La Generación Distribuida En Redes E Instalaciones Eléctricas

La Generación Distribuida en Redes e Instalaciones Eléctricas

12 junio 2007

Sección: Calefacción, Sectores de la industria

El objetivo de este trabajo es analizar en el contexto de la planeación, el impacto que tiene la Generación Distribuida (GD) en las Redes de Energía Eléctrica. Se analizan los beneficios e impactos que obtienen los usuarios finales y la Red cuando se tienen inyecciones adicionales de Potencia a lo largo de un alimentador, basados en resultados de estudios de Ingeniería Básica como son Flujos de Carga y Corto Circuito. También se estudian los diferentes retos que presenta la GD desde el punto de vista eléctrico y el impacto que tiene en la Coordinación de Protecciones de Sobrecorriente. Se aborda el tema de Confiabilidad, Reconfiguración de Circuitos bajo contingencia cuando está presente la GD. Todos los conceptos se presentan con ejemplos y diversas simulaciones.

Ing. Luis Rodolfo Calderón Girón

Inicialmente la industria eléctrica se fundamentó en la generación en el sitio de consumo. Posteriormente, debido en gran parte al crecimiento demográfico y la demanda de bienes y servicios, evolucionó hacia el esquema de Generación Centralizada en corriente directa complementado con redes eléctricas de distribución. Sin embargo, se tenían restricciones tecnológicas de los generadores eléctricos de corriente continua y su transporte máximo en baja tensión, que era de 30 a 57 kilómetros aproximadamente.

Con el tiempo, la generación eléctrica se estructuró como se conoce hoy en día, es decir, en corriente alterna y con redes de Transmisión y Distribución, lo que permite llevar la energía eléctrica prácticamente a cualquier punto alejado del centro de generación.

Bajo este escenario, se perdió el concepto de Generación Distribuida, ya que las grandes centrales se encontraban en lugares distantes de las zonas de consumo, pero cerca del suministro del combustible y el agua, ya que son sus materias primas.

En los años setentas, factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y con calidad de energía eléctrica y, por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales.

La Generación Distribuida GD representa un cambio en este paradigma de la generación de energía eléctrica centralizada. Se pudiera pensar que es un concepto nuevo, sin embargo, tiene su origen en los inicios de la generación de energía eléctrica. Así la GD es: la generación o el almacenamiento de energía eléctrica a pequeña escala, lo más cercana posible al centro de carga, con la opción de interactuar con la red eléctrica de la Compañía Suministradora.

Para establecer una capacidad de acuerdo con las características de generación eléctrica, se puede decir que, en lo que respecta a tecnologías disponibles, la capacidad de los sistemas de GD varía de cientos Kilowatts (KWs) hasta algunos miles de KW. El éxito de la difusión y popularidad de la GD radica en la existencia de tecnologías de punta que permiten generar energía eléctrica a potencias pequeñas, de manera eficiente, confiable y con alta calidad. Las tecnologías de generación distribuida se dividen en convencionales y no-convencionales. Las Convencionales incluyen a las turbinas de gas, motores de combustión interna y micro-turbinas. Las no-convencionales se refieren a las energías renovables, como la minihidraúlica, geotérmica y biomasa, las turbinas eólicas, celdas de combustibles y celdas fotovoltaicas.

La aplicación de una u otra tecnología en la GD depende de los requerimientos particulares del usuario. Los arreglos tecnológicos más usuales se citan a continuación:

• Carga base. Se utiliza para generar energía eléctrica en forma continua; opera en paralelo con la red de distribución; puede tomar o vender parte de la energía, y utiliza la red de distribución para respaldo y mantenimiento.

• Proporcionar carga en punta. Se utiliza para suministrar la energía eléctrica en períodos punta, con esto disminuye la demanda máxima del consumidor, debido a que el costo de la energía es más alto en este período. También se le conoce como “rasaje de picos”.

• Generación aislada o remota. Se usa el arreglo para generar energía eléctrica en el modo de auto-abastecimiento, ya que no es viable a partir de la red eléctrica (sistema aislado o falta de capacidad del suministrador). En este caso no existe interconexión alguna con redes de distribución de la compañía suministradora.

• Soporte a la red de distribución. En este caso la empresa eléctrica requiere reforzar su red eléctrica instalando pequeñas plantas debido a altas demandas o falta de capacidad por una falta de crecimiento de la infraestructura de transmisión y/o generación.

En la mayoría de los casos, la interconexión con la red de la Compañía Suministradora es un aspecto necesario que se tiene que tomar en cuenta, para poder cubrir cualquier eventualidad. El Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE) continua preparando la norma eléctrica “IEEE Std 1547, Standard for Distributed Resources Interconnection with Power Systems”, que servirá para dar recomendaciones y prácticas de buena ingeniería asociadas con las interconexiones y la operación de los sistemas de GD. Normalmente las interconexiones de la GD se dan a nivel de Distribución, como inclusive EPRI lo establece en su definición de Generación distribuida.

Beneficios de la GD

El auge de los sistemas de GD se debe a los beneficios inherentes a la aplicación de esta tecnología tanto para el usuario como para la red eléctrica. A continuación se listan algunos de los beneficios:

Beneficios para el usuario

• Incremento en la confiabilidad. • Aumento en la calidad de la energía. • Reducción del número de interrupciones. • Uso eficiente de la energía. • Menor costo de la energía (por el costo de la energía eléctrica en horas pico). • Uso de energías renovables. • Facilidad de adaptación a las condiciones del sitio. • Disminución de emisiones contaminantes.

Beneficios para el Suministrador

• Reducción de las pérdidas en transmisión y distribución. • Abasto en zonas remotas. • Libera capacidad del sistema. • Proporciona mayor control de energía reactiva (Elimina bancos de capacitares). • Mayor regulación de tensión en forma continúa. • Disminución de inversión. • Menor saturación. • Reducción del índice de fallas. • Mejora la red, es decir se hace más fuerte.

Son muchos los aspectos técnicos que se tienen que estudiar en los proyectos de Generación distribuida. En este trabajo los autores quisieran limitarse al impacto que, desde el punto de vista eléctrico, puede causar la GD en una Red Eléctrica. Para ello se propone partir de los Estudios eléctricos de Ingeniería Básica y el análisis de los cambios que se producen al contar con GD en la Red.

Estudios de ingeniería básica con GD.

Tradicionalmente, en las redes de distribución, la subestación representa la única fuente de Potencia Activa a los alimentadores radiales, de tal forma que el sentido del flujo activo siempre va de la Subestación a las cargas, es decir, que para ambos casos, esto representa una fuente de potencia activa concentrada en un sólo punto.

Para el caso de los alimentadores con enlaces, generalmente, una carga puede recibir su Potencia Activa por más de una trayectoria (es decir, la topología de alimentadores puede variar) pero normalmente proviene de la misma Subestación o Fuente. Desde el punto de vista de análisis de redes, la presencia de la GD representa la existencia de inyecciones de Potencia Activa y Reactiva adicionales que se pueden localizar a lo largo de los circuitos de distribución.

El caso de la Potencia Reactiva normalmente es diferente a la Potencia Activa, en este caso pueden existir otras fuentes adicionales a la Subestación. El caso más común es contar con inyecciones reactivas que provienen de bancos de capacitores que se instalan en los circuitos con la finalidad de compensar y mejorar el perfil de voltaje para las cargas.

Es importante mencionar que la inserción de capacitores crea, de origen, condiciones resonantes en la impedancia del circuito, lo cual representa riesgos de sobre-corrientes o sobre-voltajes en las redes que cuentan con la presencia de armónicas. Esta situación es una condición cada vez más frecuente debido al cambio que se está viviendo en la compensación de la carga tanto residencial como comercial e industrial, donde la presencia de cargas no lineales hoy en día son una realidad (cargas electrónicas, hornos eléctricos de microondas, de inducción o de arco, drives, computadoras, entre otros).

También se presenta el caso, aunque menos común, de inyecciones de Potencia Reactiva proveniente de la carga, es decir, de los usuarios o clientes. El caso más común es que se presenta en instalaciones de bancos capacitores fijos para compensar el factor de potencia (costo), cuando las condiciones de carga varían o disminuyen, generalmente a lo largo del día. Es muy común que los bancos de capacitores fijos no salgan de operación cuando la demanda de Potencia Activa disminuye.

En conclusión, es común que la generación de Potencia Reactiva se haga en forma distribuida. La inserción de la GD representa un cambio del paradigma en el Análisis y Planeación de las redes eléctricas.

Análisis de Flujos de Carga

Flujos de Carga es el nombre que se

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