El Tiempo Crítico de Eliminación, un Factor a

El Tiempo Crítico de Eliminación, un Factor a Considerar en la Integración de Energía
Eólica en los Sistemas Eléctricos Pequeños y Aislados. Un Caso de Estudio: Sistema
Eléctrico Lanzarote-Fuerteventura Previsto para el Año 2020.
Introducción
En General, la cantidad de energía eólica que puede ser conectada en un sistema eléctrico
depende de varios factores como:
-Tamaño del sistema eléctrico
- Tecnología de la generación convencional
- Tecnología de los aerogeneradores
- Interconexiones con otros sistemas eléctricos.
Otro aspecto que debería tenerse en cuenta es el Tiempo Crítico de Eliminación (TCE),
particularmente en los sistemas eléctricos pequeños y aislados debido a sus características.
El TCE se define como el tiempo máximo que se puede mantener un cortocircuito sin que se
produzca una perturbación crítica para el sistema en su conjunto, por la presencia de uno de
los siguientes fenómenos:
- Pérdida del sincronismo de los generadores u oscilaciones entre ellos que afecten a la
estabilidad del sistema,
- Pérdidas de mercado significativas, no provocadas por el sistema de protección o por
formación de subsistemas aislados,
- Incumplimiento de los criterios de seguridad estáticos en régimen permanente después de la
perturbación.
Se puede considerar el TCE como un punto frontera a partir del cual el sistema eléctrico se
vuelve inestable. De hecho, el TCE es usado como un indicador de la estabilidad.
Los operadores de los sistemas eléctricos usan el TCE para establecer los criterios generales de
protección. Los criterios generales de protección son desarrollados para lograr sistemas de
protección que minimicen el impacto de las perturbaciones en los sistemas eléctricos.
Este trabajo investiga la relación entre el TCE y la cantidad de energía eólica que puede ser
conectada en un sistema eléctrico pequeño y aislado, como los de las Islas Canarias.
Método
La existencia de la relación entre la energía eólica conectada en un sistema y el TCE es
estudiada en el sistema eléctrico Lanzarote-Fuerteventura previsto para el año 2020, donde se
espera una cantidad significativa de energía eólica conectada.
El estudio fue realizado con la aplicación informática PSS®E V32.
Figura 1. Localización Geográfica de las islas de Lanzarote y Fuerteventura.
Figura 2. Diagrama unifilar del sistema eléctrico Lanzarote-Fuerteventura previsto para 2020.
El sistema eléctrico de Lanzarote-Fuerteventura para 2020 está compuesto por el sistema
eléctrico de Lanzarote y el sistema eléctrico de Fuerteventura debido a que ambos estarán
unidos a través de dos cables submarinos.
Hay dos centrales eléctricas, Punta Grande en Lanzarote y Las Salinas en Fuerteventura. Se
prevé que sus potencias sean 278 MW y 208 MW. Las tecnologías instaladas son motores
diésel y turbinas de gas.
La potencia pico esperada es de 384 MW.
La potencia eólica prevista para 2020 es de 88,86 MW.
Se estudió el TCE cuando se produce un cortocircuito trifásico en las subestaciones de Punta
Grande, Haría/Teguise, Las Salinas y Jandía para distintas potencias eólicas conectadas. Por lo
tanto, se realizaron numerosos análisis en el régimen dinámico con PSS®E para estudiar estos
cortocircuitos.
Resultados
Los análisis realizados muestran que los deslastres de carga ante los cortocircuitos
anteriormente nombrados pueden producirse. Estos deslastres de carga establecen los valores
de los TCE.
La figura 3 muestra los valores de los TCE obtenidos para todos los cortocircuitos estudiados.
Figura 3. Evolución de los valores de los TCE frente a la potencia eólica conectada.
Se observa un decrecimiento de los valores de TCE obtenidos a medida de que se introduce
potencia eólica en el sistema.
Esta disminución progresiva de los TCE es debido a la desconexión de los parques eólicos
después del cortocircuito y a la reducción del número de generadores convencionales
conectados.
La desconexión de la mayoría de los parques eólicos es producida por los huecos de tensión
provocados por los cortocircuitos y por las sobre tensiones subsiguientes.
Cuando tiene lugar un hueco de tensión en un sistema eléctrico pequeño, como el
correspondiente a Lanzarote-Fuerteventura, este afecta a la mayoría de los parques eólicos.
Esto puede verse en la figura 4. Esta figura ilustra la evolución temporal de las tensiones
cuando se produce un cortocircuito trifásico de 250 ms de duración en la subestación Las
Salinas.
Figura 4. Tensiones en los parques eólicos cuando se produce un cortocircuito trifásico de 250
ms de duración en la subestación de Las Salinas.
Estas desconexiones provocan un desequilibrio entre la potencia generada y la potencia
consumida, afectando a la frecuencia del sistema. Cuanto mayor es la potencia eólica
conectada, mayor será la afección a la frecuencia que provoca la desconexión de esta
potencia. Esto puede verse en la figura 5.
Cuanto mayor es la desviación de la frecuencia, más rápidamente actuarán los relés de
deslastre de carga. Por esta razón, los relés de deslastre de carga actúan antes para
cortocircuitos de menor duración.
Figura 5. Deviación de la frecuencia cuando se produce un cortocircuito trifásico de 250 ms de
duración en la subestación de Las Salinas para distintas potencias eólicas conectadas.
La disminución de los valores del TCE es también provocada por la reducción del número de
generadores convencionales conectados al sistema eléctrico. A medida de que se introduce
potencia eólica en el sistema, el número de generadores convencionales disminuye para
mantener el equilibrio entre generación y demanda. (Teorema de Boucherot).
La constante de inercia total del sistema (H) disminuye cuando se reduce el número de
generadores convencionales conectados. Considerando la ecuación de oscilación de la
máquina síncrona, cuanto menor es la constante de inercia, mayores serán las aceleraciones
angulares para un mismo desequilibrio de potencias.
Estas elevadas aceleraciones se traducen en elevadas variaciones de la frecuencia. Por lo
tanto, el TCE es alcanzado más rápidamente con duraciones de cortocircuitos menores. Estos
valores bajos de TCE pueden observarse en la figura 3. En esta figura muestra como la
pendiente de las curvas cambian significativamente entre 40 y 50 MW. La pendiente vuelve a
cambiar nuevamente entre 50 y 60 MW. Estas variaciones en la pendiente son producidas por
la reducción de la inercia total del sistema cuando los generadores convencionales son
reemplazados por la energía eólica.
Conclusiones
Como ha quedado demostrado, existe una relación directa entre el TCE y la integración de
energía eólica. De hecho, el TCE disminuye cuando la energía eólica conectada a un sistema
eléctrico es alta. Esto es principalmente debido a dos factores. El primero es la desconexión de
los parques eólicos provocada por los huecos de tensión y las subsiguientes sobretensiones
producidos por los cortocircuitos. El segundo factor es la disminución de la constante de
inercia (H) total del sistema debido a la substitución de los generadores convencionales por los
parques eólicos.
La disminución del TCE puede llegar a convertirse en un límite para la integración de energía
eólica en los sistemas eléctricos pequeños y aislados como los de las Islas Canarias.
Debido a estas desconexiones provocadas por los huecos de tensión o por las sobretensiones,
es necesario que los parques eólicos se mantengan conectados y en operación cuando se
producen cortocircuitos. En este sentido, cuando los parques eólicos se mantienen conectados
ante un cortocircuito, su influencia en el TCE será menor.
Por esta razón, no sólo es necesario que los aerogeneradores cuenten con la capacidad de
soporte de hueco de tensiones sino que también la normativa de aplicación a sistemas
eléctricos pequeños y aislados considere esta capacidad por parte de aerogeneradores.
La generación eólica debe ser considerada en el análisis del TCE. Cuando se introduce
generación eólica en distintos sistemas eléctricos, es necesario estudiar cada caso por
separado debido a que cada uno presenta características distintas que afectan al TCE. De este
modo, los esquemas de protección de los sistemas eléctricos serán más fiables y efectivos.