Escuela Politcnica Nacional

Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica.

MXIMA CAPACIDAD DE GENERACIN ELICA A SER INSTALADA

EN EL SISTEMA ELCTRICO ECUATORIANO.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE

INGENIERO ELCTRICO.

LUIS DANIEL ANDAGOYA ALBA dnl_a21@hotmail.com

DIRECTOR: DR. CARLOS FABIAN GALLARDO QUINGATUA (Ph.D.) carlos.gallardo@epn.edu.ec

CO-DIRECTOR: ING. FAUSTO GUILLERMO AVILES MERINO (Msc.) fausto.aviles@epn.edu.ec

Quito, Febrero 2014

i

DECLARACIN

Yo, Luis Daniel Andagoya Alba, declaro que el trabajo aqu descrito es de mi autora;

que no ha sido previamente presentado para ningn grado o calificacin profesional;

y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este

documento.

La Escuela Politcnica Nacional, puede hacer uso de los derechos correspondientes

a este trabajo, segn lo establecido por la Ley Propiedad Intelectual, por su

Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

__________________________

Luis Daniel Andagoya Alba

ii

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Luis Daniel Andagoya Alba

bajo mi supervisin.

__________________________

Dr. Carlos Gallardo (Ph.D).

DIRECTOR DEL PROYECTO

__________________________

Ing. Fausto Avils (Msc)

CO-DIRECTOR DEL PROYECTO

iii

AGRADECIMIENTOS

Con mucha alegra quiero expresar mi agradecimiento principalmente a mi Dios que

personificado en mis padres me dieron la vida y su apoyo incondicional en todo momento.

Gracias a ustedes Papi y Mami por su amor, por su cario, por la confianza, por el sacrificio

que da a da realizaron para brindarme la posibilidad de estudiar y poder alcanzar mis

sueos y metas. Gracias a ustedes Papi y Mami, su apoyo hizo que este sueo se haga

realidad.

A mi director Dr. Carlos Gallardo, Gracias por su gua y sus sabios consejos, por su

paciencia y dedicacin en la realizacin de este proyecto, por ser ms que mi profesor mi

amigo, y por la confianza depositada en m para la realizacin de este trabajo.

A mis hermanos Gustavo, Margarita y Roberto. Gracias por brindarme su apoyo y la alegra

de tenerlos siempre cerca. Gracias por su amistad, la confianza y el cario inculcado por

nuestros padres a lo largo de los aos.

A mis cuados Juan y Anita, por ser parte de la familia y estar siempre presentes en cada

acontecimiento suscitado en nuestro hogar.

A mis sobrinos Carlitos, Valeria y Sarah. Gracias por ser siempre una inspiracin a seguir

adelante.

A mis abuelitos que desde el cielo estarn muy contentos y orgullosos del logro conseguido.

Gracias por ensearme la importancia del estudio y de la superacin, pero sobre todo del

valor de saber quin soy y de dnde vengo.

A mis tos y primos. Gracias por el apoyo.

A mis amigos y amigas por acompaarme en este largo camino estudiantil, gracias por

compartir conmigo momentos felices y tristes a lo largo de la carrera, siempre los llevare en

mi corazn.

iv

DEDICATORIA

A mis padres

Jos Luis y Gertrudis

por ser el principal apoyo de mi vida

y un ejemplo de amor, cario y sacrificio.

A mis hermanos

Gustavo, Margarita y Roberto

por su apoyo y confianza.

A quienes me ensearon el valor de la identidad,

de la lucha, del sacrificio y la esperanza

en que das mejores vendrn para nuestra gente:

A mis abuelitos Juan Antonio y Teresa.

v

RESUMEN

El siguiente trabajo muestra un estudio detallado para determinar la mxima

capacidad elica permitida en el sistema elctrico ecuatoriano, para garantizar una

operacin segura del sistema. Se determinan las potencias de los diferentes parques

elicos mediante dos ndices que aseguran el ingreso de este tipo de generacin al

sistema, el primer ndice conocido como ndice de Fluctuacin de Voltaje (IFV) es

recomendado por la IEEE Standard 141, 1993 y el segundo ndice conocido como

Grado de Penetracin Elica (GP) recomendado por pases con gran experiencia en

generacin elica como Espaa, Dinamarca y Alemania. Adems de estos ndices

se toma en cuenta los sitios con gran potencial elico recomendados en estudios del

INECEL y en el mapa elico publicado por el Ministerio de Electricidad y Energa

Renovable publicado en el 2013. Con la determinacin de todos los Parques Elicos

a instalarse en el sistema para efectos del presente estudio, as como sus

respectivas potencias, se procede con el anlisis operativo del sistema tanto en

estado estable como en estado dinmico antes y despus de la incorporacin de los

Parques Elicos para poder determinar los efectos producidos en la red.

La penetracin en el sistema elctrico ecuatoriano de la generacin elica modifica

el punto de operacin del sistema. El estudio presenta los resultados del anlisis

tanto en estado estable como en estado dinmico del sistema evaluando

principalmente el estado operativo del sistema y la estabilidad del sistema tanto para

pequea seal como para estabilidad transitoria antes y despus de la

incorporacin de los parques elicos. Para este anlisis se utiliza un modelo

dinmico del aerogenerador de 3.6MW de tecnologa Full Converter cuyo modelo se

encuentra en las libreras de DigSILENT Power Factory.

vi

PRESENTACIN

El presente trabajo presenta un estudio detallado para determinar la mxima

capacidad de generacin elica que se puede instalar en el Sistema Elctrico

Ecuatoriano desde el punto de vista tcnico, manteniendo los parmetros del

sistema dentro de los rangos permitidos tanto en estado estable como en estado

dinmico.

El captulo uno presenta la introduccin, los objetivos, los antecedentes, la

justificacin y los alcances que tendr el proyecto.

El captulo dos presenta dos partes. En la primera parte se realza una descripcin de

las diversas tecnologas de aerogeneradores as como su modelacin para estudios

elctricos. La segunda parte presenta los conceptos bsicos necesarios para la

realizacin de un anlisis de estabilidad de ngulo de un sistema elctrico de

potencia, haciendo nfasis en la estabilidad de ngulo tanto de pequea seal como

de estabilidad transitoria.

El captulo tres presenta la insercin de los parques de generacin elica en el

Sistema Elctrico Ecuatoriano, realizando un estudio para determinar los tamaos

preliminares de los parques elicos a ser conectados en la red dependiendo de los

diferentes puntos de operacin del sistema elctrico ecuatoriano.

El captulo cuatro presenta un anlisis comparativo de la estabilidad de pequea

seal del sistema elctrico ecuatoriano antes y despus de la insercin de los

parques elicos en diversos puntos de operacin del sistema.

El captulo cinco presenta un anlisis comparativo de la estabilidad transitoria del

sistema elctrico ecuatoriano antes y despus de la insercin de los parques elicos

en diversos puntos de operacin del sistema.

El captulo seis presenta las conclusiones y recomendaciones del estudio.

vii

CONTENIDO

DECLARACIN....i

CERTIFICACIN.ii

AGRADECIMIENTOS.....iii

DEDICATORIA...iv

RESUMEN..........................v

PRESENTACIN..vi

CONTENIDO..vii

LISTA DE FIGURAS...x

LISTA DE TABLAS.......xiii

CAPTULO 1 INTRODUCCIN ........................................................................................................ 1

1.1 Justificacin del proyecto ..................................................................................... 2

1.2 Objetivos .............................................................................................................. 3 1.2.1 Objetivo General ........................................................................................... 3

1.2.2 Objetivos Especficos .................................................................................... 3

1.3 Alcance ................................................................................................................ 3

1.4 Antecedentes ....................................................................................................... 4 1.4.1 Potencial Elico en el Ecuador. .................................................................... 4

1.4.2 Mapa Elico del Ecuador con fines de Generacin Energtica .................... 7

CAPITULO 2 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................ 10

2.1 Tecnologas de Aerogeneradores. ...................................................................... 10

2.1.1 Generador de induccin de Velocidad Constante. ....................................... 11

2.1.2 Generador de induccin doblemente alimentado. ........................................ 13

2.1.3 Generador Sncrono con Impulso Directo (Direct-drive o Full Converter). ... 16

viii

2.2. Implementacin del Modelo de Parque Elico. ................................................. 18

2.2.1 Representacin de los parques con red equivalente ................................... 18

2.2.2 Implementacin del generador de induccin doblemente alimentado (DFIG). ............................................................................ 19

2.2.3 Implementacin del generador sncrono con impulso directo (SG) .............. 24

2.3 Estabilidad de Sistemas Elctricos. ..................................................................... 26

2.3.1 Estabilidad de Voltaje. .................................................................................. 28

2.3.2 Estabilidad de frecuencia. ............................................................................ 29

2.3.3 Estabilidad de ngulo................................................................................... 30

2.3.3.1. Estabilidad de ngulo de Pequea Seal (Perturbacin Pequea). ................................................................................... 31

2.3.3.2. Anlisis Transitoria (Perturbacion Grande). ......................................... 43

CAPITULO 3: INSERCIN DE LA GENERACIN ELICA EN LA RED. ...................................... 59

3.1 Sitios candidatos y expectativas de explotacin Elica en el Sistema Electrico Ecuatoriano. ............................................................................................... 59

3.2. Determinacin de los Tamaos Preliminares de las Plantas .............................. 59

3.2.1 ndice de Fluctuacin de Voltaje (IFV). ........................................................ 60

3.2.2. Grado de Penetracin (GP). ........................................................................ 62

3.2.3 Tamaos Preliminares de los Parques Elicos a ser instalados en el Sistema Electrico Ecuatoriano. ........................................... 64

3.3 Insercin de la Generacin Elica en la RED ...................................................... 68

3.3.1 Estudio del Escenario de Mnima Demanda ................................................ 72

3.3.2 Estudio del Escenario de Media Demanda .................................................. 79

3.3.3 Estudio del Escenario de Mxima Demanda ................................................ 82

CAPITULO 4 ESTABILIDAD DE PEQUEA SEAL DEL SISTEMA ELCTRICO ECUATORIANO CON PARQUES ELICOS. ......................................................................... 89

4.1. Efecto de los Parques Elicos ............................................................................ 90

4.2. Anlisis de pequea seal del S.N.I con parques elicos para el escenario de Mnima Demanda. ..................................................................................................... 92

ix

4.3. Anlisis de pequea seal del S.N.I con parques elicos para el escenario de Media Demanda. ....................................................................................................... 96

4.4. Anlisis de pequea seal del S.N.I con parques elicos para el escenario de Mxima Demanda. .................................................................................................... 99

4.5. Anlisis de pequea seal del S.N.I en Mnima, Media y Mxima Demanda. .. 103

CAPITULO 5 ESTABILIDAD TRANSITORIA DEL SISTEMA ELCTRICO ECUATORIANO CON PARQUES ELICOS. ....................................................................... 106

5.1 Efecto de los Parques Elicos .................................................................................................... 107

5.2. Anlisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques elicos para el escenario de Mnima Demanda. ....................................................................................................... 108

5.3. Anlisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques elicos para el escenario de Media Demanda. .......................................................................................................... 113

5.4. Anlisis de Estabilidad Transitoria del S.N.I con parques elicos para el escenario de Mxima Demanda. ...................................................................................................... 109

CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................... 122

6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 122

6.2 Recomendaciones. ............................................................................................ 125

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 127

ANEXO 1................................................................................................................. 130

ANEXO 2................................................................................................................. 132

ANEXO 3................................................................................................................. 146

ANEXO 4................................................................................................................. 166

ANEXO 5................................................................................................................. 186

x

Lista de Figuras

Figura 1.1: Atlas Elico del Ecuador. ......................................................................... 8

Figura 2.1: Componentes y disposicin en un aerogenerador de induccin (SCIG) .................................................................................................. 12

Figura 2.2: Componentes y disposicin en un aerogenerador de induccin doblemente alimentado (DFIG). ................................................................................ 14

Figura 2.3: Componentes y disposicin en un aerogenerador sncrono impulsado directamente (SG) ..................................................................... 16

Figura 2.4: Representacin con red equivalente del Parque Elico Membrillo conectado a la subestacin Loja 138kV .................................................... 19

Figura 2.5: Esquema simplificado representando el generador elico doblemente alimentado DFIG .................................................................................... 20

Figura 2.6: Esquema a bloques de los principales componentes en el modelo del generador DFIG para Power Factory .................................................. 21

Figura 2.7: Esquema unifilar del Parque Elico Villonaco con Modelo tipo DFIG conectado a una barra infinita. .................................................................. 22

Figura 2.8: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo DFIG en DigSILENT Power Factory. .................................................................. 23

Figura 2.9: Principales disposiciones de un aerogenerador sncrono impulsado directamente .............................................................................. 24

Figura 2.10: Esquema unifilar del Parque Elico Salinas (Ibarra) SG implementado en la S/E Ibarra 138kV ................................................................. 25

Figura 2.11: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo SG en DigSILENT Power Factory. ..................................................................... 26

Figura 2.12: Clasificacin de la Estabilidad .............................................................. 28

Figura 2.13: Oscilaciones entre reas .................................................................... 31

Figura 2.14: Oscilaciones Locales ........................................................................... 32

Figura 2.15: Oscilaciones Entre Maquinas .............................................................. 32

Figura 2.16: Oscilaciones de Modos de Control ...................................................... 33

Figura 2.17: Oscilaciones de Modos de Torsin ..................................................... 33

xi

Figura 2.18: Diagrama de bloques del espacio de estado para un sistema lineal ............................................................................................... 38

Figura 2.19: Autovalores y respuesta asociada. ....................................................... 39

Figura 2.20: Sistema mquina-barra infinita ............................................................. 44

Figura 2.21: Circuito equivalente del sistema de la Figura 2.20. .............................. 44

Figura 2.22: Reduccin del circuito equivalente del sistema de la Figura 2.20. ...................................................................................................... 45

Figura 2.23: Relacin Potencia Angulo .............................................................. 46

Figura 2.24: Diagrama unifilar de un sistema de potencia simple ............................ 50

Figura 2.25: Circuito equivalente del sistema de la Figura 2.24. .............................. 51

Figura 2.26: Diagrama fasorial. ................................................................................ 51

Figura 2.27: Relacin potencia-ngulo. .................................................................... 53

Figura 2.28: Criterio de reas Iguales para un Sistema Generador Barra Infinita ......................................................................................... 54

Figura 2.29: Diagrama unifilar del circuito a ser analizado (localizacin de la falla) ............................................................................................. 56

Figura 2.30: Circuito equivalente (localizacin de la falla) ........................................ 56

Figura 2.31: (a) Respuesta del despeje de la falla ...................................................... (b) Respuesta del despeje de la falla ........................................................................ 57

Figura 3.1: Variaciones Admisibles del Voltaje en funcin de la Frecuencia de Ocurrencia. ........................................................................................ 62

Figura 3.2: Sensibilidad del voltaje al cambio de 1Mvar en los nodos candidatos ...................................................................................................... 67

Figura 3.3: Curva Tpica de Potencia hora-hora de un Parque Elico en funcin de la velocidad del viento ......................................................................... 71

Figura 3.4: Curva Tpica de Demanda hora-hora del Sistema Elctrico Ecuatoriano ................................................................................... 71

Figura 3.5: Demanda equilibrante incorporada en la S/E Zhoray ............................. 76

Figura 4.1: Requerimientos de Amortiguamiento. .................................................... 90

xii

Figura 4.2: Valores Propios Demanda Mnima ......................................................... 93

Figura 4.3: Valores Propios Demanda Media ........................................................... 97

Figura 4.4: Valores Propios Demanda Mxima ...................................................... 100

Figura 4.5: Valores Propios Min, Med y Max Demanda. ........................................ 104

Figura 5.1: Respuesta Dinmica del generador G_EQEMELNORTE_TUL. ...................................................................................... 110

Figura 5.2: Respuesta Dinmica del generador G_EMAAP_RECUPERADORA ............................................................................... 111

Figura 5.3: Respuesta Dinmica del generador G_U1_SAN FCO ..................................................................................................... 112

Figura 5.4: Respuesta Dinmica del generador G_EQUEMELNORTE_IBA ...................................................................................... 114

Figura 5.5: Respuesta Dinmica del generador G_MULALO ............................................................................................................. 115

Figura 5.6: Respuesta Dinmica del generador G_PASOCHOA ....................................................................................................... 116

Figura 5.7: Respuesta Dinmica del generador G_EQEERSA_LOJ. ................................................................................................. 118

Figura 5.8: Respuesta Dinmica del generador G_MULALO ............................................................................................................. 119

Figura 5.9: Respuesta Dinmica del generador G_U1_SAN FCO ..................................................................................................... 120

xiii

Lista de Tablas

Tabla 1.1: Estaciones Meteorolgicas con registro de velocidad superior a 2.5m/s [1]. ................................................................................................... 5

Tabla 1.2: Lugares con Potencial Elico [1]. ............................................................. 6

Tabla 1.3: Proyectos Elicos impulsados por el Gobierno Nacional [3]. ..................... 7

Tabla 3.1: Lugares con posible Potencial Elico en funcin de la disponibilidad de viento [1] [2] [4]. ............................................................................. 59

Tabla 3.2: Generacin Elica por Sitio y Regin en Base al ndice de Fluctuacin de Voltaje del 5 % ................................................................... 65

Tabla 3.3: Generacin Elica por Sitio en Base al ndice de Fluctuacin de Voltaje del 5 % ................................................................... 66

Tabla 3.4: Generacin Elica a incorporar en la red ................................................. 73

Tabla 3.5: Generacin Elica definitiva a ser incorporar en la red ............................ 74

Tabla 3.6: Generacin Trmica antes y despus de incorporar la Generacin Elica Min Dem [17]. ........................................................................... 75

Tabla 3.7: Comparacin de los valores de voltaje fuera de los lmites permitidos luego de incorporar la Generacin Elica ..................................... 76

Tabla3.8: Comparacin de sobrecargas luego de incorporar la Generacin Elica ..................................................................................................... 77

Tabla 3.9: Comparacin del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Elicos ............................................................................. 78

Tabla 3.10: Generacin Trmica previa a incorporar la Generacin Elica Med. Demanda [17]. ................................................................. 79

Tabla 3.11: Comparacin de los valores de voltaje fuera de los lmites permitidos luego de incorporar la Generacin Elica ..................................... 80

Tabla 3.12: Comparacin de sobrecargas luego de incorporar la Generacin Elica ..................................................................................................... 81

Tabla 3.13: Comparacin del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Elicas ......................................... 82

Tabla 3.14: Generacin Elica a incorporar Max. Demanda. ................................ 83

xiv

Tabla 3.15: Generacin Trmica previa a incorporar la Generacin Elica Max. Demanda [17]. ................................................................. 84

Tabla 3.16: Comparacin valores de voltaje fuera de los lmites permitidos luego de incorporar la Generacin Elica ..................................... 86

Tabla 3.17: Comparacin de sobrecargas luego de incorporar la Generacin Elica ................................................................................ 86

Tabla 3.18: Comparacin del cambio en Potencias de Cortocircuito debido al despacho de los Parques Elicas ........................................ 87

Tabla 4.1: Generacin Elica a ser implementada en el S.N.I.................................. 91

Tabla 4.2: Generacin Elica a ser implementada en el S.N.I. (Max Demanda) ......................................................................................................... 91

Tabla 4.3: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio ............................ 92

Tabla 4.4: Modos Poco Amortiguados Demanda Mnima, Sistema Original. ....................................................................................................... 94

Tabla 4.5: Modos Poco Amortiguados Demanda Mnima, Con Parques Elicos ................................................................................................. 94

Tabla 4.6: Modos Poco Amortiguados Demanda Mnima, Con Gen. Convencional. ........................................................................................... 95

Tabla 4.7: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio Dem. Media .................................................................................................. 96

Tabla 4.8: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Sistema Original. ....................................................................................................... 97

Tabla 4.9: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Con Parques Elicos. ................................................................................................ 98

Tabla 4.10: Modos Poco Amortiguados Demanda Media, Con Gen. Convencional. ........................................................................................... 98

Tabla 4.11: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio Dem. Mxima ............................................................................................................ 99

Tabla 4.12: Modos Poco Amortiguados Demanda Mxima, Sistema Original ...................................................................................................... 100

Tabla 4.13: Modos Poco Amortiguados Demanda Mxima, Con Parques Elicos. .............................................................................................. 101

xv

Tabla 4.14: Modos Poco Amortiguados Demanda Mxima, Con Gen. Convencional. ......................................................................................... 102

Tabla 4.15: Modos Poco Amortiguados Mnima Demanda. .................................... 104

Tabla 4.16: Modos Poco Amortiguados Media Demanda. ...................................... 104

Tabla 4.17: Modos Poco Amortiguados Mxima Demanda. ................................... 105

Tabla 5.1: Eventos de simulacin para Anlisis de Estabilidad Transitoria ............................................................................................. 106

Tabla 5.2: Generacin Elica a ser implementada en el S.N.I................................ 107

Tabla 5.3: Generacin Elica a ser implementada en el S.N.I . (Max Demanda) ....................................................................................................... 108

Tabla 5.4: Lnea y Generadores referenciales para Anlisis Transitorio .................................................................................................. 109

Tabla 5.5: Inercia Equivalente en los tres Escenarios de Estudio .......................... 109

Tabla 5.6: Lnea y Generadores referenci ales para Anlisis Transitorio ............... 113

Tabla 5.7: Lnea y Generadores referenciales para Anlisis Transitorio ................ 113

Tabla 5.8: Lnea y Generadores referenciales para Anlisis Transitorio ................ 117

Tabla 5.9: Lnea y Generadores referenciales para Anlisis Transitorio ................ 117

1

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

Organismos gubernamentales han realizado estudios del potencial elico en el pas.

En estos estudios se ha determinado sitios candidatos con un alto potencial elico

para fines energticos.

El incremento de este tipo de generacin puede modificar ciertos parmetros del

sistema como la calidad del suministro, niveles de voltaje, niveles de cortocircuito,

topologa de la red, etc. Estos cambios pueden ser ms representativos en aquellas

zonas en las que se tiene un soporte de voltaje dbil, o en aquellas zonas que se

encuentran aisladas del resto del sistema. Por tal razn es necesario un estudio

detallado de los efectos producidos por este tipo de generacin de energa en la red,

con fines de determinar la mxima potencia de generacin elica permitida en el

sistema elctrico ecuatoriano.

El presente estudio se ha enfocado en los Escenarios de Mnima, Media, y Mxima

Demanda del sistema elctrico ecuatoriano, considerando como base los despachos

econmicos realizados en el presente ao (2013).

En el estudio se considera la inyeccin de potencia proveniente de la generacin

elica sobre las subestaciones candidatas del sistema nacional interconectado,

contemplando que en lo posible la potencia aportada tiene factor de potencia 1 su,

esto es, slo aporta potencia activa al sistema y por ello los impactos estudiados

sobre la red de transmisin son los menores que podran preverse. Todos los

sistemas internos de los parques elicos como: el sistema de recoleccin de la

energa producida en los aerogeneradores, el sistema de transporte de esta energa

hacia la subestacin del sistema nacional interconectado; no son objeto del presente

estudio. Estos sistemas internos de los parques elicos debern ser analizados en

los estudios de pre-operatividad, que podran tomar como referencia las mximas

capacidades determinadas en el presente estudio.

2

1.1 Justificacin del proyecto

El crecimiento de la demanda energtica y la bsqueda imperiosa de fuentes de

energas limpias y amigables con el medio ambiente han dado lugar al desarrollo de

fuentes de energa limpia entre las cuales se encuentra la energa elica, la cual ha

tenido un gran crecimiento en los ltimos aos al punto de tener el pas sitios ya

establecidos como candidatos para desarrollar proyectos de explotacin de este tipo

de energas. Algunos de estos proyectos se encuentran en estudios preliminares

mientras que otros ya se encuentran en etapa de ejecucin.

Inicialmente al ser muy pequea la generacin elica no influye de una manera

notoria en la operacin del sistema elctrico, sin embargo cuando este es de una

magnitud considerable ya empieza a producir efectos notorios en los parmetros

elctricos de operacin normal del Sistema Nacional Interconectado. Muchos

aspectos son afectados por la inclusin de generacin elica entre los cuales se

encuentran: la calidad del servicio elctrico, la seguridad, el reparto de la

generacin, la regulacin del mercado, etc. Estos aspectos deben ser analizados

para poder determinar la mxima capacidad de generacin que el sistema puede

soportar sin alterar su comportamiento normal.

Es por estas razones que se ha desarrollado el presente proyecto con el objetivo de

definir los parmetros necesarios para que la inclusin de los parques elicos en el

pas no afecte a la operacin normal del sistema tanto en estado estable como en

estado dinmico. Este anlisis tomara en cuenta todos los aspectos que pueden

sufrir un cambio por la inclusin de los parques elicos en el sistema elctrico

nacional, de tal manera que todos estos se mantengan dentro de los parmetros

recomendados para una operacin normal del sistema.

3

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Determinar la capacidad total mxima de generacin elica que puede ser instalada

y operada en las zonas del S.N.I (Sistema Nacional Interconectado) de manera que

se preserve en lo posible la calidad del servicio, la seguridad de la operacin del

sistema y la estabilidad en pequea seal y transitoria del mismo.

1.2.2 Objetivos Especficos

Determinar la mxima potencia que podran admitir los sitios candidatos desde

el punto de vista tcnico, sobre la base del ndice de Fluctuacin de Voltaje y

de un Grado de Penetracin.

Determinar el impacto que tiene la inclusin de fuentes de energa elica en la

operacin normal del sistema elctrico ecuatoriano.

Analizar el comportamiento en estado estable y dinmico del Sistema Elctrico

Ecuatoriano, mediante los mtodos utilizados en sistemas con generacin

convencional.

Estudiar la estabilidad de pequea seal y transitoria del sistema nacional

interconectado con la inclusin de parques elicos conectados a la red.

1.3 Alcance

En el presente proyecto se realizara un anlisis del sistema elctrico ecuatoriano

antes y despus de la inclusin de parques elicos, con el objetivo de determinar la

mxima capacidad de generacin elica que el sistema puede soportar segn los

ndices de fluctuacin de voltaje y el grado de penetracin en el sistema.

En el proyecto se realizar un anlisis del impacto que puedan tener los parques

elicos en la operacin normal del sistema elctrico ecuatoriano, analizando

4

parmetros como la calidad del servicio, los efectos en el sistema y la estabilidad de

pequea seal y transitoria del sistema nacional interconectado. Siendo este ltimo

el principal anlisis a realizarse en el presente proyecto.

Se realizar simulaciones en estado estable y dinmico con el objetivo de determinar

el comportamiento del sistema e identificar posibles anomalas en la operacin

normal en diferentes puntos de operacin.

Se realizar un anlisis para determinar el efecto de la inclusin de parques elicos

en la estabilidad de ngulo del sistema. Para lo cual se utilizar la metodologa

utilizada para el anlisis de estabilidad con generacin convencional.

1.4 Antecedentes

1.4.1 Potencial Elico en el Ecuador.

El Ecuador al encontrarse en el centro de la tierra goza de condiciones

climatolgicas privilegiadas que le permiten tener una amplia y muy variada

biodiversidad. Sin embargo no todos los recursos son abundantes, el recurso elico

por ejemplo es escaso en esta parte del planeta. Pero gracias a ciertas condiciones

geogrficas como la cordillera de los andes y la cercana de la misma al ocano han

permitido que en el Ecuador se pueda determinar algunos lugares con un potencial

elico aceptable, ya que cuentan con una velocidad del viento entre media y alta, lo

cual permitira la utilizacin de los mismos para fines de generacin energtica.

Hace pocos aos atrs no se contaba con un mapa general que permita determinar

con exactitud el potencial elico de una zona determinada. Sin embargo para la

fecha se ha podido determinar sitios candidatos para una posible explotacin de

energa elica mediante mtodos no muy exactos y basados en criterios de expertos

en este tipo de generacin.

El extinto INECEL en su publicacin Estudio del Potencial Solar y Elico del

Ecuador realiza un breve anlisis de la informacin registrada en ciertas estaciones

5

meteorolgicas del INAMHI. Este estudio determino el escaso nmero de estaciones

con un promedio de 5 por cada 10000km2 [1] [2].

El estudio determino que de 154 estaciones en las cuales se realizaron las

mediciones, nicamente 36 registraban velocidades superiores a 2.5m/s, las cuales

se presentan en la Tabla 1.1.

PROVINCIA NOMBRE DE LA

ESTACIN VELOCIDAD DEL

VIENTO [m/s]

Carchi Tulcn 2,70 El ngel 6,50 San Gabriel 2,86

Imbabura

Atuntaqui 2,90 Lita 2,88 Inguincho 2,90 Otavalo 2,56

Pichincha

Olmedo 5,03 Tabacundo 4,06 San Antonio 3,30 Conocoto 3,86 Palo Quemado 2,90 Machachi 6,56

Cotopaxi Cotopaxi 8,10 Tungurahua Patate 3,76

Chimborazo Guamote 4,20 Pachama Tixn 3,50 Chunchi 3,43

Caar Caar 4,53

Azuay El Labrado 3,00 Minas de Huascachaca 3,70

Loja

Saraguro 4,60 La Toma 3,70 Cotacocha 3,30 Gonzanam 3,00 Cariamanga 2,53

Esmeraldas Las Palmas 3,86 La Propicia 3,19

Manab Pedernales 3,33 Boyac 3,26

Guayas Guayaquil AP 3,50 Inocar 2,60 Salinas 3,36

Galpagos El Progreso 2,50 Seymour 5,10 Puerto Baquerizo 3,00

Tabla 1.1: Estaciones Meteorolgicas con registro de velocidad superior a 2.5m/s [1].

6

Sin embargo esta informacin es muy inexacta debido a que se realizaron

nicamente dos mediciones en el da, lo cual es muy poco para determinar el

verdadero potencial elico del Ecuador, sin embargo al ser este el nico anlisis

existente, se tom como referencia para la determinacin de lugares con posible

potencial energtico.

Segn este anlisis se determin sitios con un potencial elico interesante, que

presentaban vientos entre medio y fuertes, pero sobre todo constantes. Estos sitios

se muestran en la Tabla 1.2.

PROVINCIA LOCALIDAD

Carchi El ngel Imbabura Salinas

Pichincha Machachi Malchingu Pramo Grande

Cotopaxi Minitrac Tigua

Chimborazo Chimborazo Tixn Altar

Bolvar Salinas Simiatug

Azuay Huascachaca

Loja

Saraguro El Tabln Man Villonaco Membrillo Chinchas

Tabla 1.2: Lugares con Potencial Elico [1].

El primer parque elico en Ecuador, San Cristbal, se encuentra ubicado en el

Archipilago de Galpagos, en operacin desde Octubre de 2007 con una potencia

instalada de 2,4 MW y consta de 3 aerogeneradores.

El primer parque elico en el Ecuador continental es el Villonaco en la provincia de

Loja cuya primera fase entr en operacin a principios del 2013, este proyecto tiene

una capacidad de 16,5MW.

7

Los proyectos con potencial elico viables para generacin elctrica, impulsados por

el Gobierno Nacional, se presentan a continuacin en la Tabla 1.3 [3].

LOCALIDAD PROVINCIA POTENCIA ESTIMADA Villonaco Loja 16.5MW Huascachaca Azuay-Loja 50MW Membrillo Loja 60MW Las Chinchas Loja 51MW Salinas Imbabura 40MW Garca Moreno Carchi 10-15MW San Cristbal Galpagos 2.4MW Baltra-Santa Cruz Galpagos 2.25MW

Tabla 1.3: Proyectos Elicos impulsados por el Gobierno Nacional [3].

Como se mencion anteriormente el proyecto elico Villonaco (16.5 MW), ubicado

cerca de la ciudad de Loja ya se encuentra en funcionamiento en su primera fase a la

fecha del presente anlisis. Se tiene previsto continuar con los estudios del resto de

proyectos elicos antes detallados.

1.4.2 Mapa Elico del Ecuador con fines de Generacin Energtica.

A la fecha del presente anlisis se present por parte del Ministerio de Electricidad y

Energas Renovables, el Atlas Elico del Ecuador con fines de Generacin

energtica (Figura 1.1) [4]. En este documento se realiz un anlisis de las

velocidades del viento en todo el pas. Con este documento se logr determinar los

puntos en los cuales se centrar el presente anlisis, especialmente en la regin

interandina por presentar vientos con velocidades altas y subestaciones cercanas

con barras fuertes para poder inyectar la energa generada por los parques elicos

en el S. N. I.

8

Figura 1.1: Atlas Elico del Ecuador [4].

El Atlas Elico del Ecuador permite observar la distribucin del recurso elico sobre

todo el territorio. Como se mencion anteriormente el Ecuador no es muy rico en

9

vientos debido principalmente a que los vientos que llegan a esta parte del planeta

son provenientes del Este, es decir, los vientos antes de llegar al Ecuador deben

atravesar prcticamente todo el continente perdiendo velocidad en todo este

trayecto.

A pesar de la poca velocidad que tienen los vientos al llegar al territorio ecuatoriano,

estos se aceleran de una manera significativa en la regin interandina debido a que

la orografa de esta parte del pas hace que los vientos se compriman y eleven su

velocidad en un ejemplo claro del efecto de Venturi. Sin embargo esta regin tiene

una desventaja en relacin a las otras regiones del pas, esta desventaja es la altura

sobre el nivel del mar a la que se encuentran los posibles lugares con potencial

elico. Esta altura hace que la densidad del aire disminuya, lo cual repercute en la

generacin de energa que podran tener los aerogeneradores, ya que esta

generacin es directamente proporcional a la densidad del aire como se muestra en

la siguiente ecuacin:

Siendo:

cp : Coeficiente de potencia [ ]

: Densidad del aire [kg/m3]

A : rea de barrido de las palas [m2]

: Velocidad del viento [m/s]

Para la elaboracin del Atlas Elico del Ecuador se tom adems de esta

consideracin otras relacionadas con la forma de estimacin del potencial elico

como los factores de disponibilidad, factores de planta, densidad del aire, etc.

Bajo estas consideraciones el estudio presenta un estimado total de 1670MW de

Potencial Disponible Bruto, y un Potencial Factible a Corto Plazo de 884MW. La

estimacin del Potencial Disponible Bruto y el Potencial Factible a Corto Plazo que

tendra el territorio ecuatoriano se presentan en el Anexo 1.

10

CAPITULO 2

ESTADO DEL ARTE

2.1 Tecnologas de Aerogeneradores.

En la actualidad se tiene diversos programas orientados a la investigacin y el

desarrollo de modernos tipos de aerogeneradores con mejores caractersticas

tcnicas y de mayor potencia.

El desarrollo de este tipo de tecnologas ha permitido tener generadores elicos ms

sofisticados, que no afectan de manera negativa al sistema debido a la incertidumbre

de la velocidad del viento, y que han logrado minimizar los efectos elctricos que se

producen como son las fluctuaciones de potencia.

Las tecnologas de aerogeneradores se las puede clasificar en dos grupos

importantes que son los aerogeneradores de velocidad fija y los aerogeneradores de

velocidad variable [5]. Los aerogeneradores de velocidad fija son utilizados

conectados directamente a la red, mientas que los de velocidad variable se conectan

a la red mediante un sistema de convertidores electrnicos basados en electrnica

de potencia.

Cada una de estas tecnologas tiene aspectos tanto tcnicos como econmicos que

le dan ciertas ventajas y desventajas cuando se las compara entre s. Estos aspectos

sern analizados en el presente capitulo

A continuacin se realiza una descripcin de las caractersticas ms importantes de

las diversas tecnologas de aerogeneradores que actualmente se encuentran en el

mercado, haciendo hincapi en aquellas tecnologas ms implementadas

actualmente y que podran utilizarse en los parques elicos utilizados en este

estudio.

11

Segn estas tecnologas se puede resumir las opciones de control para los

aerogeneradores de la siguiente manera.

1. Control de velocidad, con aerogeneradores:

A velocidad constante (fixed speed);

A velocidad variable con un rango limitado;

A velocidad variable con un rango amplio;

2. Control de la potencia reactiva intercambiada con el sistema;

3. Control de la potencia activa

Por prdida aerodinmica con las palas fijas ("stall controlled")

Con ajustes en el ngulo de paso de las palas (Pitch Controlled)

4. Mecanismo de control de orientacin del aerogenerador (Yaw Control)

(aerogeneradores pequeos) [6].

2.1.1 Generador de induccin de Velocidad Constante.

Este tipo de aerogenerador fue el primero que se empez a fabricar por lo cual fue el

ms utilizado hace pocos aos atrs. Este aerogenerador inclua un rotor controlado

por prdidas aerodinmicas y paso de palas fijo.

Esta tecnologa utiliza una mquina del tipo asncrona con rotor en jaula de ardilla,

por lo cual el rango de variacin de la velocidad es casi nulo (inferior del 2% de la

velocidad nominal).

Los generadores empleados en esta tecnologa constan de 4 y 8 polos por lo que

funcionan a velocidades de 1800 y 900 rpm. Mientras que las hlices de los

aerogeneradores tienen una velocidad de giro de entre 10 y 35 rpm. Por esta razn

es necesario el uso de una caja multiplicadora que enlace la baja velocidad

producida por las hlices del aerogenerador con las altas velocidades a las que

requiere trabajar el generador elctrico.

12

Esta tecnologa adems requiere de un aporte de reactivos a travs de la red para

mantener el acople magntico entre el rotor y el estator, si la red no est en

capacidad de aportar estos reactivos, se debe instalar bancos de capacitores o algn

dispositivo electrnico que realicen esta funcin.

Esta tecnologa es la que ms presenta problemas al sistema debido a su rango muy

limitado de variacin de la velocidad. Esto produce que las variaciones del viento se

traduzcan directamente en variaciones de potencia activa y reactiva, por lo que

requiere de otras centrales convencionales para garantizar el correcto

funcionamiento cuando se encuentra conectado a la red [5] [6] [7].

Los principales componentes en un aerogenerador de induccin se muestran en la

Figura 2.1:

Figura 2.1: Componentes y disposicin en un aerogenerador de induccin (SCIG)

Principales Ventajas

Tecnologa simple y conocida, relativamente econmica por su produccin en

masa.

No se requiere ninguna conexin elctrica entre el rotor y el sistema fijo: la

potencia mecnica del rotor se transfiere al estator, por medio del fenmeno

del campo magntico.

Principales desventajas

Las variaciones de la velocidad del viento se transmiten directamente a la

cupla electromecnica. Esto produce fatigas y tensiones mecnicas en el

13

sistema (las palas de la turbina, el multiplicador y el generador) produciendo

oscilaciones entre la turbina y el rbol del generador. Adicionalmente no son

amortiguados los efectos torsionales de las palas debido a las variaciones de

la velocidad, lo cual produce un parpadeo (flicker) con valores relativamente

significativos.

No se puede realizar ningn proceso de optimizacin aerodinmica, puesto

que la velocidad de la turbina no se puede ajustar a la velocidad del viento. El

porcentaje ms alto de energa cintica que puede extraer una turbina del

viento es 59 % (por el lmite de Betz). El valor real de este porcentaje es

llamado coeficiente de desempeo Cp y depende del diseo de la turbina y de

la relacin entre la velocidad de rotacin de la turbina y la velocidad del viento.

Por cada velocidad del viento, existe una velocidad de la turbina que produce

un Cp ms alto. El alcance de esta velocidad ptima no se puede lograr de

manera continua en este tipo de aerogeneradores.

Esta tecnologa requiere de una caja de engranajes (multiplicadora) que

enlace el eje de baja velocidad en el lado de la turbina con el lado de alta

velocidad del generador.

Este tipo de aerogenerador no proporciona un soporte de voltaje a la red, ya

que este se presenta a la red como una carga inductiva, cuyo valor no puede

ser controlado. Esta caracterstica hace que este tipo de generador requiera

de potencia reactiva suministrada por la red, o a su vez por otros dispositivos

como bancos de capacitores o elementos electrnicos [6].

2.1.2 Generador de induccin doblemente alimentado.

Los aerogeneradores de velocidad variable se estn convirtiendo en los ms

utilizados, debido a las mltiples ventajas que presentan en relacin la tecnologa

mencionada anteriormente (Generador de Induccin).

14

En este tipo de aerogenerador el estator se encuentra constituido de la misma

manera que en el caso anterior (generador de induccin), sin embargo el rotor en

este caso ya no es de jaula de ardilla, este est conformado por tres arrollamientos

que se conectan al sistema de potencia a travs de un convertidor electrnico tipo

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

La potencia que pasa por los convertidores de potencia es una fraccin de la

potencia nominal, lo cual provoca que las prdidas en el convertidor sean reducidas

adems de que lo hace ms econmico en relacin a un Generador sncrono con

impulso directo [5] [6] [7].

La Figura 2.2 muestra el esquema de este aerogenerador.

3Figura 2.2: Componentes y disposicin en un aerogenerador de induccin doblemente alimentado (DFIG).

La potencia del estator es (aparte de las prdidas) igual a la potencia del entrehierro

Pd. Por lo tanto segn la expresin de la potencia del rotor se puede deducir que el

rango para el deslizamiento es de 0.3 pu. De esta manera la velocidad puede variar

en un rango comprendido entre el 70 % de la velocidad sncrona hasta el 130%.

Para turbinas con tamaos superiores a 1 MW este tipo de aerogenerador es el ms

difundido a nivel mundial.

15

Principales Ventajas

La velocidad puede ser variable dentro de un rango relativamente suficiente y

aceptable.

Permiten tener un control independiente de la potencia activa y reactiva que

se entrega al sistema.

Se puede ajustar la velocidad del rotor en funcin de la velocidad del viento,

con lo cual se puede lograr que la eficiencia aerodinmica sea la ptima.

Se puede disponer de cierto apoyo de voltaje hacia la red, gracias al control

de las corrientes del rotor por parte del convertidor que permite controlar la

potencia reactiva.

Se puede controlar el flujo de potencia entre el rotor y el estator, por lo tanto

se puede hacer que la maquina trabaje con su mximo rendimiento.

Principales Desventajas

Esta tecnologa tambin necesita una caja multiplicadora entre el eje de la

turbina y el eje del generador.

Se requiere una conexin elctrica entre un sistema giratorio y uno fijo para el

control de potencia en el rotor por medio del convertidor. Tal conexin se

efecta por medio de las escobillas de carbono (parte fija) que se ponen en

contacto sobre los anillos del colector (parte giratoria). Estas escobillas

requieren un frecuente mantenimiento, ellas son una causa potencial de fallas

de la mquina y aumentan las prdidas elctricas.

El convertidor electrnico de potencia es muy sensible a las sobre corrientes,

por lo que se le puede considerar un elemento frgil. Para la proteccin de

este dispositivo contra las sobre corrientes se ha diseado un (by-pass) que

desva estas sobre corrientes por medio de una barra de cortocircuito llamada

crowbar. Este (by-pass) permite poner en cortocircuito el arrollamiento

16

trifsico del rotor, permitiendo de esta manera que el generador acte como

uno de jaula de ardilla.

Se necesitan modelos dinmicos detallados y un buen conocimiento de los

parmetros de la mquina para poder determinar la velocidad que esta

presentar, adems del efecto que tendr el aerogenerador en la red externa

[6].

2.1.3 Generador Sncrono con Impulso Directo (Direct-drive o Full

Converter).

La configuracin bsica de este tipo de aerogenerador consiste en una maquina

sincrnica multipolos conectada a la red a travs de un convertidor electrnico. Este

sistema es llamado de transmisin directa debido a la eliminacin de la caja

multiplicadora. Toda la potencia generada tiene que pasar por el convertidor por lo

cual este debe ser de un gran capacidad de potencia [5] [6]

La disposicin de los principales componentes en un aerogenerador sncrono

impulsado directamente se muestra en Figura 2.34Figura 2..

4Figura 2.3: Componentes y disposicin en un aerogenerador sncrono impulsado directamente (SG)

Principales ventajas

Una de las principales ventajas es que en este tipo de aerogenerador ya se

elimina la caja de engranajes (multiplicadora), lo cual es bastante beneficioso

17

no solo en el campo econmico, sino tambin en el aspecto tcnico ya que

este genera ruido, necesita un mantenimiento frecuente y tambin es una

fuente de posibles fallas mecnicas.

Esta tecnologa cuenta con un convertidor electrnico para toda la potencia

generada por el aerogenerador, lo cual permite el control total de la potencia

activa y reactiva suministrada a la red ya sea en condiciones normales de uso

o en condiciones perturbadas.

Mantiene constante el par electromagntico por lo que las fluctuaciones del

viento son absorbidas por la velocidad del rotor.

Mejora la eficiencia aerodinmica, lo cual permite aprovechar de mejor

manera la energa del viento.

Reduce las tensiones mecnicas en la turbina.

Principales desventajas

El convertidor electrnico es de gran potencia lo cual requiere de elementos

electrnicos que aparte de necesitar una buena disipacin de calor,

econmicamente son muy costosos, lo cual hacen a los convertidores de

potencia equipos con un costo econmico bastante considerable.

Las prdidas de potencia en el convertidor electrnico es la mayor de todos

los casos mencionados (entre un 2 y 3% dependiendo de la potencia

transmitida)

Este tipo de aerogenerador tiene un diseo diferente al resto, esta mquina

debe proporcionar una cupla elctrica alta a las ms bajas velocidades. Por

ello requiere de un rotor con un dimetro bastante grande (por ej. casi 8 m

para la turbina Enercon E-112 Direct Drive de 4.5 MW) [6].

18

2.2. Implementacin del Modelo de Parque Elico.

2.2.1 Representacin de los parques con red equivalente

El modelado del Parque Elico constituye la representacin del parque dentro de un

programa computacional, que permite realizar las simulaciones necesarias para la

determinacin de los diversos parmetros que son objeto de este estudio.

Las evaluaciones de operacin de los Parques Elicos dentro de todo el Sistema

Nacional Interconectado (S.N.I), se han realizado considerando las inyecciones de

potencia de estos Parques Elicos en cada una de las S/S candidatas dentro del

S.N.I. [6].

El primer modelo estudiado a continuacin es aquella representacin mediante una

red equivalente que aporta la inyeccin de potencia activa necesaria con intercambio

nulo de potencia reactiva, adems de que esta red equivalente no contribuye a los

niveles de cortocircuito y no presenta una inercia que modifique la inercia de todo el

S.N.I. [5] [6].

Para estudios de flujos de carga este modelo fue el ms utilizado antes de que el

programa computacional DigSILENT Power Factory presente dentro de sus libreras

un modelo de generador elico, el cual representa de mejor manera a este tipo de

generadores.

La Figura 2.4 ilustra el parque elico Membrillo representada por una red equivalente

y conectada a la Subestacin Loja 138kV.

19

5Figura 2.4: Representacin con red equivalente del Parque Elico Membrillo conectado a la subestacin Loja 138kV

2.2.2 Implementacin del generador de induccin doblemente alimentado

(DFIG).

De la misma manera con la finalidad de observar el funcionamiento de cada tipo de

generador elico, se ha implementado una base de datos de los modelos digitales de

cada tipo de aerogeneradores, cada uno con las caractersticas propias de cada

tecnologa implementada en cada aerogenerador.

El modelo DFIG (Doubly Fed Induction Generator) es muy utilizado en los parques

elicos que se operan en la actualidad, porque permiten una operacin constante

tanto en voltaje como en frecuencia. Las caractersticas de este tipo de

aerogenerador fueron revisados en anteriores temas tratados en este captulo.

A diferencia de las centrales de generacin convencionales, los parques elicos

constan de un gran nmero de generadores elicos pequeos interconectados entre

s. Por lo tanto para este tipo de modelacin representar cada uno de estos

generadores elicos pequeos resultara contraproducente en cuanto a los tiempos

Loja 6970,2501,018

-36,110

Loja 138142,847

1,035-34,251

MEMBRILLO

19,00 ..-0,00 ..1,00

C_Loj_Loja1

31,753,78

X_C_Loja

-0,00-12,44

1

T_ATQ_LOJ

31,22-8,9232,4848,76

-31,1610,1432,7748,76

3

-4

G~

G_EQEERSSA_LOJ

13,602,3068,97

C_Loj_Loja2

13,010,82

C_Cue_Sin_Azogues

-12,228,92

18,39

20

de clculo en el momento que se pretenda realizar simulaciones dinmicas. Por tal

motivo el modelado del parque elico se realiza mediante un solo generador que

represente la potencia combinada de todos los aerogeneradores pequeos

interconectados.

El modelo DFIG consiste en una mquina de induccin y un convertidor electrnico

con dos terminales, uno conectado a la red externa y otro conectado al motor del

generador. Para la conexin a la red externa este modelo utiliza un transformador

elevador tridevanado.

El modelo indicado a continuacin es del tipo motor de induccin doblemente

alimentado (llamado Doubly-fed induction generator DFIG) el cual est disponible

en la librera de modelos estndar del Power Factory, un esquema se muestra en la

Figura 2.5:

6Figura 2.5: Esquema simplificado representando el generador elico doblemente alimentado DFIG

Un esquema ms conceptual del modelo es el siguiente reportado en la Figura 2.6:

Convertidor de Frecuencia

Reductor

Red

21

7Figura 2.6: Esquema a bloques de los principales componentes en el modelo del generador DFIG para Power Factory

El bloque denominado Movimiento Primario representa la conversin de energa que

proviene del viento en energa mecnica que impulsa el generador de induccin.

Este representa de manera conjunta los siguientes elementos: sintonizador del

ngulo del rotor de la turbina, el eje y la caja de engranajes (multiplicador). El estator

del DFIG est directamente conectado a la red en AC, los anillos de deslizamiento

del rotor estn alimentados por convertidores del tipo PWM self-commutated. Estos

convertidores permiten controlar la potencia activa y reactiva ya que permite controlar

el voltaje que llega al rotor tanto en magnitud como en ngulo [8] [9].

El sistema de control de la potencia activa y reactiva se lo realiza a travs del

convertidor que se encuentra conectado al rotor. Este sistema de control incluye los

lmites mximos de potencia, las medidas de corrientes y de potencias y los controles

PQ y de corriente.

Este modelo tambin cuenta con un sistema de protecciones de voltajes, de

velocidad de la turbina y de la corriente del rotor (crow bar protection). Si bien es

cierto que este sistema de protecciones no se representa en la Figura 2.6, este es

22

muy importante cuando se realice modelados con bloques en DSL (DIgSilent

Simulation Language).

La Figura 2.7 representa el parque elico Villonaco modelado mediante un modelo

tipo DFIG. Ntese que la potencia generada por todo el parque es representada

mediante un solo modelo, es decir, a pesar de que este parque costa de varios

aerogeneradores interconectados, en este tipo de modelacin toda la capacidad del

parque es representado por un solo modelo de aerogenerador.

8Figura 2.7: Esquema unifilar del Parque Elico Villonaco con Modelo tipo DFIG conectado a una barra infinita.

Los bloques en DSL (DigSilent Simulation Language) para este modelo de

aerogenerador se muestran en la Figura 2.8.

El bloque Mechanics representa la conversin de la energa cintica del viento a

travs de las palas en energa rotacional en el eje del generador. Este incluye el

control pitch, la turbina y el eje del generador. El bloque correspondiente a la turbina

del viento necesita una entrada de la velocidad del viento, la velocidad de la turbina y

Terminal(5)-7625.97-19064.93

0.00

Terminal(6)0.401.000.00

Terminal(4)0.401.000.00

Terminal20.071.000.57

Terminal(3)0.401.012.64

Terminal(2)19.991.000.29

Terminal(1)69.001.000.00

Line

16.92-1.7391.47

Line

-16.851.7691.47

External Grid

-16.85..1.85 Mvar

-0.99

3-Winding..

-16.921.73

359.01

3-Winding..18.001.80

359.01

3-Winding..-1.08-2.85

359.01

PWM Conve..

-1.08-2.85

PWM Conve..

1.080.00

Ser

ies

Re.

.

1.082.8561.01

Ser

ies

Re.

.

-1.08-2.8561.01

2-W

indi

ng..

-16.851.8516.95

2-W

indi

ng..

16.85-1.7616.95

G~

Doubly-Fe..

18.001.80

198.19

Doubly-Fe..

2.920.00

198.19

Shunt/Filter

-0.000.00

23

el control de ngulo pitch. El control de Angulo de pala se lo realiza a travs del

control de Angulo pitch, este control regula la potencia generada con la variacin del

coeficiente de potencia Cp.

El control de la potencia activa y reactiva se lo realiza a travs de los convertidores

conectados al rotor. El sistema de control incluye los bloques MPT (Maximum Power

Traking), Power and Current Measurement y los controles PQ y de corrientes.

El bloque de proteccin consta de protecciones de bajo/sobre voltajes, bajo/sobre

velocidad y sobre corriente en el rotor, este sistema de protecciones es llamado crow

bar protection [9] [10].

9Figura 2.8: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo DFIG en DigSILENT Power Factory.

Electronic

Mechanics

SlowFrequM..ElmPhi*

OverFreq P..ElmDs l*

SpeedRefElmDs l*

Ir_c trl*

Speed-CtrlElmDs l*

ShaftElmDs l*

Pitch Cont..ElmDs l*

Current Meas urement*

CompensationElmCom

udc

Vac _genStaVmea*

Vac _busStaVmea*

Theta meas..ElmPhi*

Protec tionElmPro*

TurbineElmDs l*

vw

MPTElmMpt*

PQ ControlElmPQ*

P tot

DFIGElmAsm*

PQ_totStaPqmea

Pref

ird_r..

dud_s y nc h;duq_s ync hu;ugr..

Fmeas

pref_..

usr;us i

ird

;irq

pctrl;qc trl

Irot

speed

id;iq

beta

pt

pw

spe

ed

_re

f

psir_r;psi..

cosphiref;..

cosp

hiu;

si..

cosphim;si..

24

2.2.3 Implementacin del generador sncrono con impulso directo (SG).

El aerogenerador sncrono (SG Direc-Drive) est equipado con un arrollamiento

trifsico en el estator. Mientras para el rotor, se encuentran dos posibilidades:

un arrollamiento de rotor alimentado externamente por una fuente DC (circuito

separado);

un rotor con imanes permanentes;

La teora necesaria para entender el funcionamiento de este tipo de generador elico

se ha desarrollado anteriormente.

La Figura 2.9 muestra un esquema con los principales componentes y disposiciones

del aerogenerador sncrono.

10Figura 2.9: Principales disposiciones de un aerogenerador sncrono impulsado directamente

En la Figura 2.9 se puede observar el generador sncrono, el reactor en serie, el

convertidor tanto en el lado del generador como en el lado de la red externa, los

capacitores y el transformador elevador que forman el modelo de este tipo de

aerogenerador.

Este tipo de aerogenerador puede controlar de manera total la produccin de

potencia activa y reactiva, as como la amplitud y la frecuencia del voltaje

independientemente de las caractersticas de la red externa. Este control total de

debe a que toda la potencia producida por el aerogenerador pasa a travs del

convertidor electrnico de potencia antes de ser inyectada la red [8] [9].

Convertidor

de Frecuencia

Red

25

El generador est impulsado directamente por la turbina, de esta caracterstica

resulta la denominacin Direct - drive.

La Figura 2.10 muestra la implementacin del Parque Elico Salinas (Ibarra)

conectado a la subestacin Ibarra 138kV.

11Figura 2.10: Esquema unifilar del Parque Elico Salinas (Ibarra) SG implementado en la S/E Ibarra 138kV

El modelo en bloques DSL del aerogenerador sncrono se muestra en la Figura 2.11.

Los principales bloques DSL para el modelado de esta mquina, al igual que en el

caso del aerogenerador DFIG, consta de control pitch, la turbina, el eje del generador

y lo sistemas de medicin. El generador sncrono tiene un AVR que provee la

corriente de excitacin al rotor [8] [10] [11].

Terminal(8)29.931 .000 .88

Terminal(9)29.891 .000 .71

Terminal(2)7 .790 .970 .00

Terminal(1)7 .790 .970 .00

Terminal6 .001 .000 .00

Terminal(10)138 .001 .000 .00

Terminal(7)2 .991 .001 .42

Terminal(4)3 .890 .970 .00

Terminal(3)2 .991 .001 .42

Re

ctif

ier.

.

-10.282 .75

Re

ctif

ier.

.

20.550 .00

Re

ctif

ier.

.

-10.280 .00

G~

Synchrono..

20.555 .8942.76

External Grid

-20.51 ..5 .96 Mv ar

-0 .96

Re

ctif

ier.

.

20.555 .89

Re

ctif

ier.

.

-20.550 .00

3-W

ind

ing

Tra

nsfo

rme

r

-20.555 .7142.76

3-W

ind

ing

Tra

nsfo

rme

r

10.28-2 .7542.76

3-W

ind

ing

Tra

nsfo

rme

r

10.28-2 .7542.76

Shunt/Filter

0 .000 .00

Lin

e

20.55-5 .7178.38

Lin

e

-20.515 .6978.38

2-Winding..

20.51-5 .6942.72 2-Winding..

-20.515 .9642.72

Re

ctif

ier.

.-10.282 .75

Re

ctif

ier.

.

10.280 .00

Series Re..

-20.550 .00

Series Re..

20.550 .00

26

12Figura 2.11: Bloques DSL para modelado del aerogenerador tipo SG en DigSILENT Power Factory.

2.3 Estabilidad de Sistemas Elctricos.

La estabilidad de un sistema elctrico de potencia se define como la capacidad de

dicho sistema para recuperar su estado original de equilibrio operacional luego de

sufrir una perturbacin fsica, manteniendo las variables del sistema dentro de los

lmites establecidos. El fenmeno de inestabilidad puede ser producido por diversas

causas como: prdida de un generador, prdida de carga o el cortocircuito en una

lnea de transmisin, lo cual produce oscilaciones de potencia que modifican los

parmetros de operacin del sistema [12] [13].

El sistema elctrico de potencia debe tener la capacidad de soportar los fenmenos

de inestabilidad que producen oscilaciones de potencia mediante sus sistemas de

control y proteccin.

PLLElmPhi*

Fmeas

0

1

2

VacStaVmea*

0

1

2

PQStaPqmea*

0

1

PQ ControlElmDsl*

0

1

2

0

1

3

Slow PLLElmPhi*

Act

ive

Po

we

rRe

du

ctio

nE

lmD

sl

GeneratorElmGen*,ElmVsc*

0

1

IacStaImea*

0

1

Current ControllerElmDsl*

0

1

2

3

4

5

0

1

6

7

u

Qin

Pin

u1i_i..

Fmea

s

u1r_i..

sinref

iq_ref

pred

cosref

id_ref

ii

ir

27

Cuando se produce un cortocircuito en una lnea de transmisin el sistema de

potencia debe despejar la falla mediante los rels de proteccin de la lnea, mientras

que cuando se produce una variacin en la velocidad de los rotores de los

generadores el sistema de potencia busca atenuar la variacin de potencia

producidas por este fenmeno mediante reguladores de voltaje y reguladores de

velocidad del generador que forman parte del sistema de control.

El sistema elctrico de potencia al operar en un sistema altamente cambiante en sus

parmetros de operacin, es altamente no lineal, por lo que las ecuaciones que

describen su funcionamiento dinmico son de carcter integro diferenciales. Cuando

es sometido a un disturbio, la estabilidad del sistema depende de la condicin de

operacin inicial as como de la naturaleza del disturbio.

La estabilidad de un sistema elctrico de potencia es as una caracterstica del

movimiento del sistema alrededor de un punto de equilibrio, por ejemplo: la condicin

inicial de operacin. En un punto de equilibrio, las varias fuerzas de oposicin que

existen en el sistema son iguales instantneamente (como en el caso de puntos de

equilibrio) o sobre un ciclo (como en el caso de variaciones cclicas lentas debido a

continuas fluctuaciones pequeas en cargas).

El estudio de estabilidad tiene un alto grado de complejidad debido a que el sistema

de potencia crece continuamente mediante interconexiones, nuevos equipos de

control y proteccin y nuevas tecnologas dentro del sistema, esto ha permitido la

aparicin de diversas formas de inestabilidad, las cuales se presentan en la Figura

2.12.

28

13Figura 2.12: Clasificacin de la Estabilidad

2.3.1 Estabilidad de Voltaje.

La estabilidad de voltaje es la capacidad del sistema elctrico de potencia de

mantener los voltajes dentro de los lmites establecidos en todas las barras que lo

conforman, luego de haber sufrido una perturbacin que modifica los parmetros

iniciales de operacin [12].

La inestabilidad de voltaje puede producir un incremento o disminucin del voltaje en

algunas barras de manera progresiva, lo cual ocasionara una prdida de carga en

Clasificacin de la Estabilidad en Sistemas Elctricos

Estabilidad de Angulo Estabilidad de Frecuencia Estabilidad de Voltaje

Estabilidad Oscilatoria (Pequea Seal)

Estabilidad Transitoria (Gran Seal)

Corto Plazo Largo Plazo

Corto Plazo

Inestabilidad no oscilatoria

Inestabilidad oscilatoria

Modos entre reas

Modos Locales

Modos entre Plantas

Modos de Control

Modos de Torsin

Estabilidad de Voltaje ante

grandes Perturbaciones (Gran Seal)

Estabilidad de Voltaje ante pequeas

Perturbaciones (Pequea Seal)

Corto Plazo Largo Plazo

29

un rea o que las protecciones del sistema acten provocando interrupciones en

cascada y la perdida de sincronismo en algunos generadores.

La estabilidad de voltaje depende principalmente de la capacidad del sistema para

mantener el equilibrio entre la carga y la generacin, luego de haber sufrido alguna

perturbacin que afecte a sus condiciones normales de operacin.

Cuando el sistema no es capaz de mantener los voltajes constantes en las barras

luego de una perturbacin se produce un colapso de voltaje lo cual produce una

cada de voltaje en gran parte del sistema o en el peor de los casos un apagn

generalizado. En este plano el papel de las cargas del sistema es muy importante ya

que al producirse una cada de voltaje en las barras, la correccin del factor de

potencia puede producir una cada de voltaje adicional a la ya producida por el

colapso inicial. Otra causa posible del colapso de voltaje es la cada de voltaje

provocada por la circulacin de potencia activa y reactiva a travs de las reactancias

presentes en la red de transmisin, lo cual representa un limitante para la transmisin

de potencia reactiva y limita la capacidad del sistema para mantener los voltajes de

las barras constantes [12] [13].

Existe tambin el riesgo de colapso de voltaje por sobrevoltajes producidos por el

comportamiento capacitivo de la red o por la utilizacin de limitadores de la corriente

de excitacin de los generadores sincrnicos [12].

2.3.2 Estabilidad de frecuencia.

La estabilidad de frecuencia es la capacidad del sistema elctrico de potencia para

mantener la frecuencia constante luego de haber sufrido una perturbacin producida

por un desequilibrio entre la generacin y la carga. La inestabilidad de frecuencia se

puede producir por una perturbacin severa, lo cual produce la salida de generacin

o de carga por la accin de los sistemas de proteccin.

La estabilidad de frecuencia depende de la capacidad del sistema de mantener o

restaurar el equilibrio entre la generacin y la carga.

30

La estabilidad de frecuencia puede ser un fenmeno a corto o a largo plazo. La

duracin de las oscilaciones de frecuencia es variable, estas pueden tener una

duracin de fracciones de segundo (esquema de alivio de carga debido a frecuencias

bajas) hasta varios minutos (respuesta de dispositivos como una turbina y

reguladores de voltaje de carga). Las variaciones de frecuencia provocan

desequilibrios en la relacin carga-generacin, lo cual afecta directamente a las

magnitudes de voltaje [12] [13].

2.3.3 Estabilidad de ngulo.

La estabilidad de ngulo es la capacidad del sistema para mantener el sincronismo

de las maquinas del sistema luego de haber estado sometido a una perturbacin. La

estabilidad de ngulo depende principalmente de la capacidad del sistema para

mantener el equilibrio entre el par mecnico y par electromagntico de cada una de

las mquinas que conforman el mismo [12].

En condiciones normales, existe un equilibrio entre el par mecnico de entrada y el

par electromagntico de salida, lo cual produce que la velocidad permanezca

constante. Cuando se produce una perturbacin, la inestabilidad producida por este

fenmeno se expresa mediante el incremento de las oscilaciones del ngulo de

ciertos generadores provocando una variacin de la velocidad en los rotores de las

mquinas. La estabilidad de ngulo depende de la existencia de un par sincronizante

(en fase con la variacin del ngulo del rotor y cuyo defecto provoca una

inestabilidad no oscilatoria) y un par amortiguante (en fase con la variacin de

velocidad, causando su falta una inestabilidad oscilatoria) [12].

La estabilidad de ngulo se la puede clasificar en dos subcategoras, Estabilidad de

ngulo de Pequea Seal y la Estabilidad de ngulo de Gran Seal o Transitoria [12]

[13].

31

2.3.3.1. Estabilidad de ngulo de Pequea Seal (Perturbacin Pequea).

En este tipo de estabilidad se estudia la capacidad del sistema de mantener su

sincronismo luego de haber sufrido una perturbacin pequea. Una perturbacin se

la considera pequea cuando es posible la linealizacin de las ecuaciones analticas

que describen el comportamiento dinmico de los fenmenos provocados por esta

perturbacin [12] [13].

La inestabilidad de pequea seal puede aparecer de dos formas:

- Como un incremento en el ngulo del rotor debido a la falta de par sincronizante

(solucionado con el uso de reguladores de voltaje de actuacin continua).

- Como oscilaciones del rotor de amplitud creciente debido a la falta de par

amortiguador.

Dependiendo de la frecuencia de oscilacin de los modos, los problemas de

estabilidad de pequea seal pueden ser de diferentes tipos:

Modos entre reas: Este tipo de oscilaciones involucran a un grupo de mquinas

en un rea oscilando en frente de otros grupos de mquinas pertenecientes a otra

rea del sistema.

Este tipo de oscilaciones aparecen en reas interconectadas mediante un enlace

dbil. El rango de frecuencias de estas oscilaciones esta entre 0.2 y 0.7 Hz.

La Figura 2.13 muestra un esquema simplificado da las oscilaciones inter-reas.

14Figura 2.13: Oscilaciones entre reas [12]

32

Modos locales: Sucede cuando una maquina oscila frente a las otras restantes

en una misma rea. Las oscilaciones se encuentran localizadas en una central

elctrica o en una parte del sistema dentro de la misma rea por esta razn se

utiliza el trmino local. Estas oscilaciones se encuentran entre 0.8 y 1.8Hz.

La Figura 2.14 muestra un esquema de este tipo de oscilaciones.

15Figura 2.14.: Oscilaciones Locales [12]

Modos entre maquinas: Estas oscilaciones ocurren cuando las unidades dentro

de una central oscilan en contra de las otras unidades de la misma central. Su

rango de frecuencias est entre 1.5 y 3 Hz

16Figura 2.15: Oscilaciones Entre Maquinas [12]

Modos de control: Estas oscilaciones estn relacionadas con los sistemas de

control de una mquina, tales como reguladores de voltaje, reguladores de

velocidad, convertidores HVDC y compensadores estticos. Sus frecuencias de

oscilacin son mayores a 4Hz.

33

17Figura 2.16: Oscilaciones de Modos de Control [12]

Modos de Torsin: Modos de oscilacin provocadas por la interaccin de los

elementos de potencia que se encuentran en la red tales como compensadores en

serie, o elementos de control como los elementos de control del sistema HVDC

con los modos mecnicos de las turbinas. Su rango de frecuencias esta entre 10 y

46 Hz.

1Figura 2.17: Oscilaciones de Modos de Torsin [12]

Anlisis de pequea seal.

Mediante los autovalores de la matriz de estados se puede realizar un estudio

detallado de la estabilidad en pequea seal en un punto de operacin determinado,

ya que estos contienen toda la informacin acerca de las frecuencias de oscilacin.

34

Este anlisis se lo conoce como anlisis modal de un modelo linealizado de un

sistema elctrico. En este anlisis se estudian los autovalores ms influyentes en la

respuesta dinmica del sistema estudiado. La teora matemtica necesaria para

entender este anlisis se describe a continuacin [12] [14].

Modelo de Espacio de Estados [12]

El comportamiento dinmico de un sistema elctrico puede estudiarse mediante un

conjunto de ecuaciones no lineales ordinarias de primer orden que tienen la siguiente

forma.

(2.1)

Donde, n es el orden del sistema, r el nmero de entradas, x el vector columna de las

variables de estado, u el vector columna de las entradas del sistema, el tiempo

denota como t, y la derivada de una variable de estado con respecto al tiempo es

denotado como . De mejor manera, se puede simplificar esto en la siguiente

ecuacin:

(2.2)

Donde x, u, y f representan los siguientes vectores columna:

El vector x contiene las variables de estado del sistema elctrico, el vector u contiene

las variables de entrada del sistema y incluye las derivadas de las variables de

estado con respecto al tiempo. La ecuacin que relaciona las entradas, salidas y

variables de estado se puede escribir como:

(2.3)

Dnde:

35

g

El vector y es el vector de salidas, y vector g es el vector de las funciones no

lineales que describen el funcionamiento del sistema y de las variables de entrada,

as como de las variables de salida.

Un estado de un sistema representa la mnima cantidad de informacin de un

sistema en un determinado instante de tiempo que se necesita para determinar el

comportamiento de este sistema en un tiempo futuro. Cualquier sistema de variables

linealmente independientes puede ser utilizado para describir el estado de un

sistema. En este caso estas variables toman el nombre de variables de estado. Estas

variables dinmicas, junto con las entradas del sistema, constituyen el mnimo

nmero de variables que describen en su totalidad el comportamiento del sistema.

Una variable de estado puede ser una cantidad fsica como: ngulo, velocidad,

voltaje; o a su vez puede ser una variable matemtica asociada con las ecuaciones

diferenciales que describen el comportamiento dinmico del sistema.

Linealizacin del problema [12] [13].

Una perturbacin se la puede considerar de pequea seal, cuando se pueden

linealizar las ecuaciones dinmicas que describen el funcionamiento del sistema.

Para determinar si una perturbacin es pequea se debe observar el grado de

linealidad del sistema. Este proceso requiere de cierta experiencia y habilidad, pero

existen categoras que pueden ser estudiadas como problemas de estabilidad de

pequea seal.

Resonancia subsincrnica

Modos de control de estabilidad

Oscilaciones locales entre reas

36

Si el sistema es no lineal, se procede con la linealizacin de las ecuaciones que

describen el sistema. De esta manera, de la ecuacin 2.2 se obtiene x0 que es el

vector de estado inicial y u0 el vector de entrada correspondiente al punto de

equilibrio inicial, alrededor del cual se estudia el comportamiento de la pequea

seal, con lo cual se tiene:

(2.4)

Una pequea perturbacin en el sistema se representa de la siguiente forma:

(2.5)

Donde el prefijo representa una pequea desviacin.

Al producirse una perturbacin pequea en el estado inicial del sistema que se

encuentra en equilibrio, la ecuacin 2.2 se transforma en:

(2.6)

Como las perturbaciones son consideradas pequeas, las funciones no lineales f(x,u)

pueden ser expresadas en trminos de la serie de expansin de Taylor, con lo cual la

ecuacin 2.6 toma la siguiente forma:

Como , tenemos.

En forma similar, para obtener la ecuacin de las salidas, se tiene:

37

Con lo cual las formas linealizadas de la ecuacin 2.4 son:

(2.7)

(2.8)

Donde,

representa la variacin del vector de estados, es la variacin del vector de las

variables de salidas, es la variacin del vector de las variables de entradas, A es

la matriz de estados nxn, B es la matriz de entrada nxr, C es la matriz de salida mxn

y D es la matriz de transmisin directa mxr.

Las matrices A, B, C y D se calculan derivando las funciones f y g respecto a las

variables de estado y a las variables de entradas.

Las ecuaciones anteriores pueden ser representadas por diagramas de bloques que

muestran el espacio de estado de un sistema.

38

18Figura 2.18: Diagrama de bloques del espacio de estado para un sistema lineal

Anlisis de autovalores y estabilidad [12] [13].

Con la representacin del espacio de estado para un sistema elctrico de manera

general, representado en las ecuaciones (2.7) y (2.8), se puede realizar el anlisis en

pequea seal del sistema. Aplicando Laplace a (2.7) y (2.8), resolviendo para

y evaluando para s