Archive for the ‘Interconexión de Redes Eléctricas’ Category
Este nuevo ecosistema de potencia – una red de información inteligente que puede extenderse desde las plantas de potencia hasta los millones de pequeños nodos y dispositivos en casas y negocios – que va a revolucionar la distribución de la energía eléctrica. Ninguna parte de nuestra sociedad global va a permenecer sin ser tocado por las Smart Grid, y alrededor de ella se esta creando enormes oportunidades para empresarios y usuarios.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Postulación al Programa de Doctorado en Ciencias mención Física de la Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, PERU. http://www.uni.edu.pe. La defensa de la propuesta se realizó en la Facultad de Ciencias http://fc.uni.edu.pe
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En función de la potencia y distancia a transmitir se define que nivel de voltaje se debe usar. Por lo general, los voltajes están estandarizados. Luego, se calcula la corriente eléctrica y entra a tallar dos cosas: la caída de tensión y el nivel de pérdidas eléctricas. Esto va relacionado con el área seccional del conductor lo que influye directamente con el costo final del proyecto. En sí, es un delicado estudio entre que nivel de voltaje utilizar, cuanto de pérdidas deseo obtener y que influye directamente con los costos iniciales como de funcionamiento del sistema. ABB hizo un cálculo se los presento en la figura siguiente:
En ella, pueden ver una comparación de costos para corriente alterna y para corriente continua para diversos niveles de tensión. Como se puede apreciar una línea HVDC de 800 kVDC es más económica queuna de 1000 kVAC y con las actuales necesidades energéticas en el mundo, su uso e implementación se ha extendido, lo que también implica que mejoras tecnológicas se irán desarrollando para hacerlo cada vez más accesible, menos costoso y con alto grado de confiabilidad.
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Les coloco a continuación lo reportado como logros en electricidad hechos por el gobierno del Sr. Alán García entre el 2007 y el 2011 según lo reportado en la web del Ministerio de Energía y Minas del Perú.
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he dicho en COLOMBIA…
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Además de los requerimientos sobre la conexión y desconexión de los parques eólicos durante la falla, las normas internacionales le exigen a estos aportar reactivos al sistema en situaciones donde ocurra una disminución significativa de la tensión, lo anteriormente señalado se muestra en la siguiente ilustración.
La ilustración anterior, muestra la mínima exigencia del aporte de reactivos al sistema por parte de los parques eólicos durante el régimen transitorio frente a fuertes disminuciones de la tensión en el punto de conexión del parque. La ilustración describe los mínimos niveles de corriente reactiva que debe aportar el parque eólico frente a distintos niveles de disminución de la tensión. En resumen, para disminuciones menores al 10% de la tensión nominal, existe una banda muerta en la cual al parque no se le exige ningún requerimiento de aporte de reactivos, sin embargo al existir perturbaciones que reduzcan la tensión en magnitudes superiores al 10%, se le exige al parque por lo menos aportar con un 20% de la corriente nominal de generación en corriente reactiva, por cada 10% de reducción en la tensión, de tal manera de llegar a la corriente nominal frente a una reducción igual o superior al 50% de la tensión en bornes.
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Las normas internacionales para la conexión de parques eólicos a un sistema interconectado detallan los márgenes de recuperación dinámica de la tensión que estos parques deben obedecer durante cualquier perturbación o falla, lo cual en inglés se denomina: Fault Ride Through (FRT). A continuación, se muestran estos criterios en tres normas: la alemana, escocesa e irlandesa.
De las ilustraciones anteriores se puede dilucidar que existen diversos requerimientos para la operación durante falla de parques eólicos, y estos dependen de las características del sistema. La norma alemana muestra un requerimiento bastante exigente para el parque en el cual se deben mantener niveles de tensión superiores a los 0.7 p.u. luego de ser despejada la falla, en cambio, la norma irlandesa es menos exigente en este aspecto ya que se le permite una mayor área de operación antes de la desconexión del sistema. Esta diferencia entre normas nace del enfoque principal de estabilidad del sistema. En un sistema grande y muy enmallado como el alemán, la estabilidad de la frecuencia no es mayor problema, razón por la cual la desconexión de los parques eólicos se puede realizar, para así evitar inestabilidades de tensión producto del consumo de reactivos por parte de los parques durante la falla. En cambio en un sistema pequeño o isla como es el irlandés, la estabilidad de frecuencia se vuelve una prioridad ante la posible desconexión masiva de varias turbinas eólicas, razón por la cual se le exige a los parques un mayor tiempo de conexión durante falla.
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Los parques eólicos también deben seguir en operación para ciertos valores de la frecuencia del sistema, las normas detallan el tiempo mínimo en que estas unidades deben mantenerse conectadas al sistema, antes de ser aisladas de la red.
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Los parques eólicos conectados al sistema deben operar entre ciertos rangos, los cuales se detallan a continuación:
Las tablas detallan los límites inferiores y superiores en por unidad de tensión, en que deben opear los parques eólicos conectados al sistema.
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Debido al auge de generación eólica que se ha visto alrededor del mundo, y sus propiedades con respecto a la estabilidad de tensión y frecuencia, varios sistemas interconectados en el mundo han desarrollado normas técncias en los cuales se detallan los márgenes y estándares que deben cumplir estos medios de generación para poder interconectarse a sus respectivos sistemas.
Las normas técnicas par ala generación eólica dictaminan estándares de operación para el factor de potencia de los parques en su punto de conexión, nivel de tensión y la frecuencia.
El factor de potencia es una variable de interés muy importante porque limita el consumo de potencia reactiva por parte del parque de tal forma de mantener niveles de reserva de reactivos adecuado en el sistema en caso de una eventual perturbación o falla. En las siguientes ilustraciones se muestran los rangos de las normas.
La norma inglesa simplemente indica límites de factor de potencia capacitivo e inductivo.
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La estabilidad de frecuencia de un sistema está íntegramente relacionada con la generación de potencia activa. La inestabilidad de la frecuencia se presenta al existir oscilaciones muy severas de la generación o de la demanda.
La generación eólica se genera a partir de la velocidad del viento, la cual es incontrolable y posee un gran nivel de variabilidad por lo cual se puede presentar un escenario en que existen velocidades de viento altas y minutos después velocidades de viento bajas. Esta incertidumbre se muestra en la siguiente figura:
Lo presentado es ejemplo de la gran variabilidad de la generación eólica, lo cual a primera instancia provocaría cierta reticencia a su introducción masiva al sistema, por temas de estabilidad de frecuencia de corto y largo plazo.
Sin embargo, existen estudios donde se ha comprobado que la variabilidad de los parques decrece entre mayor sea el número de unidades y mayor sea el área geográfica en que se ubiquen. Lo siguiente se presenta en la figura y tabla mostrados a continuacíón.
La tabla anterior indica las máximas variabilidades de generación eólica para distintas escalas de tiempo, y distintas regiones según área y número de parques. Esta table permite determinar que la variabilidad aumenta entre mayor sea la escala de tiempo, de variaciones menores al 10% para los minutos, hasta variaciones del 80% para 12 horas. Además se puede observar que entre más parques estén instalados en la zona, menores son las variaciones, esto se verifica comprobando las variaciones de las zonas de Irlanda y Alemania que son menores a las de EEUU debido al mayor número de parques dentro de las zonas de estudio.
Por último… lo expresado anteriormente permite dilucidar que el viento tendrá menor variabilidad entre menor sea la escala de tiempo, por ende para escala de tiempos de segundos ésta es prácticamente nula, lo cual implica que durante las simulaciones dínámicas se podrá suponer que la velocidad del viento se mantendrá constante.
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La introducción masiva de generación eólica a un sistema eléctrico interconectado puede provocar inestabilidades de tensión, relacionándose el nivel y seriedad de estas inestabilidades con la tecnología de generación implementada. A continuación, se expone con más detalle las inestabilidades producidas con la tecnología de generadores de inducción de velocidad fija.
La máquina de inducción de velocidad fija requiere de potencia reaciva que induzca en el rotor el campo magnético necesario para inyectar potencia activa a la red. Esto implica que estas máquinas no pueden aportar reactivos en operación normal, razón por la cual necesitan de equipos que le suministren estos reactivos, como máquinas síncronas, banco de condensadores o equipos FACT como Statcoms o SVCs (Compensadores Estáticos de Reactivos).
La máquina de inducción presenta un comportamiento dinámico que se explica a continuación.
El torque electromagnético «Te» desarrollado dentro de una máquina de inducción a cualquier velocidad «n», es función del deslizamiento «s», y proporcional al cuadrado de la tensión en los bornes «V».
Te = f(s). V^2 con s=(n_s – n_mec)/n_s y n = vel. en RPM
El comportamiento dinámico del rotro de la máquina de inducción se rige según la siguiente ecuación:
J . dw/dt = Tm – Te
donde «J» es el momento de inercia del rotor, «w» es la velocidad angular del rotor y «Tm» es el toque mecánico aplicado al rotor.
Durante un cortocircuito cerca de los terminales de un generador de inducción, la corriente de cortocircuito aumenta debido a la contribución de la máquina de inducción y la tensión disminuye en bornes del generador. La disminución de la tensión provoca una disminución de la potencia activa y del torque electromagnético, de tal manera que se crea un desequilibrio con el torque mecánico de la máquina, así produciéndose una aceleración de ésta última.
Una vez despejada la falla, la tensión en bornes del generador aumentará, pero por efecto de la falla, el rotor de la máquina de inducción se ha desmagnetizado. Al estar desmagnetizado el rotor, ya no existe el campo electromagnético entre éste y el estator que posibilite la transferencia de energía a la red. Luego, antes de que el generador pueda volver a generar potencia activa, se requiere que el rotor se magnetice nuevamente, lo cual implica la necesidad de una corriente reactiva alta que re-magnetice el campo electromagnético fenómeno denominado: Excitación Magnética (magnetic inrush). Este incremento de la corriente lleva consigo una disminución de la tensión en bornes del generador.
Una vez que el campo electromagnético a sido restituido, la máquina sigue girando a una velocidad superior de la nominal, lo que significa que la máquina necesitará de mayor potencia reactiva para disminuir su velocidad, lo cual se denomina como excitación mecánica (mechanical inrush), fenómeno que permite desacelerar la máquina pero disminuyendo la tensión en bornes producto de la absorción de reactivos.
Por lo anterior, la tensión en bornes de generación no se recupera completamente, lo que implica que el torque eléctrico tampoco lo hará, traduciéndose en que la máquina continuará acelerándose a menos que el torque electromagnético supere al mecánico.
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La estabilidad de tensión es la capacidad del sistema de mantener la tensión dentro de un rango preestablecido en todas las barras del sistema, luego de sucedida una falla. La inestabilidad de tensión sucede cuando existe una constante reducción o aumento descontrolado de la tensión en las barras de un área. El principal factor causante de la inestabilidad de la tensión es el desequilibrio de reactivos en el sistema.
- Estabilidad de tensión de pequeña perturbación.
La estabilidad de tensión de gran perturbación corresponde a contingencias fuertes como cortocircuitos cercanos a la barra, o la desconexión de máquinas o equipos controladores de tensión. - Estabilidad de tensión de gran perturbación.
La estabilidad de tensión de gran perturbación corresponde a contingencias fuertes como cortocircuitos cercanos a la barra, o la desconexión de máquinas o equipos controladores de tensión.
La estabilidad de tensión también se diferencia de acuerdo al período de estudio, pueden existir inestabilidades en el corto y largo plazo. La inestabilidad de corto plazo involucra el comportamiento dinámico de equipos rápidos, como máquinas de inducción y cargas controladas electrónicamente. En cambio la inestabilidad de largo plazo se debe al límite de topes en los transformadores con cambiadores de Tap derivación bajo carga, limitadores de corriente de excitación de los generadores, o la ausencia de reserva dinámica de reactivos en el sistema.
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La estabilidad de frecuencia corresponde a la capacidad del sistema de mantener el balance entre la generación y la demanda, de esta manera mantenimiento la frecuencia dentro de un rango cercado a la frecuencia nominal (60 Hz en caso de Perú).
La inestabilidad se puede producir debido a oscilaciones no amortiguadas de la frecuencia lo cual puede terminar en las desxonexiones de centrales o cargas del sistema. En sistemas pequeños denominados «islas» la estabilidad de la frecuencia es muy importante, mientras que en sistemas más grandes la estabilidad de la frecuencia toma importancia en caso de contingencias muy severas que llevan al sistema a operar en varios subsistemas o «islas».
La estabilidad de frecuencia en el corto plazo esta asociada a salidas intempestivas de centrales generadoras o cambios bruscos en la demanda, como la entrada de operación de hornos de arcos eléctricos, lo cual puede causar desequilibrios inestables para el sistema provocando la desconexión de más elementos. En cambio la estabilidad de frecuencia en el largo plazo se debe a descoordinaciones de control y protecciones, o falta de reservas de potencia activa en el sistema para realizar la regulación secundaria de frecuencia y así restablecer el equilibrio.
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La estabilidad angular corresponde a la capacidad de las máquinas síncronas interconectadas al sistema de mantener el sincronismo entre todas ellas, luego de una perturbación. Esto corresponde a mantener el balance entre el torque electromagnético y el torque mecánico de la máquina síncrona. La inestabilidad angular se debe entonces a un desequilibrio entre las fuerzas electromagnéticas y las mecánicas aplicadas a la máquina.
La estabilidad angular se subdivide en dos fenómenos: estabilidad de pequeña señal y estabilidad transitoria.
- Estabilidad de Pequeña Señal.
Corresponde a la estabilidad del sistema de mantener el sincronismo frente a pequeñas perturbaciones. La inestabilidad de pequeña señal se puede deber a un incremento periódico del ángulo de rotor de la máquina lo cual se debe a la ausencia de torques sincrónicos que desaceleren la máquina, o a oscilaciones no amortiguadas de los rotores debido a la ausencia de amortiguación por parte del sistema. - Estabilidad transitoria.
Es la capacidad del sistema de mantener el equilibrio luego de una perturbación grande, fallas en el sistema de transmisión o cortocircuitos. Este depende de punto de operación inicial y la severidad de la falla.
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Un parque eólico consta de muchas turbinas todas ellas interconextadas a la red eléctrica, a la que aportan de manera individual. Pero dado el emplazamiento de un parque por sus buenos vientos tanto en intensidad como en frecuencia, se distribuye las turbinas en función a ciertas características como la rugosidad del terreno, la velocidad de viento predominante, la altura de la torre, el diámetro del área de la turbina, entre otros factores. La figura muestra un espaciamiento óptimo entre turbinas, pero son las particularidades de viento y geográficas del emplazamiento los que definen a que distancia colocar.
Recuerden que la dado que el viento entrega parte de su energía a la turbina, éste disminuye su presión y se expande luego de pasar por la turbina… luego el viento que no interactuó con la turbina, va comprimiendo esta estela de baja presión de viento hasta nivelarlo con la presión ambiente, es en esta condición que nuevamente puede ingresar a una siguiente turbina eólica.
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A lo largo de las décadas se ha notado un progresivo incremento de capacidad instalada de sistemas eólicos y también de la potencia unitaria. Los nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación, instalación, mantenimiento, etc han elevado considerablemente la mantenabilidad, fiabilidad, etc. de tales sistemas. También el tema económico se ha visto agraciado, dado que como se puede ver los costos per cápita para todos los considerandos expuestos (como son: costeo de torre, turbina, conexión a la red, preparación del lugar, controles y terreno) se han ido reduciendo con el incremento de la potencia nominal de las turbinas eólicas. La tendencia sigue… La gráfica muestra tales costos. Espero os sirva y favor difundir el blog entre tus contactos.
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Las líneas HVDC causan interés en la comunidad científica, de ingenieria, en los gobiernos y empresas que ven en esta forma de transmisión de electricidad muchas ventajes técnicas y beneficios económicos. Os muestro dos diagramas breves en que se puede apreciar los criterios básicos para el cálculo de una línea de transmisión HVDC. Espero que les sirva. Saludos.
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Hola a todos los visitantes, en la presente entrada muestra la experiencia de ABB en cuatro proyectos. No comento mucho porque cada figura brinda la información necesaria como diámetro del cable, potencia a transmitir, nivel de voltaje y algún detalle técnico adicional. Adicionar nomás que el tema es interesante y estoy apto para brindar asesoramiento al respecto… van las imágenes:
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Se observa en la figura la carga de un cable para transmisión en 115 KV de una línea de HDVC para uso en el mar de Arabia Saudita. El cable es de la marca ABB. ABB es uno de los líderes mundiales en fabricación de cables submarinos con mas de un siglo de experiencia tanto en manufactura como en instalación. Dicha empresa ofrece sistemas de cables completos para todo tipo de aplicaciones, desde distribución en media tensión a transmisión en DC o AC en alto voltaje. La mayor parte de los cables submarinos existentes en el mundo son hechos por ABB. Tienen reconocimiento ISO 9001 e ISO 14001.
Es tal la experiencia y calidad de ABB, que un cable submarino después de 32 años de servicio, fue retirado para ser reemplazado por otro… resultó que el cable retirado no mostraba signos de envejecimiento. ABB cuida mucho sus cables submarinos durante su fabricación, puesta en barcos (como en la figura) y durante la instalación de los cables. Pueden visitar la web de ABB para mayor información técnica.
Estos cables (como veremos en siguientes entradas) tienen varios materiales que han sido colocados adecuadamente, los catálogos dan las características, pero también se pueden modelar mediante Matlab/Simulink para quienes desean hacer estudios en el tema de diseño de conductores y optimización.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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