ESTABILIDAD PARA EL STN CON GENERACIÓN EÓLICA María Alejandra Medina Ospina Guillermo Vinasco Macana Mauricio Areiza Jornadas Técnicas del CNO y CAPT 22 y 23 de agosto de 2017 © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

1. Antecedentes  Interés por instalación de energía eólica concentrado en la Guajira (al menos 3.000 MW).

 Análisis eléctricos y energéticos elaborados por UPME, determinaron beneficios y expansión para construcción de líneas para conexión de proyectos en generación eólica Guajira (“Etapa 1”):  Subestación Colectora1 500 kV conectada mediante dos circuitos a Colectora1-Cuestecitas 500 kV. Subestación 500 kV y un transformador 500/220 450 MVA en Cuestecitas.  Circuito Cuestecitas-La Loma 500 kV (200 km).

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2. Incertidumbre en información En el momento de realizar el estudio (solo eólica Guajira, Etapa 1):  ¿Horizonte entrada de toda la potencia eólica de “Etapa1”?, se supuso años 2022 y 2023.  ¿Ubicación de Colectora1_500 kV?, se supuso a 130 km de Cuestecitas.  ¿Cantidad/tamaño de parques aerogeneradores?, se supuso parques de 200 MW, 100 maquinas de 2,5MVA, en dos escenarios (eólicas Guajira+Windpeshi+ÍSAGEN+Jepirachi): • Cinco parques de 200 MW sobre Colectora1_500kV, más Windpeshi e ISAGEN; total eólicas 1.251 MW. • Seis parques de 200 MW sobre Colectora1_500kV, más Windpeshi e ISAGEN; total eólicas 1.451 MW.  ¿Tecnología de aerogeneradores?, se supuso tecnologías DFIG 2MVA con convertidores del 30% (máximo ±60MVAr de compensación dinámica).

 ¿Ubicación de los parques de aerogeneradores?, a 50 km de Colectora1_500 kV.  ¿Conexión de los parques a Colectora1?, mediante doble circuito 110 kV, 50 km, 950 A; transformador 500/110 kV de 250 MVA.  ¿Configuración de los parques?, No se simuló las redes internas de media tensión (cables). 100 transformadores de acople 10/0,96kV de 2,5 MVA, un transformador 110/10 kV de 250 MVA por parque. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

2. Incertidumbre en información (cont.) Cinco parques “Primera Etapa Eólicas”=1.000 MW a 1.200 MW sobre Colectora1_500kV:

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2. Incertidumbre en información (cont.)

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3. Tecnologías de aerogeneradores Se centro análisis en aerogeneradores DFIG: • Opera circuito rotor a frecuencia variable para control de velocidad mecánica de la máquina, (usualmente ±30% velocidad nominal). • La potencia neta es combinación de la potencia

que se intercambia por estator y del rotor (convertidor). • Variando corriente del rotor Ir, permiten absorber e inyectar potencia reactiva.

• Ante caídas de tensión función primordial: proteger el convertidor electrónico (equipo adicionales resistencias de rotor, crowbar, etc.). • Modelo dinámico completo en Power Factory versión 2017, según estándar WECC. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

DFIG

4. Objetivos y Metodología  Verificar requisitos para operación de eólicas, de otros países (complemento informe PHC “Elaboración de requisitos técnicos y recomendaciones regulatorias para la incorporación de la Generación Eólica al Sistema Interconectado Nacional en Colombia”). Se utilizarán criterios PHC.  Evaluar la estabilidad del STN a partir de simulaciones, bajo diferentes escenarios: demanda (P20, P15, P04) y generación:  Escenario con demanda P04+despacho termo-eólico.  Escenario con demanda P15+despacho eólico.  Escenario con demanda P20+despacho hidro-eólico.  Con un total de 1.451 MW en aerogeneradores, la penetración eólica sería entre 10% y 19% de la potencia total del SIN. Con 1.251 MW entre 8% y 18%.  Se realizan:  fallas monofásicas y trifásicas, 50% recorrido de al línea.  Rfalla 5 ohm a 50 ohm, despeje 0,1s, y desconexión.  Se monitorea tensión en nodo LV parque.  Los DFIG no se programaron para desconectarse; se observa el comportamiento de la tensión al ser despejada la falla.  Proponer soluciones de compensación reactiva, para solventar los problemas de estabilidad encontrados. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

4. Objetivos y Metodología (cont.) Ejemplo: falla trifásica de 5 Ω (P20_MaxHidroEol 2023):

X = 8.000 s

1.600

Pico transitorio !

• Pico transitorios !, no se contabilizan para 1.280

desconexión. • La potencia del aerogenerador constante (minimizar

1.050 0.994 p.u. 0.960

desbalance de potencia activa del sistema).

0.890

0.640

130 km

0.320

130 km -0.000 -0.100

Falla

1.920 Curva_U_InformePHC: Lim_High Curva_U_InformePHC: Lim_Low Parque1_T3 LV: Voltage, Magnitude in p.u.

3.940

5.960

7.980

[s]

10.00

u_lim_Nuevos Date: 5/2/2017 Annex: /4

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4. Objetivos y Metodología (cont.) • Software de simulación, DigSilent Power Factory 2017, para utilizar modelo completo de aerogenerador DFIG de 2,5MVA, especificado por estándar WECC (Western Electricity Coordinating Council, USA). Se configuraron los parámetros para:  Control de tensión durante contingencias.  Limitar entrega de potencia reactiva de los aerogeneradores.  Limitar corriente total del convertidor.  Limitar corriente reactiva inyectada durante una posible caída de tensión Otros modos de control para DFIG son posibles bajo características especiales de control.

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5. Resultados fallas Colectora1-Cuestecitas 500 kV (monofásica), 1.000 MW en Colectora • Fallas monofásicas de 5Ω, al 50% del circuito Colectora1-Cuestecitas 500kV:

CASOS SIN COMPENSACIÓN

Año

11,1% 2022

% Casos con desconexión % Casos sin desconexión

2023

Escenario

Q_Parque1 (MVAr)

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV

(p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

49,7

0,972

0,946

(p.u) 1

P15_MED

45,62

0,982

0,952

1

P20_MAX

52,8

0,963

0,94

1

P04_MIN

52,33

0,965

0,942

1

P15_MED

46,14

0,981

0,952

1

P20_MAX

51,39

0,967

0,942

1

88,9%

• En cuanto a potencia reactiva, no se supera 60 MVAr, no se requeriría compensación adicional. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

5. Resultados fallas Colectora1-Cuestecitas 500 kV (trifásica), 1.000 MW en Colectora • Fallas trifásicas de 5Ω, al 50% del circuito Colectora1-Cuestecitas 500kV:

Año

2022

2023

Escenario

Q_Parque1

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV

(MVAr)

(p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

48,91

0,98

0,95

(p.u) 1

P15_MED

45,18

0,99

0,96

1

P20_MAX

52,21

0,97

0,95

1,01

P04_MIN

47,98

0,98

0,95

1

P15_MED

45,44

0,98

0,96

1

P20_MAX

50,92

0,97

0,95

1,01

• En cuanto a potencia reactiva, no se supera 60 MVAr, no se requeriría compensación adicional. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

5. Resultados fallas Cuestecitas–Copey 500 kV (monofásica), 1.000 MW en Colectora • Fallas monofásicas de 5Ω, al 50% del circuito Cuestecitas–Copey 500 kV; al utilizar el mismo criterio de tensión de operación en falla, el porcentaje de desconexión de aerogeneradores DFIG ante falla monofásica fue 0%:

Año

2022

2023

Escenario

Q_Parque1 (MVAr)

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV (p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

56,18

0,94

0,934

(p.u) 1

P15_MED

49,56

0,956

0,947

1

P20_MAX

57,19

0,939

0,933

1

P04_MIN

58,19

0,936

0,931

1

P15_MED

50,95

0,953

0,944

1

P20_MAX

55,49

0,942

0,936

1

• En cuanto a potencia reactiva, no se supera 60 MVAr, no se requeriría compensación adicional.

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5. Resultados fallas Cuestecitas–La Loma 500 kV (monofásica), 1.000 MW en Colectora • Fallas monofásicas de 5Ω, al 50% del circuito Cuestecitas –La Loma 500 kV; al utilizar el mismo criterio de tensión de operación en falla, el porcentaje de desconexión de aerogeneradores DFIG ante falla monofásica fue 0%:

Año

2022

2023

Escenario

Q_Parque1 (MVAr)

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV (p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

54,28

0,945

0,938

(p.u) 1

P15_MED

50,21

0,954

0,945

1

P20_MAX

58,2

0,936

0,931

1

P04_MIN

57,07

0,939

0,933

1

P15_MED

52,14

0,95

0,942

1

P20_MAX

56,29

0,94

0,935

1

• En esta falla, para demanda máxima del 2022 se presentó la contingencia que requiere mayor cantidad de potencia reactiva para mantener la tensión a 1 p.u. (58MVAr).

• En cuanto a potencia reactiva, no se supera 60 MVAr, no se requeriría compensación adicional. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

5. Resultados fallas La Loma–Ocaña 500 kV (monofásica), 1.000 MW en Colectora • Fallas monofásicas de 5Ω, al 50% del circuito Cuestecitas –La Loma 500 kV; al utilizar el mismo criterio de tensión de operación en falla, el porcentaje de desconexión de aerogeneradores DFIG ante falla monofásica fue 0%:

Año

2022

2023

Escenario

Q_Parque1 (MVAr)

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV (p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

54,28

0,937

0,93

(p.u) 0,992

P15_MED

39,48

0,979

0,966

1

P20_MAX

48,83

0,958

0,949

1

P04_MIN

55,63

0,937

0,931

0,995

P15_MED

41,49

0,974

0,962

1

P20_MAX

46,66

0,963

0,953

1

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5. Resultados fallas Colectora1-Cuestecitas 500 kV (monofásica), 1.200 MW en Colectora • Fallas monofásicas de 5Ω, al 50% del circuito Colectora1-Cuestecitas 500kV:

Año

2022 2023

Escenario

Q_Parque1 (MVAr)

U_Cuestecit U_Colectora as 500 kV 1 500 kV

(p.u)

(p.u)

U_Parqu es Eólicos

P04_MIN

61,29

0,948

0,925

(p.u) 0,999

P20_MAX

62,62

0,944

0,923

0,999

P04_MIN

60,2

0,949

0,924

0,999

P20_MAX

60,4

0,95

0,926

0,999

• La potencia reactiva de cada parque eólico supera los 60 MVAr; no estaría limitando su capacidad al 30% de la capacidad del aerogenerador. • Power Factory no permite monitorear corrientes al interior del DFIG. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

6. Capacidades de convertidores DFIG • DigSilent P.F. no permite monitoreo de variables internas del DFIG (e.g. corrientes de rotor Ir y estator Is, tensión rotor Ur). • ¿100 maquinas de 2,5 MVA podrán entregan 60 MVAr a plena producción (2 MW)? Modelo DigSilent utilizado

Qs=¿?

QGEN (DigSilent)

PGEN Max=5*200 MW Ejemplo F.P. aerogenerador DFIG

~800 W

Colectora 1 500 kV Qr=¿? Max=5*±60 MVAr © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

6. Capacidades de convertidores DFIG Se utilizó el modelo de *Aliprantis para estimar corrientes de rotor (Ir) y estator (Is) en un DFIG; estos, se comparan con parámetros de fabricantes de DFIG: Suzlon, Vestas, referencias de investigación, para conocer que porcentajes de casos, viables con 1.200MW SUZLON VESTAS Fabricante Parámetro 𝑃𝑜𝑢𝑡

S95 – 2,1 MW 50 HZ [21]

V80 – 2,0 MW VCS 50HZ [22]

DFIG 2,0 MW [23]

DFIG 2,5 MW [24]

2,1 MW

2 MW

2 MW

2,5 MW

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7. Conclusiones  Se requiere profundizar en soluciones para contrarrestar problemas de desconexión de aerogeneradores, ante fallas en el STN. Evaluar incorporar elementos de inyección potencia reactiva rápidos en GCM.  Se requirió el uso de Power Factory 2017, el cual posee el modelo completo de aerogenerador DFIG según estándar WECC. Es fundamental trabajar modelo de aerogeneradores más detallados, que garanticen mayor aproximación a la realidad (e.g. respuesta de Fault RideThrough, Low voltage ride-through “LVRT”).  Verificar el funcionamiento interno de un aerogenerador DFIG en el SIN, por medio de la verificación de sus parámetros eléctricos, presenta dificultades debido a secreto comercial de proveedores. Otros estudios (GO-DO-1149):  La tecnología IG limita de forma importante la capacidad de conexión de Colectora1 y hace necesario la implementación de esquemas de compensación de gran tamaño. Código de red de Panamá las prohíbe.  Para el único transformador 500/220 kV propuesto para la subestación Cuestecitas, se tiene la posibilidad de alcanzar el límite máximo de sobrecarga en contingencias (120%).  Considerar la posibilidad de que se propaguen oscilaciones (intercambios) de potencia por variación del viento, las cuales son poco perceptibles sobre las líneas cercanas a Colectora1 500 kV, pero visibles en la frecuencia de barras tan alejadas de La Guajira como Bacatá. © TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS POR INTERCOLOMBIA S.A. E.S.P.

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1. Anexo (compensación serie)  Simulación de 50 casos de fallas monofásicas en Colectora1-Cuestecitas 500 kV, con Rfalla: 50Ω, 75Ω, 100Ω y 150Ω. • Sin Compensación. • Con 25% de Compensación Serie en Colectora1-Cuestecitas 500 kV. • Con 50% de Compensación Serie en Colectora1-Cuestecitas 500 kV.

Casos Sin Compensación Serie 27,3% 72,7%

% Casos con desconexión % Casos sin desconexión

Casos Compensación Serie 25%

40,9% 59,1%

% Casos con desconexión % Casos sin desconexión

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Casos Compensacion Serie 50%

36,4% 63,6%

% Casos con desconexión % Casos sin desconexión

2. Anexo (máquina DFIG)

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3. Anexo (QV maquinas IG)  Curvas QV, 2022, contingencia Cuestecitas-La Loma500 kV, 401 MW de eólicas en Colectora1

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