Control De Frecuencia

operación de un sistema de almacenamiento de energía en baterías asociado a una planta de generación eólica para realizar control primario de frecuencia

Alfredo javier ruiz torres

Profesor Guía Sr. Jorge Medina Hanke

Profesor Correferente Sr. Edmundo López Estay

RESUMEN

La integración de energía renovable no convencional (ERNC) al parque generador del sistema interconectado del norte grande (SING), especialmente la generación eólica, implica grandes desafíos para permitir su integración de manera segura, eficiente y armónica. Ya que el SING cuenta con numerosas restricciones operativas en cuanto a su capacidad para realizar un efectivo control de frecuencia ante desprendimientos considerables de generación.

La adición de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) al parque de generación convencional proporciona un significativo beneficio para la integración de ERNC, otorgando mayor flexibilidad y estabilidad para el SING.

El presente informe Determina la forma en que se incorporar el dispositivo BESS al SING y de qué manera se realizarán los estudios, basados en simulaciones dinámicas, para determinar los beneficios del dispositivo BESS realizando control primario de frecuencia.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO 1 2

aspectos generales 2

1.1 CONTEXTO 2

1.2 OBJETIVO Y ALCANCE 3

1.3 ANTECEDENTES DEL SING 3

CAPÍTULO 2 7

consideraciones del estudio 7

2.1 ESCENARIO DE PENETRACION EOLICA 7

2.1.1 Zonas del SING para instalación de potencia eólica 8

2.1.2 Datos del viento 10

2.2 DISPOSITIVO BESS 15

2.2.1 Optimización de la capacidad del BESS 18

2.3 METODOLOGIA 20

2.3.1 Escenarios de operación 20

2.3.2 Optimización de la capacidad del BESS 21

CAPÍTULO 3 23

modelación 23

3.1 PROGRAMA POWER FACTORY 23

3.2 MODELACION DEL DISPOSITIVO BESS 24

3.2.1 Descripción física del dispositivo BESS 24

3.2.2 Modelación de las baterías en PowerFactory 25

3.2.3 Modelación del convertidor 28

3.2.4 Modelación del control del BESS 29

3.2.5 Modelo del control de frecuencia 30

3.2.6 Modelo del controlador de tensión y potencia 31

CONCLUSIONES 33

BIBLIOGRAFÍA 34

APÉNDICE A A-1

MECANISMO DE PAGO CONTROL PRIMARIO DE FRECUENCIA A-1

A.1.1Control Primario de frecuencia en el mercado eléctrico A-2

APÉNDICE B B-3

FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD B-3

B.1 Fundamentos de la regulación de velocidad B-4

B.1.1 Regulador de velocidad isócrono B-7

B.1.2 Regulador de velocidad con estatismo de velocidad B-8

B.1.3 Operación de unidades generadoras en paralelo B-11

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 1 Capacidad instalada por tecnología, SING 2012 4

Figura 1 2 Reserva y tasas de toma de carga unidades SING 5

Figura 1 3 Participación según tipo de combustible, 2do semestre 2011 6

Tabla 2 1 Zonas de desarrollo eólico máximo esperado en el SING 8

Figura 2 1 Zonas Potencial instalación de potencia eólica en el SING 8

Tabla 2 2 Puntos y mecanismos de inyección de potencia eólica [7] 9

Tabla 2 3 Capacidad máxima parques eólicos estudio de suficiencia 10

Figura 2 2 Velocidad del viento a 20 metros, Calama Norte 11

Figura 2 3 perfil de potencia diario del aerogenerador Vestas V90 – 2MW, Calama Norte 12

Figura 2 4 Velocidad del viento a 20 metros, Calama Oeste 13

Figura 2 5 perfil de potencia diario del aerogenerador Vestas V90 – 2MW, Calama oeste 13

Figura 2 6 Velocidad del viento a 20 metros, Sierra gorda 14

Figura 2 7 Perfil de potencia diario del aerogenerador Vestas V90 – 2MW, Sierra gorda 15

Figura 2 8 Diagrama esquemático dispositivo BESS 16

Figura 2 9 Característica Potencia-frecuencia del CPF del dispositivo BESS 17

Figura 2 10 Parámetros y variables para la optimización 19

Tabla 2 4 Capacidad máxima parques eólicos estudio de suficiencia 20

Figura 3 1 Esquema básico de almacenamiento de energía en baterías implementado en PowerFactory 24

Figura 3 2 Equivalente simplificado del circuito eléctrico de una batería 25

Figura 3 3 perfil típico de descarga de una betería de ploma acido 26

Figura 3 4 Common modelo, modelo común de la batería 27

Figura 3 5 parámetros de la batería 28

Figura 3 6 Circuito equivalente del convertidor PWM 29

Figura 3 7 Controlador BESS, Composite model 30

Figura 3 8 Common-model controlador de frecuencia BESS 31

Figura 3 9 Common-model del controlador de tensión y potencia del BESS 32

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2 1 Zonas de desarrollo eólico máximo esperado en el SING 8

Tabla 2 2 Puntos y mecanismos de inyección de potencia eólica [7] 9

Tabla 2 3 Capacidad máxima parques eólicos estudio de suficiencia 10

Tabla 2 4 Capacidad máxima parques eólicos estudio de suficiencia 20

GLOSARIO DE TÉRMINOS

ERNC Energías renovables no convencionales

SING Sistema interconectado del norte grande

CDEC Centro de despacho económico de carga

DO Dirección de operación

SEP: Sistema eléctrico de potencia

AVR: Automatic voltage regulator

GOV: Governor

BESS Battery energy storage system

VSC Voltage source converter

SoC State of charge

CER Centro de Energías renovables

CNE Comisión nacional de energía

NT Norma técnica

SyCS Seguridad y calidad de servicio

INTRODUCCIÓN

El sistema interconectado del norte grande (SING) está compuesto por una combinación de plantas generadoras térmicas, subestaciones y líneas de transmisión que suministran energía eléctrica a las ciudades y principalmente a la industria de la minería.

Durante los últimos años las fuentes de Energía renovable no convencional (ERNC) se convierten en la opción más atractiva dado que pueden proveer energía de manera sustentable y limpia. Además de considerar que en la última década han tenido una importante maduración de la tecnología, lo que conllevo a una reducción de los costos asociados a cada tecnología ERNC

La integración de energía renovable al parque generador convencional del SING, especialmente la generación eólica, implica grandes desafíos para permitir su integración de manera segura, eficiente y armónica. Ya que cuenta con numerosas restricciones operativas en cuanto a su capacidad para realizar un efectivo control de frecuencia ante desprendimientos considerables de generación.

La adición de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) al parque de generación convencional proporciona un significativo beneficio para la integración de ERNC, otorgando mayor flexibilidad y estabilidad para el SING.

El sistema eléctrico de potencia conformado por el parque generador convencional, la generación eólica y el sistema de almacenamiento de energía. Debe ser gestionado para poder manejar las fluctuaciones de la carga y de la generación eólica, manteniendo la frecuencia nominal del sistema de acuerdo a los requerimientos de la norma técnica.

El sistema BESS es implementado en paralelo con la aplicación de energía renovable proporcionando un adecuado control de frecuencia, tensión y estabilidad en la oscilación en función de mejorar la confiabilidad del sistema. La implementación del BESS puede reducir la necesidad de reserva en giro de los generadores convencionales, teniendo un papel fundamental para cubrir el cambio de generación y demanda del sistema.

El dispositivo BESS está siempre conectado a la red, incluso cuando el parque generador convencional pueda cubrir adecuadamente el cambio en la generación producto la variabilidad del recurso eólico. El dispositivo BESS puede cubrir el desbalance entre el suministro de energía y la demanda, almacenando el exceso de energía o suministrando esta energía almacenada a la demanda. El BESS se carga cuando la frecuencia aumenta de su valor nominal y se descarga cuando la frecuencia desciende de su valor nominal

La ventaja del dispositivo BESS es que puede proporcionar una rápida provisión de energía comparada con otras formas de reserva fría (stand-by).

aspectos generales

CONTEXTO

La industria eléctrica ha estado experimentando cambios relevantes en la última década, cambios

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