Nomenclatura

Energía eólica. Integración a la red eléctrica

ISBN 978-958-8994-21-5

Primera edición, 2016

Autor

© Yuri Ulianov López Castrillón

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Km. 2 vía Cali-Jamundí, A.A. 2790, Cali, Valle del Cauca, Colombia

El contenido de esta publicación no compromete el pensamiento de la Institución, es responsabilidad absoluta de su autor.

Este libro no podrá ser reproducido por ningún medio impreso o de reproducción sin permiso escrito de las titulares del Copyright.

Dedicatoria

Dedicada a mis padres y hermanos.

“La inteligencia de una persona no se mide con sus títulos, sino con su facilidad y rapidez de resolver las cosas simples de la vida”.

Yuri Ulianov López Castrillón

Agradecimientos

Dios, fuente de toda energía, le agradezco la fe con la cual desarrollé todo este proyecto y el apoyo dado desde siempre para pasar sobre todos los obstáculos presentados.

Agradezco a toda mi familia y el apoyo institucional dado por la Universidad Autónoma de Occidente y la Fundación CIRCE (Zaragoza, España), por creer en el proyecto.

Tabla de contenido

Resumen

1.Introducción

2.Estado del Arte

2.1Antecedentes de la estabilidad en pequeña señal en sistemas eléctricos

2.1.1Clasificación de la Estabilidad de Sistemas de Potencia

2.1.2Estabilidad de Pequeña Señal

2.2Estabilidad de Pequeña Señal en Sistemas de Potencia con Aerogeneradores

2.2.1Modelado de Turbinas Eólicas

2.2.2Modelado de Altos Niveles de Penetración Eólica

2.3Mejora de la estabilidad con soluciones clásicas. PSS en Generadores Tradicionales

2.4Estabilizadores del Sistema de Potencia (PSS)

2.4.1Objetivo del PSS

2.4.2Diseño y configuración

2.4.3Sintonizado

2.5Mejora de la estabilidad de Pequeña Señal en Aerogeneradores

2.6Mejora de la estabilidad con PSS en Aerogeneradores

3.Simulación y Análisis de Estabilidad

3.1Caso 1. Turbina Eólica de Velocidad Constante con SCIG

3.1.1Parámetros del Modelo

3.1.2Modelo del Generador en PSAT

3.1.3Análisis de Valores Propios

3.1.4Simulación en el Dominio del Tiempo

3.2Caso 2. Turbina Eólica con Generador Síncrono de Acople Directo - DDSG

3.2.1Parámetros del Modelo

3.2.2Modelo del Generador en PSAT

3.2.3Análisis de Valores Propios

3.2.4Simulación en el Dominio del Tiempo

3.3Caso 3. Turbina Eólica con Generador de Inducción Doblemente Alimentado DFIG

3.3.1Parámetros del Modelo

3.3.2Modelo del Generador en PSAT

3.3.3Análisis de Valores Propios

3.3.4Simulación en el Dominio del Tiempo

3.4Caso 4. Parque Eólico usando Generadores de Inducción Jaula de Ardilla - SCIG

3.5Caso 5. Penetración de Bajos Niveles de Generación Eólica

3.6Caso 6. Penetración de Altos Niveles de Energía Eólica

3.7Conclusiones

4.Mejora de la Estabilidad con Estabilizadores de Potencia (PSS) en Aerogeneradores

4.1Modelado del Sistema de Potencia con Turbina Eólica y Sistema Equivalente para PSS

4.2Modelado y Simulación del Sistema Equivalente

4.3Definición de Ganancias y Constantes de Tiempo

4.4Determinar Compensación usando Diagrama Bode

4.5Parámetros de Cálculo del Sistema Compensado

4.6Análisis de Compensación de Fase

4.7Conclusiones

5.Conclusiones y Trabajo Futuro

Referencias

Anexo 1. Simulaciones

Anexo 2. Penetración de Grandes Valores de Potencia Eólica

Anexo 3. Programas Matlab

Lista de tablas

Lista de figuras

Nomenclatura

Resumen

Entre 2013 y 2015, las energías de recursos renovables continuaron desarrollándose, a pesar del aumento en la demanda energética mundial. En 2014, las renovables extendieron significativamente su capacidad instalada y energía producida alcanzando el 58 % de las adiciones netas, mientras que las inversiones en energía renovable en el sector energético superaron las inversiones netas para plantas de energía de combustibles fósiles, en América Latina (REN21, 2015). Según el BID, las inversiones globales para desarrollar las energías renovables "ascendieron a 244.000 millones de dólares, de los cuales América Latina representó un modesto 5,4 %" (Vergara et al, 2013). Este mismo rápido crecimiento en Colombia, se espera se desarrolle con la publicación de la Ley 1715 de mayo de 2014. De todas estas tecnologías, la industria de la energía eólica ha crecido exponencialmente, jugando un rol importante en la generación energética en países como: Alemania, España y China además de Estados Unidos donde se espera introducir oficialmente un 20 % de energías renovables (la mayoría eólica), para el año 2020.

Este acelerado crecimiento requiere de estudios que permitan su rápida agregación al sistema de potencia, pero con la mayor seguridad de que el sistema siga dentro de unos márgenes de estabilidad adecuados, es decir, que ante pequeñas perturbaciones el sistema opere en un punto de equilibrio o se traslade a un nuevo punto de operación estable. Es así como el modelado matemático y la simulación acertada de los diversos modelos de generadores y demás elementos del sistema de potencia, son necesarios antes de realizar cualquier instalación, debido a plantas de generación eolica, que poseen un recurso altamente intermitente.

En el caso particular de estudios profundos para diferentes niveles de penetración eólica, se utilizan los modelos de los aerogeneradores más usados por la industria eólica. Para turbinas de velocidad constante, son construidos y comercializados los generadores de inducción Jaula de Ardilla Squirrel Cage Induction Generators - SCIG, y para velocidad variable se construyen generadores de inducción doblemente alimentados Variable Speed Doubly Fed Induction Generators - DFIG. Sin embargo, algunas turbinas de velocidad variable usan maquinas síncronas. En esta investigación se consideran estos dos tipos de turbinas eólicas y se realiza su análisis dinámico incluyendo máquinas para velocidad de viento constante y variable.

Para el análisis, metodológicamente se aplica la estabilidad de potencia basándose en la fundamentación teórica planteada por el reconocido profesor Kundur y las sugerencias de investigaciones recientes, aplicadas a energía eólica, con el fin de estudiar la estabilidad de pequeña señal en sistemas de potencia con alta generación eólica. Estas investigaciones se centran, al principio, en los modelos de las máquinas generadoras, pasando por la técnica de los escenarios, para finalizar con propuestas de estabilizadores de potencia para aerogeneradores. Lo anterior, analiza los distintos tipos de aerogeneradores mediante la herramienta Matlab/PSAT, y se validan a través de distintos escenarios, donde la velocidad del viento, el voltaje generado y la demanda son variados. Una vez validados los modelos, se analiza el efecto de aumento de penetración eólica en varias redes eléctricas, aumentando la penetración hasta que se logre una estabilidad en las redes. Es importante aclarar que en ciertos momentos puede demostrarse cierta inestabilidad de tipo local e interarea, en las redes, permitiendo un análisis detallado de estas.

Finalmente, para mejorar el amortiguamiento del sistema debido a esas inestabilidades de pequeña señal, se propone la sintonización de un estabilizador de potencia PSS, que tiene la particularidad de utilizar una única entrada de velocidad, como señal de consigna que simplifica su aplicación en aerogeneradores y se presenta la metodología de sintonización de dicho PSS. Para su validación se aplica en las redes inestables (debido a la ausencia de alta penetración eólica),que se han encontrado previamente, demostrando los resultados obtenidos, los cuales arrojan que las redes con PSS son estables.

1. Introducción

El rápido crecimiento en el tamaño de las turbinas eólicas, (entre el año 2000, con 70 m de diámetro del rotor, al año 2010 con casi 140 m) y el crecimiento industrial de casi un 40 % de la energía eólica a nivel mundial (considerando países avanzados en esta tecnología), reportado para el año 2009, mientras que durante fechas particulares del año 2010, la energía eólica producida en España alcanzó a cubrir un valor similar a la demanda energética. Actualmente, la mayor capacidad de generación total en energía eólica la lidera China, seguida de Estados Unidos, Alemania, España e India, haciendo que esta tecnología alcance un record mundial de 370 GW (Ren21, 2015). Es claro que los avances en investigación deben ser igual de rápidos, pues eso permite comprender la importancia de los análisis estacionarios y dinámicos de penetración eólica en una red, así como también los análisis de estabilidad de pequeña señal en sistemas de potencia con alta penetración eólica.

Del mismo modo, se observa según el análisis realizado en esta investigación, que la tecnología más utilizada, fabricada e instalada, de acuerdo con la velocidad para la cual son elaborados las turbinas eólicas y el tipo de generador, son aquellos con potencias cercanas a 1 MW, para los aerogeneradores de eje horizontal de velocidad variable. Es por esto que entre las ventajas de esta predilección se destacan algunas características como: la generación de energía para un amplio régimen de velocidad de viento y el control que puede ejercerse sobre la potencia activa y reactiva generada. Todo lo anterior nos demuestra que el sistema requiere dispositivos electrónicos que pueden aumentar sus costos, pero que al mismo tiempo facilitan el control de los principales parámetros eléctricos.

Los avances realizados en el tamaño de las turbinas y la conexión de las fuentes de energía renovable, denominado agregación de aerogeneradores, amplían la oferta energética de cualquier país, pues mejoran la seguridad eléctrica del mismo. Todo esto puede cuantificarse con el nivel de penetración cólica en un sistema eléctrico de potencia, aunque se especula que tal penetración cólica produce inestabilidad en el sistema debido a las variaciones del viento, que es su fuente primara. Es por esto que en esta investigación se presentarán conclusiones concretas sobre este tema específico.

La estabilidad de un sistema de potencia se analiza desde la fundamentación teórica planteada por Kundur, y demás investigaciones recientes aplicadas a energía eólica que proponen, como investigación futura, desarrollar análisis de estabilidad de pequeña señal en sistemas de potencia con alta generación eólica. De ahí que, dos principales problemas de estabilidad son analizados hoy en día, como son la estabilidad de ángulo del rotor o estabilidad de pequeña señal y la estabilidad de voltaje (Kundur, 1994).

De este modo, en este libro, se comprueba que el estudio de estabilidad de pequeña señal ha recibido poca atención por la comunidad mundial. Por ello, un paso importante es el análisis de los diversos modelos de las máquinas y la optimización de los modelos matemáticos existentes, con el fin de obtener un acertado análisis del sistema de potencia que incluye generadores eólicos, donde se presentan inestabilidades de pequeña señal.

Para un completo análisis, en el que se cumplan los objetivos propuestos de esta investigación, se utilizan tres tipos de modelos de aerogeneradores basados en datos reales de fabricación, como:

•Generadores síncronos conectados directamente a red - DDSG.

•Generadores Jaula de Ardilla – SCIG.

•Generadores de velocidad variable doblemente alimentados - DFIG.

Por lo tanto, el estudio de estabilidad de pequeña señal de estas máquinas pasa por un completo análisis de resultados numéricos y gráficos, por medio de un programa computacional utilizado para este fin en la simulación.

De esta manera, el primer paso en el proceso de simulación es la definición e identificación del sistema de potencia y todos sus componentes. En este punto deben considerarse los generadores, las líneas de transmisión, los transformadores, la carga demandada y los dispositivos electrónicos que realizan control de variables eléctricas como: voltaje, potencia y factor de potencia. Posteriormente, se realiza el modelado matemático de dichos componentes y la representación de cada equipo por las ecuaciones diferenciales que identifican su comportamiento.

Asimismo, en esta investigación se describe cada uno de estos elementos y su influencia en la producción de energía, cuando existen pequeños disturbios o inestabilidades en las máquinas generadoras. Aquí, además de la representación de los equipos, algunas variableentrada del modelo son incluidas como la velocidad del viento, el factor clave en un proyecto de este tipo, la máquina y el sistema de potencia al que está conectada.

Una vez definidos los modelos se da paso al análisis dinámico del comportamiento de las máquinas en el sistema de potencia. En este trabajo se analiza la respuesta estática y dinámica del sistema por inestabilidades de pequeña señal, ante diversos escenarios de generación eólica y diferentes porcentajes de penetración eólica instalada a red. Después, dependiendo del tipo de análisis, se selecciona un software que permita la utilización de las expresiones matemáticas que modelan el sistema, en este caso las ecuaciones diferenciales de los circuitos de las máquinas y las matrices del sistema de potencia, el cual es altamente no lineal. Matlab afirma:

Para el modelado, la simulación y una herramienta para propósitos de análisis de estabilidad, llamada PSAT, se utiliza el análisis modal usando valores propios que contiene ayudas específicas para la estabilidad de la pequeña señal, con visualización gráfica de los vectores y valores propios, con la ubicación de los polos en el plano complejo, de lo cual se puede definir si el sistema es o no estable.

Posteriormente, para obtener resultados precisos, la simulación debe coincidir, pues de lo contrario se tienen que corregir los valores de cada bloque de control como: resistencias internas de los generadores, reactancias, voltaje en barra, potencia base, entre otros. Igualmente, durante el análisis se estudia diferentes escenarios donde la velocidad del viento, el voltaje generado y la demanda pueden variar.

De estos polos o raíces, las n-soluciones de λ =λ1, λ2, … λn, son valores propios de una matriz, donde se ubican las ecuaciones diferenciales del modelo. Esos valores pueden ser reales o complejos, ya que de ellos se obtienen la frecuencia de cada oscilación (Hz) y el factor de amortiguamiento ζ. Así que el análisis teórico para solucionar la estabilidad de pequeña señal, usando el análisis modal, requiere la técnica de valores propios, donde cada número corresponde a un modo oscilatorio, en el cual la parte real representa el amortiguamiento y la parte imaginaria representa la frecuencia de oscilación. De ahí se concluye que los valores positivos indican la estabilidad de pequeña señal del sistema.

Una vez analizada cada máquina, trabajando en bus infinito, se agregan diversos tipos de turbinas eólicas utilizadas actualmente en redes eléctricas, para ser estudiadas en diferentes porcentajes, para un completo estudio de penetración eólica, donde se incrementa el nivel de generación. Esto demuestra que las pequeñas oscilaciones que ocurren en el rango de 0.1 – 2 Hz. pueden clasificarse de acuerdo a la frecuencia de la oscilación (Hz) en:

Interárea: en frecuencias de 0.1 – 1 Hz. Suceden cuando un grupo de maquinas oscila contra otros grupos.

Modo Local: desde 1-2 Hz. Se involucran generadores contra el resto del sistema de potencia.

En el resumen, esta investigación, desea dejar claro que las validaciones desarrolladas permiten encontrar valores de oscilaciones de pequeña señal, las cuales se clasifican o de modo local e interárea, que son analizadas a lo largo de ésta.

De acuerdo con lo anterior, este método, puede ser aplicado a un controlador suplementario al regulador del voltaje o al sistema del control, con el fin de mejorar el amortiguamiento. Esa acción de control debe afectar la potencia de salida del generador y producir el amortiguamiento necesario los modos de oscilación, incrementando la respuesta del sistema a los disturbios, como ya ha sido previamente analizado y probado (Farmer, 2001;Larsen & Swann, 1981; ONG, 1998). Un método muy usado para mejorar el amortiguamiento en esas inestabilidades la utilización de estabilizadores de sistema de potencia PSS, los cuales han sido usados y probados en sistemas de potencia tradicionales que utilizan generadores sincrónicos (IEEE Std 421.5, 2005), (Concordia & De Mello, 1969; Ong, 1998).

Finalmente, para mejorar el amortiguamiento del sistema debido a esas inestabilidades de pequeña señal en generadores eólicos o aerogeneradores, se muestran modernas alternativas de dispositivos electrónicos como los controladores FACTS, Flexible Altern Current Transmission Systems o los estabilizadores de sistema de potencia PSS, Power System Stabilizers, cuya función es el adelanto de la señal proveniente del regulador automático de voltaje (AVR: del inglés Automatic voltage regulator).

Entre estos elementos se propone la sintonización de PSS para compensar la señal de salida del sistema de control del generador, en el cual se presentan las pequeñas oscilaciones. Además, se muestra una metodología de sintonización basada en la respuesta del análisis modal, profundizando en el cálculo de las constantes y ganancias. También se expondrá un algoritmo para automatizar el proceso de sintonizado del dispositivo, el cual mejorará la estabilidad del sistema de potencia con alta penetración de energía eólica.

Es justificable realizar una investigación que considere el impacto de la alta penetración eólica, si se consideran los siguientes aspectos:

•El incremento de la energía eólica instalada tanto a nivel de tierra como a nivel de mar en los llamados, parques eólicos marinos.

•La repotenciación de sistemas eléctricos de potencia cuyos generadores eléctricos se cambian por aerogeneradores.

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