Análisis de impacto sobre el SIC de generación eólica en la zona de Taltal

Estudio

Análisis de impacto sobre el SIC de generación eólica en la zona de Taltal

INFORME FINAL

Solicitado por

Ministerio de Energía

Elaborado por:

Fundación para la Transferencia Tecnológica

Santiago, abril de 2010

1.1.1.1.1

Índice

1   Resumen... 11  

1.1  Análisis de recurso viento ...12 

1.2  Análisis de resultados ...14 

2   Antecedentes generales ... 18  

3   Objetivos y Alcances ... 20  

4   Metodología ... 22  

4.1  Visión general del problema de inserción de generación eólica ...22 

4.2  Propuesta metodológica para el estudio eólico del SIC...23 

4.3  Validación de información base y modelos ...25 

4.4  Validación del sistema base ...31 

4.5  Estudio del recurso eólico ...31 

4.6  Generación de escenarios y evaluación de planes...48 

5   Sistema base del SIC y de escenarios ... 52  

5.1  Validación de sistema base ...52 

5.2  Descripción de la Base de Datos 250 barras 2015 Y 2020 ...53 

5.3  Obras de Generación...54 

5.4  Obras de Generación eólica...55 

5.5  Obras de Transmisión...57 

5.6  SIC Norte, descripción. ...58 

6   Resultados obtenidos para estudio de recurso viento... 61  

6.1  Comportamiento eólico estacional ...61 

6.2  Perfiles representativos por zona. ...66 

6.3  Correlación entre zonas de medición...70 

6.4  Escenarios plausibles de perfiles conjuntos ...72 

7   Análisis estáticos... 75  

7.1  Caso base ...75 

7.2  Escenario Alternativo...88 

7.3  Expansión del Sistema de Transmisión desde Quillota al norte frente a nuevas entradas de centrales eólicas en S/E Paposo...100 

8   Análisis dinámico ... 103  

8.1  Supuestos del análisis dinámico ...103 

8.2  Definición de escenarios para análisis dinámico...103 

8.3  Cálculo de punto de quiebre Taltal 2015-2020 – Caso Base ...105 

8.4  Cálculo de punto de quiebre Taltal 2015-2020 – Escenario Alternativo ...115 

9   Análisis de resultados... 121  

9.1  Resumen de estudios de expansión ...121 

9.2  Peajes ...122 

Referencias ... 136  

Anexo 1 - Plan de Obras, Informe precio de Nudo de 2009. ... 137  

Anexo 2 – Reagrupación de cargas modelo de 250 barras... 140  

Anexo 3 – Escenarios de viento para simulaciones estacionarias ... 148  

Análisis estadísticos...148 

Bloques de generación eólica para demanda media y máxima...149 

Anexo 4 – Detalles sobre despachos considerados para simulaciones dinámicas... 151  

Anexo 5 – Simulaciones dinámicas y cálculo de peajes ... 165  

Índice de Ilustraciones

Figura 1.1. Metodología aplicada al análisis de escenarios... 12 

Figura 1.2. Comportamiento conjunto del viento (Taltal, Cebada Costa, Loma de Hueso y Lengua de Vaca) ... 13 

Figura 1.3. Perfiles característicos para Taltal (izquierda) y Lengua de Vaca (derecha)... 13 

Figura 2.1. Detalle de la zona de Taltal del SIC... 19 

Figura 4.1. Ámbitos de desarrollo ... 22 

Figura 4.2. Enfoque temporal de herramientas de planificación en sistemas eléctricos... 23 

Figura 4.3.Requerimientos de conexión a redes eléctricas según NTSC... 24 

Figura 4.4. Propuesta metodológica para análisis de impacto de generación eólica en SIC. ... 25 

Figura 4.5. Diagrama de bloques de un aerogenerador conectado a la red... 27 

Figura 4.6. Cualidades de los dos tipos de generadores eólicos modelados ... 28 

Figura 4.7. Parque eólico con generador de inducción a velocidad fija ... 28 

Figura 4.8. Parque eólico con generador de inducción doblemente alimentado de velocidad variable... 29 

Figura 4.9. Modelos de aerogeneradores implementados en plataforma Digsilent. ... 29 

Figura 4.10. Diagrama de componentes de un generador eólico doblemente alimentado... 30 

Figura 4.11.Esquema de validación base de datos 250 nodos... 31 

Figura 4.12. Metodología general del estudio del recurso eólico y su inserción en el marco del proyecto... 33 

Figura 4.13. Proceso de datos de viento... 35 

Figura 4.14. Efecto de la densidad en la curva de potencia. ... 37 

Figura 4.15. Definición de zonas conjuntas (caso ejemplo)... 39 

Figura 4.16. Proceso de correlación entre zonas de medición por estación eólica predeterminada. ... 41 

Figura 4.17.Demanda máxima media horaria mensual del SIC 2007-2009. ... 43 

Figura 4.18. Horas donde se registraron las demandas máximas mensuales. ... 43 

Figura 4.19. Explicación del gráfico de caja... 44 

Figura 4.20. Gráficos de caja para la hora 22 del mes de Noviembre. ... 45 

Figura 4.21. Escenarios de simulación estacionaria e inserción de viento. ... 47 

Figura 4.22. Determinación de escenarios... 48 

Figura 6.1. Comportamiento eólico estacional, Taltal, mástil D6. ... 62 

Figura 6.2. Comportamiento eólico estacional La Cebada Costa. ... 63 

Figura 6.3. Variabilidad estacional para la estación Loma del Hueso... 63 

Figura 6.4. Variabilidad estacional para la estación Lengua de Vaca... 64 

Figura 6.5. Comportamiento conjunto del viento (4 zonas simultáneas). ... 65 

Figura 6.6. Perfiles de generación para la estación 1. ... 66 

Figura 6.7. Perfiles de generación para la estación 2. ... 67 

Figura 6.8. Perfiles de generación para la estación 1. ... 67 

Figura 6.9. Perfiles de generación para la estación 2. ... 68 

Figura 6.10. Perfiles de generación para la estación 1. ... 68 

Figura 6.11. Perfiles de generación para la estación 2. ... 69 

Figura 6.12. Perfiles de generación para la estación 1. ... 69 

Figura 6.13. Perfiles de generación para la estación 2. ... 70 

Figura 7.1. Diagrama unilineal SIC Norte – Caso Base ... 76 

Figura 7.2. Duración de flujos en SIC-Norte sin inyección en Taltal, 2015. ... 78 

Figura 7.3. Duración de flujos en SIC-Norte con inyección en Taltal por un parque de 300 MW, 2015. ... 78 

Figura 7.4. Frecuencia de violación del límite por inyección en Taltal (290 MW), 2015. Izquierda

gráfico completo. Derecha zoom de la zona límite superior. ... 79 

Figura 7.5. Duración de flujos en SIC-Norte sin inyección en Taltal, 2020. ... 79 

Figura 7.6: Duración de flujos en SIC-Norte con inyección en Taltal por un parque de 320 MW, 2020. ... 80 

Figura 7.7. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro... 81 

Figura 7.8. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro con Eólico Taltal 01 ... 81 

Figura 7.9. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto ... 82 

Figura 7.10. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto con Eólico Taltal 01... 82 

Figura 7.11. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones ... 82 

Figura 7.12. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones con Eólico Taltal 01 ... 82 

Figura 7.13. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo... 83 

Figura 7.14. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo con Eólico Taltal 01 ... 83 

Figura 7.15. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar... 83 

Figura 7.16. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar con Eólico Taltal 01 ... 83 

Figura 7.17. Flujo anual por línea Pan de Azúcar-Las Palmas ... 83 

Figura 7.18. Flujo anual por línea Pan de Azúcar-Las Palmas con Eólico Taltal 01... 83 

Figura 7.19. Flujo anual por línea Las Palmas-Los Vilos ... 84 

Figura 7.20. Flujo anual por línea Las Palmas-Los Vilos con Eólico Taltal 01... 84 

Figura 7.21. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales... 84 

Figura 7.22. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales con Eólico Taltal 01 ... 84 

Figura 7.23. Flujo anual por línea Nogales-Quillota ... 84 

Figura 7.24. Flujo anual por línea Nogales-Quillota con Eólico Taltal 01... 84 

Figura 7.25. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro caso base ... 85 

Figura 7.26. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro con Eólico Taltal 01 y 02 ... 85 

Figura 7.27. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto ... 85 

Figura 7.28. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto con Eólico Taltal 01 y 02 .. 85 

Figura 7.29. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones ... 86 

Figura 7.30. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones con Eólico Taltal 01 y 02 ... 86 

Figura 7.31. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo... 86 

Figura 7.32. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo con Eólico Taltal 01 y 02... 86 

Figura 7.33. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar... 86 

Figura 7.34. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar con Eólico Taltal 01 y 02.... 86 

Figura 7.35. Flujo anual por línea Pan de Azúcar-Talinay ... 87 

Figura 7.36. Flujo anual por línea Pan de Azúcar-Talinay con Eólico Taltal 01 y 02 ... 87 

Figura 7.37. Flujo anual por línea Talinay -Los Vilos ... 87 

Figura 7.38. Flujo anual por línea Talinay -Los Vilos con Eólico Taltal 01 y 02 ... 87 

Figura 7.39. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales... 87 

Figura 7.40. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales con Eólico Taltal 01 y 02 ... 87 

Figura 7.41. Flujo anual por línea Nogales-Quillota ... 88 

Figura 7.42. Flujo anual por línea Nogales-Quillota con Eólico Taltal 01 y 02... 88 

Figura 7.43. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro caso alternativo ... 89 

Figura 7.44. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro caso alternativo con Eólico Taltal 01 ... 89 

Figura 7.45. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto caso alternativo ... 89 

Figura 7.46. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto caso alternativo con Eólico Taltal 01... 89 

Figura 7.47. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones caso alternativo ... 90 

Figura 7.48. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones caso alternativo con Eólico Taltal 01

... 90 

Figura 7.52. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar caso alternativo con Eólico

Taltal 01... 91 

Figura 7.53. Flujo anual por línea Pan de Azúcar- Talinay caso alternativo. ... 91 

Figura 7.54. Flujo anual por línea Pan de Azúcar- Talinay caso alternativo con Eólico Taltal 01 ... 91 

Figura 7.55. Flujo anual por línea Talinay -Los Vilos caso alternativo. ... 92 

Figura 7.56. Flujo anual por línea Talinay-Los Vilos caso alternativo con Eólico Taltal 01... 92 

Figura 7.57. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales caso alternativo. ... 92 

Figura 7.58. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales caso alternativo con Eólico Taltal 01. ... 92 

Figura 7.59. Flujo anual por línea Nogales-Quillota caso alternativo... 92 

Figura 7.60. Flujo anual por línea Nogales-Quillota caso alternativo con Eólico Taltal 01 ... 92 

Figura 7.61. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro caso alternativo ... 93 

Figura 7.62. Flujo anual por línea Paposo – Diego de Almagro caso alternativo con Eólico Taltal 01 ... 93 

Figura 7.63. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto caso alternativo. ... 94 

Figura 7.64. Flujo anual por línea Diego de Almagro-Carrera Pinto caso alternativo con Eólico Taltal 01... 94 

Figura 7.65. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones caso alternativo. ... 94 

Figura 7.66. Flujo anual por línea Carrera Pinto-Cardones caso alternativo con Eólico Taltal 01. ... 94 

Figura 7.67. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo caso alternativo... 94 

Figura 7.68. Flujo anual por línea Cardones-Maitencillo caso alternativo con Eólico Taltal 01. 94  Figura 7.69. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar caso alternativo... 95 

Figura 7.70. Flujo anual por línea Punta Colorada-Pan de Azúcar caso alternativo con Eólico Taltal 01... 95 

Figura 7.71. Flujo anual por línea Pan de Azúcar- Talinay caso alternativo. ... 95 

Figura 7.72. Flujo anual por línea Pan de Azúcar- Talinay caso alternativo con Eólico Taltal 01. ... 95 

Figura 7.73. Flujo anual por línea Talinay -Los Vilos caso alternativo. ... 95 

Figura 7.74. Flujo anual por línea Talinay-Los Vilos caso alternativo con Eólico Taltal 01... 95 

Figura 7.75. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales caso alternativo. ... 96 

Figura 7.76. Flujo anual por línea Los Vilos-Nogales caso alternativo con Eólico Taltal 01. ... 96 

Figura 7.77. Flujo anual por línea Nogales-Quillota caso alternativo... 96 

Figura 7.78. Flujo anual por línea Nogales-Quillota caso alternativo con Eólico Taltal 01. ... 96 

Figura 7.79. Diagrama unilineal SIC Norte – Escenario Alternativo... 98 

Figura 7.80. Duración de flujos en SIC-Norte con inyección en Taltal por un parque de 285 MW, 2015. Escenario alternativo... 99 

Figura 7.81. Duración de flujos en SIC-Norte con inyección en Taltal por un parque de 315 MW, 2020. Escenario alternativo... 99 

Figura 8.1. Despacho 90 MW eólico en Taltal sin compensación... 106 

Figura 8.2. Despacho 150 MW eólico en Taltal con compensación 120 MVAR. ... 107 

Figura 8.3. Despacho 200 MW eólico en Taltal con compensación 320 MVAR. ... 108 

Figura 8.4. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal = 290MW, año 2015. ... 109 

Figura 8.5. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=260MW, año 2015. ... 110 

Figura 8.6. Despacho 370 MW eólico en Taltal, contingencia Maitencillo-Cardones. ... 111 

Figura 8.7. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal = 350MW, año 2020. ... 112 

Figura 8.8. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal = 320MW, año 2020. ... 113 

Figura 8.9. Despacho Taltal 490MW, contingencia D. Almagro - Cardones... 114 

Figura 8.10. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=460MW,

año 2020. ... 115 

Figura 8.11. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=260MW,

año 2015. ... 116 

Figura 8.12. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=230MW,

año 2015. ... 117 

Figura 8.13. Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=390MW,

año 2015. ... 118 

Figura 8.14 Comportamiento de tensión después de falla para subescenario 2, Taltal=370MW,

año 2015. ... 119 

Figura 8.15. Flujos de potencia en tramos troncal, contingencia Canela – Los Vilos ... 120 

Índice de Tablas

Tabla 1. Equivalentes de generadores eólicos. ... 30 

Tabla 2. Datos obtenidos demanda máxima del SIC 2007-2009... 42 

Tabla 3. Centrales eólicas consideradas para escenario alternativo. ... 51 

Tabla 4. Validación modelo, comparación flujo de potencia. ... 52 

Tabla 5. Perfil de tensión y ángulo de nodos Troncales SIC Norte... 52 

Tabla 6. Niveles de Corto Circuito SIC Norte... 53 

Tabla 7. Crecimiento de la demanda en el SIC... 54 

Tabla 8. Obras de generación en construcción no consideradas ... 55 

Tabla 9. Obras de generación recomendadas no consideradas... 55 

Tabla 10. Detalles de los proyectos eólicos en construcción y los recomendados incluidos en el modelo... 55 

Tabla 11. Parámetros del generador de inducción ... 56 

Tabla 12. Detalles de los proyectos en trasmisión incluidos en el modelo ... 57 

Tabla 13. Descripción enlaces SIC Norte ... 58 

Tabla 14. Descripción básica de transformadores SIC Norte ... 59 

Tabla 15. Descripción básica de generadores SIC Norte ... 60 

Tabla 16. Variables atmosféricas determinadas para lugares de medida. ... 61 

Tabla 17. Resumen de estaciones eólicas... 65 

Tabla 18. Resultados de la correlación para las zonas aledañas a Taltal – año 2007. ... 70 

Tabla 19. Correlación entre las 3 zonas evaluadas – año 2007. ... 71 

Tabla 20. Correlación entre Lengua de Vaca y Taltal – año 2009. ... 71 

Tabla 21. Estaciones conjuntas para las zonas de Lengua de Vaca y Taltal. ... 72 

Tabla 22. Demanda y viento en Demanda máxima al año 2007. ... 72 

Tabla 23. Demanda y viento en Demanda máxima al año 2008. ... 73 

Tabla 24. Demanda y viento en Demanda máxima al año 2009. ... 73 

Tabla 25. Demanda y Viento para generación máxima en Taltal y Lengua de Vaca. ... 73 

Tabla 26. Demanda y viento para generación máxima eólica conjunta... 74 

Tabla 27. Porcentajes de generación por escenario - mes en distintos bloques de demanda. . 74 

Tabla 28. Restricciones del sistema de transmisión al año 2009 ... 75 

Tabla 29. Restricciones del sistema de transmisión al año 2015 y 2020... 77 

Tabla 30. Generación del parque eólico Taltal... 81 

Tabla 31. Plan de Obras Recomendado para Plan Alternativo Año 2015 ... 93 

Tabla 32: Plan de Obras Recomendado para Plan Alternativo Año 2020. ... 96 

Tabla 33. Potencia eólica instalada adicional considerada en barras troncales. ... 97 

Tabla 34 Plan de obras de transmisión según precio nudos octubre 2009. ... 100 

Tabla 35. Plan de obras de generación para zona norte del SIC. ... 100 

Tabla 36. Proyección de la demanda máxima y margen de capacidad instalada ... 101 

Tabla 37. Plan de obras de transmisión para escenario con centrales eólicas en Paposo. .... 101 

Tabla 38. Descripción subescenarios ... 105 

Tabla 39. Resumen de resultados de máximos niveles de penetración ... 121 

Tabla 40. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2015. Parte A. ... 124 

Tabla 41. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2015. Parte B. ... 125 

Tabla 42. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2015 Plan Alternativo. Parte A... 126 

Tabla 43. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2015 Plan Alternativo. Parte B... 127 

Tabla 44. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2015 Plan Alternativo. Parte C... 129 

Tabla 45. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2020. Parte A. ... 130 

Tabla 46. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2020. Parte B. ... 130 

Tabla 47. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2020 Plan Alternativo. Parte A... 131 

Tabla 48. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2020 Plan Alternativo. Parte B... 132  Tabla 49. Prorratas y pagos SIC-Norte año 2020 Plan Alternativo. Parte C... 133  Tabla 50. Estimación de peaje a Pagar por Centrales Eólicas en Taltal en miles USD año 2015

... 134  Tabla 51. Estimación de peaje a pagar por Plan Alternativo Centrales Eólicas en Taltal en miles USD año 2015... 134  Tabla 52. Estimación de peaje a Pagar por Centrales Eólicas en Taltal en miles USD año 2020

... 135 

Tabla 53. Estimación de peaje a Pagar por Plan Alternativo Centrales Eólicas en Taltal en miles

USD año 2020... 135 

1 Resumen

El sistema interconectado central (SIC) se caracteriza por ser de tipo hidrotérmico. Su dependencia de los combustibles fósiles y del recurso hídrico, hacen que los precios de energía varíen en forma importante dependiendo de los precios internacionales de los combustibles y de la hidrología imperante. Esta dependencia es mitigable, entre otras medidas, diversificando la matriz de generación mediante la utilización de recursos energéticos renovables autóctonos.

De acuerdo a estudios de la CNE, el potencial eólico técnicamente desarrollable es de miles de MW, localizados en una serie de zonas específicas. La penetración de generación eólica dependerá de las evaluaciones económicas de los agentes privados, pero también de la capacidad del sistema eléctrico de acoger dichos medios de generación.

Asimismo, se ha detectado una zona de alto potencial eólico ubicada en las cercanías de Taltal, la que podría aportar importantes montos de energía en el extremo norte del SIC. Lo anterior hace necesario analizar el impacto sobre el SIC de un eventual desarrollo eólico en esta zona. La metodología general concebida para desarrollar esta evaluación consiste de tres etapas fundamentales:

1. Creación de base de datos y validación de sistema utilizado. Se presenta la descripción de sistema de 250 barras adaptado y su validación, descrita en detalle en el capítulo 5 de este informe.

2. Análisis del recurso viento. Se obtienen perfiles característicos de generación eólica por parque y se evalúa la correlación entre parques ubicados en IV Región y la zona de Taltal.

3. Generación de escenarios y evaluación de planes. Esta etapa comprende el análisis de dos escenarios propuestos:

• Caso base: este escenario consiste en analizar la capacidad del sistema de permitir generación eólica en Taltal (barra Paposo 220) considerando como expansión el plan de obras propuesto en la fijación de precios de nudo de Octubre de 2009.

• Escenario alternativo: en este escenario se realiza el mismo análisis del caso anterior pero considerando un plan de expansión alternativo debido a penetración de generación eólica en la III y IV región (barras Punta Colorada y Talinay).

En esta etapa se determinan los puntos de quiebre del sistema (máxima capacidad de

penetración en Taltal sin realizar modificaciones) para generación eólica en Taltal en los

dos escenarios. Asimismo, una vez determinados estos límites se evalúa y comparan

con el caso base sin penetración eólica los cargos por peajes asociados a uso del

sistema troncal. La siguiente figura ejemplifica la metodología propuesta en este

estudio.

Plan de Obras Gx, Tx Precio de Nudo

CNE 2009

Plan de Obras Gx Escenario Alternativo

definido por ME.

Información base

Planificación de Tx Troncal

Cálculo punto de quiebre de penetración eólica en Taltal

Horizonte 2010-2020

Cálculo punto de quiebre de penetración eólica en Taltal

Horizonte 2010-2020

Definición de escenario de penetración eólica

adicional en Taltal

Definición de escenario de penetración eólica

adicional en Taltal

Expansión óptima Tx troncal para nuevo escenario

Expansión óptima Tx troncal para nuevo escenario

Análisis de resultados Desarrollo de

base de datos

Estudio económico

estático

Estudios estáticos y dinámicos

Desarrollo de base de datos

Estudios estáticos y dinámicos

Figura 1.1. Metodología aplicada al análisis de escenarios.

1.1 Análisis de recurso viento

En síntesis los resultados más significativos obtenidos para el análisis del recurso viento se

presentan a continuación. En primer lugar se evalúa el comportamiento del recurso viento para

las zonas Cebada Costa, Lengua de Vaca, Loma de Hueso y Taltal. Dicho comportamiento se

resume en la siguiente figura.

Figura 1.2. Comportamiento conjunto del viento (Taltal, Cebada Costa, Loma de Hueso y Lengua de Vaca)

Una vez obtenidos los comportamientos se procede a definir perfiles de generación característicos por parque mediante un mecanismo de agrupamiento que origina dos perfiles para cada uno de ellos. A continuación se muestran los perfiles obtenidos para Lengua de Vaca y Taltal.

Figura 1.3. Perfiles característicos para Taltal (izquierda) y Lengua de Vaca (derecha)

El análisis de correlación entre los parques de régimen costero (Cebada Costa, Lengua de Vaca y Loma de Hueso) muestra que esta supera el 50% para el horizonte de tiempo evaluado (todo el año 2007). Estos resultados permiten simplificar el estudio, tomando una zona como representativa del conjunto. Se escoge para estos efectos la potencia obtenida en Lengua de Vaca y se trabaja con esta zona en representación de las 3, correlacionándola con Taltal.

Realizado el análisis de correlación entre estas dos zonas se obtienen escenarios de

producción eólica para estudios estáticos como el que se describe en la siguiente Tabla.

Porcentajes de generación por escenario - mes en distintos bloques de demanda.

ESCENARIO  Bloque DMAX  Bloque Dmedia 

Lengua de 

Vaca  Taltal  Lengua de 

Vaca  Taltal 

1  _%

Pinstalada %

Pinstalada %

Pinstalada % Pinstalada

ENE  76.8  0.6  47.4  14.2 

FEB  62.8  0.0  47.4  14.2 

MAR  78.0  0.0  47.4  14.2 

ABR 97.3 0.6 33.8 14.2 MAYO 19.3 97.1 33.8 72.9

JUN 19.3 97.1 33.8 72.9 JUL 64.9 97.1 47.4 72.9 AGO 77.4 84.3 47.4 72.9 SEPT 64.9 97.1 47.4 72.9 OCT 78.0 0.8 47.4 72.9 NOV 62.8 83.5 47.4 72.9

DIC  76.8  0.6  47.4  14.2 

Asimismo, se definen escenarios para análisis dinámicos, en este caso se define la generación eólica máxima conjunta como el caso más crítico a considerar. La descripción de dicho escenario se muestra en la siguiente Tabla.

Demanda y viento para generación máxima eólica conjunta.

Lengua de Vaca Taltal GENERACION

CONJUNTA DEMANDA Probabilidad Promedio

% Máximo

% Promedio

% Máximo

% Promedio

% Máximo

% % Dmax Ocurrencia

%

ESC 1 77.6 77.9 88.7 98.9 83.1 88.4 98 39

ESC 2 76.8 76.8 45.9 58.3 61.4 67.5 96 25

ESC 3 7.8 23.1 99.2 99.3 53.5 61.2 81 19

ESC 4 35.1 45.9 32.7 42.7 33.9 44.3 90 18

Nota: Los sub-escenarios reseñados en la primera columna se describen en detalle en el capítulo 6 de este documento.

1.2 Análisis de resultados

En la siguiente tabla se resume los resultados de aplicar la metodología presentada en la Figura

4.22 en función de los estudios estáticos y dinámicos presentados en las secciones precedentes.

Resumen de resultados de máximos niveles de penetración

4º circuito desde Nogales  hasta Talinay 1x400 MVA        4º circuito desde P. Colorada ‐ P. de Azucar 1x250 MVA

5º circuito desde Nogales  hasta Talinay  1x400 MVA        4º circuito desde P. de Azucar 

‐ Talinay 1x250 MVA        5º circuito Cardones ‐  Maitencillo 1x250 MVA

Año 2015 2020 2015 2020

Punto de quiebre "peor  caso", Central ciclo‐

combinado Taltal fuera de  servicio

60 MW        Límite por problemas de 

estabilidad de tensión

60 MW        Límite por problemas de 

estabilidad de tensión

60 MW       Límite por problemas de 

estabilidad de tensión

60 MW       Límite por problemas de 

estabilidad de tensión

Punto de quiebre, Central  ciclo‐combinado Taltal a  mínimo técnico (40 MW, una 

TG)

260 MW de inyección eólica  en Taltal.  Límite por  problemas de estabilidad 

de tensión

320 MW de inyección eólica  en Taltal. Límite por  problemas de estabilida de 

tensión

230 MW de inyección eólica  en Taltal.       Límite  por problemas de estabilidad 

de tensión

No considerado ya que para  60 MW de inyección en S/E  Paposo el enlace Nogales ‐ 

Quillota opera con  sobrecarga.

Punto de quiebre expansión  óptima Nº 1, compensación  120 MVAr en D. Almagro

150 MW de inyección eólica  en Taltal.  Límite por  estabilidad de tensión

150 MW de inyección eólica  en Taltal. Límite por  estabilidad de tensión

150 MW de inyección eólica  en Taltal.       Límite  por estabilidad de tensión

60 MW de  inyecciòn eólica  en Taltal. La disminuciòn se  explica por el aumento de  generación eólica en la 4ª  región y la compensación 

pierde efectividad

Punto de quiebre expansión  óptima Nº 2, instalación de  circuitos. Para todos los casos 

TG Taltal a 40 MW

3º circuito D. Almagro ‐  Cardones 200 MVA        370 MW de inyección eólica 

en Taltal.Límite por  estabilidad de tensión

3º circuito D. Almagro ‐  Cardones 200 MVA        460 MW  de inyección eólica 

en Taltal. Límite por  estabilidad de tensión

3º circuito D. Almagro ‐  Cardones 200 MVA .        3º circuito Quillota‐Nogales  225 MVA       370 

MW de inyección eólica en  Taltal. Límite por estabilidad 

de tensión

3º circuito D. Almagro ‐  Cardones 200 MVA        3º circuito Quillota ‐ Nogales 

225 MVA        150 MW de inyección eólica 

en Taltal        Límite por no cumplir criterio 

N‐1 Canela ‐ Los Vilos y Los  Vilos ‐ Nogales Sistema de Tranmisión Plan óptimo de expansión       

Informe Precio de Nudo octubre 2009 Caso Base

Caso Base + modificaciones Escenario Alternativo

Los resultados muestran que el punto de quiebre para el peor caso (condición de operación sin generación térmica en Paposo) no dependen del año de estudio ni del plan elegido (Caso base o Escenario Alternativo).

Se constata que el problema esencial es un problema de regulación de tensión (reactivos) en la zona norte. Este problema es subsanable con medidas operativas, como es la operación a mínimo técnico de la central Taltal en la barra Paposo. A través de este medio se logran niveles de penetración de hasta 320 MW. Este no es el caso de la situación plan alternativo 2020, donde el límite corresponde a una sobrecarga en los circuitos.

Respecto de los escenarios de expansión de la transmisión para alcanzar niveles de penetración por sobre los puntos de quiebre, se proponen dos estrategias:

• Compensación reactiva en la barra Diego de Almagro.

• Incorporación de circuitos adicionales.

De esta forma se alcanza un nivel máximo de penetración de 460 MW para el año 2020 considerando el caso base.

Cabe señalar que los desarrollos eólicos en la IV región se plantean, desde el punto de vista de

niveles de penetración, como una barrera al desarrollo eólico en la zona de Taltal. Sin embargo,

este escenario puede cambiar en la medida que se considere la expansión del troncal en el Norte del SIC a través de un corredor paralelo en 500 kV. Este escenario no es evaluado en el estudio.

El conjunto de antecedentes que dan lugar a la tabla resumen presentada se encuentra en los anexos.

1.2.1 Peajes

De acuerdo a los objetivos planteados en el estudio se solicita evaluar económicamente los requerimientos técnicos que impone sobre el sistema de transmisión, un crecimiento significativo y localizado de la capacidad instalada basada en el SIC norte. En este sentido, las secciones anteriores se plantearon los siguientes aspectos económicos:

• Respuesta económica de la variación del plan de obras de generación para el escenario alternativo de desarrollo eólico propuesto por el ME.

• Estudio económico estático para la planificación de la expansión del sistema troncal del escenario alternativo de desarrollo eólico propuesto por el ME.

• Expansiones óptimas para el caso base y escenario alternativo del sistema de transmisión troncal en ejercicios de penetración eólica en la zona de Taltal por sobre los niveles alcanzados como puntos de quiebre. Lo anterior involucra la incorporación de equipos de compensación (en torno a USD 100.000/MVAr) y circuitos adicionales en 220 kV en tramos específicos.

Adicionalmente se ha planteado estimar el efecto de redistribución de los peajes de generación en la zona norte del sistema troncal producto de la inserción de energía eólica en los distintos escenarios. Para este efecto, se ha seguido la siguiente metodología:

• Asignación de VI y COMA de todos os tramos del sistema troncal norte de acuerdo a información disponible de las revisiones anuales del ETT a cargo del CDEC-SIC.

• Despachos para distintas condiciones de operación (meses, bloques, hidrologías) de los estudios OSE del cálculo de precios de nudo de Octubre de 2009. Para el caso base, sin generación eólica, los despachos son copiados directamente. Para el caso de generación eólica, corresponden a despachos modificados con criterio de operación económica.

• De acuerdo a la normativa, las asignaciones de peajes de generación del sistema troncal (fuera de AIC) sólo consideran las situaciones de flujo en que este se dirige hacia el AIC. En caso contrario, la asignación es nula, es decir, a los consumos.

• Los GGDF son calculados para condición de operación, lo que corresponde a 12 x 2 x 51 condiciones de operación, es decir 1224.

• Se estudian los siguientes cuatro casos:

o Año 2015 Caso Base (con y sin generación eólica 150 MW)

Se estima para un parque eólico de 150 MW en Taltal un pago por el uso de sistema de

transmisión troncal no AIC un monto que está en el rango de [2.1 – 2.4] millones de dólares

anuales para el año 2015 y [3.4 – 4.5] millones de dólares anuales para el año 2020,

dependiendo del desarrollo eólico en la II y IV región. Cabe destacar que el menor peaje en

2015, debido a ingresos tarifarios en el tramo D. Almagro – C. Pinto, se acompaña de un menor

precio en la barra D. Almagro por congestión de la línea en dirección sur (exportación al SIC),

reduciendo también los ingresos globales de las centrales en Paposo.

2 Antecedentes generales

El sistema interconectado central (SIC) se caracteriza por ser de tipo hidrotérmico. Su dependencia de los combustibles fósiles y del recurso hídrico, hacen que los precios de energía varíen en forma importante dependiendo de los precios internacionales de los combustibles y de la hidrología imperante. Esta dependencia es mitigable, entre otras medidas, diversificando la matriz de generación mediante la utilización de recursos energéticos renovables autóctonos.

A lo anterior se suma el hecho de que Chile presenta buenos potenciales energéticos renovables no convencionales (ERNC) dentro de los cuales se destaca el recurso eólico.

Desde la promulgación de la Ley 20.257, que operará a partir del primero de enero de 2010, se han desarrollado diversos proyectos eólicos, varios de ellos en operación, otros en construcción y una gran cantidad en estudio o en proceso de evaluación ambiental.

Por otra parte, de acuerdo a estudios de la CNE, el potencial eólico técnicamente desarrollable es de miles de MW, localizados en una serie de zonas específicas. Sin embargo, es difícil establecer la velocidad con la que crecerá la capacidad de generación basada en este recurso.

La penetración dependerá de las evaluaciones económicas de los agentes privados, pero también de la capacidad del sistema eléctrico de acoger dichos medios de generación.

En este contexto, se ha detectado una zona de alto potencial eólico ubicada en las cercanías de Taltal, la que podría aportar importantes montos de energía en el extremo norte del SIC. Lo anterior hace necesario analizar el eventual impacto sobre el SIC de un eventual desarrollo eólico en esta zona.

El estudio planteado en esta propuesta aborda distintos aspectos técnicos y económicos a ser

considerados para la integración de energía eólica en la zona de Taltal, la que se detalla en la

Figura 2.1.

Figura 2.1. Detalle de la zona de Taltal del SIC

Se aprecia que en la zona predominan los consumos mineros y que el sistema de transmisión

posee una estructura eminentemente radial. Predomina un sistema energizado en 220 kV con

ramificaciones en un nivel de tensión de 154 kV. Los consumos más relevantes de ciudades

corresponden a Copiapó, Caldera, Chañaral y Taltal, siendo todos ellos comparativamente

bajos en relación a los consumos industriales.

3 Objetivos y Alcances

En el contexto antes señalado, para el estudio propuesto se definen los siguientes objetivos:

Objetivo General

Contar con un análisis de los impactos que producirá el crecimiento de la capacidad instalada basada en energía eólica, localizado en la zona de Taltal, sobre el Sistema Interconectado Central (SIC).

Objetivos específicos

1. Evaluación de la capacidad del sistema de transmisión del SIC de acoger el desarrollo eólico de Taltal en base al plan de expansión óptimo del sistema de transmisión troncal del SIC:

• Capacidad eólica admisible

• Análisis sobre el uso y sobre la congestión de las redes de transmisión.

• Escenarios de costos de transmisión en la actualidad y en mediano plazo.

2. Evaluación del cumplimiento de la norma técnica de Seguridad y Calidad de Servicio.

3. Evaluar económicamente los requerimientos técnicos que impone sobre el sistema de transmisión, un crecimiento significativo y localizado de la capacidad instalada basada en el SIC norte:

• Refuerzos de líneas de transmisión existentes.

• Implementación de nuevas líneas de transmisión

• Eventuales restricciones en el despacho económico.

• Requerimientos de sistema de compensación para aquellos parques que tecnológicamente no estarían cumpliendo con los requisitos de la norma de Seguridad y Calidad de Servicio.

Alcance

Adicionalmente al desarrollo eólico de Taltal, el estudio tiene en cuenta por lo menos el desarrollo eólico, actual y probable, en la costa sur de la región de Atacama y en la costa de la región de Coquimbo. El análisis sobre el impacto en las redes de transmisión abarca fenómenos transitorios y de régimen estacionario.

Se analizan los efectos de distintos niveles de penetración eólica en la zona de Taltal y el

impacto técnico económico en las redes de transporte asociadas.

En concordancia con el objetivo general del estudio se considerarán los escenarios propuestos

por CNE de desarrollo del parque generador eólico en el SIC norte.

4 Metodología

4.1 Visión general del problema de inserción de generación eólica

El fenómeno de integración masiva de generación eólica en los sistemas eléctricos ha tomado relevancia a nivel internacional en los últimos 10 años, planteando grandes desafíos de tipo técnico y económico. En la figura 4.1 se muestran los distintos ámbitos de desarrollo de este proceso:

Integración masiva de energía eólica

Elementos

económicos Aspectos

ambientales Factibilidad técnica

Análisis

estacionario Análisis dinámico Política

Figura 4.1. Ámbitos de desarrollo

El alcance del estudio planteado se concentra en los estudios de factibilidad técnica, incorporando elementos de análisis de los efectos económicos de la integración de energía eólica. No se consideran como parte del estudio aspectos de desarrollo de políticas y elementos de análisis de efectos ambientales.

Por su parte, los estudios de factibilidad técnica involucran dos familias de estudios de carácter técnico:

• Análisis de tipo estacionario, donde intervienen aspectos económicos a ser considerados en la modelación.

• Análisis de tipo dinámico, que si bien pueden desarrollarse en un contexto económico, se concentran estudiar aspectos técnicos puros de la integración de energía eólica en una red eléctrica.

Desde el punto de vista de las herramientas de análisis a utilizar, las dimensiones señaladas

anteriormente pueden ser visualizadas desde el enfoque del horizonte temporal a analizar, de

acuerdo a la figura 4.2:

seg. min. año plan

Simulación dinámica:

Estabilidad

Flujos de potencia, despachos económicos:

Modificación de reservas de potencia del sistema, costos marginales.

Predespacho de unidades:

costos y reservas.

Coordinación hidrotérmica: precios, planificación de la operación.

Expansión generación/transmisión: decisiones de expansión por parte de los distintos agentes.

días/ sem.

Figura 4.2. Enfoque temporal de herramientas de planificación en sistemas eléctricos

Para cada uno de los horizontes de análisis, las herramientas y modelos matemáticos requeridos son específicos. Mientras en el corto plazo se requiere de modelos capaces de realizar simulaciones en el dominio del tiempo, a través de ecuaciones diferenciales y algebraicas, en el largo plazo, los modelos de expansión resuelven problemas de optimización entero mixto de gran escala.

4.2 Propuesta metodológica para el estudio eólico del SIC

4.2.1 Supuestos de la propuesta metodológica

Se describen a continuación los criterios adoptados por el equipo consultor para la elaboración de una propuesta metodológica de análisis de impacto de generación eólica en el SIC Norte.

• Horizonte de planificación de 10 años (con estudios en detalle de los años 2010, 2015 y 2020), teniendo en cuenta el crecimiento esperado del SIC. El año 2010 se utilizará para validar la base de datos y definirá el caso base según el informe de precio nudo de octubre 2009 [1].

• Para el periodo de planificación mencionado, se considerarán los planes alternativos de expansión del sistema en generación, transmisión y grandes consumos ¹ de acuerdo a estudios anteriores realizados por la Comisión ² (en particular, planes de expansión óptima del SIC).

• Se definirá un número acotado de escenarios específicos para los estudios dinámicos y de dimensionamiento del sistema. Dos escenarios de generación hidráulica (años secos y húmedo) y condiciones de demanda máxima.

• Se definirán los puntos de inyección de energía eólica en Taltal de acuerdo a las zonas con potencial entregadas por la CNE, considerando para cada punto desde un mínimo de inyección hasta el máximo del potencial declarado.

1 Con énfasis en el sector industrial-minero de la zona norte del SIC.

2 Se estima que solo un 25 % de las obras consideradas en el plan de expansión podría afectar la modelación de los

parques eólicos, como por ejemplo el transformador proyectado en Charrúa.

• Expansión eólica en zona Taltal y escenario alternativo en Región de Coquimbo: el nuevo plan de obras de generación (desplazamiento de otras tecnologías) se obtendrá ajustando la entrada de los proyectos del caso base por criterio de energía disponible equivalente.

• Para el caso base, la expansión eólica de las zonas entre Tongoy y Los Vilos, junto con Punta de Choros, se supondrá de acuerdo a lo descrito en el informe de precio de nudo.

• La penetración eólica para los niveles de este estudio no cambia en forma significativa la expansión del sistema de transmisión troncal área de influencia común y resto del subsistema sur.

• Las tecnologías de generación eólica a considerar serán de velocidad variable con capacidad Fault Right Through (FRT). La adopción de este supuesto obedece a que de acuerdo con lo fijado en la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Suministro (NTSCS, Artículo 3-8) ³ [2] los requerimientos impuestos significan una alta inversión adicional para tecnologías de velocidad fija, haciéndolas más costosas que optar la tecnología de velocidad variable. En la figura 4.3 se ilustra los requisitos de operación impuestos en la Norma para generadores en caso de presencia de caídas de tensión.

Figura 4.3.Requerimientos de conexión a redes eléctricas según NTSC.

4.2.2 Propuesta metodológica

En la figura 4.4 se muestra el diagrama que ejemplifica la propuesta metodológica concebida

para realizar el estudio. Como base de ello y de acuerdo a los supuestos descritos con

anterioridad, se toma como información base la última fijación de precios de nudo vigente,

siendo para este caso la de Octubre de 2009 [1]. Una vez confeccionada la base de datos

última fijación de precios de nudo que así considere la Comisión. Este caso se ajusta mediante la calibración de la base de datos y se dispone entonces a pasar a las siguientes etapas.

Se generan diferentes escenarios ⁴ de penetración eólica para los años 2015 y 2020, para cada uno de ellos se evalúan los planes de transmisión troncal asociados bajo un criterio de análisis estático. Una vez se cuenta con los planes de transmisión se realiza el correspondiente chequeo de cumplimiento de la NTSCS mediante evaluación de contingencias y cumplimiento de criterio N-1. Si este análisis indica que dicho plan debiera ser reformulado, se realizan los cambios correspondientes y se realiza el chequeo de Norma de nuevo hasta que se logre cumplir con los estándares fijados en la normativa.

Finalmente, para cada plan se estima la variación en costos de peajes respecto del caso base y otros indicadores económicos del sistema como: costos marginales y costos medios de operación.

Es importante notar que previo a la generación de escenarios de penetración eólica existe un pre procesamiento de información relacionada a las mediciones de viento entregadas por CNE, lo que permite obtener perfiles de generación eólica y definir parques tipo. Asimismo, este análisis permite identificar fenómenos de correlación entre los parques eólicos considerados en este estudio.

Figura 4.4. Propuesta metodológica para análisis de impacto de generación eólica en SIC.

A continuación se describirán en mayor detalle cada una de las etapas consideradas en la propuesta metodológica mostrada en la Figura 5.

4.3 Validación de información base y modelos 4.3.1 Criterios generales

4 Los escenarios considerados por el equipo consultor se describen en detalle más adelante.

Para efectos de realizar la modelación tanto estática como dinámica del Sistema Interconectado Central en los distintos escenarios que contempla en estudio, se utilizó la herramienta computacional Digsilent V13.2.339, que en detalle permite:

• Determinar flujos de potencia dados los despachos a estudiar.

• Modelar el comportamiento transitorio del sistema ante las contingencias a analizar.

• Posibilidad de representar y modelar casi la totalidad de los elementos y controladores que conforman un sistema eléctrico de potencia hoy en día.

Dada la cantidad de contingencias y escenarios que se deben estudiar tanto en flujos estáticos como en modelaciones dinámicas y con el objeto de disminuir los tiempos de simulación, se realizó una reducción del modelo del Sistema Interconectado Central (SIC) a una base acotada de 250 barras ⁵ (o nodos). Los criterios de disminución son principalmente:

• Simplificación de sistemas radiales de sub-transmisión, obteniendo un equivalente eléctrico conectado a SS/EE de mayor nivel de tensión.

• Simplificación de sistemas radiales de enlaces de generadores de baja potencia de corto-circuito, conectándolos directamente en barras de 220 kV del Sistema de Transmisión Troncal, respetando la conversión de los parámetros eléctricos ⁶ .

• Para generadores de potencia media y gran potencia de Corto Circuito se respeta la modelación de sus enlaces ya que una modificación atenta contra los niveles de corto- circuito, relevante en los estudios transitorios.

• No se realizan simplificaciones en el sistema Troncal, ya que permiten verificar el comportamiento de las variables eléctricas en cada zona del sistema eléctrico en estudio, representando así un “testigo” de la zona bajo la influencia del nodo Troncal y punto de flujo de potencia activa y reactiva con las zonas aledañas al “sub-sistema”.

• Se conservan los modelos dinámicos de las máquinas generadoras y sus controlares, ya que no se reduce el número de equipos presentes.

• Se conservan los elementos en derivación y compensadores estáticos de reactivos en barras contiguas al Sistema de Transmisión Troncal.

• Con respecto a las cargas se agrupan por sectores y se modelan conectadas conectan en barras de mayor tensión.

• Para los sistemas de sub-transmisión se conservan los transformadores de 110 kV con sus sistemas ULTC (Under Load Tap Changer).

4.3.2 Cargas

Desde el punto de vista de las cargas se separaran en consumos residenciales “R” e Industriales “I”, los que se diferencian por la variación de potencia activa “P” y reactiva “Q” dada la tensión en el punto de conexión. Las siguientes expresiones determinan el comportamiento de las cargas:

P = Po (V/Vo) ⁿ ; Q = Qo(V/Vo) ⁿ donde: V = voltaje aplicado

Vo = voltaje nominal

n = coeficiente de dependencia

Po,Qo = niveles de potencia nominales de las cargas.

Ambos consumos se diferencian por su comportamiento dinámico frente a las variaciones de tensión, siendo caracterizados por los siguientes factores:

-Residenciales, con factores de dependencia de voltaje n P = 1,3 y n Q = 3,0 -Industriales, con factores de dependencia de voltaje n P = 0,18 y n Q = 0,6

Lo anterior permite una buena representación de las cargas del sistema bajo análisis tanto estático como dinámico.

4.3.3 Modelación de Generadores Eólicos

El modelo de un aerogenerador conectado a un sistema eléctrico de potencia debe incluir la dinámica del sistema desde el viento incidente sobre el rotor de la turbina hasta el punto de conexión con la red donde se entrega la energía generada.

La figura 6 muestra un esquema general del diagrama de bloques para un aerogenerador conectado a un sistema eléctrico de potencia. El diagrama consiste en un modelo mecánico, aerodinámico y eléctrico, junto con el modelo de la red y del sistema de control. El modelo eléctrico interactúa con el sistema de control, con el modelo de la red de distribución, con el control del ángulo de paso de las aspas ⁷ y con el modelo mecánico. Concretamente, entrega la velocidad del generador ω _Gen al control del ángulo de las aspas y al modelo mecánico, para recibir a su vez la potencia en el eje de alta velocidad ( P _t ) desde éste último. El modelo mecánico interactúa a su vez con el modelo aerodinámico entregándole la velocidad de la turbina ω _Tur y recibiendo desde éste la potencia capturada desde el viento incidente ( P _Tur ). Son también señales de entrada al modelo aerodinámico la velocidad del viento y el ángulo de paso del control de las aspas del aerogenerador ( β ).

Figura 4.5. Diagrama de bloques de un aerogenerador conectado a la red.

7 Pitch control en inglés.

En la Figura 4.5 se omiten detalles del sistema de control debido a que éste variará dependiendo de si el generador es uno de inducción directamente conectado a la red o uno de inducción doblemente alimentado de velocidad variable.

Para la modelación de los parques eólicos, se consideraron dos tipos de generadores:

• Generadores con máquina de inducción de rotor jaula de ardilla, con apoyo de compensación estática de reactivos.

• Generadores con máquina de inducción de rotor bobinado doblemente alimentado.

Las diferentes cualidades y topologías que tiene cada uno se muestran en las figuras 4.6 a 4.8:

Figura 4.6. Cualidades de los dos tipos de generadores eólicos modelados

Figura 4.7. Parque eólico con generador de inducción a velocidad fija

Figura 4.8. Parque eólico con generador de inducción doblemente alimentado de velocidad variable.

Los modelos de ambas configuraciones fueron desarrolladas en Digsilent especialmente para este estudio, las cuales se muestran en la figura 4.9.

Rotor jaula de ardilla Rotor bobinado, doble alimentado Figura 4.9. Modelos de aerogeneradores implementados en plataforma Digsilent.

Para cada una de las tecnologías se confeccionó un bloque que representa un grupo de

generadores funcionando en paralelo. Estos bloques se describen en la tabla 1.

Tabla 1. Equivalentes de generadores eólicos.

Grupos equivalentes de Generadores Eólicos Tecnología Potencia de cada

unidad

Número de unidades en paralelo

tensión [kV]

Jaula de ardilla 5 MW 4 3.3

Doblemente

alimentado 5 MW 6 3.3

Para el caso de los generadores con jaula de ardilla, el modelo considera la incorporación de un SVC (Static VAr Compensator) que permite apoyar, en entrega de reactivos, a la unidad eólica durante contingencias de cortocircuito en puntos eléctricamente cercanos a la unidad.

En el caso de los generadores doblemente alimentados o “DFIG” (Doubly-fed induction generator), el modelo considera dos conversores unidos por un bus en corriente continua. Uno de ellos conectado a la red por medio de un reactor y el otro alimenta el rotor por medio de

“escobillas” o “sistema de anillos deslizantes”. La modelación de este tipo de generadores es de mayor complejidad por tener elementos de control basados en electrónica de potencia, a continuación se muestran sus principales componentes.

Figura 4.10. Diagrama de componentes de un generador eólico doblemente alimentado.

La respuesta dinámica de cada uno de los modelos fue verificada considerando un cortocircuito

trifásico en la barra de conexión de 220 kV, cuya duración es de t = 0,5 [s] con un tiempo de

despeje de t = 0,15 [s], es decir un tiempo total de t = 0,65 [s] de falla total. Lo anterior supera

con holgura los tiempos de despeje que se ejecutan para este tipo de fallas en un sistema real.

4.4 Validación del sistema base

Una vez realizada la reducción de nodos y obtenido el sistema equivalente de 250 nodos se procede a su validación, para ello se utilizó como base un caso de despacho obtenido de las publicaciones de los procesos tarifarios, de donde se obtuvieron los resultados del flujo de potencia estático (perfiles de tensión, ángulos y flujos entre barras Troncales). El proceso que describe la metodología implementada para realizar la validación, así como la reducción de nodos implementada se presenta en la Figura 4.11.

Figura 4.11.Esquema de validación base de datos 250 nodos.

La validación como tal consiste en la verificación de similitud de valores de variables obtenidas para ambos casos, entiéndase sistema de 250 barras y sistema base. Las variables comparadas comprenden:

• Nivel de cortocircuito

• Flujos de potencia activa y reactiva entre subestaciones del sistema troncal

• Niveles de tensión y ángulo correspondiente para subestaciones del sistema troncal

4.5 Estudio del recurso eólico

4.5.1 Metodología general para su evaluación

A continuación se muestra el esquema metodológico general relacionado con el estudio del recurso viento en las cuatro zonas de interés: Taltal, La Cebada Costa, Lengua de Vaca y Loma del Hueso. Para ello se ha elaborado una metodología que reduce la información de velocidad del viento – medida cada 10 minutos y a diferentes alturas – a un conjunto reducido de perfiles representativos de potencia eléctrica. Adicionalmente, se manifiesta la forma en que tales resultados inciden en la metodología general del estudio. En particular, se presenta su inserción en los múltiples estudios dinámicos y estacionarios que permiten concluir acerca de la viabilidad de inserción eólica en la zona de Taltal.

El esquema presentado consta de 3 bloques generales. El primero procesa los datos de entrada – velocidades de viento – por zona de interés – para construir mapas que denotan el comportamiento estacional del recurso, además de permitir la reducción del conjunto total de perfiles diarios de viento en perfiles representativos de potencia eléctrica. El segundo bloque correlaciona temporalmente los perfiles de potencia de cada zona de interés. Ese corresponde a una evaluación conjunta de los cuatro lugares escogidos y otorga como resultado escenarios plausibles de generación eólica, considerando además las probabilidades con que pueden darse cada perfil representativo del parque. El tercer bloque, muestra la inserción de dichos escenarios en las múltiples simulaciones dinámicas y estacionarias necesarias para cumplir los objetivos del estudio.

La metodología general del estudio del comportamiento del viento y su inserción en el marco del proyecto se muestra en la Figura 4.12.

El esquema propuesto en la Figura 4.12 se basa en mediciones de viento para 4 zonas específicas de las regiones 3° y 4°. Dichas velocidades no necesariamente pertenecen al mismo horizonte de tiempo, debido a que el comienzo de la toma de datos difiere entre una estación y otra. Las estaciones Lengua de Vaca y Loma del hueso han generado medidas desde octubre de 2006, y aún continúan en funcionamiento. La estación La Cebada Costa posee datos validados desde fines del 2006, siendo desinstalada en enero de 2008. Las mediciones en Taltal – punto fundamental del estudio – es la más reciente, con mediciones desde Agosto de 2009, y aún en funcionamiento.

El punto presentado anteriormente no influye notoriamente en los resultados del proceso. La

metodología que simplifica y reduce los datos de velocidad de viento en un número acotado de

perfiles de generación eólica se basa fundamentalmente en la no variabilidad del recurso eólico

en la escala climática de tiempo (comparación entre años). El fenómeno climático no presenta

variaciones estacionales importantes, y, por ende, los perfiles de generación no muestran

mayores diferencias entre los mismos períodos de tiempo de distintos años, menos aún si los

años en evaluación son cercanos entre sí.

Perfiles diarios de potencia del

parque [MW]

Datos de viento (10m y 20m)

[m/s]

Perfiles Representativos de potencia del parque

por estación [MW]

Comportamiento eólico global

por zona

Comportamiento eólico estacional

por zona

Correlación entre zonas de medición

Escenarios plausibles de generación Eólica.

Escenarios para simulaciones

dinámicas.

Perfiles de demanda del SIC

Simulaciones estacionarias múltiples.

Simulaciones dinámicas múltiples.

Estaciones por zona

Estación conjunta Datos por zona

Perfiles por zona

Conjunto

Comportamiento eólico estacional

conjunto Bloque1

Bloque 2

Bloque 3

Figura 4.12. Metodología general del estudio del recurso eólico y su inserción en el

marco del proyecto.

Los estudios relacionados con variabilidad estacional, la obtención de perfiles de generación

diarios y la construcción de curvas representativas de generación se efectúan para cada zona

independiente. De esta forma es posible caracterizar y reducir la información para cada punto

de medición. Aparecen dos aristas. En un primer lugar cada zona posee un mapa de viento

propio. Con ello, es posible determinar estaciones eólicas: meses que presentan un patrón

común de viento. Este paso es fundamental para posteriormente encontrar los períodos de

tiempo a evaluar para el conjunto completo de parques. El otro punto se relaciona con la

obtención de perfiles de potencias representativas del parque, obtenidas con técnicas de

clustering. Se implementa el método Hard C means para encontrar los elementos mencionados

y su probabilidad de ocurrencia, entendida como el número de días en que el perfil de

generación puede asociarse a cada elemento o cluster.

Una vez detallado el comportamiento del recurso por cada zona, se procede a la correlación entre ellos. Se buscan patrones de generación común en un instante de tiempo definido. Para ello se estudia la generación conjunta durante el período Agosto 2009 – Enero 2010. De esta forma es posible obtener la combinatoria de perfiles que posee mayor probabilidad de ocurrencia. Con ello, aparecen escenarios plausibles de generación eólica que pueden ser implementados en estudios estacionarios y dinámicos.

Los estudios estacionarios se relacionan con el uso de modelos de largo y corto plazo bajo distintos escenarios de demanda, hidrología y viento. En el modelo de largo plazo, los perfiles de generación eólica se transforman en bloques de energía equivalente. Así, es posible proyectar en el tiempo la generación de todas las unidades del SIC. El modelo de corto plazo corresponde al uso del flujo de potencia, la cual permite analizar el impacto de los escenarios descritos por las variables antes mencionadas en la red.

Los estudios dinámicos corresponden a análisis de fallas intempestivas en el SIC con presencia de generación eólica. Para ello se incorpora la demanda como dato de entrada, permitiendo dimensionar el valor máximo y las horas del día en la cual se produce. Al ser de muy corto plazo, interesa el valor del perfil de viento que se da en el preciso instante de demanda máxima. Cabe destacar que dicho perfil de viento se escala a potencia nominal del parque, asumiendo un diseño óptimo de las centrales de viento y, por ende, pudiendo alcanzar dicho valor.

A continuación se detallan los procedimientos más importantes relacionados con los 3 bloques principales del proceso: la evaluación del recurso eólico por zona, la correlación existente entre lugares de medición y la inserción en las simulaciones dinámicas y estacionarias.

4.5.2 Evaluación del recurso eólico (bloque 1)

En base a los datos de viento medidos la zona de Taltal, 3° región, se presenta a continuación la metodología utilizada tanto para analizar el recurso a través del tiempo como para determinar distintos perfiles de potencia de parques eólicos. Dichas estimaciones son realizadas para un horizonte de tiempo definido por las mediciones asociadas. Los perfiles permiten realizar una estimación del comportamiento esperado de un parque eólico emplazado en la zona de medición, en cuanto corresponden a muestras representativas del perfil de generación previsto para el parque. Adicionalmente, es posible construir mapas temporales – diagramas de contorno en función de la potencia generada – que denoten el comportamiento global del recurso eólico durante el período de estudio, logrando así una evaluación precisa del viento.

Los datos que permiten realizar tales estudios provienen de torres de monitoreo que han sido

instaladas para una evaluación del recurso en cuestión, y en búsqueda de mejorar el

conocimiento del potencial eólico de Chile. En particular, en este estudio de avance se analizan

dos zonas específicas: Taltal y Cebada Costa. La primera de ellas se encuentra en la tercera

región. Su ubicación varía entre los 50 y 90 Km de la costa, y entre los 2000 y 2600 msnm,

mediante la instalación de 6 mástiles que miden el recurso (principalmente velocidad y

dirección) a distintas alturas. La segunda se denomina estación Cebada Costa. Emplazada en

la cuarta región, se encuentra a sólo 5 km de la costa y a 60 km de Ovalle.