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1

Tecnologías bajas en emisiones de carbono en redes de

distribución: Impactos y Soluciones

Alejandro Navarro Espinosa, PhD

Consultor Experto – Systep Ingeniería y Diseños

Investigador Senior – Centro de Energía de la Universidad de Chile

Tomorrow’s Electricity

Ciudad de Panamá, Panamá

Septiembre, 2016

A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016

• Introducción

• Tecnologías bajas en emisiones de carbono (LCTs)

• Impactos en las redes de distribución

• Potenciales soluciones

• Consideraciones finales

Tabla de Contenidos

2

Los resultados de esta presentación han sido desarrollados en colaboración con el Dr. Nando Ochoa. Financiados por ENWL

A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016 3

¿Por qué estamos acá?

• Movernos a una economía baja en carbono es fundamental para

enfrentar el cambio climático.

• La adopción residencial de tecnologías bajas en emisiones de carbono

(LCTs, i.e., paneles solares, vehículos eléctricos, etc.) puede ayudar a

alcanzar este objetivo.

• Estas LCTs pueden producir impactos técnicos en las redes de

distribución.

• Para facilitar la adopción de estas tecnologías en las redes de

distribución se requiere entender detalladamente sus impactos, de

manera que sea posible conocer sus límites y las posibles acciones de

mitigación.

A. Navarro Espinosa, Universidad de Chile – Systep, Sept. 2016 4

Contexto: Sistema Eléctrico Tradicional

Generación

Transmisión

Distribución

(*) Figura elaborada por el Profesor Rodrigo Moreno, Universidad de Chile.

Contexto: Sistema Eléctrico en evolución

5

Control

Control

SPS

SPS

(*) Figura elaborada por el Profesor Rodrigo Moreno, Universidad de Chile.

Foco de la presentación

Sistema de Distribución

• Impactos técnicos de las LCTs.

• Potenciales acciones para la minimización de sus impactos.

Control

Control

SPS

SPS

¿Por qué necesitamos más LCTs?

• Disminución de la intensidad de emisiones y aumento de la eficiencia

en el consumo energético.

• Ejemplos: – La incorporación de paneles solares disminuye las emisiones en la

generación de energía.

– La electrificación del calor a través de bombas calor aumenta la

eficiencia (disminuye el consumo de energía mientras suministrando el

mismo nivel de confort) y disminuye las intensidad de emisiones

(reemplazando calderas a gas por electricidad).

– µcogeneración aumenta la eficiencia al generar electricidad y calor en el

hogar.

– Los vehículos eléctricos permiten reducir la intensidad de emisiones al

reemplazar el uso de diésel con la electricidad de la red.

Impactos de las tecnologías bajas en emisiones de

carbono (LCT) en la red de distribución

Sistemas de Distribución y LCT

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

[m]

[m]

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 2 Feeder 6

Feeder 7

Feeder 1

Consumos Residenciales

Vehículos Eléctricos Paneles Solares

Bombas de Calor

Micro - cogeneración

Redes de Distribución

Elementos relevantes de las LCTs

• Estas tecnologías se conectan principalmente en baja tensión (consumos

residenciales), donde las distribuidoras a la fecha no tienen un conocimiento

detallado de las mismas.

• Estas tecnologías avanzan paulatinamente hacia la electrificación del vector

de energía (electricidad, calor, transporte).

• Podrían ser incorporadas por clientes residenciales sin conocimiento explícito

por parte de la distribuidora (localización aleatoria en la red de

distribución).

• Los tamaños de la tecnología serán diversos en función de las elecciones y

necesidades de los clientes (tamaños aleatorios de la tecnología).

Potenciales problemas en la red de distribución

• Las redes de distribución a las cuales se conectan las LCTs no fueron

diseñadas pensando en su incorporación.

Power Power


Paneles solares que de acuerdo al nivel de adopción (% de las casas con

instalaciones solares) y del tamaño (i.e., 0.5 – 4 kW) puede revertir flujos de

potencia, provocar alza en voltajes y sobrecarga en las instalaciones.

0 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

24 Hours - 5 min resolution

[kW

]

Profile 1

Profile 2

Profile 3

0 50 100 150 200 250 3000

200

400

600

800

1000

1200

24 hours - 5 minutes resolution

[W/m

2]

Ejemplo radiación solar Perfiles de generación solar

Producción de residencial de electricidad


• Vehículos eléctricos, cargas al sistema de

distribución, la energía para su

movimiento es almacenada en baterías

que son suministradas a través de la red

eléctrica (i.e., 24 kWh, 3.5 kW).

• Su consumo depende del patrón de uso y

de carga que realicen sus dueños.

0 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3


[kW

]

Profile 1

Profile 2

Profile 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

24 hours - 15 minutes resolution

Pro

babili

ty [

%]

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14

Energy Demanded [kWh]

Pro

babili

ty [

%]

Electrificación del transporte Pe

rfile

s d

e v

ehíc

ulo

s el

éctr

ico

s


• Bombas de calor, nuevas cargas eléctricas, que mueven calor desde fuera

del hogar al interior del mismo, para lo cual requieren consumir

electricidad desde la red (alta eficiencia), con tamaños de entre 2 a 7 kW.

• El patrón de consumo dependerá de los requerimientos de calor del hogar

(temperatura ambiental, temperatura del hogar, aislación de la casa,

mecanismos de transferencia).

0 50 100 150 200 250 300-5

0

5

10

ºC


0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

kW

Temperature

Auxiliary Heater

EHP Consumption

EHP Production

0 50 100 150 200 250 300-5

0

5

10

ºC


0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

kW

Temperature

Auxiliary Heater

EHP Consumption

EHP Production

Electrificación del calor

Perfiles Bombas de Calor


• Importancia de la dimensión temporal

Demanda Residencial

24:00 00:00 06:00 12:00 18:00

P [kW]

LCTs también varían a lo largo del día y por tanto sus impactos dependen de su coincidencia con la carga


• Es clave: modelar la temporalidad de las nuevas tecnologías y de la

carga, la aleatoriedad de su ubicación y tamaño, y la característica

desbalanceada de las redes de distribución.

Random allocation of loads

Random allocation of LCT

Three phase four wire simulation

Metric Determination: Voltage Issues and Congestion

For

eac

h p

en

etr

atio

n le

vel

For

eac

h s

imu

lati

on

For

eac

h f

ee

de

r

Storing Simulation Results

Storing Feeder Results

For

eac

h L

CT

Creation of LV feeders Creation of profiles

Características principales

Monte Carlo Simulations Times Series Analysis

3φ unbalance power flow

Evaluando los impactos

A. Navarro-Espinosa and L.F. Ochoa, “Probabilistic Impact Assessment of Low Carbon Technologies in LV Distribution Systems”, IEEE Transactions on Power Systems, In Press, Accepted in Jun 2015. DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2448663

http://dx.doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2448663

http://dx.doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2448663


• De cada simulación se obtiene los voltajes y corrientes para cada uno de

los periodos del día para cada uno de los nodos de la red.

0

20

40

60

80 050

100150

200250

300

228

230

232

234

236

238

24 hours - 5 minutes Resolution

Voltage Profile in each load

Loads

V

3.9055 3.906 3.9065 3.907 3.9075 3.908 3.9085 3.909 3.9095

x 105

3.9285

3.929

3.9295

3.93

3.9305

3.931

3.9315

3.932

x 105

[m]

[m]

Evaluando los impactos – flujos diarios de potencia


• Para condensar las simulaciones se

pueden utilizar los siguientes índices:

• Porcentaje de los clientes con

problemas de voltaje.

• Nivel de utilización en la cabecera

del alimentador.

0 100 200 300 400 500 600

0

100

200

300

400

500

[m]

[m]

Network 15

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140

PV Penetration [%]

Utiliz

ation L

evel [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 6

Feeder 7

Voltaje

Congestión

Evaluando los impactos Paneles Solares


Evaluando los impactos - LCTs

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

EHP Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

EHP Penetration [%]

Utiliz

ation L

evel [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 6

Feeder 7

Voltaje Congestión

Bombas de Calor



Voltaje Congestión

Vehículos eléctricos

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

EV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Feeder 3

Feeder 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

EV Penetration [%]

Utiliz

ation L

evel [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 6

Feeder 7


• En la red utilizada de ejemplo los problemas comienzan entre 20-40% de

adopción (% de las casas con una determinada tecnología)


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[m]

[m]

Network 1

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

100

200

300

400

500

600

[m]

[m]

Network 2

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

[m]

[m]

Network 3

50 100 150 200 250 300 350 400

0

50

100

150

200

250

300

[m]

[m]

Network 21

-100 0 100 200 300 400 5000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

[m]

[m] Network 22

0 50 100 150 200

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

[m]

[m]

Network 25

¿Podemos tratar de extender estos resultados?

…


• El análisis de impacto es implementado para 125 alimentadores de

distribución, obteniendo los siguientes resultados:


PV EHP EV0

10

20

30

40

50

60

[%]

% of Feeders with Voltage Problems

% of Feeders with Thermal Problems

PV EHP EV0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

[%]

Voltage Problems before than Thermal Problems

Thermal Problems before Voltage Problems

% de alimentadores con problemas Primeros problemas en aparecer

¿Cómo aumentar la adopción de LCTs en aquellas

redes que presentan problemas técnicos?

Casi el 50% de los alimentadores de baja tensión analizados permiten

100% de incorporación de LCTs (todos los hogares con una

determinada tecnología). ¿Qué hacer en el resto de los casos?


• Incorporación de control, telecomunicaciones y nuevas inversiones

para el manejo activo e inteligente de las redes de distribución.

• Ejemplos:

• Incorporación de almacenamiento de energía (residencial o a

nivel de la distribuidora).

• Uso de cambiadores de TAP en trasformadores de distribución.

• Conexión de redes radiales de distribución (enmallamiento).

Incorporando LCTs con Redes inteligentes


• Pasando de redes normalmente radiales a redes enmalladas o con la posibilidad de conexión dinámica (estado cambiando a lo largo del día soft-open points)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Subte1 - Feeder

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

5

10

15

20

25

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Subte1 - Feeder

4

Caso radial Caso enmallado

Operación enmallada de la red

A. Navarro-Espinosa, L.F. Ochoa, and D. Randles, “Assessing the Benefits of Meshed Operation of LV Feeders with Low Carbon Technologies”, in Proc. of IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT America), Feb. 2014.

DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/ISGT.2014.6816494

http://dx.doi.org/10.1109/ISGT.2014.6816494



• Ejemplo: a nivel de

distribuidora (una por red

BT, o por alimentador

MT)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

70

80

PV Penetration [%]

Cu

sto

me

rs [

%]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

2

4

6

8

10

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Con batería Sin batería

Almacenamiento de Energía

Main Grid

FeederPart A

Feeder Part B


• Modificación del voltaje de referencia en el trasformador de

distribución (11kV/400V) para disminuir los problemas de voltaje

con la adopción de nuevas tecnologías.

Cambiadores de TAP (OLTC) en distribución


• La posibilidad de control y comunicación permite eliminar casi la

totalidad de los problemas de voltaje en la red analizada.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

PV Penetration [%]

Voltage P

roble

ms [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

PV Penetration [%]

Voltage P

roble

ms [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

OLTC comunicado con el último nodo

Cambiadores de TAP (OLTC) en distribución

A. Navarro-Espinosa and L. Ochoa, “Increasing the PV Hosting Capacity of LV Networks: OLTC-Fitted Transformers vs. Reinforcements”, in Proc. of IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT-America), Feb. 2015.

DOI Link: http://dx.doi.org/10.1109/ISGT.2015.7131856




• Los problemas técnicos debidos a la incorporación de LCTs

dependerán de las características de cada red. Sin embargo se

observa que para niveles de 20-30% de penetración no hay

problemas significativos.

• Casi el 50% de los alimentadores de baja tensión analizados

permiten 100% de incorporación de LCTs (todos los hogares con

una determinada tecnología).

• Para los alimentadores con problemas técnicos existen las

tecnologías inteligentes para minimizar sus impactos, eliminando

y/o retardando su ocurrencia.

• El siguiente paso es analizar sistemas de distribución de gran

tamaño (miles de redes) para analizar en más detalles los efectos de

la incorporación de LCTs.

Consideraciones Finales

tecnologías bajas en emisiones de carbono en …...a. navarro espinosa, universidad de chile –...

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