Curso IEE-443 Sistemas Eléctricos de Potencia Capitulo 1: Introducción y Conceptos Básicos Dr. Jaime Peralta Rodríguez Pontificia Universidad Católica de Valparaíso Escuela de Ingeniería Eléctrica Marzo 2016
Importancia de la Energía Eléctrica
Black-out 14/08/2003 – EEUU/Canadá
55 millones de personas afectadas (Ontario + 8 estados en EEUU) 2 días sin energía en algunas ciudades NYISO 28.700 MW de carga, pérdida de 5.716 MW Costo ~ US$ 8.000 Millones (ENS) Causas:
Problemas con SCADA (software bug) y sistema de alarmas Múltiples contingencias Falta de compensación reactiva, colapso de voltaje Falta de mantención y gestión de vegetación Falta de conocimiento de la red eléctrica por operadores
Importancia de la Energía Eléctrica
Black-out 14/03/2010 – Chile
9 millones de personas afectadas Falla en subestación Charrua 500kV 1 día sin energía en algunas ciudades 4.400MW de demanda perdida 115 empresas multadas: Endesa Chilectra y Transelec Causas:
Terremoto dos semanas antes Problemas de mantenimiento de protecciones del transformador
Definición de un SEP Es el conjunto de instalaciones incluyendo centrales eléctricas, líneas de transmisión, sub-transmisión y distribución que operan conectadas en sincronismo con el objeto de generar, transportar y distribuir energía eléctrica a los consumos conectados a dicho sistema.
Estructura General de un SEP
Centrales generadoras Subestaciones elevadoras Sistema de transmisión (troncal, subtransmisión y adicional) Subestaciones de Enlace Subestaciones de distribución Red de distribución en Media Tensión Red de distribución en BT Instalaciones de clientes industriales
Etapas de Transformación de un SEP
Niveles Volt./Frec. Normalizados
Niveles de Voltaje: Transmisión Troncal: 500, 220 kV Subtransmisión: 154, 110, 66, 44 kV Distribución (MT): 23, 13.8, 12 kV Bajo voltaje: 380, 220 V
Frecuencia:
50 Hz (60Hz en EEUU)
Instalaciones principales en un SEP
Generadores: Hidráulicos, Térmicos, Solar, Eólicos, Geotérmicos, nuclear, etc. Transformadores de poder Líneas de transmisión (AC, DC) Interruptores y equipos de maniobra Equipos de compensación (activa y reactiva) Sistemas de protección Esquemas de control y medida Servicios complementarios
Generador Hidráulico
Generador Térmico
Carbón
Gas Natural (Ciclo combinado)
Petróleo Diesel
Generadores ERNC
Eólico
Solar
Líneas de Transmisión
500 kV
220 kV
110 kV
Subestación Eléctrica
500/220 kV 750 MVA
220/110 kV 100-200 MVA
110/66/44 kV 20-50 MVA
Subestación Eléctrica (Equipos)
Transformador de Poder HV/MV Bus bar Seccionalizadores Interruptores Protecciones Transformadores de Medida Equipos de medición, control y monitoreo (SCADA) SSAA
Sistemas Interconectados
Asegura abastecimiento de la demanda en forma segura, confiable, eficiente y con calidad
Segura Generación = Demanda Confiable Contingencias N-1 Eficiente Mínimo costo global Calidad voltaje y frecuencia dentro de limites
Ventajas Permite economías de escala en generación y trasmisión Aumenta confiabilidad y seguridad del sistema eléctrico Permite aprovechar la diversidad horario y espacial de recursos
Desventajas Aumenta complejidad en la operación Aumenta riesgo de blackout durante contingencias extremas Mayores costos para áreas ricas en recursos eficientes
El Sector Eléctrico en Chile
Desde la década de los 80 existe un modelo de mercado competitivo en generación (DFL No.1 1982) Separación de segmentos: Generación, transmisión y distribución La transmisión y distribución de energía se regula en base a criterios económicos (monopolio natural) Un conjunto de empresas privadas nacionales e internacionales operan en el sector eléctrico en forma descentralizada adoptando sus decisiones de inversión La planificación de la trasmisión troncal es centralizada El Estado regula y fiscaliza
El Sector Eléctrico en Chile
Instituciones:
Comisión Nacional de Energía (CNE): regula tarifas y prepara plan indicativo de generación (www.cne.cl) Superintendencia de Electricidad y combustibles (SEC): Fiscaliza cumplimiento de normas y sanciona empresas (www.sec.cl) Centro de Despacho Económico de Carga (CDEC-SIC, SING): Responsable de la operación de sistema (www.cdecsic.cl)
Operación del sistema a mínimo costo Vela por la seguridad y confiabilidad de la operación Garantiza acceso abierto al sistema de transmisión
Panel de Expertos: Dirime discrepancias generadas entre empresas, el ente regulador y los CDEC (www.panelexpertos.cl)
Sistema Interconectado Central (SIC) El SIC abastece la zona central del país entre Antofagasta y Chiloé Abastece el 92% de la población Al año 2014:
Capacidad Instalada: 15.181 MW Demanda Máxima: 7.547 MW Generación de Energía: 52.262 GWh 52 % de la generación es hidroeléctrica, 45 % térmica, 3% eólica y solar Costo Marginal: USD$/MWh 131.1
El sistema de transmisión troncal consta de líneas en 500kV, 220kV, 154kV Sistema de Subtransmisión de 110kV, 66kV, y 44kV
Sistema Interconectado del Norte Grande ( SING)
El SING abastece la zona norte del país, desde Arica a Coloso Al 2013:
Capacidad Instalada: 4.607 MW Demanda Máxima: 2.060 MW Generación de Energía: 17.237 GWh 98% térmica, 2% eólica y solar Costo Marginal: USD$/MWh 39.8
El sistema de transmisión principal consta de líneas en 220kV, 154kV y 110kV La mayor parte de la demanda proviene de los consumos mineros (Escondida, Chuquicamata, Collahuasi, etc.)
Sistemas Eléctricos de Aysén y Magallanes
El Sistema de Aysén tiene una potencia instalada del orden de 51 MW (Hidro, diesel)
El sistema de Magallanes tiene una capacidad instalada de aproximadamente 100 MW en base a gas natural
Análisis requeridos para el diseño, planificación y operación de un SEP
Seguridad: capacidad disponible versus demanda total equilibrio entre generación y demanda Confiabilidad: continuidad de suministro (N-1) Calidad de la energía: regulación de tensión y variación frecuencia en rangos aceptables, contenido armónico, desbalances, flicker, etc. Estudios técnicos: flujos de potencia, cortocircuitos, análisis de contingencias, estabilidad, coordinación de protecciones, sobretensiones por transitorios y coordinación de la aislación, pérdidas, confiabilidad, etc. Estudios económicos: planificación de generación y transmisión, despacho económico, inversiones/precios
Herramientas Computacionales
Planificación: OSE2000, PLP, PCP Estado Estacionario: PF DigSilent, PSSE, PSLF Estudios de Estabilidad: PF DigSilent, PSSE, PSLF Electromagnéticos transitorios: EMTP-RV, PSCAD, Matlab-Simulink Protecciones: PF DigSilent, ASPEN, ETAP
Fallas y perturbaciones en un SEP Cortocircuitos por fallas de la aislación dieléctrica y cortes de conductores Causas externas (descargas atmosféricas, viento, lluvia, accidentes, etc.) Fallas en centrales eléctricas (turbinas, calderas) Apertura de fases Contaminación armónica, flicker y desequilibrio de fases
Efectos de perturbaciones y fallas
Sobrecorrientes Variaciones bruscas de tensión Variaciones bruscas de frecuencia Inversión de los flujos de potencia Inestabilidad: voltaje, angular, y frecuencia Desequilibrios en tensiones y corrientes Distorsión ondas de tensión y corriente Daño a equipos y/o personas Pérdida de suministro
Rol de Protecciones en un SEP
Detectar condiciones de falla o inicio de perturbaciones Requisitos básicos: dependabilidad, selectividad y confiabilidad Dependabilidad: que operen cuando deben Selectividad: que aíslen solo sistemas requerido Confiabilidad: no operaciones erráticas Rapidez de operación
Protecciones Típicas
Sobrecorriente de fase, instantánea y con retardo según curva I-t: 50/51 Sobrecorriente residual (mide corriente a secuencia cero): 50N/51N Baja tensión o sobretensión (27/59) Direccional de fase y residual (67/67N) Impedancia (21/21N) Diferencial (87) Baja frecuencia (81)
