Reliability enhancement in electric distribution systems: Islanding operation in active networks (Smart Grids)

Abstract

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[ES] El presente Proyecto Final de Carrera consiste en una propuesta de mejora operacional de una red de distribución eléctrica donde, aprovechando la capacidad instalada de fuentes de mediano tamaño conectadas directamente a la red de media tensión, se pretende dotar de cierta autonomía de servicio a secciones de la red. Se realiza una puesta a punto de los existentes centros de control y medida de manera que, ante una desconexión de la red de alta tensión (aguas arriba) debido a una falta eléctrica, el sistema sea capaz de continuar suministro eléctrico a los clientes ¿ de forma temporal ¿ utilizando los recursos energéticos locales y con ello aumentar la resiliencia de la red eléctrica. En la primera parte, se hace hincapié en las nuevas tendencias en generación en la red eléctrica que han llevado al planteamiento de nuevas formas de operación reflejadas en este proyecto. La más importante de ellas siendo la presencia de `Generación Distribuida¿ y las consecuencias técnicas que plantea en la explotación de la red eléctrica. Desde los orígenes del sistema eléctrico, por motivos de economía de escala, la tendencia en centrales de generación ha sido la de incrementar en potencia entregada. El diseño de la red eléctrica refleja esta filosofía: nos encontramos con una red de Alta Tensión (transmisión) donde las plantas de generación están conectadas. Esta red tiene una topología mallada que la hace tolerante a fallos y además está ampliamente dotada de sistemas de medida y control automático. En contraposición nos encontramos con la red de Media / Baja tensión (distribución) con una topología radial y que tradicionalmente ha sido dimensionada tomando en cuenta el suministro energético de la red de Alta Tensión. La flexibilidad operativa es mínima, consistiendo en el uso de transformadores regulables y baterías de condensadores para mantener el voltaje en todos los nodos dentro de un nivel pre-establecido. La generación distribuida, sin embargo, cuestiona la validez de este paradigma operativo. La generación distribuida consiste en plantas de generación de media/baja capacidad que han proliferado con las reformas eléctricas tanto en renovables como en auto-generación (e.g. Plantas eólicas, Cogeneración, Plantas Solares, Sistemas UPS, almacenamiento en baterías¿). Normalmente estas plantas están diseñadas (o su sistema de control está diseñado) para suministrar la mayor energía posible y venderla a la red.La desvinculación de estas centrales de generación distribuida a los llamados servicios ancilares (preservar voltaje con generación de reactiva, mantener frecuencia¿) junto a la tradicional `ceguera operativa¿ de la red de distribución hacen que la proliferación de estas fuentes presente problemas a la operación de la red. Consenso general para el futuro es el de acercar la red de distribución al nivel de autonomía y control de la red de transmisión: ejemplos son la microgrid, las redes de distribución activas, etc¿ Uno de los problemas encontrados a partir de la presencia de generación distribuida es el fenómeno de formación de islas. La formación de una isla se produce cuando, debido a una falta eléctrica, se desconecta una sección de la red. Esta desconexión es automática y se produce cuando la aparamenta de protección mide un incremento de la corriente de línea, o un desequilibrio en el tendido trifásico, etc¿). Si en esta sección de la red, que ha sido desconectada de la red `aguas arriba¿, hay conectado un generador; y este generador sigue en funcionamiento y conectado a dicha sección, existe la probabilidad de que se cree una isla eléctrica. Recalcando, definimos una isla eléctrica como la operación independiente de una sección de la red, aislada de la red principal y energizada por generación distribuida. Este escenario ha sido evitado tradicionalmente por las compañías eléctricas. Hay que comprender que ¿ esto será explicado con detalle en la sección de fundamentos teóricos ¿ los dispositivos de control usados en los generadores distribuidos están orientados a la explotación económica o la venta de energía eléctrica y no a los servicios auxiliares/ancilares (mantener frecuencia y voltaje en los límites requeridos). Esto hará que la isla resultante generalmente no cumpla unos mínimos de `calidad eléctrica'. Además, si la isla se ha producido por una falla eléctrica y un equipo de mantenimiento es llamado para su reparación, el desconocimiento de que un generador sigue alimentando la sección puede conllevar graves peligros para los operarios. Por ello, las operadoras de red eléctrica requieren a estos generadores incluir una serie de dispositivos de protección llamados 'Loss of Mains' que midiendo diversos parámetros de red determinan cuando se ha producido una desconexión de la red principal y entonces accionan un seccionador desconectando el generador de la red de distribución. El estudio de estos dispositivos que pueden ser basados en distintas tecnologías es un campo importante, ya que la desconexión accidental de la generación distribuida en una red eléctrica donde cada vez existe más proporción de la misma, puede tener consecuencias catastróficas. Descripción de estos dispositivos y los principios en los que están basados se lleva acabo en la memoria. Los problemas previamente mencionados son consecuencia del paradigma de operación de la red de distribución, la ceguera de los sistemas de medición y el poco margen de maniobra operativa y de control. Junto a la tendencia de reformar las redes de distribución, tradicionalmente pasivas, a redes activas existe una corriente que aboga por habilitar sistemas de control que permitan la operación intencional de islas para aumentar la tolerancia contra faltas eléctricas y cortes de servicio. Esta es la visión que sigue este proyecto y en el se estudia implantar una topología de control llamada `isla síncrona', que mediante el uso de aparatos de medición llamados sincrofasores y la adopción de un sistema isócrono de control de generadores se consigue que la sección aislada se mantenga en sincronía con la red principal y sea capaz de continuar el servicio eléctrico con una calidad razonable hasta la re-conexión con la red principal. La implementación y cálculos serán realizados con el programa de simulación de transitorios electromagnéticos PSCAD. Diversos escenarios de aislamiento y conexión/desconexión de cargas serán simulados para comprobar la estabilidad de la calidad energética.