Universität Dortmund
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft
Prof. Dr.-Ing. E. Handschin
Provisión de Servicios Complementarios
a través de Generadores Distribuidos
Estudios Dinámicos y Económicos
Jens Bömer
Universidad de Chile
Santiago de Chile
27 de Abril del 2005
Introducción
Definición de Servicios Complementarios
Mercado eléctrico en Alemania
Estudios dinámicos
Estudios económicos
Resumen
Contenido
2
Windgeschwindigkeiten
20.000
0.9
Generación eléctrica
16.000
18.500
Potencia instalada
vw WEA1
18.000
Implementación ley de
energías renovables
16.000
0.82
14.000
15.856
vw WEA2
12.000
10.456
12.000
9.500
0.74
10.000
8.000
8.000
6.000
5.528
6.000
0.66
4.489
4.000
4.000
3.000
1.800 2.200
2.000
0.5840
0
10.000
[MW]
Windgeschwindigkeit [pu]
[GWh/a]
14.000
140
230
670
2.000
940
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Fuente: Ministerio para el medio ambiente,
0.5
protección
a la naturaleza y seguridad de reactores
0
180
360
540
Zeit [s]
Nueva Ley de energías
720
900
renovables (2004)
• Aumento de inyecciones estocásticas
• Turbulencias del viento, sombra de nubes
Motivación
3
Pvb,1
Pvb,2
~
~
~
~
~
Pvb,3
BT
MS
Pvb,4
Regulación de la potencia activa
Pvb
Pvb
Reembolso
t
PDEA
+
t
Mercado de
regulación de
energía
PDEA
t
t
y
Regulación de la potencia
reactiva/ tensión
cos const
cos  var
de potencia
reactiva
Provisión de Servicios Complementarios a través de
Generadores Distribuidos
4
• UCTE: Union for the Co-ordination of
Transmission of Electricity
• Sistema Interconectado Europeo
• 4 zonas de regulación en Alemania:
RWE, E.ON, EnBW, Vattenfall Europe
El sistema interconectado europeo y alemán
5
Mercado Spot /
Bolsas
EEX-Leipzig
(Day-Ahead)
AB 1
IPP 1
C1
IPP 2
C2
Alemania
• 1996 Directrices UE 96/92/EG
• 1998 Ley de economía energética
• 2001 Implementación del mercado
de potencia de reserva
AB 2
IPP i
(*)
Ci
GD 1
AB i
GD 2
Ci
GD i
Mercado de Energía
(contratos bilaterales)
Chile
• 1982 Ley General de Servicios
Eléctricos (D.F.L N°1)
• 2004 Ley Corta (Ley 19.940)
• 2005 Norma Técnica de Seguridad
y Calidad de Servicio de los
Sistemas Interconectados
Mercado de Potencia de Reserva
Res. reg. primaria
Res. reg. secundaria
Res. reg. de minutos
Operador ST
Mercado Eléctrico en Alemania
6
Definición de Servicios Complementarios según la Ley Corta:
Recursos técnicos presentes en las instalaciones de generación, transmisión,
distribución y de clientes no sometidos a regulación de precios con que
deberá contar cada sistema eléctrico para la coordinación de la operación del
sistema [...].
Son servicios complementarios aquellas prestaciones que permiten efectuar, a
lo menos, un adecuado control de frecuencia, control de tensión y plan de
recuperación de servicio, tanto en condiciones normales de operación como
en contingencias
Potencia de reserva
Potencia reactiva
se pueden
individualizar fácilmente
Recuperación del
servicio
no se pueden
individualizar
Operación de la red
Definición de Servicios Complementarios
7
P
30 s
5 min
Reserva Regulante
Primaria
(todas las SI)
Regulador
proporcional
Pg  Pso ll  V r

f  f0 
15 min
Reserva Regulante
Secundaria
(SI afectuado)
1 hr
Reserva Regulante
de Minutos
(SI afectuado)
Regulador
integral
Regulación
manual
t
Reserva
del Área
de Balance
Cronograma
de operación
Psoll  K S  PA C E dt
T
Control de Frecuencia
8
Las simulaciones se realizan en MatLab(R) con Power System Analysis
Toolbox de Federico Milano http://www.power.uwaterloo.ca/~fmilano/
El control de frecuencia afecta la estabilidad en medio tiempo de un sistema
eléctrico. Por eso se necesitan realizar estudios dinámicos para evaluar el
impacto de un control de frecuencia a través de GD.
En las simulaciones se han realizado los controles siguientes:
• Control de frecuencia primaria
• Control de frecuencia secundaria / alimentación
La inyección de potencia reactiva a través de GD hace posible un control de
tensión en redes distribuidas. Se supone que ésto afecta gravemente la
estabilidad de tensión del sistema eléctrico. Así, se tienen que realizar estudios
dinámicos para analizar el comportamiento del sistema.
En las simulaciones se han realizado los controles siguientes:
• Control de tensión
• Control de potencia reactiva / cos φ
Simulaciones para el análisis
de la provisión de SC a través de GD
9
Control de potencia
reactiva / cos φ
Control de
alimentación
Eologeneradores
que inyectan
estocásticamente
Red de Media Tensión para las Simulaciones
10
Incidente
Curva
A
Aumento de la carga
por 5 % en
15 minutos
B
Aumento de carga
instantaneo por
10 MW en la red de
alta tensión
0.014
0.013
0.012
Wirklast (pu)
Escenario
0.011
0.01
0.009
0.008
0.007
0
10
20
30
Zeit (s)
40
50
60
Escenarios A-B
11
Incidente
Curva
C
Aumento de carga
instantaneo por
2x1 MW en la red de
media tensión
0.014
0.013
0.012
Wirklast (pu)
Escenario
0.011
0.01
0.009
0.008
0.007
Valores estocásticos
de la velocidad del
viento
10
20
30
Zeit (s)
40
50
60
Windgeschwindigkeiten
0.9
vw WEA1
vw WEA2
0.82
Windgeschwindigkeit [pu]
D
0
0.74
0.66
0.58
0.5
0
180
360
540
720
900
Zeit [s]
Escenarios C-D
12
HS-Netz
PKuppel,i
P
SPC
P
ACE
...
f
TG
DEA
TG
DEA
...
SPC
MS-Netz
Control de Alimentación
13
HS-Netz
P
P
CC
2)
CAC
...
AVR
DEA
AVR
DEA
...
CC
1)
MS-Netz
1)
2)
Control de tensión
Control de Potencia Reactiva / cos φ
Control de Potencia Reactiva / cos φ
14
x 10
9.55
9.51
9.46
PDEA-WEA1 (<--)
9.49
PDEA-WEA2 (<--)
9.38
PDEA-SG1,2,3,4 (-->)
9.47
SG, BZ-Leistungen [pu]
9.54
BZ, WEA-Leistungen [pu]
9.53
-3.06
x 10
-3
-3
Blindleistungen der DEA
x 10
-3.02
QDEA-BZ1 (<--)
-3.128
-3.048
QDEA-BZ2 (<--)
QDEA-WEA1 (<--) -3.076
-3.196
QDEA-WEA2 (<--)
-3.264
QDEA-SG1,2 (-->) -3.104
QDEA-SG3,4 (-->)
-3.332
SG-Leistungen [pu]
-3
Wirkleistungen der DEA
-3.132
PDEA-BZ1,2 (-->)
9.3
0
180
360
540
720
9.45
900
-3.4
0
180
360
Zeit [s]
540
-3.16
900
720
Zeit [s]
Netzfrequenz
Spannungen an den Knoten der SG
1
1.004
0.9907
1
1.004
0.9907
1.004
0.9907
1
1
1.004
UDEA-Bus 1 (<--)
0.9907
Spannung [pu]
• Celdas de combustible
controlan la tensión
-3
9.62
Frequenz [pu]
• Efectos de la inyección
estocástica de los
eologeneradores afectan
a la frecuencia
x 10
Spannung [pu]
Caso Base
WEA-Leistungen [pu]
9.7
UDEA-Bus 5 (<--)
1.004
1
UDEA-Bus 3 (-->)
0.9907
UDEA-Bus 6 (-->)
1
1.004
0
180
360
540
720
0
900
180
360
540
0.9907
900
720
Zeit [s]
Zeit [s]
0.1341
0.2312
0.1341
0.2311
0.134
0.231
0.134
0.2309
P12 (<--)
0.134
Q12 (-->)
0.2308
0
180
360
540
720
0.134
900
Zeit [s]
Szenario D, d_testsystem_Ring_25__stochastisch_mdl_01.out
Resultados Caso Base
15
Blindleistung [pu]
Wirkleistung [pu]
Austauschleistungen mit HS-Ebene
0.2313
x 10
9.55
9.51
9.46
PDEA-WEA1 (<--)
9.49
PDEA-WEA2 (<--)
9.38
PDEA-SG1,2,3,4 (-->)
9.47
SG, BZ-Leistungen [pu]
9.54
BZ, WEA-Leistungen [pu]
9.53
-3.06
x 10
-3
-3
Blindleistungen der DEA
x 10
-3.02
QDEA-BZ1 (<--)
-3.128
-3.048
QDEA-BZ2 (<--)
QDEA-WEA1 (<--) -3.076
-3.196
QDEA-WEA2 (<--)
QDEA-SG1,2 (-->) -3.104
-3.264
QDEA-SG3,4 (-->)
-3.332
SG-Leistungen [pu]
-3
Wirkleistungen der DEA
-3.132
PDEA-BZ1,2 (-->)
9.3
0
180
360
540
720
9.45
900
-3.4
0
180
360
Zeit [s]
540
-3.16
900
720
Zeit [s]
Netzfrequenz
Spannungen an den Knoten der SG
1
1.004
0.9907
1
1.004
0.9907
1.004
0.9907
1
1
1.004
UDEA-Bus 1 (<--)
0.9907
Spannung [pu]
• Fluctuaciones de la
tensión en los nudos de
GD (N° 3,5) se aumentan
-3
Spannung [pu]
• Fluctuaciones de la
frecuencia se disminuyen
x 10
9.62
Frequenz [pu]
Caso Regulación Primaria
WEA-Leistungen [pu]
9.7
UDEA-Bus 5 (<--)
1.004
1
UDEA-Bus 3 (-->)
0.9907
UDEA-Bus 6 (-->)
1
1.004
0
180
360
540
720
0
900
180
360
540
0.9907
900
720
Zeit [s]
Zeit [s]
0.1341
0.2312
0.1341
0.2311
0.134
0.231
0.134
0.2309
P12 (<--)
Blindleistung [pu]
Wirkleistung [pu]
Austauschleistungen mit HS-Ebene
0.2313
0.134
Q12 (-->)
0.2308
0
180
360
540
720
0.134
900
Zeit [s]
Szenario D, d_testsystem_Ring_25_PR_stochastisch_mdl_01.out
Resultados Caso Regulación Primaria
16
x 10
9.55
9.62
9.53
9.54
9.51
9.46
PDEA-WEA1 (<--)
9.49
PDEA-WEA2 (<--)
9.38
PDEA-SG1,2,3,4 (-->)
9.47
-3.06
x 10
-3
-3.128
x 10
-3.02
-3.048
QDEA-BZ1 (<--)
QDEA-BZ2 (<--)
-3.196
QDEA-WEA1 (<--) -3.076
QDEA-WEA2 (<--)
-3.264
QDEA-SG1,2 (-->) -3.104
QDEA-SG3,4 (-->)
-3.332
-3.132
PDEA-BZ1,2 (-->)
9.3
0
180
360
540
720
9.45
900
-3.4
0
180
360
Zeit [s]
-3.16
900
720
Spannungen an den Knoten der SG
1
1.004
0.9907
1
1.004
0.9907
1.004
0.9907
Spannung [pu]
Frequenz [pu]
540
Zeit [s]
Netzfrequenz
• Fluctuaciones de la
tensión en los nudos de
GD (N° 3,5) se aumentan
-3
Blindleistungen der DEA
SG-Leistungen [pu]
-3
Wirkleistungen der DEA
1
1
1.004
UDEA-Bus 1 (<--)
0.9907
Spannung [pu]
• Fluctuaciones de la
frecuencia se disminuyen
-3
SG, BZ-Leistungen [pu]
Caso Regulación de
Alimentación
x 10
BZ, WEA-Leistungen [pu]
WEA-Leistungen [pu]
9.7
UDEA-Bus 5 (<--)
1.004
1
UDEA-Bus 3 (-->)
0.9907
UDEA-Bus 6 (-->)
1
1.004
0
180
360
540
720
0
900
180
360
540
0.9907
900
720
Zeit [s]
Zeit [s]
0.1341
0.2312
0.1341
0.2311
0.134
0.231
0.134
0.2309
P12 (<--)
0.134
Q12 (-->)
0.2308
0
180
360
540
720
0.134
900
Zeit [s]
Szenario D, d_testsystem_Ring_25_PRBR_stochastisch_mdl_01.out
Resultados Caso Regulación de Alimentación
17
Blindleistung [pu]
Wirkleistung [pu]
Austauschleistungen mit HS-Ebene
0.2313
x 10
9.55
9.54
9.51
9.46
PDEA-WEA1 (<--)
9.49
PDEA-WEA2 (<--)
9.38
PDEA-SG1,2,3,4 (-->)
9.47
SG, BZ-Leistungen [pu]
9.53
-3.06
x 10
-3
-3
Blindleistungen der DEA
x 10
-3.02
QDEA-BZ1 (<--)
-3.128
-3.048
QDEA-BZ2 (<--)
QDEA-WEA1 (<--) -3.076
-3.196
QDEA-WEA2 (<--)
QDEA-SG1,2 (-->) -3.104
-3.264
QDEA-SG3,4 (-->)
-3.332
SG-Leistungen [pu]
-3
Wirkleistungen der DEA
9.62
-3.132
PDEA-BZ1,2 (-->)
0
180
360
540
720
9.45
900
-3.4
0
180
360
Zeit [s]
Netzfrequenz
Frequenz [pu]
540
-3.16
900
720
Zeit [s]
Spannungen an den Knoten der SG
1
1.004
0.9907
1
1.004
0.9907
1.004
0.9907
1
1
1.004
UDEA-Bus 1 (<--)
0.9907
Spannung [pu]
9.3
• Fluctuaciones de la tensión
en los nudos de GD (N° 3,5)
se disminuyen
-3
BZ, WEA-Leistungen [pu]
• Fluctuaciones de la
frecuencia se disminuyen
x 10
Spannung [pu]
Caso Regulación de Tensión
WEA-Leistungen [pu]
9.7
UDEA-Bus 5 (<--)
1.004
1
UDEA-Bus 3 (-->)
0.9907
UDEA-Bus 6 (-->)
1
1.004
0
180
360
540
720
0
900
180
360
540
0.9907
900
720
Zeit [s]
Zeit [s]
0.1341
0.2312
0.1341
0.2311
0.134
0.231
0.134
0.2309
P12 (<--)
Blindleistung [pu]
Wirkleistung [pu]
Austauschleistungen mit HS-Ebene
0.2313
0.134
Q12 (-->)
0.2308
0
180
360
540
720
0.134
900
Zeit [s]
Szenario D, d_testsystem_Ring_25_PRBRUR_stochastisch_mdl_01.out
Resultados Caso Regulación de Tensión
18
Caso Regulación Potencia
Reactiva / cos φ
• Oscilaciones inesperadas
Szenario D, d_testsystem_25_Ring_PRBRURQR_deterministisch
Resultados Caso Regulación
de Potencia Reactiva / cos φ
19
Escenario
Porcentaje
Tipo
red
A
B
C
D
Suma
25
Radial
0
2
1
1
4
25
Anillo
0
2
1
1
4
75
Radial
2
3
3
1
9
75
Anillo
2
3
3
1
9
Suma
4
10
8
4
26
Tipo control
A
B
C
D
Suma
Ningún
0
0
0
0
0
PR
2
4
2
0
8
PRBR
2
4
4
0
10
PRBRUR
0
2
2
0
4
PRBRURQR
0
0
0
4
4
Suma
4
10
8
4
26
Resultados
• Estabilidad es
independiente
del tipo red
• Control de
tensión
aumenta la
estabilidad
• Estabilidad se
empeora con
el aumento de
porcentaje de
GD en la red
Análisis de la Estabilidad
20
Comparación del Valor Agredado Neto (VAN)
Caso Alemán
Caso Chileno
Sin provisión
de SC
4.122.236
-5.758.532
Con provisión
de SC
4.019.838
( 2,5 %)
-5.436.057
( 5,6 %)
Unidad monetaria: US-$
Resultados
• En un mercado sin preferencia y sin precios fijos de las ERNC la
provisión de servicios complementarios aumenta el VAN de un GD
• En un mercado como el alemán, la provisión de servicios
complementarios a través de GD no es economicamente atractivo
Estudios Económicos
21
• El control de frecuencia a través de GD se disminuye las
fluctuaciones de frecuencia
• El control de tensión a través de GD mejora la estabilidad del sistema
eléctrico
• En un mercado sin preferencia y sin precios fijos de las ERNC la
provisión de servicios complementarios aumenta el VAN de un GD
• Se necesita una validación de las simulaciones en otro programa (ej.
DigSilent)
• Se necesita una continuación de simulaciones dinámicas para el
control de la potencia reactive / cos φ
• Se necesitan establecer procedimientos para la participación de GD
en el mercado de potencia de reserva
Resumen
22
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Potentiale