Calidad del Producto Técnico ante el Ingreso de Generación de Energía Eléctrica con Recurso Renovable Andrés Arturo Romero Quete Instituto de Energía Eléctrica Universidad Nacional de San Juan Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Suministro de Energía Eléctrica: en cantidad suficiente en tiempo y lugar, con la calidad y confiabilidad adecuada, al menor costo posible, y minimizando la contaminación ambiental

Red Eléctrica Inteligente: (según European Smart Grid Task Force) Integra eficientemente el comportamiento y las acciones de todos los agentes conectados – generadores, consumidores y generadores-consumidores – para asegurar la eficiencia económica, un SSEE sostenible, con bajas perdidas, alta calidad y seguridad en el suministro

Producción Mundial de Electricidad (2005 vs 2011) 2005: 9.945,0 TWh Hidráulica Otras 2011: 10.261,3 TWh Nuclear Térmica

Producción Mundial de Electricidad (2005 - 2011) 83,5 186,8

Generación de Energía Eléctrica con Recursos Renovables Por definición, las energías renovables son energías que se renuevan automáticamente por si solas en la naturaleza, y que se obtienen de fuentes naturales que por su duración, cantidad y por su autogeneración se pueden denominar inagotables. Entre las energías renovables, las más utilizadas son la solar, la eólica, la geotérmica, la hidráulica y la mareomotriz

Conexión a la Red de Suministro de Energía Eléctrica No Almacenable Almacenable

Problemas para la Calidad del Producto Eléctrico Recurso primario no almacenable: Fluctuaciones de tensión Variaciones de frecuencia. Necesidad de convertidores electrónicos de potencia: Armónicos Inter – armónicos Conexión y desconexión de generación: Sags y Swells

Rta: Perturbaciones Electromagnéticas ¿Que son? Fluctuaciones de tensión Variaciones de frecuencia. Armónicos Inter – armónicos Sags y Swells Rta: Perturbaciones Electromagnéticas

Calidad del Producto Eléctrico Mundo perfecto: Suministro de energía eléctrica siempre disponible Valores de magnitud y frecuencia de la tensión corresponden a los nominales La forma de onda es una sinusoidal perfecta.

Calidad del Producto Eléctrico Mundo real: X Interrupciones de Suministro, X La magnitud y la frecuencia se desvían de los valores nominales, X La forma de onda es distorsionada

Calidad del Producto Eléctrico Desviación de los valores de frecuencia y magnitud, y de la forma onda con respecto a una señal sinusoidal ideal y de valores nominales Problemas: X reducción de la eficiencia energética, X disparos no deseados de las protecciones, X parpadeo de luminarias, X sobrecalentamiento de líneas, transformadores, motores, etc.

Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables Fluctuaciones de Tensión Variación cíclica de la envolvente de la tensión, o cambios de tensión aleatorios. La magnitud de los cambios normalmente no excede el ±10% mencionado en la norma IEC 38. Efecto: Flicker: caracterizado por Pst y Plt

Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables Dip (IEC) o Sag (IEEE) Reducción súbita (entre 10% y 90%) de la tensión en un punto del sistema eléctrico (relacionados con la entrada y salida de generadores)

Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables Los huecos o muescas de tensión Transitorios periódicos que ocurren dentro de cada ciclo de la onda de tensión debido al cortocircuito entre dos fases durante el proceso de conmutación de llaves electrónicas

Principales Perturbaciones Asociadas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables Armónicos e Inter-armónicos v(t) i(t) Zn-l

tipo de turbina, tipo de paneles ¿De que Dependen las Perturbaciones Debidas a la Generación de Electricidad con Recursos Renovables? Tipo de tecnología tipo de turbina, tipo de paneles Características del punto de conexión a la red potencia de cortocircuito y relación X/R Diseño de la planta de generación número de turbinas, número de paneles, opciones de control, etc. Características locales del recurso primario Variabilidad del recurso, intensidad de las turbulencias del viento, etc.

Tecnología en Generadores Eólicos Tipo A: Turbina de Velocidad Fija “Danish concept” -Rango de control de la velocidad: 0% de la velocidad sincrónica Tipo B: Turbina de Velocidad Variable, con Resistencia Variable conectada al Rotor de la Máquina de Inducción -Rango de control de la velocidad: ±10% de la velocidad sincrónica -Perdidas en la resistencia

Principales Tipos de Generadores Eólicos Tipo C: Turbina de Velocidad Variable, con Convertidor Electrónico Parcial, con Máquina de Inducción doblemente Alimentada, DFIG -Rango de velocidad: ±30% de la velocidad sincrónica -Perdidas en la electrónica reducidas Tipo D: Turbina de Velocidad Variable, completamente conectada a la Red a través de un Convertidor Electrónico, FPC -Rango de velocidad: 0 - 100% de la velocidad sincrónica -Perdidas en la electrónica de potencia -Elevados costos en la electrónica

Penetración en el Mercado de la Generación Eólica de los Distintos Tipos de Turbinas Fuente: Risø National Laboratory, Denmark

Propiedades de la Electrónica de Potencia ventajas desventajas Para la turbina -operación energética optima -reducción de las cargas mecánicas en el eje de rotación -el convertidor reemplaza la caja de engranajes -reducción del ruido -Costos adicionales -Perdidas de energía adicionales Para el parque de generación -P y Q controlables -Fuente local de potencia reactiva -Mejora la estabilidad de la tensión -Mejora la calidad de la energía en cuanto a flicker Inyección de armónicos(de elevado orden)

Principales Tipos de Generadores Eólicos Modelo a Frecuencia Armónica de un Generador con Convertidor i(h) Z(h)filters Xpfc(h) Xm(h) Rm(h) bus i 5 7 11 13 17 19 23 25

Armónicos debidos a Generadores Eólicos Ejemplo de interacción Armónica en un SSEE

Armónicos debidos a Generadores Eólicos Ejemplo de interacción Armónica en un SSEE

Tecnologías en Paneles Solares Silicio Amorfo silicio policristalino Silicio mocristalino

Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan

Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan 5ta Armónica en Corriente

Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan Total de Distorsión Armónica en Corriente, TDD

Distorsión Armónica en una Planta Solar en San Juan Total de Distorsión Armónica en Tensión, THD

Normativa Distorsión Armónica en una Planta Solar

Normativa Distorsión Armónica en una Planta Solar IEC 61400-21: Wind turbines – Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines

Normativa para la Conexión de Generación Distribuida

Normativa para la Conexión de Parques Eólicos

Normativa para la Conexión de Parques Eólicos

Conclusiones La generación de energía eléctrica con recursos renovables es cada vez mas importante dentro de la matriz energética mundial, y la capacidad instalada viene creciendo sostenidamente En el pasado, la emisión de perturbaciones electromagnéticas estaba principalmente relacionada con las cargas que se conectaban en el SSEE y con eventos externos al mismo. Sin embargo, en los sistemas modernos las perturbaciones también se vinculan con la actividad de generación. En particular, la generación eólica y solar comparten la característica de que el recurso energético primario no es almacenable, característica que da lugar a problemas de calidad del producto eléctrico.

Conclusiones La principales perturbaciones relacionadas con estos tipos de generación son: fluctuaciones de tensión (flicker) y variaciones de frecuencia, armónicos, huecos de tensión y muescas de tensión. Los avances en electrónica de potencia han permitido mitigar algunos de estos problemas de calidad, en especial los relacionados con fluctuaciones de tensión y de frecuencia. Sin embargo, estos dispositivos introducen problemas de armónicos e inter-armónicos (al ser los inversores y convertidores dispositivos no lineales) Ante un panorama de mayor expansión en la generación de energía eléctrica con este tipo de tecnologías, se hace necesario realizar estudios específicos de impacto ante la penetración masiva de generadores eólicos y plantas fotovoltaicas en los SSEE.

Conclusiones Tales estudios incluyen: - análisis de flujo de carga, estabilidad y seguridad, estudios de máxima emisión de flicker ante turbulencias del viento, análisis de caídas de tensión ante la conexión y desconexión de turbinas eólicas, análisis de flujos de cargas armónicas para distintas configuraciones del sistema y ante la variabilidad de los recursos primarios, etc. Los anteriores estudios son necesarios para identificar y prever problemas del calidad del producto eléctrico, y definir las soluciones adecuadas.

Gracias por su atención Andrés Arturo Romero Quete Instituto de Energía Eléctrica Universidad Nacional de San Juan Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas