modelado y análisis de sistemas aislados interconectados con

MODELADO
Y
ANÁLISIS
DE
SISTEMAS
AISLADOS
INTERCONECTADOS CON ELEVADA PENETRACIÓN EÓLICA
Autor: Candela García, Alfonso
Directores: Egido Cortés, Ignacio; Sigrist, Lukas.
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Durante la última década, el crecimiento de la generación eólica en España ha
provocado la irrupción sobre la red eléctrica de una tecnología nueva en un margen de
tiempo relativamente pequeño. Desde el punto de vista de la estabilidad y la seguridad
del sistema, la generación eólica puede afectar gravemente al sistema eléctrico.
Para evitar que el crecimiento de la generación eólica perjudique a la seguridad del
sistema es necesario acompañar la instalación de nuevos parques con estudios
adecuados de estabilidad. Este trabajo se centrará en el análisis de la estabilidad de la
frecuencia en el caso de sistemas aislados interconectados, donde la alta penetración
eólica y, en general, de la generación en régimen especial puede influir de manera
significativa en el sistema. Como objeto de estudio, se presentarán dos sistemas
insulares reales interconectados entre sí.
Se entiende por sistema aislado aquel que no tiene conexión eléctrica con otros debido a
sus características. Estos sistemas son más sensibles a las perturbaciones debido a su
baja inercia. En caso de desconexión no programada de algún generador, el resto de
grupos conectados han de suministrar la energía perdida a través de la regulación
primaria. Este hecho puede suponer un problema, ya que la energía perdida puede ser un
porcentaje alto de la generación total, o bien puede darse el caso en que los generadores
que quedan conectados no tengan la reserva suficiente como para suministrar la
cantidad de energía perdida. En estos casos, entran en funcionamiento los sistemas de
deslastre con el fin de que la frecuencia no caiga hasta valores no aptos y haya una
pérdida de sincronismo. En el caso de dos sistemas aislados unidos mediante una línea,
ésta permite la transferencia de potencia de un sistema a otro, ofreciendo así una mayor
cantidad de potencia de reserva que puede minimizar la frecuencia de activación de los
deslastres.
Este estudio lleva consigo la creación de un modelo, que permite simular diferentes
escenarios. Para ello se recurrirá a la herramienta Simulink de software MATLAB con la
intención de programar y automatizar la creación y posterior simulación del modelo, ya
que la cantidad de casos a simular es muy alta. Este modelo se genera a partir de unas
hipótesis que permiten simplificar el cálculo, no obstante no es el único modelo posible,
por lo que se ofrece en este proyecto una comparación con otro modelo sencillo, con el
fin de comparar diferencias y semejanzas, y establecer ventajas e inconvenientes del uso
de ambos modelos.
Se analizan escenarios reales presentes, comparándose con escenarios futuros creados a
partir del primero, siguiendo criterios económicos y de fiabilidad, y teniendo en cuenta
las previsiones en cuanto a demanda y generación eólica; dando una visión general de la
situación a la que se enfrentan estos sistemas. En concreto se estudiarán los casos
siguientes: escenarios actuales sin penetración eólica, escenarios actuales con
penetración eólica y, por último, escenarios futuros previstos para 2015 con su
correspondiente penetración eólica. Para dar generalidad a estudio, se plantearon
variaciones que implicaban una generación eólica del 40% y el 80% de la potencia
eólica instalada, con el fin de observar la influencia de la misma. Así, se obtuvieron los
resultados que se resumen a continuación.
En primer lugar, la elección del modelo a utilizar, a tenor de los resultados obtenidos,
dependerá en gran parte de la precisión y el nivel de detalle que desee obtenerse. Si se
desea una aproximación al comportamiento de la frecuencia ante contingencias en
escenarios con penetración eólica, podrá recurrirse a un modelo de sistema único y
siempre que las posibles limitaciones de la línea no sean relevantes o puedan
despreciarse. En cambio, si se optase por un análisis detallado del comportamiento de
cada sistema insular, incluyendo la línea de interconexión, deberá escogerse el modelo
de dos sistemas interconectados. Por otro lado, se ha encontrado una limitación en el
modelo a raíz de lo expuesto en la sección 4.7.3 relativa al deslastre y los límites
mínimos de generación síncrona. Si el deslastre provoca que la demanda pueda ser
enteramente satisfecha con la energía eólica, los generadores que estaban encendidos
durante la simulación no pueden desconectar en mitad de la misma, sólo mantenerse en
mínimos técnicos. Esto provoca un incremento de frecuencia, por encima de los límites
establecidos de 51-52 Hz, desembocando en una inestabilidad de frecuencia De la
misma manera, debido a la ausencia de regulación y su impredecibilidad, la energía
eólica no debería satisfacer enteramente la demanda, ya que se corre el riesgo de
colapso.
En segundo lugar han de tenerse en cuenta las hipótesis tomadas a la hora de realizar
este estudio. Si bien se han tenido en cuenta criterios de seguridad, economía y calidad
de suministro, no dejan de ser criterios adoptados en función de la observación y
análisis de un caso inicial de 48 escenarios, por tanto una mayor precisión en los
resultados requeriría más datos del sistema de generación y su gestión ante la previsión
de demanda y/o penetración de energía en régimen especial, en este caso, la eólica.
También se han ignorado las limitaciones de la línea de interconexión al carecer de
información sobre las mismas, haciendo posible siempre la transferencia de potencia de
una isla a otra. Esta situación es ideal y en futuros estudios más exhaustivos debería
tenerse en cuenta, ya que puede ser un factor muy influyente. Por ejemplo, si
inicialmente la línea estuviera al límite de su capacidad y ocurriera una contingencia en
alguno de los sistemas aislados; el otro sistema se vería muy limitado a la hora de
prestar apoyo al primero, ya que la línea no permitiría la circulación de potencia de un
sistema a otro.
En cuanto a la continuidad en el servicio, es notable en la aparición del deslastre, sobre
todo en contingencias relativas a dos y tres generadores perdidos (aunque son
contingencias menos probables). La cantidad de potencia deslastrada en algunos de los
casos estudiados es realmente alta y en caso de suceder una contingencia similar, se
corre el riesgo de dejar sin suministro a gran parte de la población y/o la industria. Sin
embargo, es este mismo deslastre el que permite mantener unos valores de frecuencia
aceptables en la red. Se deduce entonces que la regulación primaria no es suficiente en
contingencias que suponen una gran pérdida de energía y, por tanto, se hace aconsejable
una revisión del sistema y su regulación para poder mantener los niveles de frecuencia
sin necesidad de deslastrar gran parte de la red, o bien, una revisión del plan de deslastre
de cargas del sistema de ambas islas. En cuanto a las contingencias relativas a un solo
generador, se concluye que la influencia de la energía eólica puede reducirse e incluso
ser inapreciable con una elección coherente de la generación de los grupos síncronos,
manteniendo los criterios explicados en el Capítulo 2 y, por tanto, la actuación de
deslastre se deba solo a motivos que conciernen sólo a la generación síncrona. Esto no
es aplicable a contingencias de dos o tres generadores con penetraciones eólicas altas en
comparación con la generación síncrona. Altas penetraciones presentan, como se ha
comentado anteriormente, grandes problemas de estabilidad en el sistema si se producen
contingencias graves.
La frecuencia, a pesar del elevado deslastre en algún caso, en régimen permanente, se
mantiene siempre por encima de 49 Hz y en general por encima de 49.5 Hz. Esto
supone valores aceptables que permiten que el sistema se mantenga estable sin perder
sincronismo debido a las contingencias. Se han encontrado durante el estudio casos en
los que la frecuencia se estabilizaba por encima de los 50 Hz esto se debe a que la
contingencia producida genera una potencia deslastrada, debido a que la configuración
de los relés es idéntica en muchos casos, superior a la pérdida que la produjo.
Es necesario equilibrar las consideraciones económicas de la generación con la garantía
de suministro, ya que es posible que el impacto económico de un fallo grave debido a la
caída de la frecuencia resulte económicamente más caro que mantener los equipos en
mínimo técnico. Se propone por tanto como continuación a este proyecto un estudio de
impacto económico de las posibles incidencias que pueden darse en la línea.
Se recuerda que este estudio sólo tiene en cuenta incidencias simultáneas en el grupo de
generación síncrona, ignorando que la generación eólica no es constante ni permanente
en el tiempo. Este tipo de incidencias unidas a las estudiadas, llevarían al sistema en
algunos casos al colapso y se propone, por tanto, un estudio que permita reflejar esta
opción.
MODELING AND ANALYSIS OF INTERCONNECTED ISOLATED
SYSTEMS WITH HIGH WIND POWER PENETRATION
For the past decade, the increase of wind power generation in Spain has led to the
irruption in the net of a new technology in a relatively tight period of time. Concerning
stability and security, wind power generation might affect seriously the electric system.
In order to prevent wind power generation from damaging the system security, adequate
studies in stability are needed when building new wind farms. This project is focused on
the analysis of frequency stability in interconnected isolated system, where high wind
power generation penetration and special regime in general, may have a significant
impact in the system. As study case, two insular isolated systems interconnected by a
line will be presented.
An isolated system is that which does not have any electric connection with others due
to its characteristics. These systems are more susceptible because of their low inertia. In
case of not programmed disconnections of any generator, the rest of the group must
supply the energy lost by their primary regulation. This fact may result in a high
percentage of generation lost or a lack of reserve which would not permit to compensate
the energy lost. In cases like these, load-shedding system work to prevent the frequency
from dropping under unbearable values leading to a loss of synchronism. When
connecting two isolated systems by a line, it is possible power transmission between
systems, increasing power reserve and minimizing the activation of load-shedding
systems.
This study involves the creation of a model to simulate different scenarios. The tool
used for this purpose will be used Simulink from MATLAB software with the intent to
schedule and automate the creation and subsequent simulation of the model, as the
number of cases to simulate is very high. This model is generated up from hypothesis to
simplify the calculation, however it is not the only possible model, so a comparison
with another simple model is offered in this project in order to compare differences and
similarities, and establish advantages and disadvantages of using both models.
Present real scenarios are analyzed and compared with future scenarios created from the
first, following economic and reliability criteria, taking into account forecasts of
demand and wind generation, giving an overview of the situation faced by these
systems. Specifically, the following cases are considered: present scenarios without
wind power penetration, present scenarios with wind power penetration and, finally,
future scenarios for 2015 with their corresponding wind penetration. In order to give
generality to this study, two variations were taken into account: wind generation of 40%
and 80% of the installed wind power in order to observe the influence of it. Thus, we
obtained the results summarized below.
Firstly, the choice of the model to be used, according to the results obtained will depend
in large part on the accuracy and the desired level of detail required. If an approximation
to the behavior of the frequency with contingency scenarios with wind penetration is
wanted, a single system model would be enough, when possible limitations of the line
are not relevant or can be ignored. However, if a detailed analysis of the behavior of
each island system is needed, including the interconnection line, the model of two
interconnected systems should be chosen. On the other hand, a limitation has been
found in the model as a result of the above in Section 4.7.3 concerning the shedding and
minimum limits for synchronous generation. If the shedding causes that the demand can
be satisfied entirely with wind power, synchronous generators that were on during the
simulation cannot be disconnected in the middle of it, just keep them in technical
minimums. This causes an increase in frequency above the limits of 51-52 Hz, resulting
in frequency instability. Similarly, due to the absence of regulation and its
unpredictability, wind power should not fully meet demand, since there is a risk of
collapse.
Secondly, assumptions made at the time of this study must be taken into account.
Although safety, economy and quality of supply were considered, they are still based on
criteria adopted from the observation and analysis of the initial 48 scenarios, therefore
more accurate results require more data about generation system and its management,
about the demand forecast and penetration of energy in special regime, in this case,
wind power. The limitations of the interconnection line have also been ignored because
no information about them were supplied, enabling the transfer of power from island to
island. This situation is ideal and in future research should be considered as it can be a
very influential factor. For example, if initially the line was on the limit of its capacity
and a contingency occurs in one of the isolated systems, the other system would be
severely limited when it comes to support the first, because the line would not allow the
circulation of power from one system to another.
As for the continuity of service, it is remarkable the appearance of shedding, especially
in contingencies relating to two and three generators loss (though less likely
contingencies). The amount of power shed in some of the cases studied is really high
and if such an emergency happens, there appears a high risk of not supplying energy to
a great part of the population and / or industry. However, it is the shedding which keeps
acceptable frequency values in the network. It follows that primary regulation is not
enough for contingencies that mean a big loss of energy and, therefore, it is advisable to
review the system and its regulation in order to maintain frequency levels without load
shedding, or a plan review of the system load shedding of both islands. As to the
contingencies related to a single generator, it is concluded that the influence of wind
energy can be reduced and even be negligible with a coherent choice of the generating
synchronous groups, keeping the criteria explained in Chapter 2, and therefore, the
performance of load shedding is due only to reasons concerning only the synchronous
generation. This is not applicable to contingencies of two or three generators with high
wind penetration compared to the synchronous generation. High penetrations incur on,
as mentioned above, major problems of stability in the system if there are serious
contingencies.
Frequency, in spite of the high load shedding in some cases, in steady state, is always
maintained above 49 Hz and generally above 49.5 Hz. These are acceptable values that
allow the system to remain stable without losing synchronization due to contingencies.
Cases were found during the study in which frequency would stabilize above 50 Hz.
This is caused by a contingency that generates an load shedding greater than the power
lost due to the contingency itself, being so because the configuration of the relays is
identical in many cases, not allowing the system to shed load step by step.
It is necessary to balance economic considerations with the security of generation
supply, as it is possible that the economic impact of a serious failure due to the drop in
frequency is economically more expensive than maintaining generators in technical
minimums. It is therefore proposed as a continuation of this project an economic impact
study of the possible issues that may occur during the contingencies described.
It is recalled that this study only considers simultaneous incidents in the group of
synchronous generation, ignoring that wind generation is not constant or permanent in
time. These type of incidents linked to the studied systems would lead to the collapse in
some cases and therefore a study to reflect this option is proposed.