Comportamiento en una Granja Eólica Estela de la turbina Turbulencia Déficit de velocidad Consecuencia de la estela de la turbina Pérdidas de conjunto Curvas de potencia de la granja eólica Fluctuaciones de potencia suavizadas
Estela de una Turbina Eólica El déficit de velocidad detrás de las turbinas reduce la producción de energía en esa dirección La turbulencia re-energiza el flujo de viento La turbulencia se incrementa en la estela de las turbinas
Pérdidas de Conjunto (Array) Pérdidas de conjunto – producción de energía reducida debido al déficit de velocidad causado por las turbinas que se anteponen al viento Las pérdidas de conjunto son función de: Espaciamiento entre turbinas Características de operación de la turbina Tamaño de la turbina y de la granja eólica Intensidad de turbulencia Distribución de las direcciones de viento
Ejemplo de Pérdida de Conjunto
Tal y como se vio en la sección anterior sobre el efecto de la estela , cada aerogenerador ralentizará el viento tras de sí al obtener energía de él para convertirla en electricidad. Por tanto, lo ideal sería poder separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexión de los aerogeneradores a la red eléctrica aconseja instalar las turbinas más cerca unas de otras. Como norma general, la separación entre aero- generadores en un parque eólico es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo totalmente típico. Las turbinas (los puntos blancos) están separadas 7 diámetros en la dirección de viento dominante y 4 diámetros en la dirección perpendicular a la de los vientos dominantes.
Ejemplo de Pérdida de Conjunto Pérdidas de conjunto típicas pueden ser de 5 – 10 % El número de turbinas y su ubicación deben ser seleccionados para optimizar la economía del proyecto
Curva de Potencia de la Granja Eólica Las turbinas que enfrentan al viento arrancan antes que las otras Las turbinas que enfrentan al viento producen su potencia nominal antes que las otras La curva de potencia de la granja eólica es diferente del de las turbinas individuales
Fluctuaciones de Potencia Suavizadas en una Granja Eólica Cada turbina recibe vientos levemente diferentes, suavizando las fluctuaciones de potencia El suavizar las fluctuaciones de potencia depende de: El espaciamiento y el número de turbinas Las características del viento Turbina individual Granja eólica (4 turbinas)
SubDESPACHO Y CONTROL DE CARGA INTERCAMBIO DE ENERGÍA CON LA RED
Despacho en la Red y Temas de Control Modelos para estudiar la estabilidad de la red Predicción de la generación de potencia eólica Asuntos vinculados a la penetración en la red Futuros desarrollos
Estudios de Estabilidad Transitoria Modelos simples de turbinas eólicas han sido usados en el pasado Los resultados han sido muy conservadores Los modelos actuales de turbinas eólicas son desarrollados para herramientas de simulación estándar Incluye modelos Viento Dinámica de generadores y trenes de engranajes Control de turbinas Electrónica de potencia
Se requiere un modelo dinámico del generador de la Turbina eólica. • Gran número de turbinas afectarán la estabilidad del sistema • Evaluación del impacto de variación de nivel de la generación sobre la estabilidad angular (transitorio) y el voltaje • Identificación de medidas complementarias que son necesarias para una adecuada estabilidad del sistema. Area extendida de operación para la Frecuencia y el voltaje de red.
Reacción demandada por fallas en la red en el punto Pcc
La solución técnica se alcanza por varios subsistemas: Sistema de control del parque eólico Operaciones coordinadas de todas las turbinas Ajuste total de la fuente de potencia activa y reactiva al punto común de acople Integrar el parque eólico en la regulación de frecuencia y tensión de red y requerimientos de protección. Sistema de control del aerogenerador Sistema de control maestro para el convertidor el sistema pitch. Sistema Convertidor/Generador Ajuste independiente de la salida de P y Q de un aerogenerador determinado por la velocidad del viento y el control de demanda Tolerancia contra posibles fallas de red Protección de la electrónica de potencia y el generador.
FUNCIONABILIDAD DEL SISTEMA DE CONTROL DEL PARQUE Conexión y desconexión coordinadada de todos los aerogenerad. Medición de voltaje y potencia activa y reactiva en el nodo Integración en el sistema de control de la red Generación de demandas de potencia activa y reactiva para aerogeneradores individuales: Control de Potencia: límite de la potencia activa máxima de salida del parque a un valor de referencia dinámico/valor lími- te de cambio en potencia activa durante la puesta en marcha. Control de frecuencia: reducción de frecuencias altas y bajas en potencia activa con vientos mayores al medio Control de voltaje: Ajuste de la potencia reactiva del parque de acuerdo a la potencia medida en el nodo.
A través del evento
Predicción de la Generación de Potencia La predicción de potencia es utilizada en algunas redes en Europa Un pronóstico de 48 horas mejora: Planeamiento del despacho en la red El valor de la potencia eólica en el mercado La utilización de la potencia eólica
Predicción de la Generación de Potencia La predicción de potencia requiere: Modelos numéricos precisos del clima Información sobre la operación de la granja eólica Número, ubicación y tipo de turbinas eólica Datos usados para la valización de los modelos Desafíos de la predicción Caracterización de las incertidumbres en el pronóstico Mejor definición de la velocidad del viento a la altura del cubo del rotor
Los parques eólicos se están convirtiendo rápidamente en una gran fuente de generación a escala de una central eléctrica convencional. Esto se debe a que sus costos por unidad de energía disminuyeron sensiblemente en esta última década. Pero para que puedan integrarse sin problemas a un sistema eléctrico de potencia se deben tener en cuenta algunos factores. Uno de los principales aspectos que interviene en este análisis de intermitencia es la incerteza en el pronóstico del viento, con el agravante de que la potencia varía con el cubo de la velocidad del viento, por lo tanto un error del 5% en el pronóstico del viento conlleva un error del orden del 16% en la potencia producida. El sistema eléctrico debe tener por lo tanto una reserva de generación convencional que tenga en cuenta la posibilidad de no disponer de potencia eólica en determinados períodos. Si hipotéticamente se tuviera un pronóstico exacto del viento, el sistema no necesitará tener un respaldo para el parque eólico, encontrándose así un ahorro al evitar exceso de generación. El sistema como un todo tiene entre otros, dos objetivos contrapuestos: Brindar un servicio con una aceptable confiabilidad. Operar al más bajo costo.
La confiabilidad es proporcional a la cantidad de reserva en línea. Poca reserva viola las restricciones de confiabilidad, mucha reserva viola el objetivo de minimización de costos. Cuando se calculan los márgenes de reserva de la operación, es usual que a las eólicas se les asigne poco o ningún valor de capacidad. Si la granja eólica es vista entonces como una potencia no firme, las centrales convencionales deberán proveer la capacidad firme para respaldarla. Si la modularidad de un parque eólico puede ser pronosticada, la capacidad de respaldo puede ser minimizada. La potencia eólica puede predecirse, aunque el pronóstico no sea exacto. La energía eólica no pronosticada puede ser utilizada para desplazar energía suministrada por centrales convencionales que siguen la demanda. Sin embargo a medida que la generación eólica se vuelve económicamen- te competitiva, es importante saber cuanto es el valor de capacidad del viento, ya que sin este valor la generación eólica tiene una mínima contribución a la confiabilidad del sistema. El pronóstico exacto permitirá reducir costos sin afectar la confiabilidad.
Predespacho y Reserva Rotante En un sistema eléctrico, la generación siempre procura equilibrar en forma instantánea a la demanda. Para ello se debe coordinar la salida de potencia, de una variedad de fuentes energéticas independientes, con su tensión y frecuencia correctas. Si un generador sale de servicio imprevistamente y no hay una potencia que compense esta pérdida, todo el sistema puede colapsar (blackout). Para evitar este desbalance el Sistema deberá contar con una reserva de potencia rotante. Las turbinas eólicas generan en forma intermitente. Si la potencia suministrada a la red por este tipo de generación es importante, dicha intermitencia puede desequilibrar al sistema. Una estrategia para suavizar las fluctuaciones de potencia del parque eólico es asignar una reserva rotante de generadores que la compense por lo que la generación eólica será menos efectiva desde el punto de vista del costo. Con un pronóstico perfecto de los vientos, la energía eólica puede reemplazar a la energía convencional MWh por Mwh. Podrá comprenderse la importancia que tiene disponer de pronósticos de calidad con una anticipación suficiente para permitir las maniobras sobre el equipamiento convencional sin necesidad de mantener una gran proporción de potencia rotante.
El predespacho (proceso de decidir cuáles son las unidades que debe- rán estar disponibles para generar) involucra estudios en una escala de tiempo mayor. La cantidad de tiempo que un generador requiere para ir de un estado no operacional a un estado de producción eléctrica varía según el tipo. Un ejemplo de arranque rápido puede ser de algunos mi- nutos. Pero una centrla térmica puede tardar horas o días (nuclear). La demanda se cubre a través de una combinación de unidades de arran- que rápido y lento. Se debe planificar al menos con un día de anticipa- ción para tener suficiente capacidad de unidades de arranque lento conectadas al sistema y así poder cubrir el pico de la carga del día siguiente. Para minimizar los costos se van cargando las unidades se- gún sus costos crecientes de generación (orden de mérito) con factores de capacidad decrecientes para centrales con elevados costos. Las unidades de arranque lento tienen asociado un costo fijo alto con un costo operacional bajo la relación es recíproca para las unidades de arranque rápido. El objetivo buscado es minimizar el costo total de producción de energía eléctrica satisfaciendo la demanda y cumpliendo con los requisitos de confiabilidad del sistema.
Se debe tener, en lo posible, capacidad de unidades de arranque lento para cubrir la demanda. Sin embargo despachar mucho de esta cpacidad tiene su costo. Cuando se considera el valle de la demanda, la suma de potencias de estas unidades (aún estando en sus mínimos operacionales) puede exceder este valor y como consecuencia se deberá vender dicha energía sobrante o sacar de servicio alguna unidad. Hay restricciones de operación por lo tiempos que se requieren para enfriar y arrancar nuevamente las unidades de arranque lento, siendo que éstos no pueden simplemente salir de servicio en el valle de la demanda para ponerse en funcionamiento en el pico. En contraste con el problema de poner unidades de más, se tiene el problema de poner unidades de menos, con lo que las máquinas mas caras estarían operando mas tiempo que el debido. Si la generación eólica es importante con relación a la potencia total del sistema, se debe balancear el riesgo de no considerar a la capacidad eólica como firme con el riesgo de predespachar un exceso de capacidad de unidades lentas. Luego, desde el punto de vista del predespacho, el beneficio que se obtiene de tener un pronóstico exacto es poder optimizar la cantidad de unidades de arranque lento minimizando el riesgo de producir poca o mucha energía de bajo costo.
Una planificación de la generación, estará ligada a la planificación de la generación eólica que estará ligada al pronóstico de los vientos. Cuanto mas exacto dicho pronóstico mejor se podrá integrar la potencia eólica a todo el sistema, sin necesidad de mayor reserva de respaldo del parque eólico. Si el pronóstico de vientos es optimista, la potencia eólica será menor que la calculada y el margen de reserva será demasiado bajo, por lo que esto disminuirá la confiabilidad y aumentará el costo. Si es pesimista, el objetivo de confiabilidad puede ser excedido ya que la potencia eólica es mayor que la calculada, es decir que habrá unidades predespachadas de más, resultando un exceso de capacidad rotante.
Asuntos Vinculados a la Penetración Eólica en la Red Penetración eólica en la red: fracción de la carga suministrada por energía eólica Grandes porcentajes de penetración no han presentado problema Dinamarca – 10% Norte de Alemania – 25% La penetración en la red se puede aumentar mediante: Flexibilidad del sistema Redes de monitoreo y control Pronósticos de vientos y potencia de corto plazo
EN SINTESIS: Las rápidas fluctuaciones de potencia que se producen desde un parque eólico, pueden afectar los costos de operación y la estabilidad de la red a la cual se interconecta. Con el incremento de disponibilidad de potencia eólica en el mundo, este problema está en estudio. Aún no se ha cuantificado el efecto de agregación de múltiples turbinas. Las tareas asociadas al control, que deben realizarse cuando se integra energía eólica a la red son: Regulación: manteniendo el balance de generación-demanda minuto a minuto Seguimiento de la carga: manteniendo el balance de generación-demanda en forma horaria. Suministro de reactiva y control de tensión: inyección y consumo de potencia reactiva de los generadores para el control de la tensión de la red. Reserva rotante caliente: respuesta inmediata a desviaciones de frecuencias.
Reserva complementaria: para restaurar el balance generación- demanda en diez minutos luego de una contingencia de la generación y/o transmisión. El operador de la central eólica, puede comprar regulación o proveerlo mediante un generador convencional. Cuando más alejadas se encuentren las turbinas eólicas entre sí, menor será el control que deberá hacerse sobre los mismos para regular su potencia. Esto se debe a la correlación que existe entre turbinas cercanas. Turbinas que se encuentren distanciadas en un par de kilómetros son casi totalmente independientes durante un corto tiempo (promedio de 5 minutos). La diversidad espacial de vientos ayuda a la regulación de la potencia. Sin embargo el análisis de la regulación sugiere que la cantidad de turbinas tiene más influencia sobre la regulación que la separación física de las centrales eólicas.
ESTUDIOS OPERACIONALES RESERVA OPERATIVA: La reserva de la operación sirve para asegurar un adecuado funcionamiento del sistema frente a pérdidas de generación, pérdidas de líneas de transmisión, compras de energía desde el exterior, fluctuaciones anormales de la carga. La integración de centrales eólicas en una red eléctrica, requiere que las reservas rotantes no sólo cubran el incremento máximo probable de la demanda o la pérdida del mayor generador, sino también el descenso máximo probable de potencia eólica en un periodo de 10 minutos. Como las fluctuaciones de la potencia eólica de corta duración no pueden ser anticipadas con un razonable grado de certeza, se necesitará planificar una reserva operacional adicional para asegurar la integridad del sistema eléctrico. El punto exacto en que la integración de generación intermitente comienza a degradar la economía de un sistema no está claro, pero la literatura técnica sugiere que este punto se encuentra con una penetración superior al 5%.
PREDESPACHO Y DESPACHO: El predespacho significa encontrar que generación cubrirá la demanda. La elección de dichas unidades se basa en el programa de mantenimiento de las unidades, costos de arranque y parada, minimización en los requerimientos de combustible y disponibilidad estacionaria de fuentes intermitentes como la hidráulica y la eólica. Este estudio se hace con una anticipación de por lo menos 24 hs. Para un predespacho dado, el despacho económico determinará el punto de carga óptimo de los generadores sujetos a restricciones de transporte y reserva. Una aproximación conservativa, para realizar el predespacho y despacho, es descontar de la demanda, la posible contribución de los parques eólicos. Esto puede realizarse siempre que la potencia eólica sea bien pronosticada. Es sobre este punto que se necesitan realizar investigaciones para tender a un pronóstico “exacto” en una base horaria de periodos que van de un día a una semana. ESTABILIDAD DE SISTEMAS: Las grandes turbinas de viento tienen, en general, baja velocidad, con largas aspas acopladas a un generador mediante una caja de engranajes multiplicadora de velocidad, resultando por lo tanto una turbina de gran inercia y baja tensión mecánica entre turbina y generador, lo que da a este tipo de turbinas
Excelentes propiedades para su estabilidad transitoria. La experiencia indica que los transitorios debido a fluctuaciones de velocidad de las turbinas así como a perturbaciones en la red, no han resultado en problemas de estabilidad de sistemas. Futuros Desarrollos Integración de pronósticos en la planificación de la red y el control del sistema Control centralizado de las granjas eólicas Capacidades de detección de fallas de las turbinas eólicas Almacenamiento de energía a gran escala en sistemas de alta penetración eólica Sistemas hidráulicos con bombeo Bancos de baterías