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Compensación eléctrica en redes de distribución de la CDMX, debido a la
recarga de vehículos eléctricos e integración de pequeños sistemas
eólicos/fotovoltaicos
Tercer Encuentro y Primer Congreso InternacionalRED SUMAS
Javier de la Cruz Soto, José Luis Silva FaríasAlfredo Espinosa Reza, Sohail Khan
Carlos Fernando García Guerrero, Hector Aguilar
Septiembre 2017
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Contenido
• Introducción
• Objetivos
• Problema de investigación
• Metodología
• Simulaciones
• Conclusión
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Introducción
• Los vehículos eléctricos (VE) trajeron una revolución en el transporte y en los sistemas de energía, ya que ofrecen diversas aplicaciones.
• El acoplamiento de VE con la Red Eléctrica de Distribución puede hacer que el sistema sea confiable y rentable, con la regulación de frecuencia mejorada a su valor nominal.
• La integración de los VE a la Red Eléctrica puede ser beneficiosa, tanto para el sistema de energía como para el propietario del vehículo, ya que proporciona energía y servicios auxiliares para apoyar la operación de la red.
• La Ciudad de México es considerada como una de las ciudades más grandes del mundo (y por lo tanto de las más contaminadas), con más de 7 millones de vehículos registrados en el área metropolitana.
• La preocupación mundial por la protección del medio ambiente desalentará definitivamente el uso de vehículos basados en combustibles fósiles.
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Problema de investigación
• No todos son beneficios de manera directa, algunas situaciones se tienen que resolver.
• Para hacer frente a la creciente demanda de energía, una muy buena alternativa es la integración de generación distribuida, principalmente considerando las fuentes de energía renovables.
• Se está en proceso de transición de las tecnologías que impulsan los medios de transporte, de combustibles fósiles a fuentes alternas de energía.
• En estos casos, es necesario inyectar energía de una fuente local a la Red Eléctrica de Distribución, para lo cual, es necesario conocer el impacto y prevenir los esquemas operativos en consecuencia.
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Metodología
• Implementar la Red Eléctrica de Distribución de la Cuidad de México ocupando el software NEPLAN.
• Investigar el estado actual de la red.
• Generar los escenarios de estudio.
• Conectar la flota de vehículos eléctricos a la Red Eléctrica de Distribución.
• Obtener resultados por medio de la simulación.
• Investigar los impactos de Potencia inyectada.
• Interpretar los resultados obtenidos.
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Impacto de cargar vehículos eléctricos en un alimentador comercial:Zona Polanco en la Ciudad de México
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Actividades realizadas
• Evaluar el estado actual del alimentador.
• Encontrar la capacidad máxima del alimentador.
• Estimar el número de vehículos eléctricos.
• Investigar perfil de voltaje antes y después de conectar vehículos eléctricos.
• Investigar Pérdidas antes y después de conectar vehículos eléctricos.
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Red de Distribución del área de Polanco (CDMX)
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Plaza comercial con las líneas de distribución
a) Vista en Google Earth b) Diagrama Unifilar en NEPLAN
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Estado actual
a) Demanda de potencia horariab) Perfil de tensión en el nodo 5
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Estado actual
a)
b)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Time (h)L
osse
s (
kW
)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Time (h)
Re
active
po
we
r lo
sse
s (
kV
Ar)
a) Pérdidas de Potencia Activa antes de conectar los cargadores
b) Pérdidas de Potencia Reactiva antes de conectar los cargadores
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Estimación del número máximo de cargadores
Estimated No. of chargers Max. No. of chargers
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Time (h)
No
. o
f C
harg
ers
Limit for not controlled chargers
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Evaluación de impactos
a) Demanda de energía antes y después de conectar los cargadores
b) Caída de tensión antes y después de conectar los cargadores: nodo 5
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Evaluación de impactos
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
5
10
15
20
25
Time (h)
Losse
s (
kW
)
Losses with chargersLosses without chargers
a)
b)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
2
4
6
8
10
12
14
Time (h)
Re
active
po
we
r lo
sse
s (
kV
Ar)
Losses with chargersLosses without chargers
a) Pérdidas de Potencia Activa antes y después de conectar los cargadoresb) Pérdidas de Potencia Reactivas antes y después de conectar los cargadores
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Evaluación del impacto V2G
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Simulación de resultados sin vehículos conectados
• Caso 1: No se inyecta Potencia Activa ni Reactiva desde la flota de vehículos eléctricos.
• Las Pérdidas son:
• Potencia Activa: 0.179 MW
• Potencia Reactiva: 1.757 MVAR
• 6.4 % de la Potencia total inyectada a la red.
• Los voltajes en los nodos seleccionados antes de inyectar la potencia se muestran en la tabla siguiente.
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Simulación de resultados sin vehículos conectados
Nodo Voltaje en kV
1 23.0002 22.9493 22.6834 22.8875 22.963
1
5
4
3
2
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Potencia inyectada: 4.5 MW
• Caso 2: Se inyecta la cantidad de energía necesaria para que la Red Eléctrica pueda volver a su estado normal.
• Las Pérdidas son:
• Potencia Activa: 0.5672 MW
• Potencia Reactiva: 0.7136 MVAR
• 4.1 % de la Potencia total inyectada a la red.
• El número total de VE tipo Nissan Leaf que pueden inyectar esta cantidad de energía en una hora son 750, un vehículo tiene capacidad de reserva de 6 kW.
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Potencia inyectada: 4.5 MW
Nodo Voltaje en kV
1 23.0002 22.9783 22.7124 22.8825 22.963
1
5
4
3
2
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Potencia inyectada: 15 MW
• Caso 3: La potencia máxima que se puede inyectar al alimentador es de 15 MW.
• Las Pérdidas son:
• Potencia Activa: 0.3512 MW
• Potencia Reactiva: 0.2368 MVAR
• 1.96 % de la Potencia total inyectada a la red.
• Se requieren 2500 VE tipo Nissan Leaf en la flota.
• La línea permanece sana después de inyectar 15 MW con el mismo resultado (ninguna de las líneas está sobrecargada).
• En comparación con los Casos 1 y 2, se ha ahorrado una cantidad considerable de energía.
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Potencia inyectada: 15 MW
Nodo Voltaje en kV
1 23.0002 23.0423 22.7734 22.8615 22.958
1
5
4
3
2
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Potencia inyectada: 16 MW
• Caso 4: Finalmente, se inyecta al alimentador la flota de 2,665 VE de capacidad de reserva (16 MW).
• Las Pérdidas son:
• Potencia Activa: 0.4152 MW
• Potencia Reactiva: 0.3262 MVAR
• 2.3 % de la Potencia total inyectada a la red.
• Las pérdidas totales de Potencia son mayores que en el caso 3.
• Una de las líneas se sobrecargó mientras que los restantes son saludables como se muestra en la figura.
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Potencia inyectada: 16 MW
Nodo Voltaje en kV
1 23.0002 23.0483 22.7794 22.8585 22.958
1
5
4
3
2
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Comparación
Nodo Caso 1 [kV] Caso 2 [kV] Caso 3 [kV] Caso 4 [kV]
1 23.000 23.000 23.000 23.000
2 22.949 22.978 23.042 23.048
3 22.683 22.712 22.773 22.779
4 22.887 22.882 22.861 22.858
5 22.963 22.963 22.958 22.958
Pérdidas Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4
Potencia Activa[MW]
0.179 0.5672 0.3512 0.4152
Potencia Reactiva [MVAR]
1.757 0.7136 0.2368 0.3262
Total [%] 6.4 4.1 1.96 2.3
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Evaluación de la tecnología de almacenamiento de energía
• Caso de estudio:
• Compensación eléctrica debida a la rápida carga del Vehículo Eléctrico y la integración de energía solar/eólica.• Suavizado renovable
• Raspado de picos
• Cambio de tiempo de energía
• Soporte de Voltaje / Reactivos
• Diferencia de Distribución
• Reserva para spinning
• Calidad de Potencia
• Desplazamiento del tiempo de energía al por menor
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Conclusiones
• Este estudio explora el concepto de V2G en una típica red radial de distribución comercial de la Ciudad de México.
• V2G proporciona la ventaja de la transferencia de energía rápida
• El concepto es útil si un gran número de vehículos inyectan energía a la red.
• Puede servir a las empresas de servicios públicos si la transferencia de energía se realiza en horas de máxima demanda.
• Además de satisfacer la demanda, ayuda en la reducción de pérdidas de potencia y en la mejora del perfil de voltaje.
• La potencia inyectada no debe exceder la capacidad de retención de la red porque de lo contrario los resultados serán adversos.
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Evaluación de impactos de la integración de energía renovable:Pequeños sistemas eólicos/fotovoltaicos
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Integración de energía renovable
Análisis de circuitos urbanos
Metodología:
• Identificación de estado actual.
• Evaluación de condiciones operativas para hospedar fuentes distribuidas de energía renovable.
• Aplicación de correcciones operativas.
• Integración de fuentes renovables.
• Evaluación de impacto.
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Circuito original
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Identificación de estado actual
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Evaluación de condiciones operativas
Acciones:
• Mejorar el desbalance entre fases.
• Validar la caída de tensión (arriba del 95%).
• Ubicar bancos de capacitores.
• Recalibrar o reforzar líneas.
• Evaluación de condiciones operativas para hospedar fuentes distribuidas de energía renovable.
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Circuito con integración de energía renovable
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Circuito con integración de energía renovable
Las Pérdidas de Potencia disminuyen
hasta el 40% de su valor original.
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Conclusiones
• La integración de energía renovable en la red es altamente factible, pero se deben cuidar muchos aspectos operativos.
• Es necesario realizar primero una mejora de las condiciones operativas de la red eléctrica.
• En caso de ser necesario, se deben recalibrar segmentos de líneas debido al flujo de potencia.
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Staso deera manana
Gracias por su atención