Dist_PP_EREI_Energia
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Impacto de la Generación Distribuida en los sistemas de distribución de energía
eléctrica Taller Tecnológico para Ingeniería Eléctrica
Dr. Ing. Juan Carlos Gómez TargaronaInstituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia
Universidad Nacional de Río Cuarto
I Encuentro Regional de Estudiantes de IngenieríaHacia el II Congreso Latinoamericano de Ingeniería
Universidad Nacional de San LuisVilla Mercedes, San Luis, 28 de Mayo de 2009
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Generación distribuida:Generación de menos de 10 MW, interconectada al
sistema y que puede funcionar en forma independiente alimentando sus usuarios propios
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Definiciones• Generación distribuida: planta alimentando un
usuario próximo o respaldando al sistema • Generación dispersa: generación distribuida más
generación pequeña localizada alejada del usuario (es la anterior más la eólica)
• Potencia distribuida: generación distribuida más equipos almacenadores de energía
• Fuentes distribuidas de energía: potencia distribuida más la gestión del sistema
• Fuentes descentralizadas: generación distribuida conectada a la red de distribución
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Introducción• Historia: distribuida, centralizada y ahora distribuida• Causas: Agotamiento de combustibles fósilesConciencia del daño al ambienteCrecimiento del consumoConsideraciones económicas• Requerimientos:Cambios de la estructura del mercado eléctricoDesarrollo de nuevas tecnologías de generaciónTecnologías de comunicaciones y control• Futuro: 7 al 14% del agregado próxima década será GD
45% de los Ing. eléctricos se retirarán antes del 2013
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Generación Distribuida
• Principales tecnologías:GeneradoresAlmacenadoresSistemas Híbridos
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Principales Tecnologías de Máquinas de impulso
• Máquinas de combustión interna• Máquinas de combustión externa (Stirling,< 5 a 7 kW)
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Turbinas de gas Turbina Tradicional
Esquema comercialVentajas: - bajo costo de instalación por MW, - aumento de disponibilidad de gas, - gran demanda para picos de carga, - alto rendimiento de equipos derivados de aviación, - rapidez de instalación de 1 a 40 MW en días o semanas.
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Generación eólicaSu evolución
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Características de la generación eólica
No despachable
Turbina Darrieus
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Aprovechamiento de la energía Eólica
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Energía solar: su disponibilidadNo despachable
Disponibilidad del recursode 200 a 1.000 W/m2
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Energía solar: Celdas fotovoltaicas
Colectores solares
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Celdas fotovoltaicas
Desventajas:(1)Área requerida por difusión del recurso, (2)Elevado costo una vez instalado en comparación con otras GD, (3) Intermitencia de la potencia si no se dispone de almacenamiento(4) Bajo rendimiento, y(5) Normas de interconexión a la red poco claras
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Microturbinas de gas1. Tamaño menor a 200 kW 2. Ciclo simple: compresor y turbina de una sola etapa3. Relación de presiones: 3 a 4:1 en lugar de 13 a 15:14. Rotor: eje corto con el generador en un extremo y bolillero central5. Genera a alta frecuencia 1,5 kHz, requiere conversor
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Microturbinas de gas
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Ciclo combinado (P>=10MW)
Potencias elevadasAlto rendimientoTecnología conocidaUso de gasGeneración central
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Calor y potencia combinadas (CHP)
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Calor y potencia combinadas (CHP) Tipo Tamaño Costo Rendimiento
(MW) (USD/kW) Eléctrico Total
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CHP: Datos comparativos
LHV: Low Heating Value
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Celdas de combustible
Ánodo Electrolito Cátodo
Combustible
Oxidante
Rendimiento 50 a 60 % (motor explosión 30 %)
Lentas 10 a 20 MW
Rápidas 50 kW
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Celdas de combustible
MCFC, Molten carbonate; PAFC, Phosphoric acid; PEMFC,Proton exchange membrane; SOFC, Solid oxid
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GENERACIÓN DISTRIBUIDAResumen de características principales
FV: celda fotovoltaica
Motor Comb Int Microturbina FV Celda CombustibleDespachablePotenciaRendimientoCosto (USD/kW)Mantenimiento (USD/kW)Gas PetróleoEstado
Si Si No Si
Comercial Comercial Comercial Comercial gran tamaño nivel piloto
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Resumen de características principales
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GENERACIÓN DISTRIBUIDA
Principales Tecnologías de Almacenadores
Altura de agua (hidrostática)Aire comprimido Baterías electroquímicaBobina magnética superconductoraVolante inercialCapacitor electroquímico
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Altura de agua o central de bombeo
Grandes potencias, hay centrales con más de 600 MW
1. Embalse superior2. Dique superior3. Galería de conducción4. Chimenea de equilibrio5. Tubería forzada6. Casa de máquinas7. Turbogeneradores8. Embalse inferior9. Líneas eléctricas10. Desagüe
2
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Aire comprimido• Al comprimir muy lentamente 1,0 m3 de aire a
temperatura ambiente, dentro de una botella de 1 litro a 200 bares ( ≈ atmósferas), se almacenan 583 kJ (0,16 kWh) de energía potencial.
• Rango de potencias disponibles 35 a 350 MW• Tecnología competitiva con turbinas y ciclos combinados • Costos del orden de 300 a 500 USD/kW• Existe una instalación en Alabama, USA, que almacena
en caverna, con potencia nominal de 110 MW.
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BateríasElectroquímica Voltaje Características Plomo-ácido 2,0 Menor costo
Níquel-cadmio 1,2 Con efecto memoria
Níquel hidruro metálico 1,2 Sensible a la temperatura
Litio – ión 3,4 Segura, sin litio metálico
Litio – polímero 3,0 Con litio metálico
Zinc – aire 1,2 Requiere buen manejo del aire
Energía específica Wh/kg
Densidad de energía Wh/l
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Almacenamiento en baterías• Ventajas- Elevada capacidad de almacenamiento• Desventajas- Ecológicas: el plomo es altamente contaminante, usando
en baterías el 80 % del plomo empleado y el 50 % de los metales peligrosos
- Requisitos especiales para su instalación (temperatura ambiente, ventilación, materiales no corrosibles, etc.)
- Confiabilidad: uso en serie y numerosos contactos- Número máximo de ciclos de descarga, según
profundidad- Elevado costo de desactivación
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Almacenamiento en campos magnéticosLímite actual 5 MJ
Ejemplo comercial:
4,3 H, 2,15 MJ,
800 kVA, 1s.
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Almacenamiento en volante inercial
Rectificador InversorAlimentación de alterna 50 Hz
Salida de alternao contínua
Barra de CC
Inversor bidireccional
Módulo de almacenamiento
en volante
Módulo electrónico
Módulo de almacenamiento de
energía
Tiempo de soporte:
Batería 900 s
UPS rotativa 15 s
Incidencia de h.v. y micro- cortes
85 % < 13 s
87 % < 900 s
incidencia 2 %
30.000 rpm, 2kWh
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Almacenamiento en Volante Inercialpara regulación de voltaje y frecuencia
Unidades de 25kW/h, 100 kWPotencias totales de 1 MW, adicionables hasta 20 MW
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Almacenamiento en supercapacitores
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Comparación de tecnologías de almacenamiento
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Sistema híbrido
Interface
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GD: Impacto ambiental
SCGT: simple cycle gas turbineCCGT: combined cycle gas turbineSOFC: solid oxide fuel celPAFC: phosphoric acid fuel celGas engine/cat: w/three way catalystLean gas engine: poor mix gas engine/SCR: with selective catalyst reduction technology
Nitrogen oxides
Carbon dioxide
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Interconexión• GeneradorSincrónicoAsincrónico excitado por estatorAsincrónico doble alimentadoAsincrónico con convertidorCorriente contínua con convertidor• Sistema de puesta a tierra• Convertidor• Transformador
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Tipos de generadores
Sincrónico
Asincrónico
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Convertidores• DC – AC: para celdas de combustible,
celdas fotovoltaicas, almacenamiento en baterías, supercapacitores, magnetos y volantes inerciales.
• AC – AC: generación eólica y turbinas de gas.
Desde muy simples, hasta altamente sofisticados con control de potencia activa y reactiva, energía, cupla, velocidad, etc.
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Tipo de excitación y regulación
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Principales tipos de transitorios a inyectar al sistema
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Transitorios de conexióngenerador asincrónico
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Transitorio de desconexión generador asincrónico
Pérdida de excitación plena Continúa con excitación capacitiva
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Variación de la tensión generada generador asincrónico
Efecto de sombra de torre
Curva de sensibilidad
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Variación de la corriente suministrada generador asincrónico
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Potencia y tensión
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Comportamiento del generador de inducción frente a cortocircuitos: tensión y corriente
![Page 48: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/48.jpg)
Comportamiento del generador de inducción frente a cortocircuitos: potencia y velocidad
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IMPACTO SOBRE EL SISTEMA ELÉCTRICO
• Seguridad personal y de equipos• Efecto sobre la Calidad de Potencia• Regulación de tensión• Incremento de la corriente de falla• Sistema de protección contra sobrecorriente• Consideraciones sobre planificación• Confiabilidad del sistema, 6 nueves, 30 s.• Flujos de potencia activa y reactiva• Pérdidas en el sistema de distribución
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IMPACTO SOBRE LA CALIDAD DE POTENCIA
• Introducción a la Calidad de Potencia• Efectos sobre los huecos de tensión• Armónicas• Flicker• Sobretensiones semipermanentes• Ferroresonancia
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Introducción a la Calidad de Potencia
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25Tiempo (s)
Volta
je (p
u)
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Interacción GD – hueco de tensión
Voltage limit curve of a network fault forgenerators with high symmetrical short circuitcurrent component (large thermal plant)
Voltage limit curve of a network fault for low symmetrical short circuit current component of a generator (wind generator)
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FlickerRelación con Regulación y por ende
con Inversión
• Fenómeno altamente subjetivo• Función de la respuesta del sistema
lámpara-ojo-cerebro• No produce deterioro a equipos• Limites establecidos por
reglamentaciones nacionales e internacionales
• Confusión con hueco de tensión cíclico
0
1
2
3
4
5
6
1 10 100 1000 10000 100000Frecuencia de la fluctuación de tensión (1/hora)
Varia
ción
de
tens
ión
(%)
Límite de irritaciónLímite de detección
FFF 30 Hz
Año 1937
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Flicker causado por generadores
impulsados por motor a explosiónGrupo Electrógeno, 900 rpm, 6 cilindros, 4 tiempos.
![Page 55: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/55.jpg)
Flicker causado por generadores impulsados por energía eólica
PST = [cos sc + dQ/dP sin sc ] Swn / Ssc Iw fw(W) Dondesc = Ángulo de corto circuitoQ = Potencia reactivaP = Potencia activaSwn = Potencia nominal de la turbinaSsc = Potencia de cortocircuito del sistema Iw = Promedio de la turbulencia del viento fw (W) = Coeficiente de flicker (función del viento)
Ejemplo de sombra de torre:
1000 rpm, 3 palas 5,5 Hz
![Page 56: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/56.jpg)
Sobretensiones por pérdida de referencia
?
![Page 57: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/57.jpg)
Ferroresonancia
![Page 58: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/58.jpg)
Armónicos debidos a la GD• Los inversores conmutados actuales generan niveles bajos de
armónicas de orden bajo, como la 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, 11ª y 13ª.• Los órdenes elevados, de 25ª a 35ª, usados para la conmutación
de los inversores pueden entrar en resonancia con los cables. • Dificultades para cumplir con la IEEE 519-1992, que es más
exigente para generadores que para cargas.• Discusión para considerar a la GD como carga• En general, la distorsión armónica depende del tipo de inversor
y de la estrategia de control
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Generación de armónicas
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Factor de Potencia
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Regulación de tensión
![Page 62: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/62.jpg)
Protecciones contra sobrecorrientes y sobretensiones
• Funcionamiento en isla• Tipo de conexión del transformador• Protección diferencial• Protección por sobrevelocidad y
estabilidad• Retorno de energía y caída de frecuencia• Protección contra pérdida de carga• Coordinación de aislación• Protección contra descargas atmosféricas
![Page 63: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/63.jpg)
Comportamiento frente a cortocircuitos:modificación de la dirección y fallas de coordinación
GD
![Page 64: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/64.jpg)
Comportamiento frente a fallas:reducción de sensibilidad
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Comportamiento frente a fallas:límite en el alcance
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Conversión de curvas de inmunidad al plano t - i
Vh (%) t (ciclos) ΔV (%) I (pu del cortocircuito en el PCC)
0 0,5 100 1
30 1 70 0,7
58 10 42 0,42
70 100 30 0,30
87 1000 13 0,13
Ih (t) = IPCC short-circuit x ( 100 – Vh (t) ) / 100
CBEMA t-V
CBEMA t-I
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Efecto de la Generación Distribuida
VSE [pu] = 1–(Zs+Zis)*(Zd+Zid)/(Zf*Z+(Zs+Zis)*(Zd+Zid+Zim))
con Z = Zs + Zi +Zd. En caso de cambio de posición, se estudia como “espejo”, Zs Zd
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Concepto de energía específica• Energía específica en corriente∫i2dt = I2t (A2 s)• Energía específica en tensión∫v2dt = V2t (V2 s)• Efecto combinado y su conversión:
importancia de la potencia de cortocircuito del sistema en el punto en estudio
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Sistema radial con inclusión de GD
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Time (s)
Cur
rent
and
vol
tage
(p
u)
Faulted branch current SE voltage
Operación fusible 0,066 pu2s
Salida de servicio (ss) ES 0,205 pu2s
Si CB abre en 0,2 s ES ss en 0,42 sSi CB abre en 0,38 s F4 opera en 0,49 sy ES no sale de servicio
ES
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Concepto de conexión semi-rígida
• EDr = (87– 30%)2 0,16 s = 520%2 s. • EDnr = (87– 30%)2 0,04 s + (87–
80%)2 0,12 s = 136%2 s.
Gs Zs Zf fault
DG ZDG Zv & CB
Load (SE)
Impedancia Ifalla Déficit de energía específica con
generación distribuida e impedancia limitadora
Déficit de energía específica sin generación
distribuida e impedancia limitadora
ohm % s-c %2 s %2 s
j 15.7 3 19.22 438.9
j 15.7 6 30.60 276.4
j 15.7 6 26.04 388.7
j 15.7 10 33.31 757.1
j 6.28 50 47.87 1062.6
j 3.14 100 60.83 955.5
j 31.4 100 64.80 952.2
Ejemplo: 13,2 kV; Pns=30 MVA, Pngd= 3 MVA, lf= 10 km, t= 40 ms
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Operación de un reconectadorEliminación fallas: 85% - 1°, 4% - 2° y 1% - 3°
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Curva característica
típica de un
reconectador
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Coordinación reconectador – fusible en presencia de Generación Distribuida
05
101520253035404550
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Relative time (t/θ)Te
mpe
ratu
re ri
se (%
Tf)
05
101520253035404550
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Relative time (t/θ)
Tem
pera
ture
rise
(% T
f)
Fusible In=40 A, constante tiempo 12,4 s, If= 165 A, IDG=65 A abre 100 ms. Fusible abre 14 s no GD, 6,28 s (0,506) si GD abre 100 ms y 3,4 s (0,274) si GD no abre
Con impedancia, IDG=25 A. 14 s, 4,8 s (0,388) y 3,4 s (0,274)
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Modificación en la curva tiempo – corriente debido a la GD
0,01
0,1
1
10
100
1000
10 100 1000 10000
Current (A)
Tim
e (s
)
Curva modificada- Cuadrados vacíos corresponden a TCC mínima fusión para 40 A- Cuadrados llenos, desplazamiento por GD que colabora 0,65 pu. - Círculos corresponden al corrimiento vertical para 300 A por corriente de GD de 1, 1,65, 2, y 3 pu.
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Efecto de la GD sobre los reconectadores
-3-2-1012345
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Time (seconds)
Cur
rent
(A x
10)
-6-5-4-3-2-1012
Volta
ge (p
u)
Current Voltage
Desionización fallida
Desionización exitosa
Parámetros de ensayo:I = 10 A, l de 90 a 205 mm y relación corrientes GD / sistema de 1/16 a 1/10
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Protección completa (IEEE 1547)
![Page 77: Dist_PP_EREI_Energia](https://reader031.fdocumento.com/reader031/viewer/2022013103/568bdf631a28ab2034bcdfa7/html5/thumbnails/77.jpg)
Nuevo esquema eléctrico
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Red inteligente
REC Regional electricity companies
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Hogar eficiente desde el punto de vista energético
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