Efectos en la Red

1. Efectos en la Red • Fortaleza de la red • Fluctuaciones de tensión • Flicker • Armónicos

2. Fortaleza de la Red • Conexión a la red • VS = Tensión de la red en el punto de conexión (POC) • VG = Tensión del generador • R = Resistencia de la línea de transmisión • X = Reactancia de la línea de transmisión • Corriente de falla (A) • Fortaleza de la red (Var)

3. El análisis del comportamiento de la red eléctrica, ante la conexión de un aerogenerador, debe considerar posibles perturbacionesal sistema eléctrico existente o hacia la misma instalación, lo que motivaría mayor mantenimiento de la unidad. Este punto considera: Flujo de carga en la red eléctrica. Análisis de transitorios de conexión y fallas. Intercambio de energía con la red.

4. Calidad de suministro La finalidad de un sistema eléctrico de potencia es producir, transportar y distribuir a los consumidores energía eléctrica manteniendo los parámetros dentro un rango definido. Sus principales parámetros son la tensión, la frecuencia y la forma sinusoidal. Debido a la estructura del sistema eléctrico y a fenómenos físicos externos, es imposible mantener estos parámetros dentro de un rango definido: la tensión está sometida a variaciones debido a la energía reactiva consumida; al mismo tiempo el consumidor puede experimentar perturbaciones eléctricas como huecos de tensión, interrupciones, etc.; la frecuencia, en cambio, depende del equilibrio entre la potencia activa generada y consumida. A parte de estos fenómenos, se debe considerar la existencia de cargas no lineales, cada vez más presentes en la red, que generan armónicos y flicker, provocando la distorsión de la onda sinusoidal. En global, se puede caracterizar el suministro con los siguientes parámetros según las normas vigentes: 􀂃 Frecuencia 􀂃 Amplitud de la tensión suministrada 􀂃 Variaciones de la tensión suministrada 􀂃 Variaciones rápidas de tensión 􀂃 Huecos de tensión

5. 􀂃 Interrupciones breves de la tensión suministrada 􀂃 Interrupciones largas de la tensión suministrada 􀂃 Sobretensiones temporales en la red entre fases y tierra 􀂃 Sobretensiones transitorias entre fases y tierra 􀂃 Desequilibrio de la tensión suministrada 􀂃 Tensiones armónicas 􀂃 Tensiones interarmónicas 􀂃 Señales de transmisión de información por la red En los sistemas eléctricos que integran turbinas eólicas pueden ser éstas las que emitan perturbaciones a la red o ser las mismas susceptibles a estas perturbaciones provenientes de la red. Interacción de la generación eólica en el flujo de potencia estático Ya se ha introducido antes que la incorporación de la generación eólica a gran escala en el sistema eléctrico de distribución, significa un cambio substancial en el diseño de las redes. Anteriormente el sistema estaba diseñado para que el flujo de potencia evolucionara desde el sistema de transporte a través del sistema de distribución hasta el nivel de baja tensión. Hoy en día, el flujo de potencia puede invertirse debido a una sobreproducción en el nivel de distribución.

7. El voltaje en los terminales de la turbina será: El ∆U será:

8. En la siguiente gráfica se muestra la dependencia de la profundidad del hueco de tensión con ángulo de fase de la impedancia de red durante el arranque de un aerogenerador. Se observa fácilmente la dependencia de dicho ángulo con la profundidad y la duración del hueco. Para normalizar la caída de tensión según la potencia de cortocircuito de la red y la potencia nominal del aerogenerador se ha introducido un factor de variación de tensión ku que se calcula de la siguiente manera:

9. La siguiente gráfica muestra la dependencia del factor de variación de ku tensión con el ángulo de fase de la impedancia. La máxima variación de tensión se obtiene en un rango de 0° hasta 25° y de 80° hasta 90° en el arranque a la velocidad de corte del aerogenerador. En el rango de 30° hasta 75° el arranque para la velocidad de arranque da importantes valores de factores de ku .

12. La fluctuación de tensión puede ser senoidal o rectangular siendo esta figura la fluctuación de voltaje que corresponde A la unidad de emisión de flicker.

13. Espectro de potencia medido de una fuente de energía eólica de 225 kW con regulación Pitch.

14. La operación de conexión y desconexión en un parque eólico puede generar variaciones de tensión con una frecuencia cerca del rango de frecuencia de flicker. Para cuantificar el impacto del flicker durante la operación de conexión según la potencia de cortocircuito y la potencia nominal del generador, se ha establecido un factor de flicker de arranque Flicker en funcionamiento continuo La generación de flicker por parte de un parque eólico en funcionamiento continuo es causada por: 􀂃 La variación del viento estocástico: el espectro de potencia de viento contiene una variación de 10 % con una frecuencia entre 1 hasta 10 Hz; esta variación puede transmitirse a la potencia eléctrica generada.

15. 􀂃 La variación del viento debido a ráfagas de viento: la amplitud de las ráfagas puede alcanzar 20% de la velocidad media con una duración hasta 30s. 􀂃 Efecto sombra de las torres: las torres provocan el efecto sombra cada vez que una pala pasa a estar alineada con la torre; el par medio disminuye hasta un 30% con una frecuencia de 1-1,5 Hz. 􀂃 Las diferentes contribuciones del viento a lo largo de las palas: puesto que la velocidad de viento puede variar entre la punta más baja y la punta más alta de las palas, pudiendo causar una fluctuación de par con una frecuencia de 0,3-0,5 Hz y una amplitud de algunos porcentajes del par nominal. 􀂃 Oscilaciones en el sistema mecánico 􀂃 Intensidades y tensiones armónicas del convertidor de frecuencia Todos estos fenómenos causan variaciones de la potencia activa generada por el parque eólico y por tanto provocan unas variaciones de tensión en el rango de frecuencias donde aparece el flicker. Además, la emisión de flicker depende, otra vez, de factores externos como la potencia de cortocircuito y el ángulo de fase de la impedancia.

16. Velocidad de viento y potencia activa de un aerogenerador

17. Efecto de atenuación de las variaciones de tensión en parques eólicos con el aumento del número de aerogeneradores

18. Fluctuaciones de Tensión • Fluctuaciones de tensión en la turbina debido a fluctuaciones de kW y kVar • P = Potencia activa, kW • Q = Potencia reactiva, kVar • Regla simple: • Los problemas de tensión son evitados si los kVAr instalados son < M / 25 (en otros sistemas se toma M/20) • De otro modo, debe realizarse un análisis detallado • Las soluciones incluyen: • Capacitores para corregir el factor de potencia • Transformadores con control automático de voltaje (AVR) • Refuerzo de la red

19. Armónicos • Los armónicos son componentes de alta frecuencia agregados a la frecuencia del sistema • Distorsiona la forma de onda • Causado principalmente por convertidores de frecuencia • Caracterizado por la Distorsión Armónica Total (THD) • IEC 61000-3-6 brinda stándares para armónicos • Ejemplo: • THD de corrientes= 6.2%

20. Armónicos La incorporación de electrónica de potencia en los aerogeneradores implica un aumento de corrientes y tensiones armónicas en la red. El convertidor de un aerogenerador genera intensidades harmónicas que por la caída de tensión de las impedancias de la red causan distorsiones de la tensión.

22. Mediante un software especializado se obtienen los flujos de carga en la red y se procede a la conexión del aerogenerador en la instalación (simulación)

23. Comportamiento eléctrico El lugar óptimo será dónde las perturbaciones producidas por el ingreso, egreso del molino y el aporte al cortocircuito, fueran insignificantes. Debe probarse con diferentes aerogeneradores

24. Análisis Sintético de integración de las tubinas eólicas a la red

26. CONEXIÓN ELÉCTRICA DE UN PARQUE EÓLICO La tensión de los aerogeneradores es menor de 1000 V – Esto obedece a Mas de un aspecto: 1.-Las normas de seguridad son exigentes con valores de tensión mayor a este valor. 2.- como se utilizan cables colgantes es mejor con menor tensión 3.- Los generadores tienen menor costo. Sin embargo esto obliga al uso de transformadores que pueden estar en la Misma torre del aerogenerador o cercano. En los actuales parques se Conecta cada generador a un transformador y no varios a uno solo (sistema Antiguo). Cuando se trata de un parque eólico de gran porte se requieren dos niveles de transformación. El primero eleva la tensión desde BT a MT (13.2 o 33 kV), agrupando varios generadores para cada transformador. El segundo nivel centraliza para una subestación cercana las líneas de MT y eleva a AT. Desde ésta SE se llevarán las líneas de AT para ser distribuidas utilizando una SE de distribución. El gráfico de la siguiente diapositiva permite ver un sistema:

28. El análisis de la integración de las turbinas eólicas a la red eléctrica existente se inicia con la elección de la turbina eólica por ser la fuente de energía a conectar al sistema. El comportamiento de la turbina en cuanto a su velocidad de rotación y la forma en que dicha velocidad pueda variar determina el aprovechamiento del recurso eólico (por la variación de la velocidad específica), el impacto por la interconexión del aerogenerador a la red eléctrica y a las solicitaciones mecánicas a las que se ve sometido. Las configuraciones son:

30. Un parque eólico presenta características diferentes a las de un turbogenerador aislado: 1. pérdidas de conjunto por efecto estela 2. fluctuaciones de potencia suavizada 3. Puede producir fenómenos de armónicas y flickeo. La fortaleza de la red es entonces importante para la viabilidad eléctrica del parque. La tensión generada por los aerogeneradores es B.T. (generalmente 0.69 (kV) por lo que la interconexión entre los equipos se efectúa mediante transformadores de 0.69/20 (kV) por ejemplo (en los Países latinoamericanos puede ser de 0.69/13.2 kV). La Subestación transformadora que conecta el parque a la red eléctrica generalmente eleva desde M.T. (media tensión) a A.T. (alta tensión), por ejemplo 20/120 (kV) (en Países latinoamericanos de 13.2/132 kV).

31. Los estudios de viabilidad requieren un análisis de la capacidad de aceptación de la energía eólica insertada en el punto (capacidad de transporte de la red eléctrica), por lo que debemos evaluar el comportamiento estático y dinámico del sistema. Se plantean varios escenarios con el fin de cumplir con estos aspectos de cálculo que determinarán la viabilidad del parque conectado en ese punto a la red eléctrica. Se debe evaluar el criterio de diseño para el ingreso del parque eólico a la red: 1. Criterio de diseño estático: debe garantizar el nivel de tensión adecuado para mantener la tensión en niveles apropiados (es aceptable

32. cuando en los nodos del sistema la variación de la tensión es menor o igual a ± 2%). Se simulan escenarios con máximo aporte del parque eólico y con el parque eólico fuera de servicio. Con el fin de implementar un cálculo estático, tomando escenarios diferentes (por ejemplo un escenario de pico de carga con aporte del parque eólico de diferentes características de potencia activa y reactiva) se determina el flujo de carga. Este cálculo se efectúa porque la filosofía de diseño de la red cambia al insertar un parque eólico modificando los flujos de carga del sistema y estableciendo nuevas condiciones que pueden afectar el transporte de energía, del mismo modo se verifica la capacidad térmica. Según el tipo de generador eólico elegido en muchas ocasiones existe la necesidad de compensar la energía reactiva, el diagrama de flujo permitirá observar tanto el flujo de energía activa como reactiva. Si la capacidad en kVAr instalados es menor que 20 Scc (ecuación (10)) entonces los problemas de tensión serían evitados incluido el flicker (ecuación (11)).

34. 2. Criterio dinámico: como el criterio estático no garantiza por sí solo un comportamiento aceptable del funcionamiento de la red, se utiliza el criterio dinámico, simulando un escenario de fallas que producen disminuciones de tensión y súbito aumento en el aporte del parque eólico, colapsando el parque con la súbita salida de servicio de los aerogeneradores. Se evalúa entonces la frecuencia verificando que no descienda por debajo de los valores admisibles (la frecuencia mínima mayor o igual a 0.1 Hz en el primero escalón de los relés de alivio de carga). Para implementar el criterio dinámico se efectúa un cálculo de estabilidad transitoria simulando perturbaciones severas que produzcan deterioro de la frecuencia imputable a la salida de servicio del parque eólico. Por ejemplo: (salida de servicio intempestiva del parque) falla trifásica sobre la línea de AT con consecuente salida de servicio de la red eléctrica afectada y del parque eólico.

35. 3. Calidad de producto: Deben verificarse aquellos aspectos que afectan la calidad de la tensión nodal como ser armónicas, flicker, huecos de tensión, sag y swell. El análisis requiere de estudios relacionados a cumplir con los requisitos exigidos. La Fig. de la diapositiva 27 nos permite observar que muchos aerogeneradores utilizan convertidores, por lo que la presencia de armónicas para no afectar el sistema debería ocurrir en una frecuencia por lo menos 50 veces la frecuencia fundamental. Dados los parámetros nominales de los aerogeneradores, Pn,Qn,Sn,In,Un, potencia máxima autorizada, Pmax, valores medios, P60 y Q60 (media 60 seg), P0.2 y Q0.2 (media 0.2 seg) y los cálculos efectuados en escenarios de puesta en marcha y peor conexión, se calcula un factor de flicker y factor de variación de tensión.

36. Dos parámetros referidos a la variación de tensión por unidad se valoran en el flicker (ecuación (11) – 20 Scc > Q): Pst (corta duración) se calcula sobre un período de 10 minutos, y el Plt (larga duración) se calcula para 12 valores de Pst en un período de 2 horas. Se deben analizar las variaciones de la tensión en conexión y el flicker durante la operación de conexión y en funcionamiento continuo.