Avances en Programas de Eficiencia energtica en Colombia

Generacin Distribuida y Redes inteligentes, Resultados de una red piloto experimental

Horacio Torres-SnchezPrograma PAAS -UNPrograma PAAS -UN

www.paas.unal.edu.co

IV TALLER INTERNACIONAL EFESOS DE EFICIENCIA ENERGETICA, SEGURIDAD Y

SOSTENIBILIDAD Barranquilla 2010322

Antecedentes

La generacin distribuida (GD) y las redes inteligentes (Smart Grid)emergen como una nueva alternativa de prestacin del servicio deelectricidad y van a modificar la arquitectura de los sistemas depotencia, especialmente la de las redes de distribucin.potencia, especialmente la de las redes de distribucin.

Condiciones actuales: Liberalizacin y crecimiento de los mercados Aumento del nmero de participantes y de la participacin financiera privada Desarrollo de nuevas fuentes de energa y de tecnologas ms limpias Progreso tecnolgico acelerado (electrnica de potencia, telecomunicaciones,

algoritmos, manejo de informacin) Mayores estndares de calidad y niveles adecuados de cobertura Usuarios ms sofisticados

323

Antecedentes

Modelo actual

Nuevo modelo

Como uno de los resultados de las reformas recientes a los sistemas depotencia y desarrollos, se empiezan a extender los denominadossistemas de Generacin Distribuida y las Redes Inteligentes.

Se evidencia la necesidad de que el sistema elctrico actual contineevolucionando y est en capacidad de manejar las nuevas conexionesde mltiples productores (incluyendo consumidores) y la demanda declientes sin afectar la calidad del servicio.

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No existe una nica acepcin de generacin distribuida.

Elementos a tener en cuenta (T. Ackerman et al., 2001): Propsito: Proveer una fuente de potencia activa

Localizacin: unidades de generacin conectadas directamente a la redde distribucin o a la red del lado de medidor del consumidor.

GD Definiciones

de distribucin o a la red del lado de medidor del consumidor.

El tamao no es relevante, depende del sistema. Se propone:

Fuente de potencia elctrica conectada directamente a la red dedistribucin o en el lado del contador que corresponde al cliente(T. Ackerman et. al., 2001).

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Las Universidades de los Andes y Nacional hanpropuesto: La Generacin Distribuida es la generacin conectada a un

Sistema de Distribucin Local (SDL), que no tiene acceso directo a

GD Definiciones

Sistema de Distribucin Local (SDL), que no tiene acceso directo ala red de transmisin y cumple con los requerimientos deconexin (Proyecto Colciencias Isagen - Uniandes Unal)

es la generacin conectada a un Sistema de Distribucin Local(red radial), que no tiene acceso directo a la red de transmisin, yno es despachada centralmente y cumple con los requerimientosde conexin. (Proyectos Colciencias Codensa- Uniandes Unal- UIS)

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Reduccin de prdidas en las redes de transmisin y distribucin.

Incremento en la confiabilidad y en calidad del servicio si se cumplenlas reglamentaciones.

Mayor control de energa reactiva y regulacin de tensin.

GD- Ventajas (Pepermans et al., 2005 y otros autores)

Mayor control de energa reactiva y regulacin de tensin.

Retraso de inversiones en redes de transmisin y subtransmisin.

Mejor adaptacin a las variaciones de la demanda.

Aumento de la competencia y disminucin del poder de mercado.

Mayor flexibilidad al disminuir la dependencia del sistemacentralizado.

Uso eficiente de la energa e incorporacin de fuentes ms limpias.

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Requerimiento de nuevos esquemas para la operacin y elmantenimiento de este tipo de sistemas.

Mayores costos de inversin, especialmente para algunas tecnologasrenovables.

GD- Desventajas (Retos) (Pepermans et al., 2005 y otros autores)

Cargos de conexin que deben pagar los productores.

Mayor descentralizacin que puede dificultar la garanta de seguridaddel sistema e incluso incrementar los costos de operacin.

Contaminacin auditiva y ambiental cerca de los consumidores, enalgunos casos.

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La GD en el sistema colombiano

Beneficiarios Generadores (desarrolladores nuevos)

Transportadores

Distribuidores Distribuidores

Consumidores

Zonas aisladas

Mercado en general

Se requeriran algunos ajustes al marco regulatorioactual y la expedicin de una normatividad tcnica yambiental adecuada a este tipo de sistemas.

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Propuestas regulatorias

Dados los cambios tecnolgicos y los beneficios de la generacin distribuida es conveniente que el regulador se anticipe y de un tratamiento a este tipo de sistemas.

Al momento de expedir las leyes en 1994, la Generacin y la Distribucin tecnolgicamente eran siempre separables pero los avances de la ciencia y la tecnologa permiten ahora la Generacin Distribuida (y las redes inteligentes).

La GD puede beneficiar a los usuarios al ofrecer m s La GD puede beneficiar a los usuarios al ofrecer m s competencia entre agentes, al disminuir los costos de competencia entre agentes, al disminuir los costos de transporte (transmisin y distribucin), facilitar la expansin a transporte (transmisin y distribucin), facilitar la expansin a menor costo y reducir los niveles de prdidasmenor costo y reducir los niveles de prdidas .

330

Reglamentacin en Colombia

La Generacin, como tal, no est definida en las leyes 142 143.

Las Redes de Distribucin, en cambio, las define la Ley 143 as:Redes de Distribucin. Conjunto de lneas y subestaciones, consus equipos asociados, destinado al servicio de los usuarios de unmunicipio o municipios adyacentes o asociados mediantecualquiera de las formas previstas en la Constitucin Poltica (se hacualquiera de las formas previstas en la Constitucin Poltica (se hasubrayado).

La CREG tiene una atribucin general para: k. Interpretar lasdefiniciones contempladas en el artculo 11 de la presente ley.

La misma Ley 143 establece como uno de los principios que rigenlas actividades relacionadas con el servicio, el de adaptabilidad,definido como El principio de adaptabilidad conduce a laincorporacin de los avances de la ciencia y de la tecnologa queaporten mayor calidad y eficiencia en la prestacin del servicio almenor costo econmico. (Se ha subrayado). 331

Circuito Piloto

El diseo de la red elctrica piloto esta orientado a la instalacin estratgica de medidores, que permitan monitorear medidores, que permitan monitorear totalmente el comportamiento dinmico de los flujos bidireccionales de potencia.

Se adecuaron una serie de cargas con componentes tanto resistivo como reactivo.

332

Circuito Piloto

333

Diagrama de la red piloto

334

Estructura de la red piloto

Un generador fotovoltaico de 3.5 KW instalado en el edificio deFsica de la Universidad Nacional y un generador de biomasa de15 kW instalado en el edificio de Qumica y conectados a la red dedistribucin de Codensa a la altura de la subestacin AntonioNario.Nario.

Dos (2) RTUs mviles basadas en PLCs comerciales (Siemens)ubicadas en cada uno de los generadores.

Una (1) RTU mvil con funciones de SCADA ubicada en laUniversidad de los Andes.

Comunicaciones basadas en redes publicas de telefona mvil(GSM, GPRS inicialmente)

335

Explotacin de la red piloto(evaluaciones a nivel RTU)

Disponibilidad de los canales de comunicacin. Disponibilidad de los agentes de control y supervisin. Tasa de mensajes perdidos. Tiempos de latencia confiables. Tiempos de latencia confiables. Prueba de diferentes arquitecturas de inteligencia distribuida

(redundancia, comunicacin entre RTUs, acceso a usuariosmviles, etc)

Ambitos de aplicacin (telemetra, deteccin de fallas, diagnstico,reconfiguracin, etc)

Criterios de negociacin con los proveedores del servicio. Evaluacin de seguridad y nuevas tecnolgas en TICs.

336

Normatividad

337

La GD en Colombia

Se analizan y definen los aspectos ms importantes de la normatividad tcnica y operativa, tomada como base para la implementacin de los sistemas como base para la implementacin de los sistemas de GD en el Colombia.

338

La GD en Colombia

Requerimientos Tcnicos Mnimos para la correcta conexin y operacin al SDL Requerimientos de tensin Requerimientos de frecuencia Requerimientos de reconexin Requerimientos de calidad de la potencia Requerimientos para la sincronizacin

Coordinacin de protecciones Compra y venta de energa de unidades de GD

339

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

Para la correcta conexin de unidades de GD al SDL se deben tener en cuenta los posibles esquemas de conexin a la red.

340

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

341

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

La conexin y operacin de estos sistemas a la red La conexin y operacin de estos sistemas a la red de distribucin se clasificar segn los siguientes parmetros: Tecnologa Capacidad efectiva Esquema de conexin

342

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

Se dise un diagrama de flujo que contiene los pasos detallados para la instalacin, conexin y operacin de sistemas de GD en el SDL.

343

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

Proceso de Conexin Seleccin de tecnologa Seleccin del tipo de proyecto Seleccin del tipo de proyecto Verificacin de cumplimiento de requerimientos tcnicos Seleccin de la ubicacin y esquema de conexin Preparar estudio de conexin Convenir y firmar contrato de conexin Memorias de clculo de la edificacin Presentar memorias de clculo al distribuidor Proceso de compra de equipos

344

Propuesta para la conexin y operacin de unidades de GD en Colombia

Programacin de trabajos con el distribuidor Informar fechas de inicio de pruebas Autorizacin de la conexin y puesta en servicio Autorizacin de la conexin y puesta en servicio

Operacin de los sistemas de GD, desde un enfoque tcnico:

Coordinar sincronizacin con el centro de control Informar y coordinar modificaciones con el centro de control Coordinar maniobras con el centro de control Acordar procesos de mantenimiento con el distribuidor

345

Impacto de la GD sobre las Corrientes de Cortocircuito

346

Corrientes de cortocircuito

La interconexin de la GD a la red, modifica la potencia de cortocircuito del sistema. El nivel de ese potencia de cortocircuito del sistema. El nivel de ese aporte depende de la potencia del GD, del tipo de generador y de la interfaz empleada. De estos tres elementos el que requiere mayor anlisis es el tipo del generador ya que por la amplia variedad de fuentes pueden emplearse equipos distintos.

347

Tipos de generadores

Mquina de induccin excitada mediante magnetismo remanente

Mquina de induccin jaula de ardilla excitado mediante capacitores.

348

Tipos de generadores

Generador de induccin con rotor bobinado excitado mediante corriente continua.

Generador de induccin con doble excitacin.

349

Tipos de generadores

Generador de induccin con mltiple excitacin.

350

Tipos de generadores

Cada tipo de generador tiene una contribucin diferente ante un cortocircuito, siendo muy alto para diferente ante un cortocircuito, siendo muy alto para los generadores sncronos, ms bajo para asncronos o de induccin y mucho ms bajo para aquellos que usan inversores.

351

Transformador de interconexin

La interconexin de un GD con la red de potencia en forma directa, es desaconsejable y riesgosa, en forma directa, es desaconsejable y riesgosa, principalmente en caso de conectarse a lneas areas, ya que los generadores poseen nivel de aislamiento incompatible con el correspondiente sistema de potencia.

352

Transformador de interconexin

Requiriendo de un transformador de interconexin, cuyas funciones son: Adecuar los niveles de tensin Adecuar los niveles de tensin Evitar la inyeccin de corriente continua al sistema Bloquear las armnicas triples Controlar las corrientes de cortocircuito Facilitar la deteccin de sobrecorrientes desde el

sistema Evitar las sobrecorrientes por resonancia

353

Transformador de interconexin Las formas posibles de conectar este transformador son:

Tringulo del lado del GD y estrella aislada de tierra del lado del sistema

Tringulo del lado del GD y estrella puesta a tierra rgida en el otrootro

Tringulo del lado del GD y estrella puesta a tierra no rgida del lado del sistema

Tringulo en ambos lados Estrella puesta a tierra del lado del GD y triangulo del lado del

sistema Estrella puesta a tierra en ambos lados Estrella del lado del GD y estrella puesta a tierra rgida del lado

del sistema 354

Modificaciones al esquema de protecciones Los esquemas de proteccin de los sistemas

de distribucin estn diseados para funcionar en forma radial y direccin nica de la corriente de carga y de falla.corriente de carga y de falla.

El uso de las caractersticas tiempo-corriente de los dispositivos de proteccin ya no es posible, debiendo recurrir a la utilizacin de las caractersticas de energa especfica-tiempo.

Es necesaria una nueva metodologa para coordinacin reconectador-fusible. 355

Normas tcnicas internacionales de GD

Normas IEC Estndares IEEE

62257:Recomendaciones para energa renovable a

pequea escala y sistemas

hbridos para

60364-7-712: Reglas para las instalaciones y

emplazamientos

especiales (sistemas de

IEC/PAS 62559:Metodologa de redes

inteligentes para el

1547-2003: Estndar para la interconexin de recursos

distribuidos en sistemas de energahbridos para

electrificacin rural.especiales (sistemas de

alimentacin

fotovoltaica)

Parte 7-1:Generadores

arreglos

fotovoltaicos

Parte 5: Proteccin

contra

riesgos elctricos

inteligentes para el

desarrollo de requisitos

en sistemas de energa 1547-1: Estndar de procedimientos de

prueba para equipos de

interconexin de

recursos distribuidos en

sistemas de energa elctrica

1547-3: Gua para monitorear el intercambio de informacin, y control

de recursos distribuidos interconectados en

sistemas de energa elctrica

Resolucin 18-1294 de 2008 Ministerio de

Minas y Energa:

Reglamento Tcnico de

Instalaciones Elctricas

(RETIE)

Resolucin CREG 025 de

1995:Codigo de

Redes

Normas de Construccin y

Especificaciones

Tcnicas (CODENSA)

NTC 2050: Cdigo Elctrico

Colombiano

Nueva Norma o Documento Gua

Sobre Redes

Inteligentes

356

Complemento a la normatividad nacional relativa a GD

Resoluciones GREG Resoluciones ministerio de minas y energa

Reglamentacin internacional

025 de Gua bsica de la Reglamento para medios de 082 de 2002 y 097 de 025 de 1995:

Cdigo de

redes

070 de 1998: Reglamento

de

distribucin

de energa

elctrica

086 de 1996: Reglamento

de generacin

de plantas

menores

Resolucin 18-1294

de 2008 : Reglamento tcnico

de instalaciones

elctricas

Gua bsica de la

generacin distribuida en

Espaa

Reglamento para medios de

generacin no convencionales

y pequeos medios de

generacin

082 de 2002 y 097 de 2008: Principios

generales y

metodologa para

cargos por uso de los

sistemas de

transmisin regional y

distribucin local

Nueva norma o documento gua

sobre redes

inteligentes

Normas de construccin y

especificaciones

tcnicas (CODENSA)

Resoluciones CREG

357

Conclusiones

La generacin distribuida (GD) y las redes inteligentes (Smart Grid) emergen como una nueva alternativa de prestacin del servicio de electricidad.

GD presenta ventajas como Reduccin de prdidas, GD presenta ventajas como Reduccin de prdidas,mayor confiabilidad, calidad de servicio y flexibilidad yuso eficiente de energa en las redes de transmisin ydistribucin.

Pero tambin presenta desventajas como mayorescostos de inversin (tecnologas renovables), garantade seguridad y contaminacin auditiva y ambiental cercade los consumidores, en algunos casos.

358

ConclusionesDados los cambios tecnolgicos y los beneficios de la generacin distribuida es conveniente que el regulador se anticipe y de un tratamiento a este tipo de sistemas.

Tcnicamente, los estudios muestran que la contribucin a la corriente de cortocircuito por una mquina de induccin est fuertemente relacionada con el tipo de excitacin, siendo muy fuertemente relacionada con el tipo de excitacin, siendo muy alto para los generadores sncronos, ms bajo para asncronos o de induccin y mucho ms bajo para aquellos que usan inversores.

El tipo de conexin ms adecuado del transformador de interfase GD-Sistema de potencia es tringulo del lado del generador y estrella puesta a tierra semi-rgida del lado del sistema.

359

Conclusiones

Los problemas tcnicos presentados pueden solucionarse mediante el empleo de un sofisticado esquema de protecciones, pero a un alto costo, esquema de protecciones, pero a un alto costo, cuyo lmite est establecido en el momento en que el sobrecosto contrarresta las ventajas del uso de la GD.

360