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Futuro de los sistemas de energa elctrica
Curso de Mercados Elctricos Departamento de Ingeniera Elctrica
Profesor Gabriel Olgun, Ph.D.
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Contenidos
Objetivos y Alcance Introduccin y conceptos bsicos
Sistemas interconectados Conceptos de Transmisin en CA de alto
voltaje HVAC Futuro de los SEE
Breve revisin de tecnologas emergentes Transmisin en CC de alto voltaje HVDC
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Objetivos y alcance
Identificar las caractersticas tcnicas bsicas relevantes de los SEE y su desarrollo futuro esperado. Tratamiento conceptual con nfasis en los fenmenos
fsicos y sus implicancias en el desempeo de la transmisin masiva de potencia elctrica.
Breve descripcin de tecnologas emergentes que afectarn el desarrollo futuro de los sistemas de energa elctrica (y su regulacin)
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Sistemas interconectados y conceptos de transmisin en c.a. de alto voltaje HVAC
Introduccin:
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Un poco de historia DC versus AC
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Para una entretenida descripcin de la guerra AC versus DC ver AC/DC: The Savage Tale of the First Standards War by Tom McNichol
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Los SEPs ayer y hoy
Ayer (General Electric v/s Westinghouse Electric): Thomas Alba Edison: corriente continua George Westinghouse, W. Stanley, N. Tesla:
corriente alterna Ventajas de la CA: Campo magntico trifsico, facilidad de
elevacin y disminucin del voltaje Desventajas de la CA: Necesidad de compensar la potencia
reactiva, el sistema debe operar en sincronismo
Hoy: SEE (AC) que cubren grandes extensiones de territorio que
permiten el transporte de energa elctrica a costos razonables y con niveles de SyCS establecidos en reglamentos y estndares
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SEE: Definicin y objetivos Un SEE es la infraestructura necesaria para generar/producir,
transportar y distribuir energa elctrica en condiciones establecidas de calidad y seguridad. Su obje6vo es generar EE en can6dades sucientes, transmi6r grandes bloques de EE a los centros de consumo y distribuir la EE a consumidores nales en condiciones reguladas de calidad y seguridad y a mnimo costo.
Generacin V < 33kV
Transmisin V > 110kV
Distribucin primaria V
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Caractersticas tcnicas bsicas
Sistema de CA La magnitud de la tensin varia: funcin senoidal del tiempo
Frecuencia No hay definicin clara sobre la frecuencia ptima Europa privilegi 50Hz, Norte Amrica 60 Hz
Nmero de fases Dificultades para disear motores monofsicos hicieron poco
atractiva la adopcin de sistemas de este tipo Los sistemas trifsicos son ms eficientes, mejor uso de los
conductores del espacio areo en una lnea area
v(t) =Vmaxsen(t +)
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Topologa de las redes elctricas
Topologa: se refiere a la estructura de la red Evoluciona en respuesta a mayores exigencias de
disponibilidad y considera condiciones normales y contingencias (N-1)
Puede ser radial, enmallada, en anillo
Mayor seguridad implica mayor inversin El ptimo inversin/seguridad depende del tipo de consumo y su
costo de falla. Mientras ms grande la potencia involucrada mayor la exigencia de disponibilidad (STT con N-1)
Para cada sistema, y cada etapa dentro del SEP habr una topologa diferente
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Estructura bsica de un SEE
Un SEE est conformado por tres etapas bsicas Generacin
Voltajes: entre 5 y 25kV por limitaciones de la aislacin Transmisin
Voltajes: 110 154 220 - 500kV Distribucin
Voltajes distribucin primaria: 12, 13,2 15 y 23kV Voltajes distribucin secundaria 380 v
Por convencin todos son voltajes que se sealan son entre lneas o fase a fase. Esto es prc6ca general en estudios de SEPs
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La Generacin
Producto electricidad en
condiciones reguladas de
calidad
Producto electricidad en
condiciones reguladas de
calidad
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Control (a nivel de G) de las variables elctricas
Al modicar una variable de control (Tm, iexc) se controlan las variables de salida (PG, QG, E, f).
En la mquina de generacin se controla frecuencia y voltaje En transmisin (actualmente) slo se controla voltaje El almacenamiento de energa en red permi6r ms control
en transmisin 2012 Gabriel Olgun
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La Transmisin
Etapa del SEE que se encarga de transmitir grandes bloques de energa elctrica (potencia) desde los centros de produccin hasta los centros de consumo industriales o residenciales (a travs de una distribuidora) Para potencias mayores que unas decenas de MWs y
distancias de hasta unos 40km se transporta en lneas areas de alta tensin 110 kV. Para un par de cientos de MW en 220 kV. Para potencias de 1-2 mil MW se usa extra alta tensin 500kV.
En algunos casos se usa cable de poder de AT, pero el costo y las limitaciones tecnolgicas (potencia reactiva) lo limitan a unos 50km
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La Distribucin
Es la etapa del SEP que distribuye la potencia a los consumidores finales, se distingue entre primaria y secundaria Distribucin primaria en MT, en Chile principalmente 13,2kV y
23kV Distribucin urbana, ejemplo centro de Santiago
Zonas de alta densidad de carga (KVA/km^2) Alimentadores cortos y uso de cable
Distribucin rural Zonas con baja densidad de carga Alimentadores largos y areos
Distribucin secundaria en BT, en Chile 380V
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Concepto de Sistema Interconectado
Los sistemas elctricos se interconectan para compartir la reserva del sistema, aprovechar la
estacionalidad (pluvial o nivel) y aumentar la seguridad mediante respaldo mutuo (ejemplo SIC-SING).
Operar interconectado requiere coordinar la operacin
Los Centros de Despacho Econmico de Carga CDEC-SIC y CDEC-SING son los encargados de coordinar la operacin y velar por la operacin a mnimo costo La ENE plantea que el futuro tendrn tambin responsabilidades
de planificacin de la expansin del sistema de transmisin
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Curva de demanda
El SEE se disea para atender la demanda mxima (ms reserva en generacin 20%) e infraestructura de respaldo en transmisin (N-1) y eventualmente en distribucin
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Curva de duracin de la demanda
El SEE que suministra este consumo se utiliza To horas a un Po/Pmax de su capacidad (8760-To) horas el SEE est subutilizado irrogando sobrecostos
8760 hrs
Pmax
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Qu es diferente hoy?
Creciente rechazo a la nueva infraestructura de EE LLTT, SSEE, centrales de generacin Empoderamiento de la sociedad: movimientos ciudadanos
Preocupacin por el medio ambiente Incorporacin de ERNC => disminuya emisiones CO2 Presin por el uso del suelo => mnimo uso de suelo, lneas y
SC compactas
Presin por la eficiencia econmica Disminucin de costos: inversin, operacin y mantenimiento Optimizacin/intensificacin de uso de la infraestructura
existente 18
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y el futuro?
Nuevas tecnologas tendientes a hacer ms eficiente el sistema Transmisin en corriente continua: HVDC Mayor control de la potencia activa y reactiva: FACTS,
SVC, STATCOM, Trafos desfasadores Mayor monitoreo, supervisin y control: SCADA,
Sincrofasores, WAMCAP Conductores de alta temperatura, dynamic rating,
transforamcin AC-DC Cables de poder (AC y DC) Administracin de la demanda Almacenamiento de energa
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CURSO DE MERCADOS ELECTRICOS
Transmisin en Corriente Alterna de Alto Voltaje, HVAC
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Gabriel Olgun, Ph.D.
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Contenido
Conceptos bsicos de lneas de transmisin Transmisin masiva de potencia elctrica Estructuras de lneas elctricas, distancias tipicas Conductores, materiales Aisladores
Parmetros de lneas de transmisin Resistencia, reactancia inductiva y capacitiva Uso de tablas
Capacidad de transmisin Potencia natural Curva de cargabilidad de una lnea
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Transmisin de energa elctrica
La potencia es la rapidez con que se realiza un trabajo. En sistemas elctricos la potencia se mide en W, kW, GW, etc.
La energa elctrica se mide en Wh, kWh, MWh, GWh, etc. Corresponde al trabajo realizado por un W (kW, MW, etc.) en una hora.
Desde el punto de vista de infraestructura de G, Tx y D, es ms relevante la potencia, por ello en SEP se suele hablar de transporte de potencia elctrica
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Transmisin masiva de energa electrica
SISTEMA TRANSMISIN MASIVO de ENERGA ELCTRICA 220-500kV
SUBTRANSMISIN
ADICIONAL
ADICIONAL
ADICIONAL ADICIONAL
SUBTRANSMISIN
Generadores
Distribuidores Distribuidores
Consumidor
Consumidor
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Conceptos bsicos
Las distancias son un asunto de seguridad de las personas Los conductores responden trmicamente dilatndose y
contrayndose afectando las distancias al suelo La aislacin puede ser cermica, polimrica o de vidrio templado.
Se contamina y requiere lavado Las estructuras pueden ser de madera, metlicas o de concreto Los principales esfuerzos sobre las estructuras los conforman el
viento y carga de hielo
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Niveles de tensin y distancias
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Transmisin en Corriente Alterna de Alto Voltaje, HVAC
Parmetros de lneas de transmisin y capacidad de transporte
Gabriel Olgun, Ph.D.
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Lneas de transmisin de alta tensin
Las lneas de transmisin permiten el transporte de potencia (y consecuentemente de energa) desde los centros de generacin a los de consumo Pero el producto electricidad debe ser entregado en
condiciones reguladas de calidad y disponibilidad
El comportamiento elctrico de la lnea depende de su longitud, voltaje y configuracin geomtrica. Para efectos de estudio se clasifican en: Lneas cortas: voltajes menores a 130 kV y hasta 80km Lneas medias: voltajes de hasta 220 kV y hasta 200km Lneas largas: voltajes desde 220kV a longitudes superiores a
200km
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Lneas de transmisin
El desempeo de la lnea se estudia mediante su modelo elctrico
El modelo elctrico general de una lnea area consiste de una impedancia serie y una admitancia paralelo. Un modelo comnmente utilizado es el modelo pi.
En lneas medias y largas, tanto la impedancia serie como la admitancia paralelo son relevantes
En lneas largas, el modelo pi tiene aplicacin limitada y por tanto se usa un modelo de parmetros distribuidos
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Modelos circuitales de lneas: modelo pi
En general, toda lnea tiene una impedancia serie (resistencia y reactancia inductiva) y admitancia al neutro (conductancia y susceptancia capacitiva).
Una lnea de transmisin larga absorbe o entrega potencia reactiva dependiendo de su nivel de carga
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Parmetros de lneas
La determinacin del circuito equivalente de una lnea requiere determinar sus parmetros circuitales
Se distinguen parmetros serie y paralelo de lneas La impedancia serie: resistencia R y reactancia XL. La
resistencia esta asociada a las prdidas joule, la reactancia al campo magntico entre lneas
En lneas de AT y EAT, XL>R Admitancia paralela: conductancia G y susceptancia capacitiva
YC. La conductancia G es despreciable y modela las corrientes de
fuga en aisladores, la capacidad modela la ionizacin del aire debido a la diferencia de potencial y es relevante en lneas de AT y EAT
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Parmetros serie: Resistencia
La resistencia elctrica de los conductores de lneas de transmisin dependen de diversos factores. Material (Cu o Al), dimensiones, temperatura, frecuencia
elctrica, etc.
Desde el punto de vista de SEE, (frecuencias de 50Hz) se distingue: Resistencia a la corriente continua o directa RDC Resistencia a la corriente alterna RAC tambin llamada Refe
La resistencia dc es menor que la resistencia efectiva RDC
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Resistencia DC de un conductor cilndrico
La resistencia dc a una temperatura T de un conductor cilndrico de resistividad , longitud l y seccin A es
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RT =T lA
Donde :l : longitud del conductor en m o kmT : resistividad del conductor a T oC,
expresada en mm2
m%
& '
(
) * o en m[ ]
A : seccion del conductor, expresada enmm2[ ] o en unidades inglesas
Circular Mil CM, MCM o calibres AWG
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Resistencia a la corriente continua
La resistividad vara linealmente con la temperatura Efecto pelicular, efecto cableado y composicin del
conductor (ACSR) hacen crecer la resistencia a CA El rea o seccin se mide en mm2, tambin en circular
mils CM o mil circular mils MCM. Un CM corresponde al rea de un circulo de dimetro una
milsima de pulgada, luego 1CM = 0,5067 x 10-3 mm2
Inversamente 1 mm2 = 1973,55 CM MCM son mil CM, 1 MCM = 0,5067 mm2 1 mm2 = 1,973 MCM (2MCM)
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Tabla de conductores
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Inductancia de una lnea trifsica, configuracin equiltera
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[H/m] ln2
: tantolopor y ln2
==
=
a
o
a
aa
aa
oa
RMGD
iL
RMGDi
...(1.6)[H/m]/fase ln102=ln2
es equiltera trifsicalnea una de fasepor ainductanci la tantoloPor
7
=
aa
o
RMGD
RMGDL
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Lnea trifsica, configuracin equiltera
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L = 2 107 ln DRMGa$
% &
'
( ) [H/m]/fase...(1.6)
La reactancia inductiva por fase de la lnea es :XL = 2 f L por lo tanto
XL = 4 104 f lnD
RMG$
% &
'
( ) [/km]/fase ... (1.7)
o empleando logaritmos base 10nota : ln(x) = log(x) / log(e)
XL = 2,894 103 f logD
RMG$
% &
'
( ) [/km]/fase ... (1.8)
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Lnea trifsica, configuracin asimtrica
Razones tcnicas y econmicas hacen necesaria la construccin de lneas trifsicas asimtricas
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Las distancias entre conductores no son iguales, esto provoca que el ujo enlazado por cada fase sea diferente. Por lo tanto en principio LaLbLc y la lnea es un elemento trifsico desequilibrado.
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Lnea trifsica, configuracin asimtrica
En lneas de cierta longitud o relevancia es necesario compensar o igualar el flujo enlazado mediante transposiciones de la lnea.
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DMG = Dab Dbc Dca3
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La inductancia por fase L entonces resulta :
L = o2 lnDMGRMGaa
$
% &
'
( ) y la reactancia inductiva XL
XL = 2 f L
XL = 4 f 104 lnDMGRMGaa
$
% &
'
( ) [ /km]/ fase
XL = 2,894 103 f logDMGRMGaa
$
% &
'
( ) [ /km]/ fase
Obs :DMG = Dab Dbc Dca3
Lnea trifsica, configuracin asimtrica
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Uso de tablas
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La inductancia por fase es
XL = 2,894 103 f logDMGRMGaa
$
% &
'
( ) [ /km]/ fase
que tambien se puede escribir
XL = 2,894 103 f log1
RMGaa$
% &
'
( ) +
2,894 103 f log DMG( ) [ /km]/ faseXL = Xa + XdXa : valor tabulado, slo depende del conductorXd : valor a calcular, slo depende de la geometria
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Uso de tablas
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Xd = 2,894 103 f log DMG( ) [ /km]/ faseXL = Xa + Xd [ /km]/ fase
Ej. Kiwi Xa = 0,2549 /km; Xd debe calcularse de acuerdo a la geometra de la lnea, en particular
de acuerdo a DMG entre fases.
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En el caso de una lnea trifsica asimtrica, pero con transposiciones, se comprueba que la capacidad fase - neutro Cn =
0,02416logDMGr
[F/m]/fase ...(17) y la reactancia capacitiva
al neutro es Xcn =6,5876
f logDMGr
#
$ %
&
' ( [M km] ...(18)
La capacidad entre fases puede calcularse mediante transformacin estrella - delta, por lo tanto Cab = Cbc = Cca = C =
Cn3
Lnea trifsica, configuracin asimtrica
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Uso de tablas
En las tablas de conductores se indica Xa por lo que slo se requiere calcular Xd
Observacin: Xa esta en mts, luego la DMG tambien debe estar en mts En las tablas no confunda Xa con Xa (observe las
unidades)
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La reactancia capacitiva es
Xcn =6,5876
f logDMGr
#
$ %
&
' ( [M km]
que se puede escribir
Xcn =6,5876
f log1
r(mts)#
$ %
&
' ( +
6,5876f log DMG(mts)( ) [M km]
Xcn = Xa' + Xd'
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Reactancia capacitiva: tabla de fabricantes
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Considere una lnea trifsica a 50Hz, Drake 795MCMcon DMG = 5 mtsLa reactancia capacitiva es
Xcn =6,5876
f log1
r(mts)#
$ %
&
' ( +
6,5876f log DMG(mts)( ) [M km]
la tabla de fabricantes entrega la reactancia capacitivapara cada conductor a un metro de distancia, luegoXa' = 0,2440 y por tanto solo hay que calcularXd' =
6,5876f log 5( ) = 0,0921
Xc = 0,336 [M km]/fase
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Lmites al transporte de potencia
La transmisin de potencia por una lnea de AT o EAT queda limitada por tres factores bsicos:
Lmite trmico los conductores alcanzan su temperatura mxima de
operacin, por sobre la cual se arriesga violar distancias mnimas al suelo o prdida caractersticas mecnicas
Regulacin de tensin (el voltaje en los extremos de la lnea debe cumplir las normas establecidas, NTSyCS)
Estabilidad angular (la variacin angular entre voltajes debe ser segura ante contingencias plausibles)
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Lmites al transporte de potencia: temperatura
La temperatura mxima de operacin de conductores est indicada en tablas (tpico 80C), excederla pone en riesgo las propiedades mecnicas del conductor
La temperatura final depende de: temperatura ambiente, radiacin solar, corriente transportada y ventilacin Wi: calor por efecto joule I2R por unidad de longitud Ws: calor por radiacin solar por unidad de longitud Wc: calor por conveccin por unidad de longitud Wr: calor por radiacin por unidad de longitud
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Wi +Ws =Wc +Wr
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Lmites al transporte: regulacin de tensin
El flujo de corriente (potencia activa) por una lnea implica variaciones de tensin en el extremo receptor producto de la cada de tensin en la lnea El parmetro serie X es el ms relevante en la cada de
tensin; en AT y EAT X puede ser del orden de 10 veces R
La normal variacin de la carga implica variacin de la tensin en el extremo receptor
La potencia a transmitir por la lnea no puede exceder el valor asociado a una regulacin de tensin conforme a la NTSyCS. Por ejemplo en 500kV, la regulacin permisible es +/-3%
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Curva de demanda y regulacin de tensin
48 Sistemas de Energa Elctrica
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Lmites al transporte: estabilidad angular
El transporte de potencia en una lnea de AT o EAT implica no slo variacin de la magnitud de la tensin, sino adems una abertura o desfase angular.
El desfase entre los voltajes en los extremos de las lneas no puede superar en ninguna circunstancia un lmite esttico de /2 (90)
Normalmente para lograr lo anterior y dejar un margen de estabilidad, la operacin exige un ngulo de
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El valor mximo de potencia PGmax que se produce para =/2 y constituye un lmite de estabilidad esttica del generador
Curva potencia ngulo
2012 Gabriel Olgun 50
)(Pqueda ngulo potenciarelacin La
)(P
EAT lnea unapor activa potencia La
maxG
1212
12
senP
senXVV
G=
=
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Potencial natural de una lnea de transmisin
El SIL es la potencia asociada a la impedancia caracterstica Zc Impedancia caracterstica: por definicin es la raz del cociente
entre la impedancia serie Z y la admitancia paralela Y. Valores tpicos entre 200 y 400 .
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y Zc voltajedel depende slo [W]; Z
=SIL
:es natural potencia la Luego
; prdidas,sin lnea una para ;
c
2V
CLZ
yzZ cc ==
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Potencia natural: SIL
Interpretado correctamente la potencia natural o surge impedance load SIL de una lnea es un ndice de capacidad de transmisin.
En la prctica una lnea de transmisin elctrica es capaz de transmitir algo ms o algo menos que su SIL. Cuanto ms o cuanto menos depende de la longitud de la lnea
Es costumbre expresar la capacidad de lnea de AT y EAT como mltiplo de su SIL Ejemplo: una lnea en 500kV tiene un SIL del orden de
1000MW; una lnea particular de 500kV podra tener una capacidad de transporte de 1,2SIL=1200MW
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Valores tpicos
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Voltaje nominal 220kV 500kV
R (/km) 0,050 0,028
X (/km) 0,407 0,271
B (uS/km) 2,810 4,333
Zc () 380 250
SIL (MW) (1,2,3,4 conductores/fase)
127/160/200/240 X/800/1000/1250
Capacidad MVAr/km 0,136 1,08
Frecuencia nominal 50 H; R, X y B valores por fase; SIL y Capacidad trifsica
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Curva de cargabilidad universal
Los distintos aspectos que limitan la capacidad de transporte de una lnea pueden ser visualizados en las curvas de cargabilidad de St Clair.
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Curva de cargabilidad universal
Ejemplo: Una lnea de 500kV tiene un SIL de
1000MW, la curva indica que para una longitud de 300 millas (480km), el lmite de trasferencia es justamente su SIL y est dado por estabilidad angular
Para una longitud de 100 millas (160km) la lnea podra transmitir 2,2SIL limitada por regulacin de tensin
Para longitudes menores a 50 millas (80km), la lnea queda limitada por temperatura.
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Conclusiones
Las lneas de transmisin son elementos esenciales del sistema de potencia
La potencia natural V2/Zc es un aspecto de la capacidad de una lnea, el otro es la longitud SIL 220kV: 127/160/200/240 (MW) SIL 500kV:X/800/1000/1250 (MW)
La capacidad de transporte es inversamente proporciona a la longitud de la lnea
La capacidad de transporte de una lnea est limita por 1) lmite trmico, 2) regulacin de tensin, 3) estabilidad angular
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