V-ELEC 07 Redes Inteligentes: Mejorando la confiabilidad y facilitando la incorporación de...
-
Upload
comunicacion-olade-organizacion-latinoamericana-de-energia -
Category
Presentations & Public Speaking
-
view
935 -
download
0
Transcript of V-ELEC 07 Redes Inteligentes: Mejorando la confiabilidad y facilitando la incorporación de...
-
Redes Inteligentes: Mejorando la confiabilidad y facilitando
la incorporacin de tecnologas bajas en emisiones
Alejandro Navarro Espinosa, PhD
Consultor Experto Systep Ingeniera y Diseos
Investigador Senior Centro de Energa de la Universidad de Chile
Sesin 8
Ciudad de Panam, Panam
Septiembre, 2016
-
Antes de empezar.
Los resultados indicados en esta presentacin han sido construidos en
diversas colaboraciones con:
Dr. Luis Nando Ochoa de la Universidad de Manchester.
Dr. Rodrigo Moreno de la Universidad de Chile.
Dr. Hugh Rudnick de la consultora Systep.
-
Motivacin: Por que estamos ac?
Movernos a una economa baja en carbono es fundamental para
enfrentar el cambio climtico.
La adopcin residencial de tecnologas bajas en emisiones de carbono
(LCT) puede ayudar a alcanzar este objetivo.
Estas LCT pueden producir impactos tcnicos en las redes de
distribucin.
Para facilitar la adopcin de estas tecnologas en las redes de
distribucin se requiere entender detalladamente sus impactos, para
que as las potenciales soluciones puedan ser desarrolladas e
implementadas.
-
Un poco de contexto: Sistema Elctrico Tradicional
Generacin
Transmisin
Distribucin
-
Hacia donde nos estamos moviendo: Sistemas Inteligentes
5
Control
Control
SPS
SPS
-
De qu nos preocuparemos hoy?
Control
Control
SPS
SPS
Sistema de Distribucin, que representan bsicamente donde se conectan nuestros hogares
-
De qu nos preocuparemos hoy?
Control
Control
SPS
SPS
Particularmente de las redes inteligentes en los sistemas de distribucin para:
Facilitar la adopcin de tecnologas bajas en emisiones de carbono a nivel residencial.
Aumentar la confiabilidad de los sistemas de distribucin.
-
Como facilitar la adopcin de tecnologas bajas
en emisiones de carbono (LCT) en la red de
distribucin?
-
Sistemas de Distribucin y LCT
0 100 200 300 400 500 6000
100
200
300
400
500
[m]
[m]
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 2 Feeder 6
Feeder 7
Feeder 1
Consumos Residenciales
Vehculos Elctricos Paneles Solares
Bombas de Calor
Micro - cogeneracin
Redes de Distribucin
-
Elementos relevantes de las LCTs
Estas tecnologas se conectan principalmente en baja tensin (consumos
residenciales), donde las distribuidoras a la fecha no tienen un conocimiento
detallado de las mismas.
Estas tecnologas avanzan paulatinamente hacia la electrificacin del vector
de energa (electricidad, calor, transporte).
Podran ser incorporadas por clientes residenciales sin conocimiento explcito
por parte de la distribuidora (localizacin aleatoria en la red de
distribucin).
Los tamaos de la tecnologa sern diversos en funcin de las elecciones y
necesidades de los clientes (tamaos aleatorios de la tecnologa).
-
Elementos relevantes de las LCTs
Las redes de distribucin a las cuales se conectan las LCTs no fueron
diseadas pensando en su incorporacin.
Power Power
-
Paneles solares que de acuerdo al nivel de adopcin (% de las casas con
instalaciones solares) y del tamao (i.e., 0.5 4 kW) puede revertir flujos de
potencia, provocar alza en voltajes y sobrecarga en las instalaciones.
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
24 Hours - 5 min resolution
[kW
]
Profile 1
Profile 2
Profile 3
0 50 100 150 200 250 3000
200
400
600
800
1000
1200
24 hours - 5 minutes resolution
[W/m
2]
Ejemplo radiacin solar Perfiles de generacin solar
Produccin de residencial de electricidad
-
Vehculos elctricos, cargas al sistema de
distribucin, la energa para su
movimiento es almacenada en bateras
que son suministradas a travs de la red
elctrica (i.e., 24 kWh, 3.5 kW).
Su consumo depende del patrn de uso y
de carga que realicen sus dueos.
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
24 Hours - 5 min resolution
[kW
]
Profile 1
Profile 2
Profile 3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
24 hours - 15 minutes resolution
Pro
babili
ty [
%]
0 5 10 15 20 250
2
4
6
8
10
12
14
Energy Demanded [kWh]
Pro
babili
ty [
%]
Electrificacin del transportePe
rfile
s d
e v
ehc
ulo
s el
ctr
ico
s
-
Bombas de calor, nuevas cargas elctricas, que mueven calor desde fuera
del hogar al interior del mismo, para lo cual requieren consumir
electricidad desde la red (alta eficiencia), con tamaos de entre 2 a 7 kW.
El patrn de consumo depender de los requerimientos de calor del hogar
(temperatura ambiental, temperatura del hogar, aislacin de la casa,
mecanismos de transferencia).
0 50 100 150 200 250 300-5
0
5
10
C
24 Hours - 5 min resolution
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
kW
Temperature
Auxiliary Heater
EHP Consumption
EHP Production
0 50 100 150 200 250 300-5
0
5
10
C
24 Hours - 5 min resolution
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
kW
Temperature
Auxiliary Heater
EHP Consumption
EHP Production
Electrificacin del calor
Perfiles Bombas de Calor
-
Las nuevas tecnologas varan su comportamiento a lo largo del da y por
tanto sus potenciales impactos dependern tambin temporalmente de su
coincidencia con la carga (importancia de la dimensin temporal)
.
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
24 Hours - 5 min resolution
[kW
]
Profile 1
Profile 2
Profile 3
Diversidad en el comportamiento de los clientes en forma individual
Demanda Residencial
0 50 100 150 200 250 300-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
24 hours-5 min resolution
[kW
]
Load consumption
PV generation
Net Load
Coincidencia temporal de la carga y las LCTs
-
Es clave: modelar la temporalidad de las nuevas tecnologas y de la
carga, la aleatoriedad de su ubicacin y tamao, y la caracterstica
desbalanceada de las redes de distribucin.
Random allocation of loads
Random allocation of LCT
Three phase four wire simulation
Metric Determination: Voltage Issues and Congestion
For
eac
h p
en
etr
atio
n le
vel
For
eac
h s
imu
lati
on
For
eac
h f
ee
de
r
Storing Simulation Results
Storing Feeder Results
For
eac
h L
CT
Creation of LV feeders Creation of profiles
Caractersticas principales
Monte Carlo SimulationsTimes Series Analysis
3 unbalance power flow
Evaluando los impactos
-
De cada simulacin se obtiene los voltajes y corrientes para cada uno de
los periodos del da para cada uno de los nodos de la red.
0
20
40
60
80 050
100150
200250
300
228
230
232
234
236
238
24 hours - 5 minutes Resolution
Voltage Profile in each load
Loads
V
3.9055 3.906 3.9065 3.907 3.9075 3.908 3.9085 3.909 3.9095
x 105
3.9285
3.929
3.9295
3.93
3.9305
3.931
3.9315
3.932
x 105
[m]
[m]
Evaluando los impactos flujos diarios de potencia
-
Para condensar las simulaciones se
pueden utilizar los siguientes ndices:
Porcentaje de los clientes con
problemas de voltaje.
Nivel de utilizacin en la cabecera
del alimentador.
0 100 200 300 400 500 6000
100
200
300
400
500
[m]
[m]
Network 15
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
120
140
PV Penetration [%]
Utiliz
ation L
evel [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
Feeder 4
Feeder 5
Feeder 6
Feeder 7
Voltaje
Congestin
Evaluando los impactos Ejemplo PV
-
Tanto las decisiones de inversin como de operacin en redes inteligentes
son relevantes para avanzar en la incorporacin LCTs.
Ejemplos:
Incorporacin de almacenamiento de energa (residencial o a nivel de
la distribuidora).
Uso de cambiadores de TAP en trasformadores de distribucin.
Conexin de redes radiales de distribucin (enmallamiento).
Equipos de control y comunicacin para el manejo de recursos
distribuidos.
Incorporando LCTs Redes inteligentes
-
Pasando de redes normalmente radiales a redes enmalladas o con laposibilidad de conexin dinmica (estado cambiando a lo largo del dasoft-open points)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Subte1 - Feeder
4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
5
10
15
20
25
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Subte1 - Feeder
4
Caso radial Caso enmallado
Operacin enmallada de la red Redes inteligentes
-
Ubicacin de bateras en redes de distribucin:
Escala residencial (una por casa)
Nivel de distribuidora (una por red BT, o por alimentador MT)
Main Grid
FeederPart A
Feeder Part B
Almacenamiento de Energa Redes inteligentes
-
Ubicacin de bateras en redes de distribucin:
Escala residencial (una por casa)
Nivel de distribuidora (una por red BT, o por alimentador MT)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
70
80
PV Penetration [%]
Cu
sto
me
rs [
%]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
2
4
6
8
10
PV Penetration [%]
Custo
mers
[%
]
Con bateraSin batera
Almacenamiento de Energa Redes inteligentes
-
Almacenamiento de energa (no es solo bateras): Termos de agua caliente
para los requerimientos diarios de un hogar
Water Storage Tank for Space
Heating
Domestic Hot Water Storage
EHP
DHW
(DT)Losses
(LT)
House Heat
Requirement (Qh)Losses
(LS)
Storage Heat
Requirement (QS)
DHW Tank
Requirement (QT)
Room Temperature
(TH)
TS: storage Temperature
TT:DHW temperature
House losses (LH)
Outside Temperature
Q EHP
Posibilidad de pre-calentar el hogar antes del horario de punta.Usar capacidad de almacenamiento no solo del agua sino potencialmente tambin del edificio.
Almacenamiento de Energa Redes inteligentes
-
Posibilidad de traspasar carga de un periodo a otro, posponiendo o
adelantando el periodo de lavado (lavado + secado de ropa,
lavavajillas)
Normal Modificando el lavado
Ejemplo: Lavadoras
Artefactos inteligentes en el hogar
-
Modificacin del voltaje de referencia en el trasformador de
distribucin (11kV/400V) para disminuir los problemas de voltaje
con la adopcin de nuevas tecnologas.
Cambiadores de TAP (OLTC) en redes de distribucin
-
La posibilidad de control y comunicacin permite eliminar casi la
totalidad de los problemas de voltaje en la red analizada.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
PV Penetration [%]
Voltage P
roble
ms [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
PV Penetration [%]
Voltage P
roble
ms [%
]
Feeder 1
Feeder 2
Feeder 3
OLTC comunicado con el ltimo nodo
Cambiadores de TAP (OLTC) en redes de distribucin
-
Como aumentar la confiabilidad de nuestros
sistemas de distribucin?
-
Los ndices en distribucin (MT) estn asociados a la frecuencia y tiempo
de interrupciones por transformador y capacidad instalada.
Tasas de falla y tiempos de recuperacin son utilizados para el clculo de
los ndices de confiabilidad.
Tiempos de Reparacin Tasas de Falla
Confiabilidad en Sistemas de Distribucin
-
Dada la gran cantidad de elementos y combinaciones de potenciales
fallas y tiempos de recuperacin, el anlisis de confiabilidad se
realiza utilizando la metodologa de Monte Carlo (1000 sim.).
3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3
x 104
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
Histograma de ndices resultantes de las 1000 simulaciones
Ejemplo: TTIK
Confiabilidad en Sistemas de Distribucin
TTIK: Tiempo total de
interrupcin por kVA.
-
Para cumplir con los estndares exigidos por la autoridad, la
aproximacin tradicional corresponde a la utilizacin de respaldos:
SE SE
Alimentador 1 Alimentador 2
Alimentador 3
Alimentador 4
Isla 1.1
Isla 2.1
Isla 2.2
Isla 3.1
Isla 3.2
Isla 4.1
Isla 4.2Isla 2.1
RESPALDO
1. Cada alimentador es
seccionado en islas de 1/3
de la capacidad total.
2. Se trazan los respaldos por
distancia mnima entre islas
de alimentadores distintos.
3. Se define el trazado troncal:
grafo que conecta las islas y
respaldo, con la capacidad de
suministrar el respaldo.
Confiabilidad en Sistemas de Distribucin - Respaldos
-
En este esquema de respaldo son fundamentales los tiempos de
maniobra para el traspaso de carga.
SE SE
Alimentador 1 Alimentador 2
Alimentador 3
Alimentador 4
Isla 1.1
Isla 2.1
Isla 2.2
Isla 3.1
Isla 3.2
Isla 4.1
Isla 4.2Isla 2.1
RESPALDO
Re-conectadores
Seccionalizadores
En este caso, se asume
un tiempo para la
maniobra de traspaso de
carga de 45 minutos
(promedio DNO)
Esquema de Respaldos en distribucin
-
Mejoramiento del indicador dada la presencia del respaldo.
Sin Respaldo Con Respaldo Manual
0 2 4 6 8 10 12 140
20
40
60
80
100
120
140
160
180TTIK del Alimentador 196
TTIK
Num
Ye
ars
Resultados del anlisis de confiabilidad - Ejemplo
-
Qu pasa si agregamos automatismos a nuestro sistema de
distribucin?
Por ejemplo al considerar que los tiempos de los equipos de maniobra son
cero (reconectadores telecomandados para el traspaso de carga)
Sin Respaldo Con Respaldo Automtico
0 2 4 6 8 10 12 140
50
100
150
200
250TTIK del Alimentador 196
TTIK
Num
Ye
ars
Confiabilidad en Redes Inteligentes !!!
-
Los problemas tcnicos debidos a la incorporacin de LCTs
dependern de las caractersticas de cada red. Sin embargo se
observa que para niveles de 20-30% de penetracin no hay
problemas significativos.
Si los niveles de penetracin de LCTs aumentan, hoy tenemos las
tecnologas inteligentes para minimizar sus impactos, retardando la
ocurrencia de problemas tcnicos.
La incorporacin de equipos inteligentes ayuda a mejorar
considerablemente los ndices de confiabilidad exigidos por la
autoridad.
Consideraciones Finales
Movernos hacia una mayor participacin de las LCTs depende de
nosotros, debemos entonces preguntarnos si queremos avanzar
realmente en esta direccin?
-
-1 0 1 2 3 4 5 6 7
x 104
-1
0
1
2
3
4
5
6
7x 10
4
Como hacer de las redes inteligentes alternativas de inversin y operacin en los
procesos y prcticas de regulacin y planificacin (de autoridades y distribuidoras)
de las redes de distribucin considerando su naturaleza de gran tamao?
35
El Gran Desafo !!!!! en mi humilde opinion
Problema complejo a resolver:
Por ejemplo en el caso de Santiago se tiene:
~1,700,000 clientes.
~20,000 MV/LV transformadores
~9,500 km de redes de baja tensin
~5,000 km de redes de media tensin
3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1
x 104
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
x 104