la industria aeronáutica. Gracias a los avances en la eficiencia y confiabilidad, esta tecnología constituye una excelente alternativa para las aplicaciones en generación distribuida [TRE, 2006].. Otra ventaja de las turbinas es la rápida respuesta a los cambios en la demanda, ya que poseen una inercia relativamente pequeña que hace a esta tecnología adecuada para alimentar demanda de manera local, e incluso para trabajar aisladamente alimentando parte de la red de distribución. Un inconveniente de esta tecnología, es que su eficiencia se ve. 16.

(17) afectada en función del porcentaje de plena carga al que se encuentre operando, lo que contrasta con el comportamiento de otras tecnologías como los motores de combustión interna. 1.2. MICROTURBINAS. Son muy pequeñas turbinas a gas (200 a 500kW), que normalmente cuentan con un sistema de recuperación e intercambio de calor llamado “recuperador”, el cual se adiciona para mejorar la eficiencia de la microturbina [TRE, 2006].. En las microturbinas típicas, el aire del ambiente es comprimido por un compresor radial y precalentado en el recuperador usando el calor del gas turbinado. Luego, este aire se lleva a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible para realizar una ignición. El gas caliente resultante es expandido en una o varias turbinas produciendo poder mecánico de rotación que es proporcionado al compresor y al generador. Las microturbinas presentan algunas ventajas como son: el número escaso de partes móviles, su tamaño compacto y una menor emisión de ruidos y gases, en comparación con una turbina a gas. Su principal desventaja es su alto costo. En la Figura 1.3 se muestra una microturbina típica.. Figura 1.3: Conformación de una microturbina. 17.

(18) Las partes de una microturbina son: 1 Alternador, 2 Motor de turbina a gas, 3 Recuperador, 4 intercambiador de calor y gases de escape, 5 Salida de aire de ventilación, 6 Salida de gases de escape, 7 Entrada de agua, 8 Salida de agua caliente, 9 Electrónica de potencia, 10 Sistema de control, 11 Cámara de combustión y 12 Entrada de aire. Las microturbinas operan en dos modalidades:. a) Con recuperador de calor; éste dispositivo permite transferir parte del calor de los gases de escape al aire que entra al compresor, aumentando su temperatura y permitiendo una sustancial mejora en la eficiencia eléctrica de la microturbina, que puede llegar a rendimientos alrededor de 27 a 30%.. b) Sin recuperador de calor; en aplicaciones de cogeneración donde la utilización del calor residual prima sobre la producción de electricidad. En éste caso la eficiencia eléctrica disminuye y se sitúa en valores alrededor de un 15 a 18% pero el rendimiento total (incluyendo la etapa de cogeneración) puede ser de un 80%.. Las microturbinas pueden emplearse de diversas formas: a) Como energía de respaldo b) Para satisfacer picos de demanda c) En sistemas híbridos con células de combustible d) En vehículos eléctricos híbridos.. En las ocasiones en que el alternador esté conectado directamente a la red, se utiliza, normalmente, una caja de engranajes para acoplar la frecuencia a la cual gira la microturbina con la frecuencia de la red. En el mismo sentido aunque menos usual, dado los altos costos, también es común utilizar electrónica de potencia (convertidor estático de frecuencia) [PEÑ, 2006] [ABB, 2001].. 18.

(19) Con la finalidad de mejorar el control de velocidad (frecuencia), las turbinas a gas pueden estar equipadas con la denominada “geometría variable”, en la que por medio de alabes ajustables se controla el flujo de gas hacia la turbina y hacia el compresor, permitiendo así el control sobre el punto de funcionamiento de la turbina. La Tabla 1.1 muestra las características técnicas de una microturbina. [PEÑ, 2006] [ABB, 2001]. Tabla 1.1. Características de las microturbinas. Microturbina Característica Combustible. Aspectos Favorables Gas natural, propano y diesel. cogeneración. ■■ ■■■ ■■■ ■■■. Tamaño(KW). 30-500. despacho Funcionamiento aislado. Eficiencia(PCI)%. 20-30. Seguir la demanda. 590-800. Aspectos desfavorables. NOx. 0,09-0,64. Armónicos. SO2 CO. despreciable 0,14-0,82. flicker ●● Comentarios: tecnología con poca eficiencia y que todavía está en desarrollo. Emisiones(Kg/MWh) CO2. Disponibilidad %. 90-98. Tiempo de arranque(s). 60. Superficie. 0,025-0,065. Costo de inversión. 700-1,000. Operación y manto(cen/KW). 0,5-1. Muy buena Normal. 1.3. ■■■ ●●. Buena Malo. ●. ■■ ●. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Los motores alternantes de combustión interna, son motores térmicos en los que los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un embolo o pistón, que se desplaza en el interior de un cilindro haciendo girar un cigüeñal y obteniendo un movimiento de rotación. Los motores de combustión interna se emplean, principalmente, en plantas de cogeneración. 19.

(20) en sectores tan diversos como: el agroalimentario, la construcción, la fabricación de papel, entre otros. Dentro de sus atributos más importantes, está el hecho de que poseen una mayor fiabilidad ante variaciones de carga, en comparación a las turbinas de gas y son capaces, en función de su diseño, de utilizar diversos combustibles como energía primaria; el más utilizado es el gas natural [VOL, 2005] [TRE, 2006].. El principal uso de los motores de combustión interna, es como apoyo en caso de un hueco de tensión. Su principal ventaja es su rápida respuesta. Las desventajas son los altos niveles de ruido, altos costos de mantenimiento y operacion. Además, altas emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx). La eficiencia energética de estos motores se sitúa en el rango de 30 al 45% con expectativa para alcanzar el 50% para el año 2010 [TRE, 2006]. La figura 1.4 muestra el principio de funcionamiento para un motor de combustión interna de cuatro tiempos.. Figura 1.4.Los cuatro tiempos del motor de combustión interna.. En la Tabla 1.2 se muestran las características más importantes de un motor de combustión interna [MEN, 2005]. 20.

(21) Tabla 1.2. Características de los motores de combustión interna. Motores de combustión interna Característica. Aspectos Favorables cogeneración ■■ despacho ■■■. Combustible. Diesel, gas natural y fuel oíl. Tamaño(KW). 50-5000. Funcionamiento aislado. ■■■. Eficiencia(PCI)%. 30-45. Seguir la demanda. ■■■. Emisiones(Kg/MWh). 590-800. Aspectos desfavorables. CO2 NOx SO2. 4,5-18,6 0,18-1,36. Armónicos flicker. CO. 0,18-4. Comentarios: este tipo de tecnología tiene niveles altos de emisiones y ruidos. Disponibilidad % Tiempo de arranque(s). 90-95 10. Superficie. 0,003-0,03. Costo de inversión Operación y manto(cen/KW). 350-550 1-1,5. Muy buena. ■■■. Normal. ●●. 1.4. Buena. ■■ ■■. ■■. Malo. ●. ENERGÍA EÓLICA. Ésta tecnología permite aprovechar la energía del viento para transformarla en energía eléctrica. La potencia de estos equipos se sitúa en la actualidad en rangos que van desde unos 30kW hasta más de 2MW. Es una tecnología muy madura que alcanza índices de fiabilidad en las máquinas del 97%.. La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol y las irregularidades de la superficie terrestre. Aunque solo una pequeña parte de la energía solar. 21.

(22) que llega a la tierra se convierte en energía cinética del viento (entre el 1 y 2%), la cantidad total es enorme [VOL, 2005]. En la figura 1.5 se muestra el diagrama de un sistema eólico.. Figura 1.5 Aerogenerador de velocidad variable con banco de condensadores para compensar reactivos.. En las centrales eólicas, los generadores asíncronos y los generadores de inducción son las dos tecnologías dominantes para la transformación de la energía mecánica entregadas por las palas de un aerogenerador a energía eléctrica. La tendencia actual se inclina por la utilización de generadores asíncronos, ya que estos son capaces de absorber las variaciones en la velocidad del viento. Los generadores asíncronos presentan el inconveniente que absorben potencia reactiva de la red, lo cual deteriora el perfil de tensiones del sistema. Para evitar esto se utilizan generadores asíncronos con la capacidad de controlar la cantidad de potencia reactiva tomada de la red. Estos se denominan asíncronos doblemente alimentados, los cuales permiten regular la tensión de salida, modificando así el consumo de potencia reactiva. Esta opción es muy útil cuando el equipo se conecta a redes débiles, donde una fuerte absorción de potencia reactiva puede disminuir la tensión de la zona conexión hasta valores inadmisibles [TRE, 2006].. Como ya se ha mencionado, el recurso energético eólico es muy variable tanto en el tiempo como en su localización; si la variación en el tiempo ocurre en intervalos de segundos y minutos se llaman (rachas), en horas (ciclos diarios), y en meses (variaciones estacionales).. 22.

(23) Estas variaciones implican que los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica se pueden operar bajo en tres condiciones:. a) Interconectados con otras plantas de generación, desde una pequeña planta diesel hasta la red de distribución eléctrica.. b) Utilizados en conjunto con sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías. c) Utilizados en aplicaciones donde el uso de la energía sea relativamente independiente del tiempo, es decir, que tenga una constante de tiempo que absorba las variaciones del viento.. 1.4.1. Turbinas eólicas. Una turbina eólica es un dispositivo mecánico que convierte la energía cinética del viento en electricidad. La energía mecánica extraída por las palas se utiliza para mover el eje del generador eléctrico que transforma la energía mecánica en electricidad, que posteriormente puede ser almacenada en baterías o entregarse directamente a la red [VOL, 2005]. En la práctica las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocidades del viento. La velocidad más baja, llamada “velocidad de corte inferior” que es generalmente de 4 a 5 m/s, pues por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas del sistema. La “velocidad de corte superior” es determinada por la capacidad de una máquina en particular de soportar fuertes vientos. La “velocidad nominal” es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcanza su máxima potencia nominal. Por arriba de esta velocidad, se puede contar con mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor constante con el aumento de la velocidad del viento. Los elementos principales de cualquier turbina del viento son el rotor, una caja de engranajes, un generador, equipo de control y monitoreo y la torre. [MUK, 1999] [VOL, 2005]. 23.

(24) 1.4.2. Potencia extraída del viento. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento. La primera ley indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cubo, la segunda ley indica que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida por las palas o en otras palabras la energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las palas y la tercera ley indica que existe una eficiencia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%. En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes que esto, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores generadores eólicos tienen eficiencias del 35% al 40% [VOL, 2005] [MUK, 1999]. La potencia máxima que un aerogenerador puede extraer del viento se calcula a partir de la cantidad de energía cinética atrapada en una masa de aire “m” que se mueve con una velocidad “V”, la cual se puede calcular como en (1.1) [VOL, 2005] [MUK, 1999]. energía cinética = 12 ⋅ m ⋅ V 2 [ jules ]. (1.1). Por tanto, para encontrar la potencia promedio de la masa de aire en movimiento se calcula el promedio de la energía cinética por segundo, como se muestra en (1.2) Potencia = 12 ( flujo másico promedio por segundo) ⋅V 2 [W ]. (1.2). Y la potencia promedio extraída por las palas del aerogenerador, será la diferencia entre las potencias antes y después de que el viento entre en contacto con las palas, está diferencia se muestra en (1.3) P0 = 12 ( flujo masico promedio por segundo) ⋅ (V 2 − V0 2 ) [W ]. 24. (1.3).

(25) Donde: P0 =Es la potencia mecánica extraída por el rotor, V0 = es la velocidad del viento, después de la turbina y V = es la velocidad del viento, antes de la turbina. Dado que la velocidad del viento es discontinua de V a V0 en el plano de las palas del rotor, el flujo másico de aire promedio a través de las palas del rotor será el mostrado en (1.4). flujo masico promedio = ρ ⋅ A ⋅. V + V0 2. (1.4). Donde: ρ= densidad del aire, kg / m3 y A = área barrida por las palas del rotor, m 2. La ecuación (1.5) describe la potencia mecánica extraída por el rotor, la cual será utilizada para mover un generador eléctrico.. V + V0   P0 = 12  ρ ⋅ A ⋅ ⋅ (V 2 − V0 2 ) [W ]  2  . (1.5). La ecuación (1.5) se puede reorganizar algebraicamente como se muestra en (1.6) 2  V0    V0   1 + V  1 −  V         P0 = 12 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ V 3 ⋅ [W ] 2. (1.6). Como la potencia extraída por las palas es una fracción de la potencia del viento antes de llegar a las palas, esta se puede expresar como en la ecuación (1.7) P0 = 12 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ V 3 ⋅ CP [W ]. (1.7). Donde CP representa la fracción de potencia que es extraída del viento y se denomina coeficiente de potencia o eficiencia del rotor, como se puede ver en la ecuación (1.8). 25.

(26) 2  V0    V0   1 + V  1 −  V         CP = 2. (1.8). Mediante una simple gráfica de la eficiencia del rotor ( C P ) en función de la relación VO V , se obtiene la figura 1.6.la cual demuestra que la máxima eficiencia del rotor será de 0,59%.. Figura 1.6 Eficiencia de un aerogenerador. En la tabla 1.4 se muestra un resumen de las principales características de los parques eólicos. 26.

(27) Tabla 1.3. Característica de parques eólicos Eólica Característica Combustible. Aspectos Favorables Viento. cogeneración. ●. despacho. ● ●. Tamaño(KW). ≥5000. Eficiencia(PCI)%. 15-30. Funcionamiento aislado Seguir la demanda. 0. Aspectos desfavorables. Emisiones(Kg/MWh). ●. CO2 NOx. 0. Armónicos. ●. SO2. 0. flicker. ●. CO Horas equivalentes(h). 0 2,000-2,500. Superficie de barrido(m2/KW). 1,9-2,6. Comentarios: aunque estas tecnologías tiene cierta madurez, aun se puede mejorar la eficiencia de esta. 2. Superficie(m /KW). 60-330. Costo de inversión(€/KW). 750-1,500. Operación y manto(€/KW). 1,5-2. Muy buena Normal. 1.5. ■■■ ●●. Buena Malo. ■■ ●. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. Los sistemas fotovoltaicos se basan en un conjunto de "células solares o fotovoltaicas" fabricadas de un material semiconductor cristalino, que al ser incididas por la luz del sol, produce una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico. Para construir las células fotovoltaicas, se utilizan compuestos que son capaces de suministrar una cantidad apreciable de energía al recibir la radiación solar. La mayor parte de las células fotovoltaicas que se producen en el mundo se fabrican a base de silicio. El rendimiento de estas células varía entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Éste rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura [NRE, 2005].. 27.

(28) El fenómeno físico en las células fotovoltaicas es muy similar a lo que sucede en una juntura p-n de un diodo. Cuando la juntura absorbe la luz incidente del sol, la energía entregada por los fotones es transferida a los electrones del material, generando la aparición de portadores de carga, los cuales forman un gradiente de potencial en el área de la juntura y se aceleran por la influencia del campo eléctrico generado. Por último, los portadores de carga circulan como corriente a través de un circuito externo [NRE, 2005].. Figura 1.7 Efecto fotovoltaico, transforma la energía de los fotones en una diferencia de tensión en la juntura p-n. Figura 1.8 Constitución básica de una célula fotovoltaica. 28.

(29) 1.5.1. Circuito eléctrico equivalente de una célula fotovoltaica. La física compleja de las células fotovoltaicas, se puede representar por el circuito eléctrico equivalente mostrado en la Figura 1.9, los parámetros del circuito son los siguientes: I L Corriente generada por la luz del sol, I d corriente de diodo, I SH corriente de fuga a tierra, RS resistencia interna que se opone al flujo de corriente y la resistencia RSH que se relaciona inversamente con la corriente de fuga a tierra.. Figura 1.9 Circuito eléctrico equivalente de un modulo fotovoltaico. En el circuito equivalente, la corriente entregada a una carga externa es igual a la corriente generada por la iluminación I L menos la corriente a través del diodo I D y menos la corriente de fuga a tierra I SH . La tensión de circuito abierto VOC , se calcula como lo muestra la (1.9) VOC = V + IRSH. (1.9). La corriente a través del diodo está dada por la clásica expresión que se muestra en (1.10).  QV OC  − 1 [ A ]  AKT . Id = I D . 29. (1.10).

(30) Donde:. ID. es la corriente de saturación del diodo,. Q. electrón 1.6 ⋅ 10−19 Culombios, K constante de boltzman= 1.38 ⋅10−23. es la carga del j o K , T temperatura. absoluta en ° K y A representa el área donde incide la radiación solar. Por tanto la corriente de carga se calcula como en (1.11). OV  QV  V I = I L − I D e AKT − 1 − OC [ A]   RSH. (1.11). En la práctica el último término de la (1.11) es despreciable, ya que éste es muy pequeño comparado con I L e I D .. Figura 1.10 Células fotovoltaicas forman un modulo y algunos módulos forman un arreglo. El problema fundamental que presentan las células fotovoltaicas es su alto costo, aunque las investigaciones recientes están logrando abaratar a un ritmo apreciable su costo de producción. En la actualidad puede estimarse que cada vatio de potencia que se consigue de las células fotovoltaicas cuesta alrededor de 10 dólares, lo cual es excesivo. Existen células. 30.

(31) fotovoltaicas más baratas que las de silicio, las cuales se fabrican a base de sulfuro de cadmio, pero su rendimiento es tres veces menor [VOL, 2005] [NRE, 2005].. Aun cuando las perspectivas de utilización de células fotovoltaicas para producir electricidad son muy esperanzadoras a largo plazo su desarrollo está aun comenzando y no puede esperarse una auténtica extensión de su utilización a los costos actuales. Por el momento, su uso más eficaz consiste en su aplicación para instalaciones de baja potencia en lugares cuya lejanía respecto de las redes de transporte y distribución de electricidad puede hacer rentable, la puesta en marcha de este tipo de sistema a pesar de su elevado costo [NRE, 2005]. A continuación en la Tabla 1.4 se muestran las características técnicas más importantes [NRE, 2005].. Tabla 1.4 Características de la energía solar fotovoltaica Solar fotovoltaica. Característica Combustible. Aspectos Favorables Radiación solar. cogeneración. ●. despacho. ●. Tamaño(KW). 1-500. Funcionamiento aislado. ●. Eficiencia(PCI)%. 10-20. Seguir la demanda. ●. 0. Aspectos desfavorables. NOx. 0. Armónicos. ●. SO2. 0. flicker. ●. CO Horas equivalentes(h). 0 1,100-1,200. Superficie(m2/KW). 7,5-20. Comentarios: es una tecnología en desarrollo que se puede mejorar con elementos de almacenamiento. Costo de inversión(€/KW). 5000-7000. Operación y manto(€/KW). 40-50. Emisiones(Kg/MWh) CO2. Muy buena Normal. ■■■ ●●. Buena Malo. 31. ■■ ●.

(32) 1.6. CÉLULAS DE COMBUSTIBLES. Las células de combustible, son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una célula de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la célula [EG&, 2004].. En las células de combustibles el hidrogeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino facilita su conversión en electrones y en protones (H+). Éstos atraviesan la membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción también catalizada por el platino). Los electrones, que no pueden atravesar la membrana de electrolito, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo que alimentan los dispositivos eléctricos. La Figura 1.11 muestra una sola celda electroquímica que produce aproximadamente 1 voltio. Para aplicaciones de potencia se apilan muchas de estas celdas para formar una célula de combustible, cuya tensión aumenta en proporción al número de celdas apiladas.. Figura 1.11 Diagrama de funcionamiento de una célula de combustible. 32.

(33) Como se dijo anteriormente las células de combustible están formadas por un grupo de celdas apiladas, cada una de ellas posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción alimenta a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, alimenta de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente oxígeno del aire, alimenta al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las reacciones que se muestran en (1.12).. Ánodo : H 2 → 2h + +2e − Cátodo : 12 O2 + 2 H + +2e − → H 2O. (1.12). Se produce así una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos. El rendimiento de la reacción esta dado por la ecuación de Nernst, la cual se utiliza para calcular los potenciales de membrana cuando se alcanza el equilibrio electroquímico, la (1.13) se denomina ecuación de Nernst.. E = E0 +.  P[ H 2 ] ⋅ P[2O2 ]  Rt LN   2F  P[ H 2O] . (1.13). Donde E0 (1.229 V ) es el potencial estándar, R la constante de los gases (8.31 J Kmol ), t la temperatura absoluta ( o K ) y F la constante de Faraday (96.480 J Vmol ).. El rendimiento real de la célula puede calcularse considerando las siguientes pérdidas: polarización por concentración, polarización por activación y polarización óhmica.. 33.

(34) Dependiendo del tipo de células de combustible, se pueden obtener eficiencias de un 35% hasta un 60%. Actualmente el problema radica en la duración de las células y en los costos.. Los sistemas de células de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad. La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. La eficiencia de las células de combustible es potencialmente superior a la de los motores de combustión interna, y además las emisiones de dióxido de carbono se verían reducidas. Por otra parte, las células de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos energéticos. Por ejemplo, la eficiencia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros sistemas energéticos, lo que permite su aplicación en sistemas de energía miniaturizados y portátiles. En la tabla 1.5 se realiza un resumen de las características de las células de combustibles.. 34.

(35) Tabla 5 características de las células de combustible Células de combustibles. Característica. Aspectos Favorables. Combustible. Hidrogeno, gas natural, propano. cogeneración. ■■■. Tamaño(KW). 20-2000. despacho. ■■■. Fun. aislado. ■■. Eficiencia(PCI)%. 30-50. Seguir la demanda. ■■. 360-630. Aspectos desfavorables. NOx SO2. ≤0,023 0. Armónicos flicker. CO. 0,005-0,055. Comentarios: es la tecnología más limpia y eficiente de todas. Emisiones(Kg/MWh) CO2. Disponibilidad%. Superior al 95. Tiempo de arranque(h). 3-8h. 2. Superficie(m /KW). 60-330. Costo de inversión(€/KW). 1,600-3,500. Operación y manto(€/KW). 1,5-2. Muy buena Normal. 1.7 1.7.1. ■■■ ●●. Buena Malo. ● ●. ■■ ●. ENERGÍA MAREOMOTRIZ Conceptos fundamentales. Las mareas son oscilaciones periódicas del nivel del mar debido a las acciones gravitatorias del sol y la luna. El ascenso de las aguas se denomina flujo y su punto máximo pleamar, y el descenso se llama reflujo siendo su punto máximo la bajamar. La diferencia entre estos dos estados se conoce como amplitud de las mareas, y puede variar desde prácticamente cero (mares interiores) hasta alcanzar valores del orden de los 15 m en costas de Canadá. Por su importancia, se mencionan algunos lugares y su amplitud de mareas. Bahías de Fundy y Frobisher, Canadá, con amplitudes de 13,6 a 18m; estuario de Servern, Gran. 35.

(36) Bretaña, con 13,6m; el estuario de Rance y la bahía de Mont-Saint-Michel, en Francia, con 13,5m y 12,7m respectivamente. [BIANUCCI, 2002].. Según el World Energy Council, se estima el recurso potencial de la energía mareomotriz en 2000 TW.h, de los cuales sólo 200 TW.h se consideran comercialmente explotables. La técnica de explotación consiste en cerrar una bahía o un estuario con un dique, generando así una diferencia de nivel a ambos lados, acumulando así una energía potencial. En el dique se instalan turbinas con sus respectivos generadores y demás equipamiento, las cuales son puestas en marcha al pasar el agua hacia el embalse (flujo) y posteriormente la pasar del embalse hacia el mar (reflujo). Es decir, que funciona como una central hidroeléctrica convencional, solo que su origen tiene relación con la atracción de la luna y el sol, en vez del ciclo hidrológico. Pero esta técnica no es tan sencilla de llevar a la práctica en un proyecto que resulte eficiente, dado que implica una alta inversión inicial y es complicado conseguir buenos rendimientos. [BIA, 2002].. Los dos grandes aspectos que condicionan el avance de esta tecnología son el económico, se requieren grandes inversiones iníciales en obras, y el impacto que provoca sobre la fauna y flora del lugar [BIA, 2002]. En la figura5 se muestra una central mareomotriz.. Figura 5 Central mareomotriz. 36.

(37) 1.7.2. Ventajas y desventajas. Las ventajas que se pueden mencionar en relación al aprovechamiento de la energía de las mareas son: a) auto renovable, b) no contaminante, c) silenciosa, bajo costo de materia prima (en cuanto a lo que produce energía, las mareas), d) no concentra población, e) disponible en cualquier época del año y clima (en los sitios donde las amplitudes de las mareas son aptas).. En cuanto a las desventajas encontramos: a) Impacto visual sobre el paisaje, b) alto costo del traslado de energía, c) limitada por el ciclo de las mareas, d) efecto negativo sobre la flora y fauna, e) depende de la amplitud de las mareas, f) alto costo inicial.. Haciendo hincapié en el aspecto ecológico, este tipo de energía no contamina ya que no genera dióxido de carbono u otros gases y elementos contaminantes, pero tiene un efecto importante sobre la flora y fauna. La modificación de la configuración del área bañada por las aguas del mar y el tiempo de permanencia de las mismas en las costas, alterando otras actividades, como la acuicultura, entre las más importantes. 1.7.3. Centrales mareomotrices en el mundo. La primera central mareomotriz se instaló en el Estuario de Rance, Francia, en 1967. Un dique embalsa un área de unos 20 km², la misma cuenta con esclusa para la navegación, seis aliviaderos y una central con 24 turbinas bulbo capaz de generar 240 MW. La amplitud de mareas máxima es de 13,5m. La central funcionó durante dos décadas. El volumen de agua que ingresa por segundo es de aproximadamente 20000 m³, Se estudia reactivar la central por sus condiciones favorables, luego le siguió la central experimental de Kislogubskaya, ubicada en el mar de Barentz, Rusia. Puesta en marcha en 1968 con una capacidad de 400 KW. En la bahía de Cobscook. En Estados Unidos, se instaló una central de este tipo pero duró poco tiempo debido a su bajo rendimiento en comparación con la alta inversión inicial que demandó. Por último, en la bahía Fundy, Canadá, donde se dan las mayores mareas del mundo, desde 1984 funcionan en experimentación una central dotadas. 37.

(38) con turbinas Strafflo y 18 MW de potencia. La gran innovación de este equipamiento radica en la concepción misma de las turbinas, el generador eléctrico está dispuesto circundando los alabes, en vez de instalado a continuación del eje de la turbina, de este modo el generador no se interpone al flujo del agua. También Gran Bretaña preveía construir una central mareomotriz en el estuario del río Severn. La misma constaría de un dique de 16,3 km donde se instalarían 192 Grupos turbina-generador para producir 14,4 TW.h/año. Pero la sociedad rechazó el proyecto debido al impacto que podría ocasionar al ecosistema.. Tabla 1.5 Característica de central mareomotriz Centrales mareomotrices Característica Combustible. Aspectos Favorables agua. Tamaño(KW). 20-2000. Eficiencia(PCI)%. 30-50. Emisiones(Kg/MWh). 0. cogeneración. ■■■. despacho Funcionamiento aislado Seguir la demanda. ■■■ ■■ ■■. Aspectos desfavorables. CO2 NOx. 0. Armónicos. SO2 CO. 0 0. flicker ● Comentarios: es la tecnología más limpia y eficiente de todas. Disponibilidad%. Superior al 95. Tiempo de arranque(h). 3-8h. 2. Superficie(m /KW). 60-330. Costo de inversión(€/KW). 1,600-3,500. Operación y manto(€/KW). 1,5-2. 38. ●.

(39) 2 CONCEPTOS BÁSICOS DE ESTABILIDAD EN UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA. 2.1 2.1.1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA Conceptos y atributos de la generación distribuida.. Durante las últimas décadas, la generación de potencia ha sido altamente centralizada en grandes plantas de energía, los clientes han sido servidos principalmente por las empresas de distribución las cuales accesan a las grandes instalaciones de generación a través de líneas de transmisión de alta tensión, para luego conectar con los clientes por medio de líneas de distribución a menor tensión. Esta estructura de operación está construida en base a la economía, seguridad y calidad de la oferta, es operada desde centros de control jerárquicos y permiten que el sistema sea supervisado y controlado en forma continua. La generación es ajustada instantáneamente a la demanda monitoreando la frecuencia y en base a modelos sobre el comportamiento de la carga. La tensión es controlada para que este dentro de límites específicos, mediante la adecuada coordinación de generadores, cambiadores de tomas bajo carga (OLTC), dispositivos de compensación reactiva, entre otros.. Hoy en día, existe un considerable interés en conectar generación a la red de distribución y éste tipo generadores conforman la generación distribuida. En comparación con la generación convencional la generación distribuida presenta las siguientes características: no es planificada centralmente, no es despachada centralmente, tiene una capacidad pequeña, y es usualmente conectada a la red de distribución. [JEN, 2000] [HAD, 1999]. 39.

(40) 2.1.2. Impacto de la generación distribuida en la operación de un sistema de potencia. Desde un punto de vista técnico, la generación distribuida causa algunos problemas en el sistema de potencia, especialmente para la operación de la red de distribución. Los más importantes según [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002] son: 2.1.2.1 Problemas en la tensión El sistema debe proporcionar electricidad a los clientes con una tensión dentro de ciertos límites; sin embargo, si la capacidad de la generación distribuida es relativamente grande o la conexión entre la red de distribución y la red de transmisión es débil, el aumento de la tensión de estado estable podría ser un problema, dado la aparición de nuevos flujos de potencia [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002].. 2.1.2.2 Protección La conexión de generadores distribuidos a la red, cambia la magnitud y dirección de los flujos de corriente, por tanto, se requieren adaptaciones pertinentes para los sistemas de protección existentes, que eviten el disparo no deseado de las protecciones [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002]. 2.1.2.3 Calidad de potencia La calidad en la potencia de un sistema, puede verse gravemente afectada a causa de conectar generación distribuida en la red, sobre todo, si la generación es lo suficientemente grande como para representar un porcentaje importante de la carga total. En este caso, se pueden presentar problemas como: fluctuación de frecuencia, sobretensiones, ruido de alta frecuencia, distorsión armónica, picos y huecos de tensión entre otros [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002].. 2.1.2.4 Estabilidad El incremento en la capacidad de la generación distribuida determina que ésta juegue un papel cada vez más importante en la estabilidad de los sistemas de potencia. Se debe dar. 40.

(41) respuesta a preguntas como: ¿puede la alta penetración de generación distribuida alterar los perfiles de tensión en un sistema eléctrico de potencia? ¿Es posible que la conexión o desconexión arbitraria, típica en las unidades distribuidas, representen una perturbación problemática para el sistema de potencia?, entre otras preguntas que deben ser resueltas [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002].. 2.1.2.5 Seguridad La generación distribuida alimenta al sistema desde muchos puntos, dificultando las tareas de mantenimiento, dado que aún desconectando un circuito de la red, es probable que éste continue energizado, operando en isla por la acción de generadores distribuidos. Lo anterior representa un grave riesgo de electrocución para los operarios [JEN, 2000] [HAD, 1999] [DUG, 2002].. 2.2 2.2.1. ESTABILIDAD EN SISTEMAS DE POTENCIA Dinámica de los sistemas de potencia. Con el fin de obtener una mejor comprensión de la estabilidad de los sistemas de potencia, es necesario tener algún conocimiento del fenómeno dinámico. En este contexto se utiliza la palabra dinámica para denotar la forma en que el sistema de potencia responde ante una perturbación. Tal perturbación puede ser una acción intencional como por ejemplo la conmutación programada de un generador, o un evento accidental como el impacto de un rayo. Una de las formas más comunes e importantes de clasificar la dinámica de los sistemas de potencia es el rango de tiempo de su respuesta natural. Existen varias categorías para el fenómeno dinámico en los sistemas de potencia y para este trabajo se adoptara la definición dada en [MACH, 1997].. La dinámica de los sistemas de potencia se puede dividir en: dinámica de ondas es la más rápida, esta ocurre en las líneas de transmisión de alta tensión y son el resultado de la propagación de las ondas electromagnéticas causadas por el impacto de rayos u operaciones de conmutación. Un poco más lenta, es la dinámica electromagnética que se produce en los. 41.

(42) devanados de las maquinas durante una perturbación. Aun más lenta es la dinámica electromecánica que describe las oscilaciones de las masas rotativas de los generadores y motores durante una perturbación. La termodinámica es la más lenta de todas y es producida por las medidas de control para calderas de vapor en respuesta a variaciones de la frecuencia. En las siguientes secciones, la discusión sobre el problema de estabilidad en sistemas de potencia pertenece en su mayoría a la categoría de dinámica electromecánica y termodinámica. 2.2.2. Conceptos y métodos para el análisis de la estabilidad de un sistema de potencia.. La estabilidad, como un concepto fundamental en la mayoría de las ingenierías, ha sido extensamente estudiada. En los sistemas eléctricos, está la definición propuesta en un trabajo reciente de IEEE/CIGRE [KUN, 2008] y se define como:. La estabilidad de un sistema eléctrico de potencia, es la habilidad que éste, para recuperar el estado de operación en equilibrio después de haber sido sometido a una perturbación, con la mayoría de las variables del sistema delimitadas de tal manera que todo el sistema permanezca intacto.. En etapas tempranas, los ingenieros en sistemas de potencia encontraron principalmente problemas en la estabilidad relacionados con el ángulo del rotor, en el que todo el sistema podría perder su sincronismo después de una perturbación. Sin embargo, con la continua expansión de los sistemas de potencia modernos, los cuales operan en condiciones de mayor estrés, diferentes formas de inestabilidad han aparecido.. Una clasificación detallada acorde con los diferentes mecanismos es útil para el buen entendimiento de la situación, aunque se puede considerar que el problema de estabilidad en un sistema de potencia es esencialmente el mismo. En [KUN, 2008], se proponen tres categorías; estabilidad de ángulo, estabilidad de tensión y estabilidad de frecuencia.. 42.

(43) 2.2.2.1 Estabilidad de ángulo del rotor La estabilidad de ángulo del rotor se refiere a la habilidad de las máquinas síncronas pertenecientes a un sistema de potencia interconectado, de permanecer en sincronismo después de una perturbación. Esta situación obedece a la habilidad de mantener o restaurar el equilibrio entre el par electromagnético y el par mecánico de cada máquina síncrona del sistema. La inestabilidad se manifiesta en la forma de un incremento de las oscilaciones angulares de algunos generadores, lo que conduce a la pérdida de sincronismo con otras máquinas del sistema [KUN, 2008].. Considerando la magnitud de las perturbaciones, se puede subdividir en dos subcategorías:. a) Pequeñas perturbaciones del ángulo del rotor. También llamada estabilidad de pequeña señal, tiene que ver con la habilidad del sistema de potencia para mantener el sincronismo frente a pequeñas perturbaciones, tales como pequeños incrementos en las cargas, variaciones en los TAPS de los transformadores, maniobras de mantenimiento, entre los más importantes.. En los sistemas de potencia actuales, los problemas de inestabilidad de pequeña señal son usualmente causados por la falta de suficiente par de amortiguamiento, por lo que algunas variables del sistema de potencia muestran oscilaciones que se caracterizan por el incremento de su amplitud después de ser objeto de una perturbación.. Si se asume que la perturbación es pequeña, la linealizacion del modelo del sistema es permitida y así los métodos de análisis modal son aplicables [KUN 1994] [HAN, 1999] [CIG, 1996]. Las simulaciones no lineales en el dominio del tiempo son otro enfoque efectivo para el análisis de pequeña señal, ya que usualmente los resultados del análisis modal son verificados utilizando simulaciones en el dominio del tiempo. Sin embargo, las simulaciones en el tiempo tienen una debilidad relativa, para determinar las características. 43.

(44) modales críticas las cuales son importantes en el diseño de contramedidas, mientras que el análisis modal da una información completa de las características inherentes de los modos (formas modales, factores de participación, funciones de transferencia, entre otros) que se utilizan en el diseño del control para el mejoramiento del amortiguamiento. Una propuesta realizable es utilizar tanto los métodos lineales como las simulaciones en el dominio del tiempo en forma complementaria [KUN, 2008].. b) Grandes perturbaciones en el ángulo del rotor. También denominada como estabilidad transitoria. Tiene que ver con la habilidad del sistema de potencia de mantener el sincronismo cuando es sometido a una perturbación severa, como un cortocircuito en una línea de transmisión o la pérdida repentina de una cantidad importante de carga. La estabilidad transitoria depende tanto del estado de operación inicial como de la severidad de la perturbación. Los problemas de inestabilidad usualmente se deben al insuficiente par sincronizante, lo que evoluciona normalmente en desviaciones angulares periódicas.. Las características no lineales de la estabilidad transitoria obligan a que simulaciones no lineales en el dominio del tiempo desempeñen un papel importante en los estudios relevantes, [KUN, 1994] [PAV, 1994]. Otra forma para determinar la estabilidad, es mediante la conformación de una función de energía, cuyo concepto se puede explicar, mediante una analogía entre lo que sucede en un sistema de potencia y un sistema conformado por una bola rodando dentro de la superficie de inercia, el cual se muestra en la Figura 2.1. El área dentro del tazón representa la región de estabilidad y, afuera del tazón se representa la región de inestabilidad. La forma del borde del tazón es irregular por lo cual los diferentes puntos que la conforman se encuentran a diferentes alturas.. 44.

(45) Figura 2.1 Bola dentro de una superficie de inercia. Inicialmente la bola se encuentra en reposo en el fondo del tazón, estado que se denomina “punto de equilibrio estable” o “SEP” por sus siglas en inglés. Si, se inyecta una cantidad de energía cinética a la bola, ésta rodara hacia arriba en una dirección determinada, alejándose del punto de equilibrio. Dependiendo de la cantidad de energía cinética aplicada inicialmente, la bola se detendrá en algún punto. En caso de que la bola trasforme toda la energía cinética en potencial antes de alcanzar el borde, entonces la bola rodara de regreso y eventualmente se establecerá nuevamente en el punto de equilibrio.. Sin embargo, si la energía cinética inyectada, es suficiente para causar que la bola ruede por encima del borde y salga del tazón; entonces la bola alcanzara la región de inestabilidad y no regresara a su punto de equilibrio inicial.. Se requieren dos cantidades para determinar si la bola entrara en la región de inestabilidad, la energía cinética inicial inyectada, y la altura desde el punto de equilibrio hasta el borde, en el punto donde la bola atraviese el borde del tazón. La localización del punto de cruce dependerá de la dirección del movimiento impuesto inicialmente a la bola.. Las bases para la aplicación de los métodos de “funciones de energía”, en el análisis de estabilidad para sistemas de potencia, son conceptualmente similares a lo sucede que en la. 45.

(46) anterior analogía. Inicialmente el sistema está operando en punto de equilibrio estable; al ocurrir una falla, el equilibrio entre la potencia generada y consumida se altera, por tanto las máquinas síncronas se aceleran y el sistema de potencia gana energía cinética y potencial durante el período que dure la falla, consecuentemente, el sistema se aleja del punto de equilibrio. Una vez aclarada la falla, la energía cinética es transformada en energía potencial.. Para evitar la inestabilidad, el sistema debe ser capaz de absorber la energía cinética; durante los momentos en que las fuerzas aplicadas sobre los generadores traten de llevarlos hacia nuevas posiciones de equilibrio. Esto dependerá de la capacidad del sistema luego de la perturbación, para absorber energía potencial.. Dependiendo de la topología del sistema después de la perturbación, existe una máxima energía transitoria o crítica que el sistema puede absorber, por tanto la evaluación de la estabilidad transitoria requiere:. a) Funciones que describan adecuadamente la energía responsable de la separación de una o más máquinas síncronas del resto del sistema.. b) Una estimación de la energía crítica con la cual las máquinas pierden el sincronismo. 2.2.2.2 Estabilidad de tensión La estabilidad de tensión se refiere a la habilidad de los sistemas de potencia de mantener la tensión estable en todas las barras del sistema, después de haber sido objeto de una perturbación. Este tipo de estabilidad depende de mantener y/o restaurar el equilibrio entre la generación y la demanda de energía en el sistema, la inestabilidad se puede dar en la forma de una caída, o aumento progresivo en la tensión de algunas barras [KUN, 2008].. 46.

(47) Como en el análisis de estabilidad transitoria, las simulaciones en el dominio del tiempo sirven como una herramienta efectiva y precisa para el análisis de estabilidad de tensión. Sin embargo, los requerimientos computacionales son demandantes. Para aumentar la velocidad del análisis, se realizan algunas simplificaciones asumiendo que el sistema se encuentra en estado estable, para así aplicar métodos estáticos, tales como el método de continuación, para determinar los limites de cargabilidad y adoptar algunos índices de sensibilidad para estimar la distancia del punto actual de operación del sistema hasta el colapso de tensión [KUN, 1994] [CUT, 1998] [BER, 2004]. 2.2.2.3 Estabilidad de frecuencia La estabilidad de frecuencia se refiere a la habilidad del sistema de potencia para mantener la frecuencia estable luego de una perturbación. La estabilidad depende de la habilidad para mantener o restaurar el equilibrio entre la generación y la demanda, con la mínima pérdida no intencional de carga. La consecuencia de la inestabilidad es la producción de oscilaciones sostenidas en frecuencia, las cuales conducen a la pérdida de unidades generadoras y/o cargas [KUN, 2008].. La posible inestabilidad de frecuencia es usualmente analizada con simulaciones en el dominio del tiempo. Aunque el procedimiento es similar al de estabilidad transitoria, el modelo del sistema de potencia podría necesitar alguna adaptación. Por ejemplo, dado que este análisis es un proceso dinámico a largo plazo, se necesita una representación apropiada del primomotor, de los sistemas de protección y de los sistemas de control [KUN, 1994].. 2.3. Características y conexión de la generación distribuida con la red. Los sistemas eléctricos de potencia operan como sistemas estandarizados de corriente alterna a 50 o 60 Hz. La potencia se genera, principalmente, por generadores síncronos. Estos generadores impulsados por turbinas son los responsables de mantener la frecuencia del sistema y ésta es directamente proporcional a la velocidad de los generadores síncronos, como se observa en (2.1).. 47.

(48) f =. p ⋅ nsin 60. (2.1). Donde nsin denota la velocidad de sincronismo del generado en revoluciones por minuto. [RPM ], P el número de pares de polos en el circuito magnético y f es la frecuencia a la que se genera la tensión [H Z ]. Debido a la variedad de fuentes de energía primaria, la generación distribuida puede generar electricidad por medio de máquinas eléctricas rotativas o estáticas. Cuando la energía primaria es convertida a energía mecánica, ésta se utiliza para mover las maquinas eléctricas rotativas (generadores síncronos o de inducción), generando así potencia alterna. Si dicha potencia es generada a la frecuencia del sistema o cerca de ella, el generador se puede acoplar directamente con la red. Sin embargo, si la frecuencia generada difiere de la frecuencia del sistema, se debe utilizar una interface de electrónica de potencia, este caso se podría presentar si la fuente de energía primaria es intermitente en la naturaleza, (el viento o las olas del mar).. La generación distribuida también puede producir potencia alterna por medio de un primomotor a altas velocidades de rotación (microturbinas). En este caso, la potencia alterna es generada a una frecuencia constante, pero a una frecuencia mayor que en la red, por lo que se requiere de una interface.. En caso de que se genere potencia directa (células fotovoltaicas o células de combustibles) la interface de electrónica de potencia se necesita para transformar potencia directa a alterna con la misma frecuencia de la red. En este sentido la conexión de la generación distribuida a la red se puede clasificar en dos categorías:. a) Generación distribuida conectada directamente a la red b) Generación distribuida conectada indirectamente a la red. 48.