Evaluación del impacto de la generación distribuida en la operación y planificación de las redes

192 Pages·2006·2.78 MB·Spanish

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERÍA INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
Evaluación del impacto de la
generación distribuida en la operación
y planificación de las redes de
distribución eléctrica
Alberto Martín García
MADRID, junio de 2006
Autorizada la entrega del proyecto al alumno:
Alberto Martín García
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Tomás Gómez San Román
Jesús Peco González
Fdo: Fecha: 27/06/06
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
Tomás Gómez San Román
Fdo: Fecha: 27/06/06
Resumen iii
Resumen
Se entiende por generación distribuida todas aquellas fuentes de energía eléctrica que
se conectan en las redes de distribución eléctrica. Estas redes de distribución se han
planificado con amplios márgenes de funcionamiento, que junto con la característica de
que los flujos de energía son unidireccionales (de la subestación a los consumidores)
permiten que sean operadas de forma pasiva. Esto significa que no están sometidas a
una constante monitorización de las variables de estado de la red (i.e. tensiones,
flujos…), por lo que dichas redes se gestionan con poca supervisión, ya que eso resulta
más económico.
Por otra parte, en nuestro país, existe un importante desarrollo de la producción de
energía en régimen especial, regulado por el Real Decreto 436/2004. En este régimen
especial se incluyen, entre otras, energías renovables como la eólica y la fotovoltaica y,
por otra parte, la cogeneración. Estas fuentes de energía se suelen considerar como
generación distribuida, debido a que se conectan a las redes de distribución.
Debido al decreto 436/2004 y a sus predecesores, en España, se han ido instalando de
forma progresiva fuentes de generación distribuida, debido a que es muy ventajoso
desde un punto de vista económico.
La instalación de dichas centrales en régimen especial se ha realizado sin valorar en
profundidad el impacto técnico y económico que puedan tener en las redes de
distribución. Por ejemplo, la operación de las redes se puede volver más compleja al
añadir elementos activos (generadores) a las mismas, la posible necesidad de refuerzos e
inversiones en red al cambiar las potencias que circulan usualmente por ellas, etc.
En el proyecto se ha evaluado el impacto técnico y económico que tiene la conexión
de generación distribuida en las redes de distribución, teniendo en cuenta tecnología,
potencia, localización y número de generadores en una red de distribución dada. Para
llevarlo a cabo se han realizado los siguientes pasos.

En primer lugar se ha hecho una revisión del posible impacto que puede causar la
generación distribuida en la red de distribución. Dicho impacto se cuantifica en tres
Resumen iv
puntos fundamentales, las pérdidas, el control de tensiones, y el retraso de posibles
inversiones. Para poder cuantificar el impacto, se modelaron 3 tipos de generadores
distribuidos, el eólico, fotovoltaico y cogeneración.
En segundo lugar se han modelado los diferentes elementos que componen la red
(líneas, transformadores reguladores y bancos de condensadores), y la demanda,
distinguiendo en este apartado diferentes tipos de consumidores y de perfiles de esos
consumidores.
En el proyecto se ha desarrollado igualmente un completo algoritmo de
optimización, programado en MATLAB y GAMS, capaz de tener diferentes niveles de
optimización y actuar según se necesite. El objeto del algoritmo es comprobar diferentes
niveles de control sobre la red, para ver cual es más adecuado adoptar cuando se conecta
generación distribuida a la misma. El criterio para comprobar que nivel es mejor, es
simplemente, que se cumplan ciertos límites técnicos de la red, tal como un nivel de
tensiones predeterminado y no saturar el límite térmico de las líneas. En total son cuatro
los niveles de control.
• NIVEL 0, que no tiene capacidad de cambiar nada en la red, es decir, una
operación pasiva.
• NIVEL 1, que tiene capacidad de cambiar tomas de transformadores y
conectar o desconectar bancos de condensadores existentes.
• NIVEL 2, que además de lo que hace el NIVEL 1, puede reforzar la red,
añadiendo bancos de condensadores a la misma.
• NIVEL 3, que en caso de no poder resolver los problemas técnicos, recurre al
deslastre de cargas o a la desconexión de generación distribuida.
Por último se ha comprobado el funcionamiento de este algoritmo en una red tipo
IEEE de los Estados Unidos, y se han ejecutado los casos contemplados de generación
distribuida, que son función de la potencia, del tipo de tecnología y de la localización
del generador.
De esta red cabe hacer varias consideraciones particulares:
Resumen v
La primera es que es una red de tipo rural y muy cargada. En este tipo de redes
normalmente no se alcanzan los límites térmicos de las líneas. El problema fundamental
suele ser de tensiones bajas.
La segunda es que no se han encontrado problemas significativos de saturación del
límite térmico de las líneas, puesto que es una red rural. Únicamente hay que destacar
los problemas derivados de conectar un generador a una red débil.
La tercera es que problemas de tensiones han aparecido en todos los casos de estudio
cuando no había control de la red, incluso en el caso base. Nuevamente es debido
principalmente a que es una red rural. Por esta razón es necesario un control activo de
las tomas de los transformadores para mantener las tensiones en límites.
Por último, las pérdidas de la red, se observa que en general disminuyen con el nivel
de penetración de la generación distribuida, excepto en el caso de un único generador de
gran tamaño, en dichos casos los niveles de pérdidas son similares a los del caso base.
Comparando estos resultados con el caso pico, se observa que siempre se ha tenido
que instalar la misma o menor cantidad de condensadores en los escenarios de
generación distribuida que en el caso pico. Por lo tanto, si en la planificación original de
la red se hubieran incluido, puesto que eran necesarios, no hubiera habido cambios con
la inclusión de generadores distribuidos.
Por todo lo anterior, para una mejor integración de la generación distribuida, se
recomienda una gestión activa de las redes de distribución. Será necesario hacer un
análisis de viabilidad económica para ver si es ello es viable.
Por último cuando sea necesario el deslastre de generación distribuida debido a
limitaciones en la red, sería un desperdicio “tirar” dicha producción. Lo más natural
sería estudiar la posibilidad de almacenarla para luego distribuirla en otro momento, o
utilizarla para producir otro tipo de energía, ya sea calorífica, o incluso enfocarla a
temas más futuristas como la producción de hidrogeno en pilas de combustible por
ejemplo.
Únicamente se ha estudiado una red, por lo que se recomienda para el futuro, hacer
este mismo de estudio con más profundidad y para diferentes tipos de redes, ya sean
rurales, urbanas…
Summary vi
Summary
Distributed generation can be understood as all electrical power plants connected to
the electrical distribution networks. These distribution networks have large operation
margins, and the energy flows are unidirectional (from the substation to the consumers)
this two features allow distribution networks to be operated in a non-active way. These
means that state variables of the network (i.e voltages, flows…) are not monitored.
Therefore; these networks are supervised, in the most possible economical way.
Moreover, there is an important increase of energy production in special regime
(Royal Decree 436/2004). This special regime includes: renewable energies such as
wind energy, photovoltaic energy and combined heat and power (co-generation). These
power plants usually are considered distributed generation, because they are connected
to the distribution networks. Therefore to the existing regulation (Royal Decree
436/2004 and previous rules), in Spain, the installation of distributed generation sources
has been economically advantageous.
The installation of these special regime power plants has been made without
considering technical and economic impact on distribution networks. For instance, the
operation of networks can be more complex because it provides new active elements to
the grid, changes the power flows that usually circulate around them (with the possible
necessity of reinforcements and investments in networks) etc.
This final year project, evaluates the technical and economic impact of the
connection of distributed generation to the distribution network. This assessment takes
into account technology, power, location and number of generators in the electric
distribution network. The assessment phases are the following:
Firstly, it has been made a revision of the possible impact that can cause the
distributed generation on the distribution network. This impact is quantified in three
fundamental points: electric losses, voltages control, and possible investments delay.
Moreover, to three types of distributed generators, wind generator, photovoltaic one and
co-generation were modeled in order to quantify the impact.
Summary vii
Secondly, the different elements that compose the network (lines, regulator
transformers and capacitor banks) and the demand have been modeled. The demand
distinguishes different types of consumers and their profiles.
The project develops a complete algorithm of optimization, programmed in
MATLAB and GAMS. The algorithm has different levels of optimization. The goal of
the algorithm is to verify different control levels on the network, in order to identify the
optimal one when distributed generation is connected. The criterion to identify the best
level is the fulfillment of certain technical limits of the network, such as, a voltage level
predetermined or the thermic limits of the lines. There are four control levels:
• LEVEL 0 does not have capacity to change any element of the network, it is a
non-active operation.
• LEVEL 1 has capacity to change the regulator transformers and either to connect
or to disconnect existing capacitor banks.
• LEVEL 2, in addition to what LEVEL 1 can do, it can also reinforce the network
by adding capacitors.
• LEVEL 3, in case of not being able to solve technical problems, it allows energy
not delivered (from distributed generation or to the costumers).
Finally, this algorithm operation in a network has been tested in a radial test feeder
from the IEEE. This radial feeder is a representative grid of the United States, and all
the cases taken into account of distributed generation have been run in MATLAB.
Concerning this network it is possible to make the following considerations:
First, the radial feeder is a rural network and it is highly loaded. In this type of
networks the line’s thermic limits are normally not fulfilled. The fundamental problem
is usually about low voltages.
Second, there are no significant problems of saturation of the thermic limits of the
lines, because it is a rural network. It is necessary to emphasize the derived problems to
connect a generator to a weak network.
Third, problems of voltages have appeared in all the cases of study when there was
no control of the network, included in the basic case.
Summary viii
Therefore, it is necessary an active control of transformers settings in order to keep
the voltages constraints
Fourth, losses diminish in relation to the level of penetration of the distributed
generation, except the case of having only a large generator. In these cases the levels of
losses are similar to those of the basic-case.
If one compares these results with the peak-case, it can be observed that there is no
need of installing more capacitors in the scenarios of distributed generation than in the
peak-case Therefore, if in the original network planning, capacitors were included
(because they are needed) there were no changes in relation to the inclusion of
distributed generators.
In addiction, it is recommended an active control of the distribution networks for a
better integration of the distributed generation. It will be also necessary to make an
analysis of economic viability to examine whether if is viable.
Finally it would be regrettable to waste production, when it is necessary to
disconnect generation of distributed generation due to limitations in the network. It
would be more logical to store it in order to distribute that energy in another moment, or
to use it to produce another type of energy, calorific, or even to use it as futurist
subjects, such as the production of hydrogen in fuel batteries for example.
This project has studied only a network. Therefore it is suggested to continue the
research in order to include other types of networks such as urban ones.
Índice ix
Índice
1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................8
1.1 Motivación del proyecto....................................................................................8
1.2 Objetivos..............................................................................................................8
1.3 Estructura del proyecto.....................................................................................8
2 ANÁLISIS DEL IMPACTO DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN LAS REDES
DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA..................................................................................................8
2.1 Aspectos analizados...........................................................................................8
2.1.1 Pérdidas 8
2.1.2 Control de tensiones y compensación de potencia reactiva 8
2.1.3 Grado de carga y retraso de inversiones 8
2.2 Tipos de generación distribuida.......................................................................8
2.2.1 Tecnologías 8
2.2.2 Grado de penetración en la red 8
2.2.3 Dispersión en la red 8
2.3 Metodología de análisis.....................................................................................8
3 MODELADO DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA Y DE LA RED DE
DISTRIBUCIÓN.................................................................................................................................8
3.1 Modelado de la demanda..................................................................................8
3.2 Modelado de la red............................................................................................8
3.2.1 Líneas 8
3.2.2 Transformadores Reguladores 8
3.2.3 Bancos de condensadores 8
3.3 Modelado de los generadores...........................................................................8
3.3.1 Potencia reactiva de los generadores distribuidos. 8
3.3.2 Eólico 8
3.3.3 Fotovoltaico 8
3.3.4 Cogeneración 8
4 ALGORITMOS DE OPTIMIZACIÓN Y SIMULACIÓN...........................................................8
4.1 Algoritmos de simulación y optimización. Visión general..........................8
4.2 Entrada de datos.................................................................................................8
4.3 Flujo de cargas....................................................................................................8
4.4 Algoritmo de simulación. NIVEL 0.................................................................8
Índice x
4.5 Algoritmo de optimización. NIVEL 1.............................................................8
4.6 Algoritmo de optimización. NIVEL 2.............................................................8
4.7 Algoritmo de optimización. NIVEL 3.............................................................8
4.8 Presentación de resultados................................................................................8
4.8.1 Nivel cero 8
4.8.2 Nivel uno 8
4.8.3 Nivel dos 8
4.8.4 Nivel tres 8
5 CASO DE ESTUDIO..........................................................................................................................8
5.1 Descripción de la red y de la demanda...........................................................8
5.2 Escenarios de generación distribuida..............................................................8
5.3 Caso pico..............................................................................................................8
5.4 Caso base.............................................................................................................8
5.5 Escenario de generación distribuida...............................................................8
5.6 Resto de escenarios.............................................................................................8
5.7 Conclusiones.......................................................................................................8
6 CONCLUSIONES...............................................................................................................................8
6.1 Análisis cualitativo y cuantitativo...................................................................8
6.2 Diagnóstico del impacto de la generación distribuida en la red
analizada..............................................................................................................8
6.3 Recomendaciones...............................................................................................8
7 BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................................8
A CARACTERÍSTICAS DE LA RED RADIAL DE PRUEBAS IEEE DE 34 NUDOS................8
A.1 Características generales...................................................................................8
A.2 Datos utilizados..................................................................................................8
B RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS DEL CASO DE ESTUDIO........................................8
B.1 Eólica....................................................................................................................8
B.1.1 Eólica.1 8
B.1.2 Eólica.6 8
B.1.3 Eólica.11 8
B.1.4 Eólica.12 8
B.2 Fotovoltaica.........................................................................................................8