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Análisis de alternativas tecnológicas que aporten servicios de seguridad al Sistema Eléctrico Nacional

Descarbonización del sector energía en Chile | 20.07.21

Expositores

20.07.21 Inercia sintética como servicio de seguridadPágina 2

PhD. Marcelo Perez

• Académico Depto. Ingeniería Electrónica

UTFSM

• Investigador Titular AC3E

Ing. Juan José Astudillo

• Ingeniero de Investigación y Desarrollo

AC3E

Ing. Leonardo Solis Zamora

• Ingeniero de Investigación y Desarrollo

AC3E

Contenido

1. Inercia sintética

2. Experiencia internacional en proyectos

3. Elementos esenciales para implementación

4. Regulación y mercado de servicios de seguridad

5. Aspectos relevantes de mercados internacionales



Inercia sintética

Inercia en los sistemas de potencia

Variación más lenta de V y f.

El sistema de potencia se regula manteniendo las variables de interés (V, f) dentro de un rango.

Mayor inercia


La inercia en un sistema de potencia está dada por

los generadores sincrónicos.

Mayor estabilidad.

La variación de frecuencia depende de inercia y de

la potencia activa.

Inercia y energías renovables

❑ Incremento sostenido de energías renovables en los sistemas de potencia.

❑ Se ha registrado una reducción en la inercia de los sistemas de potencia a nivel mundial.

❑ La mayor reducción de inercia coincide con países con mayor integración de energías renovables.

❑ Puede conducir a la inestabilidad del sistema de potencia.


Inercia en sistemas de energías renovables (DERs)

Energía cinética reducida

No tiene energía cinética


Utiliza convertidor de potencia

Utiliza convertidor de potencia

¿Qué es Inercia Sintética?

Sistema de control que permite que un convertidor de potencia se comporte como un generador sincrónico

❑ Es compatible con la utilización de control primario droop.

❑ La constante de inercia es ajustable.

❑ La modelación de la energía cinética requiere potencia activa (reserva, almacenada).


Implementación de inercia sintética

Relación frecuencia potencia en un generador sincrónico


Métodos de control de inercia virtual

❑ Simple implementación.❑ Error en estado estacionario.❑ No permite incluir elementos dinámicos.


Curva estática de potencia-frecuencia

Modelo máquina sincrónica

❑ Implementación compleja.❑ Incluye elementos dinámicos y no tiene

error en estado estacionario.❑ Requiere de los parámetros de la máquina.

Métodos de reserva de potencia activa

Energía cinética de la turbina

Operación en punto subóptimo

❑ Reduce variabilidad en la generación❑ Rentabiliza peaks de energía❑ Alto costo de implementación

❑ Simple de implementar❑ Pérdida de dinero por no generación


❑ Simple de implementar.❑ Baja cantidad de energía.

Almacenamiento


Experiencia internacional en

proyectos

Escocia: Parque Eólico Dersalloch

• Tecnología: VSM (Virtual Synchronous Machine):

• Operación modo isla.

• Configuración de parámetros en tiempo real.

• Variación constante de inercia emulada:

• H=0,2s, 4s y 8s.

• Seis eventos de subfrecuencia con variaciones

(RoCoF) de hasta 0,11 Hz/s.

• Caída de frecuencia de hasta -0,5 Hz.

• Respuesta autónoma e inmediata con inyecciones de

energía para niveles de inercia configurados.23 turbinas eólicas de 3MW cada una,

operaron en modo Grid Forming durante 6

semanas (mayo - junio de 2019) en

Dersalloch, Escocia.


Escocia: Funcionamiento Parque Eólico Dersalloch


• Potencia total empleada en evento de mayor RoCoF (0.11 Hz/s):

• 1.2MW, 60kW por generador eólico de 3MW (2% de la potencia

total).

• Constante de inercia H=4s.

• Rango de potencia empleado (2 – 4% del total del sistema de

69MW).

• Evento forzado, RoCoF (1 Hz/s) :

• 23MW, 1MW por generador eólico (33% de la potencia total).

• Constante de Inercia H=8s.

Altos valores de inercia durante eventos severos, a bajas velocidades del viento,

puede ser contraproducente.

Australia: ESCRI-SA


• Tecnología: VSM (Virtual Synchronous

Machine).

• Comportamiento Generador

sincrónico.

• Operación en conjunto a

fuentes de voltaje/corriente

• Beneficios para la región:

• Entrega de inercia sintética a la red.

• Aportar con una gran corriente de

falla.

• Operación modo isla de la red local.

• Capacidad de arranque (black start).

BESS de 30MW/8MWh conectado a media

tensión (33kV). Reconocido como el primer

BESS a gran escala con capacidad Grid

Forming en Australia.

Australia: Costos e ingresos proyecto ESCRI-SA

20.07.21Página 16

• Costo total del proyecto= $ 22 millones USD

• Electrónica de Potencia: Inversores ABB

VSG (12x3.1MVA).

• Baterías: Samsung SDI

• Ingresos primeros 12 meses= $ 3.7 millones

USD

• Provisión de inercia sintética.

• Reducción de energía no servida.

• Mercado de servicios complementarios de

control de frecuencia.

Inercia sintética como servicio de seguridad


Requerimientos de implementación

Elementos Esenciales

• Sistema SCADA modificado

(control secundario).

• Parámetros de mercado.

• Datos del estado de la red.

• Datos sobre la fuente de

generación renovable.

• Convertidor Bidireccional.

• Eficiencia energética (FP>0.99)

(THDV<3%).

• Control primario asociado.

• No necesita lazo de seguimiento

de fase (PLL).

• Capacidad de conducir

corrientes de gran magnitud.

• Nivel de energía disponible.

• Constante de inercia emulada

(H).

• Estratégia seleccionada.

PLCSistema de Conversión de

PotenciaEnergía Reservada


Requisitos para sistema de baterías

• Energía entregada a la etapa de transmisión

de la red.

• 600 V < Vbat(DC) < 875 V

• Cumplimiento de Códigos y Estándares

eléctricos estatales.

• Comercializar servicios complementarios.

• Servicios de red.

• consumir/proporcionar energía.

Operador del sistema australiano propone modificar la regulación de sistemas de

almacenamiento de energía para formular modelos de negocios efectivos.



Regulación y mercado de servicios

de seguridad

AustraliaInglaterra/

Reino UnidoIrlanda

Irlanda

Matriz Capacidad instalada

Carbón 10,7%

Diesel 8,0%

Gas 31,4%

Eólico 37,2%

Solar 2,0%

Almacenamiento 4,0%

Interconexiones 7,0%

Operadores


DS3 Programme: Servicios de seguridad del sistema

7 servicios de seguridad

14 servicios de seguridad


Factores escalares

Productos Escalares

Producto

Volumen

Rendimiento

Escasez


Cálculo del pago de los servicios del sistema

Respuesta Inercial Sincrónica y Respuesta Rápida de Frecuencia

Servicio Abreviación

Respuesta Sincrónica Inercial SIR

Respuesta rápida de frecuencia FFR

Reserva operativa primaria POR

Reserva operativa secundaria SOR

Reserva operativa terciaria 1 TOR1

Reserva operativa terciaria 2 TOR2

Reserva de reemplazo - Sincronizada RRS

Reserva de reemplazo - Desincronizada RRD

Margen de rampa 1 RM1



Rápida recuperación de potencia activa post

fallaFOFAPR

Potencia reactiva de estado estacionario SSRP

Respuesta reactiva dinámica DRR

SIR y FFR elaborados principalmente para

mejorar el RoCoF (Rate of Change of

Frequency)



“El producto SIR se define como la energía cinética (a frecuencia nominal) de un generador

sincrónico despachable, un condensador sincrónico despachable o una demanda

sincrónica despachable multiplicada por el factor SIR (SIRF)”

Donde:

• SIR Volumen tiene relación con la energía cinética almacenada.

• La tarifa regulada del servicio.

• Factor Escalar = Escalar de escasez espacial × Escalar de escasez temporal

• Duración del periodo de negociación en horas.

𝑃𝑎𝑔𝑜 = 𝑆𝐼𝑅 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 × 𝑇𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 × 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎𝑟 × 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜



“La respuesta de frecuencia rápida (FFR) se define como el aumento adicional en la salida

de MW de un generador o la reducción en la demanda después de un evento de frecuencia

que está disponible dentro de los 2 segundos del inicio del evento y se mantiene durante al

menos 8 segundos”

Factores escalares:

• Escalar de Producto por Respuesta

Rápida

• Escalar de Producto por Entrega

Mejorada

• Escalar de Escasez Temporal

• Escalar de Rendimiento


Producto escalar por respuesta rápida

Inglaterra


Carbón 1,6%

Gas 34,5%

Eólico 24,8%

Hidro 1,6%

Solar 4,4%

Almacenamiento 0,5%

Distribuido 0,5%

Biomasa 6,5%

Nuclear 17,2%

Interconexiones 8,4%


Servicios de balance del futuro

Dynamic Containment (DC) Dynamic Moderation (DM) Dynamic Regulation (DR)

Características

del producto

Objetivo: contener la frecuencia

dentro de los límites establecidos en

la NTSyCS (para condiciones de

frecuencia inaceptables)

Objetivo: contener la

frecuencia dentro de los

límites operativos de +/- 0,2

Hz.

Objetivo: regular

continuamente la

frecuencia alrededor del

objetivo de 50 Hz.

¿Cómo? Subastas Pay-as-Clear Subastas Pay-as-Clear Subastas Pay-as-Clear

¿Cuando? Día anterior Día anterior Día anterior


Estabilidad


Realización de pruebas con un enfoque de

licitación a largo plazo a través de

Pathfinders

• Stability Pathfinder Phase 1

• Stability Pathfinder Phase 2

Condiciones del Dynamic Containment

“Servicio post-falla de acción rápida para contener la frecuencia dentro del rango legal de +/- 0.5 Hz en caso de

una demanda repentina o pérdida de generación. El servicio se entrega de manera muy rápida y proporcional a la

frecuencia, pero solo está activo cuando la frecuencia se mueve fuera de los límites operativos (+/- 0,2 Hz).”

• Límite de 100 MW por

unidad.

• Volumen limitado a 500 MW

en primera etapa.

• Inicialmente mediante

subastas Pay-as-Bid.

• Duración del contrato de 24

horas.

• Se puede participar en

subastas de corto plazo.



Consideraciones en la implementación del mercado

Gestión del estado de la energía

“Restricción de orden de mérito” en subastas

Especificaciones técnicas para proveer grid forming*

Australia


Sistema NEM


Carbón 68,30%

Gas 8,04%

Eólico 7,53%

Hidro 7,12%

Solar 2,93%

Almacenamiento 0,04%

Distribuido 5,95%

Gestión de frecuencia


Plan de trabajo para el control de frecuencia

Opciones de implementación de respuesta rápida de frecuencia


Opción 1

Control rápido de

frecuencia como

servicio separado

a los servicios

existentes

Opción 2

Introducir un

servicio control

rápido de

frecuencia

modificando los

servicios

existentes.

Opción 3

Precios

diferenciales y

multiplicadores

escalares

Modificación de las reglas eléctricas para la incorporación de sistemas de almacenamiento


Proveedor de Recursos Bidireccionales (Carga/Generación)

Reconocimiento de instalaciones bidireccionales

Sistema de licitación y despacho de menor complejidad

Virtual Power Plant


• Recursos energéticos distribuidos

puedan brindar servicios

complementarios.

• Limitado a una potencia máxima de 5

MW.

• Se requiere una fuerte conectividad

de datos y ciberseguridad.

• Virtual Power Plant (VPP)

Demonstrations


Aspectos relevantes de mercados

internacionales


Servicios de frecuencia

Frente a una implementación de servicios de

inercia es importante que se incorpore un

mecanismo de pago para unidades no

sincrónicas basado en su retribución al

RoCoF.

𝑆𝐼𝑅 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎

La existencia de factores escalares (escalar de

producto por respuesta rápida) crea incentivos a

unidades que tienen tiempos de actuación mayor a lo

establecido en el servicio

Los servicios de frecuencia tanto en Irlanda como

Australia reconocen dos tipos de respuesta:

respuesta rápida de frecuencia dinámica y

estática.

𝑆𝐼𝑅𝐹 =𝐸𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐶𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 (𝑀𝑊𝑠2)

𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑎 (𝑀𝑊)


Es importante la distribución espacial de FFR y Servicio de Inercia en distintos puntos del sistema

eléctrico.

La National Grid ha buscado innovar:

- Mecanismos de subastas para la aceptación de los nuevos servicios del futuro (The

Merit Orden Constraint).

- Mecanismo para gestionar el estado de la energía (State of Energy).

Transición a Pay-as-Clear en mecanismos de subastas buscando crear más transparencia en el

mercado.

Para evitar concentración de mercado en los servicios de frecuencia, tanto Irlanda como Inglaterra se

ha limitado la participación.

En Irlanda como Inglaterra para lanzar los nuevos mercados, se ha limitado el volumen requerido

para crear un mercado competitivo.


Crear una figura en la regulación donde se pueda incorporar los sistemas de almacenamiento la

cual permita flujos bidireccionales.

Países como Australia están focalizando parte de su trabajo en extender los servicios

complementarios de frecuencia a recursos energéticos distribuidos (Virtual Power Plants hasta

5 MW)

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