Impacto de la Generación Distribuida en las Redes del

Distribuidor

Ing. Tomas Di Lavello

Generación distribuida o dispersa (distributed generation) se

denomina a las centrales de generación eléctrica que tienen

en común los siguientes atributos:

•Están usualmente conectadas a la red de distribución de energía eléctrica (desde 230/400 V hasta 100 kV)

•Son normalmente de potencia generada inferior a 40 MW

•No necesariamente tienen despacho centralizado

•No son planificadas centralmente por la compañía eléctrica

•No contribuyen a la regulación de frecuencia y tensión

•Son generalmente centrales de propiedad privada

Definición de Generación Distribuida (GD)

2

Tipos de Generación Distribuida

3

Evolución de la Generación GD

Usinas Locales Generación Distante

a Demanda + TRAS

Motivación y justificación de la Generación Distribuida (I)

• Reducción de las reservas mundiales de combustibles fósiles

• Reducción de las reservas hidráulicas

• Dificultad de construcción de CGH, nucleares y redes de AT

• Protocolo de Kyoto

Motivación y justificación de la Generación Distribuida (II)

• Eficiencia Energética

• Crecimiento de la demanda

• Avances tecnológicos en la industria de la generación (Electrónica de Potencia, Celdas FV, etc.)

• Reducción de costos de la instalaciones de generación de Fuentes de Energías Renovables

Evolución de la Generación eólica

FuenteIDAE

Motivación y justificación de la Generación Distribuida I

9

• Mitigar problemas de falta de oferta de generación, debido a:

Falta de infraestructura de generación de base

Problemas puntuales de déficit de generación

• Producir energía “limpia”, que no tenga un impacto ambiental

negativo y reduzca las emisiones de gases de efecto invernadero

como el CO2

• Interés estratégico en diversificar la matriz energética con fuentes alternativas de energía, disminuyendo la dependencia del petróleo

Motivación y justificación de la Generación Distribuida II

10

• Ventajas asociadas a:

Facilidad para encontrar ubicación para la planta generadora

Menores tiempos de construcción y menores costos de capital

Modularidad de la planta de generación

Posibilidad de minimizar los costos de transporte de la energía

Evitar restricciones para tendido de nuevas líneas de trasmisión

Impacto de la Generación Distribuida (I)

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• Reducción de la dependencia de combustibles muchas veces importados ( Seguridad energética, mayor estabilidad en el precio de la energía)

• Cambios de la estructura del Mercado Eléctrico

Intereses del Estado (interés país vs Interés agentes)Intereses de los Agentes (remuneración , perdidas, costo red)

• Cambios en las Empresas Distribuidoras

Mayor Tecnificación de las Redes (automatismos, protección)Nuevos Procedimientos de Planificación, Desarrollo Explotación de Red

Impacto de la Generación Distribuida (II)

12

• Creación de nuevas fuentes de trabajo

• Desarrollo Industrial Local

• Desarrollo tecnológico

Fuentes de GeneraciónProteccionesComunicacionesAutomatismos

Familia de normas IEEE 1547

•IEEE 1547-2003 “IEEE Standard for interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems”

•IEEE 1547.1-2005 “IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems”

•IEEE 1547.2-2008 “IEEE Application Guide for IEEE 1547”

Estándares de Generación Distribuida (I)

13

Familia de normas IEEE 1547

•IEEE 1547.3-2007 “IEEE Guide for Monitoring, Information Exchange and Control of Distributed Resources Interconnected with Electric Power Systems”

•IEEE 1547.4-2011 “IEEE Guide for Design, Operation and Integration of Distributed Resource Island Systems with Electric Power Systems”

•IEEE 1547.6-2011 “Recommended Practice for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems Distribution Secondary Networks

Estándares de Generación Distribuida (II)

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EFECTOS DE LA GD EN LA RED ELECTRICA

• Aspectos Generales

• Efectos Técnicos en la Red

• Efectos en el Sistema

ASPECTOS GENERALES

• Modificación en la estructura de los Sistemas Eléctricos. Antes pocos generadores síncronos, ahora estructura con múltiples generadores de diferentes tecnologías

• Desafío para la operación de las redes (TRAS y DIS)• Cambio en los flujos de potencia

• Nuevos procedimientos de operación (incorporación de GD sin afectar seguridad y confiabilidad del sistema)

ASPECTOS GENERALES

Diferencias Aerogenerador y FV vs Generador Síncrono

• Fuente de energía primaria no gestionable

• Dificultades para lograr continuidad de suministro frente a huecos de tensión

• Potencia generada variable, debido a fluctuaciones de viento o sol

• Incertidumbre en la programación, dificultad de la previsión del viento y sol.

• Disponibilidad condicionada a la existencia de viento y sol

ASPECTOS GENERALES

Diferencias Aerogenerador y FV vs Generador Síncrono

• Generación no relacionada a la demanda

• No participación en el control de frecuencia y tensión del sistema

• Emisión de flicker, dado su conexión en puntos débiles de la red

• Emisión de armónicos derivado del uso de Inverters.

EFECTOS TECNICOS EN LA RED ELECTRICA

EFECTOS TECNICOS EN LA RED

• Cambios en los nivel de tensión

• Incremento de Corriente de Falta

• Perdidas Técnicas

• Coordinación de protecciones

• Funcionamiento en isla no intencional

• Calidad de onda

Impacto de la GD Red de distribución sin GD

21

Impacto de la GD Red de distribución con GD

22

Tensiones en la red en operación normal (II)

23

Perfiles de tensión

Escenario Pico.

Perfiles de tensión

Escenario Valle.

Cambios en los niveles de tensión de la red

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• En general, para cada nivel de tensión las distribuidoras tienen fijada una banda de tensión admisible alrededor de la tensión nominal dentro de la cual debe mantenerse en todo momento la tensión de los clientes.

• Efectos del incumplimiento de valores de tensión admisibles:

Posible daño eléctrico/salida de servicio de equipamiento

de clientes

Multas impuestas a la distribuidora por el ente regulador

• Un generador conectado a la red de distribución causa un aumento local de la tensión en la misma. Puede ocurrir entonces que en situación de mínima carga del sistema (“valle de carga”) se exceda el límite máximo admisible de tensión en clientes cercanos al generador.

IMPACTO EN LA REGULACIÓN DE TENSIÓN

Compensación de caída en línea

Si se instala un GD en un alimentador que contaba con un regulador de tensión por

“compensación de caída en línea”; la corriente de carga vista por el regulador es

menor, la compensación seria menor.

IMPACTO EN LA REGULACIÓN DE TENSIÓN

30

En Resumen:

El impacto de GD individuales de escala residencial (< 10kW) sobre los niveles de tensión primaria de la red será despreciable

Puede ser necesario revisar la regulación de tensión para varios GDindividuales residenciales o un gran GD cuando estos se localicen:

En una Red que cuente con reguladores de tensión compensandocaída de tensión en línea en configuraciones normales o alternativas

En el área de una Red y los GD tengan una fuente primariafluctuante (viento, solar)

En el área de una Red y y los GD puedan crear condiciones de flujoinverso a través de reguladores de tensión en configuracionesnormales o alternativas

En un circuito de la Red donde la instalación de GD exceda el 10%del pico de carga del dicho circuito

Impacto de GD en la Icc

31

• El generador distribuido en muchos casos aporta corriente de cortocircuito a fallas de la red de distribución. Este aporte del GD al cortocircuito se superpone al del resto del sistema, aumentando así la potencia de cortocircuito en la zona de influencia del generador.

• Posibles ventajas del aumento de la potencia de cortocircuito:

menores huecos de tensión para clientes en la zona de influencia del generador frente a faltas en la red.

• Posibles desventajas del aumento de la potencia de cortocircuito:

interruptores con poder de corte insuficiente para la nueva corriente de cortocircuito que pasa por ellos.

mayores corrientes de cortocircuito por mallas de tierra de puestos de conexión de clientes y de estaciones de distribución.

Impacto de GD en la Icc

• En el Sistema “Pasivo” de Distribución es sencillo definir los niveles de Icc. La GD induce generalmente grandes variaciones

• Esta sobrecorriente en el substransitorio puede generar exigencias a equipamientos.

• Pudiéndose también modificar los tiempos de actuación de las protecciones. Generador puede alterar la corriente de defecto a tierra y por lo tanto su potencial.

Aporte de Icc por Tipo de GD

• Generadores Sincrónicos : 8 veces la corriente nominal

• Generadores Asincrónicos y Generadores Asincrónicos doblemente alimentados: 6 veces la corriente nominal

• Generadores con Inverters: 1 vez la corriente nominal

Impacto de GD en la Icc

Pérdidas Técnicas de la RED

AUMENTAN o DISMINUYEN????

Impacto de la GD sobre las pérdidas técnicas en la red de distribución

37

A) Las pérdidas técnicas en la línea de distribución bajan

Impacto de la GD sobre las pérdidas técnicas en la red de distribución

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A) Las pérdidas técnicas en la línea de distribución bajan

B) Las pérdidas técnicas en la línea de distribución aumentan

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

12:0

0:0

0 A

M

1:30

:00

AM

3:00

:00

AM

4:30

:00

AM

6:00

:00

AM

7:30

:00

AM

9:00

:00

AM

10:3

0:0

0 A

M

12:0

0:0

0 P

M

1:30

:00

PM

3:00

:00

PM

4:30

:00

PM

6:00

:00

PM

7:30

:00

PM

9:00

:00

PM

10:3

0:0

0 P

M

P

t

Pdi

Pg2

Pg1

Pg3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

L

t

Pdi^2

(Pdi-Pg2)^2

(Pdi-Pg1)^2

(Pdi-Pg3)^2

Pérdidas Técnicas de la RED

AUMENTAN o DISMINUYEN????

EN DIS pueden aumentar o disminuir

En TRAS normalmente disminuyen

Balance aumento en DIS reducción en TRAS = Aumento PT

Efecto en el sistema de protecciones de la RED

Impacto de GD en las protecciones

• Modifica los principios de coordinación, ya que los dispositivos dejan de estar en serie o recorridos por la misma corriente.

• Cambios en el alcance de la protección por colaboración a la corriente de falla.

• Pérdida de sensibilidad de la protección por nuevos caminos para la corriente de falla.

• Podria dificultar la eliminación de fallas transitorias, por desaparecer los tiempos-muertos (intervalo de reconexión) de los reconectadores

Desensibilización de las protecciones

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• La inserción de un generador distribuido puede desensibilizar los relés de protección de los radiales de distribución, haciendo que vean una corriente de falta menor que en el caso de no estar conectado el generador a la red.

• Ejemplo:

sin

2

3L

R G

VI

Z

con

2

5L

R G

VI

Z

con sin0.6R G R GI I

Sensibilización indeseada de protecciones

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• Problema: apertura indeseada de Rg por aporte del generador G

• Solución: relé con función de protección direccional. Se necesita medida de tensión en barras de estación.

• El relé R de la salida con falta ve la suma de aportes al cortocircuito de la red y el generador. Esto interfiere negativamente con las protecciones de sobrecorriente de la salida.

Funcionamiento en isla no intencional (I)

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• Fenómeno: apertura de elemento de maniobra de la red de distribución que deja aislada una parte de la red a la cual esta conectado un generador (“isla” de potencia)

• Condición previa a la apertura para que se genere la isla: la potencia aportada por la red es mínima, las cargas son básicamente iguales a las potencias que entrega el generador (condición de “matcheo de cargas”)

Funcionamiento

en isla luego de

abierto R

Funcionamiento en isla no intencional (II)

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Problemas asociados al funcionamiento en isla no intencional:

• Riesgo de seguridad para personal de la distribuidora al mantenerse energizado el radial

• Riesgo de recierre fuera de condición de sincronismo entre la red y el generador

• La isla no intencional no controla tensión ni frecuencia

• La isla no intencional en general no tiene un sistema de aterramiento y protecciones adecuado

• En la isla no intencional pueden aparecer o acentuarse problemas de calidad de energía (armónicos, flicker, desbalance)

Protecciones anti-isla

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• ROCOF (Rate of Change Of Frequency)

• Voltage Vector Shift (VS)

• Teledisparo (Intertripping, Remote Transfer Tripping)

Protección de Teledisparo de GD

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Transformador de interconexión

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CALIDAD DE LA ENERGIA

CALIDAD DE LA ENERGIA

• Calidad de Onda

• Variaciones de Frecuencia

• Variaciones Lentas de Tensión

• Fluctuaciones de Tensión y Flicker

• Desequilibrio de Fases

• Transitorios y Sobretensiones

• Huecos e Interrupciones Breves de Tensión

• Armónicos

Los GD, fundamentalmente los eólicos y FV pueden producir efectos severos sobre la calidad de onda , debido a:

• Sus puntos de conexión normalmente se ubican en zonas con infraestructuras menos desarrolladas y Pcc bajas

• La potencia eléctrica producida presenta oscilaciones debidas a la variabilidad del viento y al comportamiento aerodinámico de las turbina eólicas.

• A la electrónica de potencia (inverters )

Para minimizar este efecto, en muchos países se limita la potencia de la GD a instalar en función de la Pcc en el Nodo de Conexión

Calidad de Energía en Sistemas con GD

52

53

Variación fundamentalmente originadas en desajustes entre la generación y la demanda.

• generación > demanda

La frecuencia aumenta

• generación < demanda

La frecuencia disminuye

Variaciones de Frecuencia

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Variación lenta de tensión es aquella cuya duración es del orden de minutos. La potencia de los generadores eólicos o FV no es constante, dado a las variaciones de viento y sol.

Por lo que las variaciones de tensión también tendrán una evolución temporal similar.

Variaciones lentas de tensión

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Son producidas por el comportamiento aerodinámico de la turbina

• Efecto Sombra de la torre Frecuencia 1 – 1.5 Hz

• Estratificación del viento Velocidad del viento diferente entre pto mas alto y mas bajo de las palas- Frecuencia 0.3 -0.5 Hz

• Variación de viento estocástico . Diferencias en el espectro de potencia del viento. Frecuencia 1-10 Hz

• Ráfagas de viento

• Oscilaciones en el sistema mecánico

• Tensiones armónicas derivadas de las corrientes inyectadas por el convertidor

Fluctuaciones de Tensión (Flicker)

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Huecos y Interrupciones Breves

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Hueco de Tensión en un pto de la red, cuando la tensión de 1 o mas fases cae repentinamente por debajo de los limites establecidos (85-90%) y se recupera luego de un tiempo que oscila entre 10ms y algunos segundos.

Huecos y Interrupciones Breves

Huecos y Interrupciones Breves

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En el aerogenerador produce oscilaciones de tensión en la etapa de continua y aumento de corriente en el convertidor.

El operador de red para mantener estabilidad define requisitos a cumplir por los aerogeneradores

•Monitorear los armónicos de orden 5 y 7, debido a posibilidad de resonancias entre inductancia del generador y dispositivo de compensación del factor de potencia.

• En caso de Aerogeneradores o FV, que utilicen convertidores electrónicos de potencia, es necesario el análisis de la distorsión armónica que producen

Armónicos

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61

EFECTO ACCION PREVENTIVAS y/o CORRECTIVASEstudios previos de insercion de redAumentar Pcc del Nodo de ConexiónFijar rango de F. Potencia de Operación

Estudio previo valores teoricos Pst y Plt Eleccion de lugar geografico y tipo de generadorEleccion del tipo de InverterAumentar Pcc del Nodo de ConexiónCondensadores Controlados (SVC)

Dispositivos FACT (Flexible AC Transmision Systems) En

paralelo STATCOM (Static Synchronos Compensator) En

serie DVR (Dynamic Voltage Restorer)

Eleccion de generador que cumpla requisitosAumentar Pcc del Nodo de Conexión

Eleccion de lugar geografico y tipo de generadorRealizar registros previos sin GDEleccion del tipo de InverterInstalacion de filtros

Aumentar Pcc del Nodo de Conexión

Variaciones lentas de tension

Flicker

Huecos de Tension

Armonicos

EFECTOS EN EL SISTEMA

EFECTOS EN EL SISTEMA

• Cobertura de la Demanda

• Supervisión y Gestión de la Generación

• Predictibilidad de la generación renovable

Cobertura de la Demanda

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Cobertura de la Demanda

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Alta variabilidad en la cobertura de la demanda

Factores

• Gran variabilidad del viento y de sol

• Distribución geográfica de los parques eólicos y granjas FV

• Mapa solar y de viento

Cobertura de la Demanda

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Comportamiento de la generación (eólica y FV) no acorde con la demanda del sistema

• La Producción tiene un comportamiento inverso a la demanda. En horarios de mayor demanda se registra menor producción y viceversa

• Problemas de excedentes de energía en horas de valle

Cobertura de la Demanda

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Consecuencias:

• Menos generadores convencionales deben mantener la estabilidad el sistema.

• Necesidad de disponer centrales de respaldo (back-up) para periodos de baja generación eólica

• Mayores requerimientos a la generación convencional (trabajo mínimo técnico, aumento de mantenimiento y de costos de operación, aumento de arranques y paradas de los grupos)

Cobertura de la Demanda

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Consecuencias:

• Mayores necesidades de reservas de regulación en periodos de alta generación eólica

• Restricciones de producción eólica, en periodos de alta generación y baja demanda, para prevenir problemas de estabilidad

• Incremento de los costos de la operación del sistema

Cobertura de la Demanda

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Factores Atenuadores

• Grupos de generación convencional flexibles:• Arranque Rápido

• Capacidad para trabajar a muy baja carga

• Gestión de la demanda (Aplanar la curva de demanda)• Almacenamiento de energía (bombeo, etc.)

• Smartgrids

• Coche Eléctrico

• Desarrollo interconexiones

Red inteligente

REC Regional electricity companies

Supervisión y Gestión de la Generación

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El modelo de producción cambia y se pasa de una generación centralizada de pocas centrales a una GD con múltiples actores distribuidos, y generalmente en zonas de consumo bajo.

Se modifican los flujos de carga del sistema y por tanto su comportamiento

El crecimiento de potencias de fuentes renovables instaladas, hace que estas cobren un papel fundamental en la estabilidad del sistema. Por lo que es necesario que desde el centro de control se conozca su estado y poder actuar sobre ellos.

Supervisión y Gestión de la Generación

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Supervisión y Gestión del Centro de Control

• Calidad de las medidas y de la comunicación GD-C.Control

• Muestreo de las principales parámetros de la instalación (intercambio de potencia, tensiones, previsión de generación, disponibilidad, velocidad del viento, etc.)

• Capacidad de envío de consignas por parte del operador (reducción producción, factor de potencia, etc.)

Predictibilidad de la Generación Renovable

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• Con el incremento de la potencia de origen eólicos instalada en el Sistema Eléctrico, se hace imperioso contar con herramientas precisas para la predicción de la producción eólica, por parte del operador del Sistema, con el objeto de minimizar el impacto de dicha generación sobre el Sistema.

• Los errores de predicción afectan el equilibrio Generación-Demanda• Estabilidad de frecuencia

• Fluctuaciones de tensión

• Mayor necesidad de reserva de potencia.

Conclusiones y Recomendaciones

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• La Generación Distribuida impacta en el Sistema Eléctrico (DIS, TRAS, Operador del Sistema, etc.)

• La implementación con éxito requiere trabajo en conjunto • Agentes del Mercado• Ministerio- Estado• Inversores• Desarrolladores

• Desarrollos tecnológicos, estudios de inserción para palear los impactos negativos

• Beneficios directos e indirectos a nivel país.

Preguntas

Muchas Gracias

Ing. Tomas Di Lavello

Email: Tomasdil@gmail.com