MODELADO Y ANÁLISIS DE SISTEMAS AISLADOS INTERCONECTADOS CON ELEVADA PENETRACIÓN EÓLICA Autor: Candela García, Alfonso Directores: Egido Cortés, Ignacio; Sigrist, Lukas. Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO Durante la última década, el crecimiento de la generación eólica en España ha provocado la irrupción sobre la red eléctrica de una tecnología nueva en un margen de tiempo relativamente pequeño. Desde el punto de vista de la estabilidad y la seguridad del sistema, la generación eólica puede afectar gravemente al sistema eléctrico. Para evitar que el crecimiento de la generación eólica perjudique a la seguridad del sistema es necesario acompañar la instalación de nuevos parques con estudios adecuados de estabilidad. Este trabajo se centrará en el análisis de la estabilidad de la frecuencia en el caso de sistemas aislados interconectados, donde la alta penetración eólica y, en general, de la generación en régimen especial puede influir de manera significativa en el sistema. Como objeto de estudio, se presentarán dos sistemas insulares reales interconectados entre sí. Se entiende por sistema aislado aquel que no tiene conexión eléctrica con otros debido a sus características. Estos sistemas son más sensibles a las perturbaciones debido a su baja inercia. En caso de desconexión no programada de algún generador, el resto de grupos conectados han de suministrar la energía perdida a través de la regulación primaria. Este hecho puede suponer un problema, ya que la energía perdida puede ser un porcentaje alto de la generación total, o bien puede darse el caso en que los generadores que quedan conectados no tengan la reserva suficiente como para suministrar la cantidad de energía perdida. En estos casos, entran en funcionamiento los sistemas de deslastre con el fin de que la frecuencia no caiga hasta valores no aptos y haya una pérdida de sincronismo. En el caso de dos sistemas aislados unidos mediante una línea, ésta permite la transferencia de potencia de un sistema a otro, ofreciendo así una mayor cantidad de potencia de reserva que puede minimizar la frecuencia de activación de los deslastres. Este estudio lleva consigo la creación de un modelo, que permite simular diferentes escenarios. Para ello se recurrirá a la herramienta Simulink de software MATLAB con la intención de programar y automatizar la creación y posterior simulación del modelo, ya que la cantidad de casos a simular es muy alta. Este modelo se genera a partir de unas hipótesis que permiten simplificar el cálculo, no obstante no es el único modelo posible, por lo que se ofrece en este proyecto una comparación con otro modelo sencillo, con el fin de comparar diferencias y semejanzas, y establecer ventajas e inconvenientes del uso de ambos modelos. Se analizan escenarios reales presentes, comparándose con escenarios futuros creados a partir del primero, siguiendo criterios económicos y de fiabilidad, y teniendo en cuenta las previsiones en cuanto a demanda y generación eólica; dando una visión general de la situación a la que se enfrentan estos sistemas. En concreto se estudiarán los casos siguientes: escenarios actuales sin penetración eólica, escenarios actuales con penetración eólica y, por último, escenarios futuros previstos para 2015 con su correspondiente penetración eólica. Para dar generalidad a estudio, se plantearon variaciones que implicaban una generación eólica del 40% y el 80% de la potencia eólica instalada, con el fin de observar la influencia de la misma. Así, se obtuvieron los resultados que se resumen a continuación. En primer lugar, la elección del modelo a utilizar, a tenor de los resultados obtenidos, dependerá en gran parte de la precisión y el nivel de detalle que desee obtenerse. Si se desea una aproximación al comportamiento de la frecuencia ante contingencias en escenarios con penetración eólica, podrá recurrirse a un modelo de sistema único y siempre que las posibles limitaciones de la línea no sean relevantes o puedan despreciarse. En cambio, si se optase por un análisis detallado del comportamiento de cada sistema insular, incluyendo la línea de interconexión, deberá escogerse el modelo de dos sistemas interconectados. Por otro lado, se ha encontrado una limitación en el modelo a raíz de lo expuesto en la sección 4.7.3 relativa al deslastre y los límites mínimos de generación síncrona. Si el deslastre provoca que la demanda pueda ser enteramente satisfecha con la energía eólica, los generadores que estaban encendidos durante la simulación no pueden desconectar en mitad de la misma, sólo mantenerse en mínimos técnicos. Esto provoca un incremento de frecuencia, por encima de los límites establecidos de 51-52 Hz, desembocando en una inestabilidad de frecuencia De la misma manera, debido a la ausencia de regulación y su impredecibilidad, la energía eólica no debería satisfacer enteramente la demanda, ya que se corre el riesgo de colapso. En segundo lugar han de tenerse en cuenta las hipótesis tomadas a la hora de realizar este estudio. Si bien se han tenido en cuenta criterios de seguridad, economía y calidad de suministro, no dejan de ser criterios adoptados en función de la observación y análisis de un caso inicial de 48 escenarios, por tanto una mayor precisión en los resultados requeriría más datos del sistema de generación y su gestión ante la previsión de demanda y/o penetración de energía en régimen especial, en este caso, la eólica. También se han ignorado las limitaciones de la línea de interconexión al carecer de información sobre las mismas, haciendo posible siempre la transferencia de potencia de una isla a otra. Esta situación es ideal y en futuros estudios más exhaustivos debería tenerse en cuenta, ya que puede ser un factor muy influyente. Por ejemplo, si inicialmente la línea estuviera al límite de su capacidad y ocurriera una contingencia en alguno de los sistemas aislados; el otro sistema se vería muy limitado a la hora de prestar apoyo al primero, ya que la línea no permitiría la circulación de potencia de un sistema a otro. En cuanto a la continuidad en el servicio, es notable en la aparición del deslastre, sobre todo en contingencias relativas a dos y tres generadores perdidos (aunque son contingencias menos probables). La cantidad de potencia deslastrada en algunos de los casos estudiados es realmente alta y en caso de suceder una contingencia similar, se corre el riesgo de dejar sin suministro a gran parte de la población y/o la industria. Sin embargo, es este mismo deslastre el que permite mantener unos valores de frecuencia aceptables en la red. Se deduce entonces que la regulación primaria no es suficiente en contingencias que suponen una gran pérdida de energía y, por tanto, se hace aconsejable una revisión del sistema y su regulación para poder mantener los niveles de frecuencia sin necesidad de deslastrar gran parte de la red, o bien, una revisión del plan de deslastre de cargas del sistema de ambas islas. En cuanto a las contingencias relativas a un solo generador, se concluye que la influencia de la energía eólica puede reducirse e incluso ser inapreciable con una elección coherente de la generación de los grupos síncronos, manteniendo los criterios explicados en el Capítulo 2 y, por tanto, la actuación de deslastre se deba solo a motivos que conciernen sólo a la generación síncrona. Esto no es aplicable a contingencias de dos o tres generadores con penetraciones eólicas altas en comparación con la generación síncrona. Altas penetraciones presentan, como se ha comentado anteriormente, grandes problemas de estabilidad en el sistema si se producen contingencias graves. La frecuencia, a pesar del elevado deslastre en algún caso, en régimen permanente, se mantiene siempre por encima de 49 Hz y en general por encima de 49.5 Hz. Esto supone valores aceptables que permiten que el sistema se mantenga estable sin perder sincronismo debido a las contingencias. Se han encontrado durante el estudio casos en los que la frecuencia se estabilizaba por encima de los 50 Hz esto se debe a que la contingencia producida genera una potencia deslastrada, debido a que la configuración de los relés es idéntica en muchos casos, superior a la pérdida que la produjo. Es necesario equilibrar las consideraciones económicas de la generación con la garantía de suministro, ya que es posible que el impacto económico de un fallo grave debido a la caída de la frecuencia resulte económicamente más caro que mantener los equipos en mínimo técnico. Se propone por tanto como continuación a este proyecto un estudio de impacto económico de las posibles incidencias que pueden darse en la línea. Se recuerda que este estudio sólo tiene en cuenta incidencias simultáneas en el grupo de generación síncrona, ignorando que la generación eólica no es constante ni permanente en el tiempo. Este tipo de incidencias unidas a las estudiadas, llevarían al sistema en algunos casos al colapso y se propone, por tanto, un estudio que permita reflejar esta opción. MODELING AND ANALYSIS OF INTERCONNECTED ISOLATED SYSTEMS WITH HIGH WIND POWER PENETRATION For the past decade, the increase of wind power generation in Spain has led to the irruption in the net of a new technology in a relatively tight period of time. Concerning stability and security, wind power generation might affect seriously the electric system. In order to prevent wind power generation from damaging the system security, adequate studies in stability are needed when building new wind farms. This project is focused on the analysis of frequency stability in interconnected isolated system, where high wind power generation penetration and special regime in general, may have a significant impact in the system. As study case, two insular isolated systems interconnected by a line will be presented. An isolated system is that which does not have any electric connection with others due to its characteristics. These systems are more susceptible because of their low inertia. In case of not programmed disconnections of any generator, the rest of the group must supply the energy lost by their primary regulation. This fact may result in a high percentage of generation lost or a lack of reserve which would not permit to compensate the energy lost. In cases like these, load-shedding system work to prevent the frequency from dropping under unbearable values leading to a loss of synchronism. When connecting two isolated systems by a line, it is possible power transmission between systems, increasing power reserve and minimizing the activation of load-shedding systems. This study involves the creation of a model to simulate different scenarios. The tool used for this purpose will be used Simulink from MATLAB software with the intent to schedule and automate the creation and subsequent simulation of the model, as the number of cases to simulate is very high. This model is generated up from hypothesis to simplify the calculation, however it is not the only possible model, so a comparison with another simple model is offered in this project in order to compare differences and similarities, and establish advantages and disadvantages of using both models. Present real scenarios are analyzed and compared with future scenarios created from the first, following economic and reliability criteria, taking into account forecasts of demand and wind generation, giving an overview of the situation faced by these systems. Specifically, the following cases are considered: present scenarios without wind power penetration, present scenarios with wind power penetration and, finally, future scenarios for 2015 with their corresponding wind penetration. In order to give generality to this study, two variations were taken into account: wind generation of 40% and 80% of the installed wind power in order to observe the influence of it. Thus, we obtained the results summarized below. Firstly, the choice of the model to be used, according to the results obtained will depend in large part on the accuracy and the desired level of detail required. If an approximation to the behavior of the frequency with contingency scenarios with wind penetration is wanted, a single system model would be enough, when possible limitations of the line are not relevant or can be ignored. However, if a detailed analysis of the behavior of each island system is needed, including the interconnection line, the model of two interconnected systems should be chosen. On the other hand, a limitation has been found in the model as a result of the above in Section 4.7.3 concerning the shedding and minimum limits for synchronous generation. If the shedding causes that the demand can be satisfied entirely with wind power, synchronous generators that were on during the simulation cannot be disconnected in the middle of it, just keep them in technical minimums. This causes an increase in frequency above the limits of 51-52 Hz, resulting in frequency instability. Similarly, due to the absence of regulation and its unpredictability, wind power should not fully meet demand, since there is a risk of collapse. Secondly, assumptions made at the time of this study must be taken into account. Although safety, economy and quality of supply were considered, they are still based on criteria adopted from the observation and analysis of the initial 48 scenarios, therefore more accurate results require more data about generation system and its management, about the demand forecast and penetration of energy in special regime, in this case, wind power. The limitations of the interconnection line have also been ignored because no information about them were supplied, enabling the transfer of power from island to island. This situation is ideal and in future research should be considered as it can be a very influential factor. For example, if initially the line was on the limit of its capacity and a contingency occurs in one of the isolated systems, the other system would be severely limited when it comes to support the first, because the line would not allow the circulation of power from one system to another. As for the continuity of service, it is remarkable the appearance of shedding, especially in contingencies relating to two and three generators loss (though less likely contingencies). The amount of power shed in some of the cases studied is really high and if such an emergency happens, there appears a high risk of not supplying energy to a great part of the population and / or industry. However, it is the shedding which keeps acceptable frequency values in the network. It follows that primary regulation is not enough for contingencies that mean a big loss of energy and, therefore, it is advisable to review the system and its regulation in order to maintain frequency levels without load shedding, or a plan review of the system load shedding of both islands. As to the contingencies related to a single generator, it is concluded that the influence of wind energy can be reduced and even be negligible with a coherent choice of the generating synchronous groups, keeping the criteria explained in Chapter 2, and therefore, the performance of load shedding is due only to reasons concerning only the synchronous generation. This is not applicable to contingencies of two or three generators with high wind penetration compared to the synchronous generation. High penetrations incur on, as mentioned above, major problems of stability in the system if there are serious contingencies. Frequency, in spite of the high load shedding in some cases, in steady state, is always maintained above 49 Hz and generally above 49.5 Hz. These are acceptable values that allow the system to remain stable without losing synchronization due to contingencies. Cases were found during the study in which frequency would stabilize above 50 Hz. This is caused by a contingency that generates an load shedding greater than the power lost due to the contingency itself, being so because the configuration of the relays is identical in many cases, not allowing the system to shed load step by step. It is necessary to balance economic considerations with the security of generation supply, as it is possible that the economic impact of a serious failure due to the drop in frequency is economically more expensive than maintaining generators in technical minimums. It is therefore proposed as a continuation of this project an economic impact study of the possible issues that may occur during the contingencies described. It is recalled that this study only considers simultaneous incidents in the group of synchronous generation, ignoring that wind generation is not constant or permanent in time. These type of incidents linked to the studied systems would lead to the collapse in some cases and therefore a study to reflect this option is proposed.