CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -CONCYT- SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -SENACYT- FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -FONACYT- FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA –USAC- INFORME FINAL EVALUACION DE ELEMENTOS PARA LA COMPENSACION DE POTENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO CON LA PRESENCIA DE GENERADORES EOLICOS PROYECTO FODECYT No. 038-2009 JORGE LUIS PEREZ RIVERA Investigador Principal GUATEMALA, 28 de septiembre de 2009
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CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -CONCYT-
SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -SENACY T- FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -FONACYT-
FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA –USAC-
INFORME FINAL
EVALUACION DE ELEMENTOS PARA LA COMPENSACION DE POT ENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO CON LA PRESENCIA
DE GENERADORES EOLICOS
PROYECTO FODECYT No. 038-2009
JORGE LUIS PEREZ RIVERA Investigador Principal
GUATEMALA, 28 de septiembre de 2009
AGRADECIMIENTOS:
La realización de este trabajo, ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, -FONACYT-, otorgado por la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología -SENACYT- y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología -CONCYT-.
TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN ..................................................................................................................... i SUMMARY ................................................................................................................... ii PARTE I......................................................................................................................... 1 I.1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 6 Justificación del trabajo de investigación ...................................................................... 9 I.3 OBJETIVOS ..................................................................................................... 10 I.4 METODOLOGIA ............................................................................................. 10 I.4.1 Localización. ..................................................................................................... 10 Herramienta para las simulaciones. ............................................................................. 16 Power System Analysis Toolbox – PSAT- .................................................................. 18 I.4.1 Las Variables .................................................................................................... 19 1.4.1.1 Variables dependientes .................................................................................. 19 1.4.1.2 Variables Independientes .............................................................................. 19 PARTE II ..................................................................................................................... 20 MARCO TEÓRICO..................................................................................................... 20 Control de Voltaje en las Barras con Generadores Eólicos ......................................... 31 Tipos de Variaciones de Tensión ................................................................................. 31 Formas de Regular Variaciones Lentas de Tensión ..................................................... 32 Medios para Producir o Absorber Potencia Reactiva .................................................. 33 PARTE III .................................................................................................................... 37 III. RESULTADOS................................................................................................. 37 III.1 Discusión de resultados..................................................................................... 37 Epoca lluviosa: ............................................................................................................. 38 Epoca seca:................................................................................................................... 39 PARTE IV. ................................................................................................................... 42 IV.1 CONCLUSIONES ............................................................................................ 42 IV.2 RECOMENDACIONES ................................................................................... 43 IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 44 IV. ANEXOS .......................................................................................................... 47 IV.1 ANEXO 1. Compensación de potencia reactiva proporcionada por los generadores existentes y barras monitoreadas. ............................................................ 48 PARTE V ..................................................................................................................... 84 V.1 INFORME FINANCIERO ............................................................................... 84
i
LISTA DE ILUSTRACIONES
Figura 1 Oferta (generación) y demanda de potencia. ................................................... 7
Figura 2 Mapa de potencial eólico de Guatemala. ....................................................... 11
Figura 3 Sistema Nacional Interconectado actual (2008). ........................................... 12
Figura 4 Triángulo de potencias. ................................................................................. 21 Figura 5 a) Triángulo de Corrientes con referencia de voltaje. b) Triángulo de potencias con expresión matemática ............................................................................................ 21 Figura 6: Tipos de carga .............................................................................................. 22 Figura 7: Modificación del triángulo de potencias por cambio en la potencia reactiva22
Figura 8: Esquema típico generador en una turbina eólica. ......................................... 24
Figura 9: Curva de capacidad de un generador. ........................................................... 24
Figura 10: Representación de una línea de transmisión............................................... 25
Figura 11: Cambiador de derivaciones de un transformador de potencia. .................. 26
Figura 12: Capacitor para compensación de potencia reactiva de un motor. .............. 27
Figura 13: Distribución de Weibull .............................................................................. 29
Figura 14: Turbina de Viento de Velocidad Constante con generador de inducción tipo jaula de ardilla. ............................................................................................................. 29 Figura 15: Generador Síncrono con control directo. ................................................... 30
Figura 16: Turbina de Viento de Velocidad Variable Doblemente Alimentada. ........ 30
Grafica 17: Diagrama simplificado de un SVC ........................................................... 35
Figura 18: Diagrama Simplificado de un STATCOM ................................................. 36
i
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Subestaciones donde se conectaron generadores eólicos. ............................. 13
Tabla 2: Lista de Generadores existentes monitoreados. ............................................ 13
Tabla 3: Barras en las cuales se monitoreo voltaje. ..................................................... 14
Tabla 4: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos. .................................. 39
Tabla 5: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos, con generador existente conectado a la misma barra de 69 kV. ......................................................................... 40 Tabla 6: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos, con generador existente conectado a corta distancia eléctrica. ........................................................................... 40 Tabla 7: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos y no hay generación existente. ...................................................................................................................... 40
Tabla 8: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos, estaciones lluviosa y seca...................................................................................................................................... 41
Tabla 9: Resultados de las barras en la cuales se conectan generadores eólicos. ........ 41
i
LISTA DE ABREVIATURAS Y ACRONIMOS AMM: Administrador del Mercado Mayorista
CNEE: Comisión Nacional de Energía Eléctrica
GE: Generador Eólico
IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineer
MEM: Ministerio de Energía y Minas
PSAT: Power System Análisis Toolbox
i
RESUMEN El proyecto fue desarrollado con el propósito de determinar el efecto de los elementos
de compensación de potencia reactiva en el Sistema Nacional Interconectado, con la
presencia de generadores eólicos. Para esto, inicialmente se consideró que el Sistema
Nacional Interconectado se divide en tres regiones principales denominadas Sistema
Central, Sistema Occidental y Sistema Oriental. Estas denominaciones, que hacen
referencia a las regiones geográficas del país, coinciden con las tres principales
distribuidoras de energía eléctrica, que son: Empresa Eléctrica de Guatemala, Sociedad
Anónima, Distribuidora de Electricidad de Occidente, Sociedad Anónima y Distribuidora
de Electricidad de Oriente, Sociedad Anónima.
Como se puede observar en el mapa eólico de Guatemala, geográficamente, es en la
región del Sistema Oriental donde se ubican las áreas con mayor potencial para el
aprovechamiento de la energía eólica. Por este motivo, el estudio se concentró en
subestaciones y centrales generadoras del Sistema Nacional Interconectado que
estuvieran en la misma región.
Para evaluar la interacción existente en un momento determinado para diversos
elementos de un sistema eléctrico, tales como: centrales generadoras, transformadores de
potencia, líneas de transmisión, transformadores de tomas regulables, capacitores, etc. la
única forma práctica y aceptable de hacerlo es mediante la simulación con herramientas
computacionales. Para el presente estudio, como herramienta de trabajo se utilizó el
programa Power System Analysis Toolbox, por ser de uso libre y poseer las
características necesarias para desarrollar las simulaciones requeridas.
Cuando los generadores eólicos son conectados o puestos en operación, ya sea que se
encuentren ubicados en la misma subestación o en subestaciones cercanas, se observa que
la compensación de potencia reactiva de los generadores existentes, por sus propios
límites de operación, resultan ser poco efectivos en la compensación de potencia reactiva
requerida por los generadores eólicos.
ii
SUMMARY
This project was developed to determine the effect that the reactive power devices have
in the National Power System taking into account the injection of wind power generators.
This study was developed considering that the National Power System is divided into
three regions namely, Central System, Eastern System and the Western System where
each one is refered to the geographical regions of the country, and such regions coincides
with the service cover of the three most important Distribution Companies in Guatemala:
Empresa Eléctrica de Guatemala, Sociedad Anónima, Distribuidora de Electricidad de
Occidente, Sociedad Anónima y Distribuidora de Electricidad de Oriente, Sociedad
Anónima respectively.
It is important to note, that since a geographic point of view (see figure 01), the
western region is where the most important wind potential areas are located in order to
take advantage for the wind power generation. Due to that, this study was focused in the
main substations and generation centrals of the National Power System that coincides
with this important region.
In order to evaluate the interaction that exist between various elements in the national
power system, such as: generation centrals, power transformers, transmission lines,
capacitors, under load tap changing transformers, among others, there is only one way to
do that, and is by means of simulation techniques by using computer based tools.
For the present study, as working tool the Power System Analysis Toolbox was used,
due to it is free and has the necessary features to develop the required simulations.
When the wind power generators are connected or being in operation, either they are
located in the same substation or they are located in near substations, it is important to
note that the operation limits of the wind generator itself are not effective to proceed to
the reactive power compensation required by the wind power generators, being necessary
to use external reactive power compensation devices.
1
PARTE I
I.1 INTRODUCCIÓN Los circuitos eléctricos o sistemas eléctricos de potencia básicamente están formados
por cuatro elementos: la fuente de energía; como las baterías o los generadores eléctricos;
la carga que consume la energía, como una bombilla o un motor; el medio que transporta
la energía desde la fuente a la carga, como un alambre o una línea de transmisión; y un
mecanismo de control para el circuito, como lo es el apagador de la bombilla o el
interruptor de potencia, ya sea para su operación o como mecanismo de protección.
Como se puede notar en una casa, una oficina o una fábrica, en alguna ocasión es
probable que se escuche o asocie la poca intensidad con que una bombilla nos ilumina, no
solamente a que puede ser de baja potencia, sino a que se está recibiendo un servicio de
energía eléctrica con una calidad que puede no ser aceptable tanto a la percepción de las
personas como para el funcionamiento de los aparatos eléctricos.
Sobre la percepción en la calidad de servicio de energía eléctrica, también se nota
que, por ejemplo, la intensidad de la iluminación se reduce a determinadas horas del día,
principalmente cuando inicia la noche. Una de las causas principales de este
comportamiento se debe a que es cuando el sistema eléctrico de potencia tiene conectada
una mayor cantidad de carga. O sea, una mayor cantidad de carga o un mayor consumo
de energía eléctrica traen como consecuencia que reducción o disminución en la calidad
de este dicho servicio si no existen los medios suficientes para mantener dicho servicio en
las condiciones requeridas.
Para medir la calidad del servicio de energía eléctrica existen varios parámetros
eléctricos. En el Reglamento de la Ley General de Electricidad, el artículo 101 indica que
“La calidad de servicio se medirá tomando en cuenta los siguientes parámetros: 1.
2
Calidad del producto. a) Nivel de tensión, b) Desequilibrio de fases … “ (Ministerio de
Energía y Minas, 1997). Para el interés de este estudio, el voltaje es el parámetro que se
asocia generalmente como una de las consecuencias del incremento de la carga con un
efecto o tendencia a provocar reducciones en el mismo; por consiguiente, al reducir la
carga se puede esperar el efecto contrario.
Para controlar estos cambios de voltaje existen varios dispositivos, medios o
mecanismos que contribuyen o permiten a que el sistema eléctrico de potencia pueda
funcionar dentro rangos aceptables. Para tener esta acción de control se puede realizar la
compensación de potencia reactiva durante todo el tiempo en el funcionamiento de todos
los sistemas eléctricos de potencia.
Entonces, cuando se amplía el estudio del comportamiento del voltaje y de los medios
para la compensación de potencia reactiva, se llega a uno de los fenómenos que se
presenta en la operación de los sistemas eléctricos de potencia denominado “estabilidad”,
como una condición de equilibrio entre fuerzas opuestas”, “Kundur, P. 1994), que luego
tiene varias denominaciones según su origen, y se refiere a la tendencia a mantener el
sistema operando en un estado aceptable ante las diversas fuerzas de acción contraria que
afectan su funcionamiento.
En este estudio, la estabilidad que interesa es la asociada al voltaje y se le denomina
“estabilidad de voltaje”, cuyos efectos suelen ocurrir en sistemas eléctricos fuertemente
cargados y que consiste en “la capacidad de un sistema de alcanzar niveles de tensión
fijos, mayores que cero, en todos los nudos después de haber sufrido cualquier
perturbación” (Gómez Expósito, A., 2002). Además, como consecuencia de una
inestabilidad de voltaje, se puede llegar a los colapsos de voltaje como resultado de una
variedad de causas adicionales, tales como el efecto de los límites de control de
voltaje/potencia reactiva en generadores, características de la carga, características de los
dispositivos de compensación de potencia reactiva, la acción de dispositivos de control de
voltaje como los cambiadores de derivación bajo carga de los transformadores de
potencia. (Grainger, J. J., Stevenson, W. D., 1996).
3
El problema que se tiene con estas reducciones de voltaje, que pueden llevar a los
colapsos de voltaje, es que una parte del sistema eléctrico tiene sus voltajes fuera de los
rangos aceptables de operación y pueden hacer operar dispositivos que, para proteger al
sistema, provoca la desconexión de algunos elementos del mismo, dando, en algunos
casos, lugar a los apagones parciales o totales.
Los generadores eólicos, que por lo general son generadores asíncronos, no son más
que motores de inducción que pueden entregar potencia activa a la red, pero siempre
demandan de esta la potencia reactiva, para lo cual se tienen dispositivos como los que ya
se han mencionado. Por lo tanto, existe una capacidad máxima de potencia proveniente
de generadores eólicos que pueden ser conectados a los sistemas eléctricos, por el efecto
que tienen estos generadores en la estabilidad de voltaje. (Arosemena, C. J., 2004).
La instalación de generadores eólicos, cada vez de mayor potencia unitaria y de
mayor cantidad, sigue avanzando el mundo. En países como Estados Unidos, España y
Alemania, que por ahora son los que ocupan los primeros lugares de capacidad de
potencia instalada para la generación de energía eléctrica proveniente de generadores
eólicos (World Wind Energy Asociation, 2009). Los estudios que miden el impacto
eléctrico en sus sistemas eléctricos de potencia, naturalmente realizados por medio de
programas de simulación, y corroborados por los resultados operativos, han promovido
mejoras por parte de los fabricantes de generadores eólicos en el diseño y construcción de
los medios para el aporte de la potencia reactiva en el control de voltaje.
Los resultados han sido que, poco a poco, el porcentaje de potencia generación
proveniente de generadores eólicos ha ido aumentando, mientras se mantengan los
parámetros eléctricos, como el voltaje, dentro de rangos aceptables para la operación.
Es oportuno mencionar estos estudios sobre el comportamiento de voltaje, como
consecuencia de la incorporación de los generadores eólicos en los sistemas eléctricos de
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potencia, tiene su origen en la aleatoriedad del comportamiento del viento como fuente de
energía.
Este es otro tema que también merece ser investigado en Guatemala, como lo hacen
otros países, mediante el desarrollo de métodos estadísticos de predicción que tiendan a
mejorar la estimación de la potencia eléctrica que puede ser generada, puesto que la
potencia eléctrica es uno de los productos eléctricos que tienen un fuerte impacto el la
recuperación de la inversión de capital en los proyectos de generación de energía
eléctrica.
Actualmente hay varios proyectos de generación eólica en Guatemala que, según las
normas vigentes, particularmente la Norma de Coordinación Comercial No. 2 indica que
la “Oferta Firme de centrales eólicas. Para considerar que una central eólica tiene Oferta
Firme, deberá fundamentar la potencia que puede garantizar a lo largo de todo el Año
Estacional, mediante un estudio basado en registros de viento de velocidad y altura de por
lo menos 5 años, considerando además la indisponibilidad forzada que se produce en la
misma como consecuencia de la pérdida de viento no previstas en la programación
diaria.” (Administrador del Mercado Mayorista, 2007) Esto se refiere, entre otros
aspectos, que se requiere de cinco años de registros de viento para que sus ofertas de
potencia eléctrica puedan tener mejores condiciones de ser comercializadas en el
Mercado Mayorista.
Por lo tanto, como se indicó en el párrafo anterior, los estudios de predicción podrían
llevar a que ese período de cinco años pueda reducirse e incentivar de esta forma la
instalación de generadores eólicos. Este tema del viento se deja hasta aquí por no ser el
motivo del presente estudio, pero es claro que ambos están estrechamente relacionados.
Aunque las estimaciones del Ministerio de Energía y Minas indican un fuerte
potencial de energía eólica, como resultados de proyectos específicos o de mediciones
que se siguen realizando, no se conocen antecedentes de estudios desde el punto de vista
del impacto eléctrico en el Sistema Nacional Interconectado que traten de determinar
5
cuánta potencia proveniente de generación eólica puede ser conectada, sin provocar
efectos no aceptables en el comportamiento del voltaje. Este es un tema importante que
requiere ser investigado, para darle seguimiento al presente trabajo.
Para delimitar el estudio, se tuvo como objetivo evaluar la conexión de los
generadores eólicos y medir su efecto analizado en el comportamiento del voltaje en
barras de 69 kilovoltios. Se eligió el Sistema Oriental, del Sistema Nacional
Interconectado porque, como se mencionó antes, es ahí donde se encuentra el mayor
potencial eólico para la generación de energía eléctrica. Algunas de estas subestaciones
corresponden con ser el punto de conexión de actuales centrales generadoras al Sistemas
Nacional Interconectado, mientras otras son solamente subestaciones para la distribución
de energía eléctrica.
Para el desarrollo del estudio se utilizó el programa Power System Analysis
Toolbox, que es de uso libre y tiene las características necesarias para realizar el estudio.
Aunque los modelos disponibles en el programa tuvieron una respuesta satisfactoria, se
tuvo la limitación en cuanto a poder variar el control de voltaje; esto no era un objetivo
del estudio, pero hubiera permitido realizar mas casos que los inicialmente previstos y dar
un aporte adicional en el estudio.
El presente estudio tenía como propósito servir de paso inicial para estudios
posteriores, en la determinación del efecto que tienen los medios de aporte de potencia
reactiva, cuando se tienen generadores eólicos.
A partir del conocimiento que se tiene de otros estudios y de la simulaciones
realizadas, los resultados muestran que los generadores existentes analizados tienen poco
efecto mediante su aporte de potencia reactiva en otras barras del Sistema Nacional
Interconectado, en lo que se refieren al control de voltaje, dadas sus limitaciones por la
poca potencia disponible.
6
La compensación local de potencia reactiva sigue siendo mas eficaz, con la presencia
de generadores eólicos (Arosemena, C. J. 2004), principalmente si estos poseen su propio
mecanismo de aporte de potencia reactiva.
I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Antecedentes en Guatemala
Partiendo de las definiciones de la Ley General de Electricidad, se tiene que “Sistema
Eléctrico Nacional: Es el conjunto de instalaciones, centrales generadoras, líneas de
transmisión, subestaciones eléctricas, redes de distribución, equipo eléctrico, centros de
carga y en general toda la infraestructura eléctrica destinada a la prestación del servicio,
interconectados o no, dentro del cual se efectúan las diferentes transferencias de energía
eléctrica entre diversas regiones del país.”(Congreso de la República de Guatemala,
1996), mientras que “Sistema nacional interconectado: Es la porción interconectada del
Sistema Eléctrico Nacional.”(Congreso de la República de Guatemala, 1996)
O sea que, en términos generales, la diferencia principal entre estas dos definiciones
se encuentra en la consideración de la posible existencia de sistemas aislados que, por
alguna razón no establecida, no pueden ser llamados Sistema Nacional Interconectado,
así como de otras posibles instalaciones que se considere no cumplan con las definiciones
anteriores, como puede ser una hidroeléctrica o una instalación fotovoltaica que le
suministra el servicio de energía eléctrica a una casa o finca.
Excepto por casos como los mencionados al final del párrafo anterior, con la
conexión del Sistema Asilado de Santa Elena, Petén, en marzo de 2009, al que
conocemos como Sistema Nacional Interconectado, actualmente este estaría muy
próximo a ser equivalente al Sistema Eléctrico Nacional.
Según la base de datos del Administrador del Mercado Mayorista, la cual está
disponible para hacer estudios eléctricos, y que fuera utilizada para este proyecto, para el
7
año estacional de mayo de 2009 a abril de 2010, las cantidades de los principales
elementos del Sistema Nacional Interconectado son: 240 unidades generadoras, 479
líneas de transmisión, 247 transformadores de potencia, 50 bancos de capacitores, 3
bancos de reactores, 642 barras de diversos voltajes.(Administrador del Mercado
Mayorista, 2009) Cabe mencionar en este punto que todos los elementos mencionados, de
alguna manera afectan o permiten el control de voltaje.
La incorporación de instalaciones al Sistema Nacional Interconectado se da de
manera natural en el crecimiento de los sistemas eléctricos de potencia. Como no es la
intención dar a conocer la historia del sistema eléctrico guatemalteco, la figura 1
solamente muestra como se ha dado el crecimiento en función de la capacidad instalada
de la generación, que constituye la oferta del servicio, y de la demanda de potencia.
Figura 1. Oferta (generación) y demanda de potencia.
Fuente: Prado C., J. R., 2005 y FODECYT 038-2009
La figura anterior muestra períodos en los cuales la demanda está muy cercana a la
capacidad disponible. Los puntos donde la demanda es mayor que la oferta, puede
8
deberse a alguna inconsistencia en los datos. Con esto, bajo determinadas circunstancias
puede darse un déficit en el suministro del servicio, que puede ser por falta de potencia,
porque hay muchas centrales eléctricas fuera de servicio, o por falta de energía, porque
las fuentes de energía son escasas como sucede con la baja producción de las
hidroeléctricas cuando los inviernos traen pocas lluvias.
Además de las situaciones anteriores, otra causa de posibles deficiencias, incluyendo
el déficit del servicio, puede ser la falta de líneas de transmisión o de capacidad de
transformación en las subestaciones, o un crecimiento retardado en la construcción de las
redes de distribución, que no alcanzan a satisfacer adecuadamente a la demanda.
En otros estudios (Arosemena, C. J., 2004) se han estudiado los distintos medios de
compensación de potencia reactiva, principalmente en redes reducidas representadas en
los modelos propuestos por el Institute of Electrical and Electronic Engineering, conocido
por sus siglas IEEE, tales como: los capacitores, los generadores síncronos, los
compensadores estáticos de voltamperios y los mecanismos que utilizan electrónica de
potencia.
Específicamente no se conoce de estudios de compensación de potencia reactiva que
se hayan elaborado para el Sistema Nacional Interconectado, adicionales a los estudios
eléctricos realizados por el Administrador del Mercado Mayorista en la Programación
Anual Estacional 2009-2010 (Administrador del Mercado Mayorista, 2009). También se
pueden mencionar el Plan de Expansión de la Transmisión 2008-2018 (Comisión
Nacional de Energía Eléctrica, 2008) y el Plan Indicativo de la Generación 2008-2022
(Comisión Nacional de Energía Eléctrica, 2008), que fueron publicados por la Comisión
Nacional de Energía Eléctrica.
Sin embargo, estos estudios, arriba mencionados, aunque tienen un carácter indicativo
como el que pretende el presente proyecto de investigación, no tienen como finalidad
determinar requerimientos de potencia reactiva para compensar el efecto de los
generadores eólicos.
9
Justificación del trabajo de investigación
La importancia de esta investigación radica en el potencial eólico que Guatemala
posee, el cual asciende a 7,800 MW, según datos del Ministerio de Energía y Minas
(Ministerio de Energía y Minas), cuya explotación podría estar limitada por el interés de
los inversionistas, debido a los costos actuales del kilo watt instalado y, por otro lado, por
la baja reserva de potencia reactiva que se tiene en el Sistema Nacional Interconectado.
El Ministerio de Energía y Minas está gestionando las solicitudes para incorporar 5
parques eólicos al Sistema Nacional Interconectado, de los cuales dos de ellos han
indicado tener 15 MW y 33 MW (Ministerio de Energía y Minas). Los resultados del
presente estudio les dará información importante a diversas entidades, como el Ministerio
de Energía y Mina, la Comisión Nacional de Energía Eléctrica, así como a los posibles
inversionistas en proyectos de generación por medio del aprovechamiento de la energía
eólica, sobre el efecto que sus proyectos pueden causar en el funcionamiento del Sistema
Nacional Interconectado, debido a la falta de ampliaciones del sistema de transmisión o a
la deficiente disponibilidad de medios para la compensación de potencia reactiva.
La falta de ampliaciones en el sistema de transmisión ha dado como resultado que
desde años recientes el margen de reserva de potencia reactiva sea mínimo, por lo que se
están teniendo voltajes en varias áreas del Sistema Nacional Interconectado donde los
voltajes están muy próximos al límite inferior de la tolerancia permitida por las Normas
Técnicas de Calidad del Servicio de Transporte y Sanciones (Comisión Nacional de
Energía Eléctrica, 1998).
Por lo tanto, en la actualidad pueden existir limitaciones para la incorporación de
generadores eólicos en el Sistema Nacional Interconectado por la baja reserva de potencia
reactiva que se tiene, lo cual hace necesario que se tomen las medidas necesarias para que
los proyectos eólicos posean los dispositivos de aporte de potencia reactiva para el
control de voltaje, como los simulados en el presente estudio, teniendo una adecuada
evaluación de sus requerimientos para que las inversiones no se vean afectadas.
10
I.3 OBJETIVOS
I.3.1 Objetivo general
Evaluar cuál es el elemento adecuado para realizar la compensación de potencia
reactiva en el Sistema Nacional Interconectado con la presencia de generadores eólicos.
I.3.2 Objetivos específicos
• Evaluar diferentes elementos de compensación de potencia reactiva en cinco barras
de 69 kilovoltios del Sistema Oriental del Sistema Nacional Interconectado.
• Comparar el efecto de la compensación de potencia reactiva de los generadores
existentes, en el área de influencia de las barras seleccionadas, con los otros
elementos evaluados.
I.4 METODOLOGIA I.4.1 Localización.
La región geográfica donde se realizó la investigación corresponde al suroriente del
país, en los departamentos de: Guatemala, Escuintla, Santa Rosa, Jutiapa y Zacapa, que
es el territorio guatemalteco donde se ubican las regiones de mayor potencial para el
aprovechamiento del viento con fines de generación de energía eléctrica. Las coordinas
de los puntos o lugares de estudio se detallan en las Tablas 1, 2 y 3. Como primer paso
para el desarrollo del estudio, se analizó el mapa eólico de Guatemala, representado por
la figura 2.
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Figura 2 Mapa de potencial eólico de Guatemala.
Fuente: http://swera.unep.net/
Luego, se obtuvo un mapa de Guatemala con la ubicación de las líneas y
subestaciones del Sistema Nacional Interconectado, como se muestra en la figura 3.
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Figura 3 Sistema Nacional Interconectado actual (2008).
Fuente. CNEE. Plan de Expansión del sistema de Transporte.
De la superposición de los dos mapas anteriores, se pudo observar de manera
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aproximada cuáles eran las subestaciones y centrales generadoras existentes que están
más cerca de los puntos potenciales para la ubicación de las posibles centrales eólicas.
De la revisión de las instalaciones, fueron seleccionadas seis barras del Sistema Oriental
del Sistema Nacional Interconectado para realizar el estudio, las cuales se identifican en
la Tabla 1.
Tabla 1: Subestaciones donde se conectaron generadores eólicos.
BARRA SUBESTACION MUNICIPIO DEPARTAMENTO COORDENADAS
PRO EL PROGRESO El Progreso Jutiapa
-89 º, -51 ', -10.5105 ”
LVG LA VEGA Pueblo Nuevo Viñas Santa Rosa
-90 º, -27 ', -5.25089 ”
LES LOS ESCLAVOS Cuilapa Santa Rosa
-90 ° , -17 ' , -28.2628 ''
MYE MAYUELAS
-89 ° , -22 ' , -54.4875 ''
PAN PANALUYA Río Hondo Zacapa
-89 ° , -35 ' , -32.4361 ''
QUE QUEZALTEPEQUE Quezaltepeque Chiquimula
-89 ° , -27 ' , -8.54246 ''
Fuente: Administrador del Mercado Mayorista, www.google.com/earth y FODECYT 038-2009
Para el análisis del aporte de potencia reactiva proveniente de los generadores
existentes, igualmente se seleccionaron centrales eléctricas ubicadas o conectadas
directamente a las subestaciones anteriores, como es el caso de La Vega y Los Esclavos,
así como de otras subestaciones donde solo se tiene la conexión de las centrales eléctricas
correspondientes. Estos generadores se indican en la Tabla No. 2.
Tabla 2: Lista de Generadores existentes monitoreados.
BARRA NOMBRE DE LA BARRA MUNICIPIO DEPARTAMENTO COORDENADAS
Las Tablas 5 y 6 presentan los resultados en el comportamiento del aporte de potencia
reactiva de los generadores existentes cuando el generador eólico se conecta a la barra de
69 kV de la subestación de la misma central generadora.
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Nótese que en la Tabla 5, se reduce la potencia reactiva que el generador existente
toma del sistema. Mientras que, en la Tabla 6, no hay reducción de la potencia reactiva
que el generador existente toma del sistema, lo cual puede ser porque en este caso el
generador eólico está cercano a la central generadora existente, pero hay un pequeño
tramo de línea de 13.8 kV que los separa.
Tabla 5: Barras en las cuales se conectan generadores eólicos, con generador existente conectado a la misma barra de 69 kV. EPOCA LLUVIOSA - DEMANDA MAXIMA
V [kV] P gen [MW] Q gen [MVar]
Bus Caso Base Con GE % Caso Base Con GE % Caso Base Con GE %
3. ADMINISTRADOR DEL MERCADO MAYORISTA. (2008) Informe
estadístico 2008, 10 años del Mercado Mayorista. Pp 13. 4. ADMINISTRADOR DEL MERCADO MAYORISTA. (2007) COMISION
NACIONAL DE ENERGIA ELECTRICA. Norma de Coordinación Comercial No. 2. Oferta Firme. Resolución 216-01., Modificada por la Resolución 659-01 del Administrador del Mercado Mayorista y aprobada por medio de la resolución CNEE-96-2006. Guatemala, 13 de Septiembre de 2007. Pp 49.
5. AROSEMENA, Carlos Julio (2004). Estabilidad de tensión en un sistema
eléctrico de potencia variando la penetración eólica. CAEsof Consulting, S. L. España. Pp 12, 19, 21, 22.
6. BERGEN, A. R. & VITTAL, V.A. (2000) Power Systems Analysis. Prentice
Hall. Second Edition. United States. Pp 90-116.
7. COMISION NACIONAL DE ENERGIA ELECTRICA. (2008). Plan de Expansión del Sistema de Transporte 2008-2018. Guatemala. Pp 4.
8. COMISION NACIONAL DE ENERGIA ELECTRICA. (2008). Plan de Expansión Indicativo del Sistema de Generación 2008-2022. Guatemala. Pp 3.
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Continuación. IV.1 ANEXO 1. Compensación de potencia reactiva proporcionada por los generadores existentes y barras monitoreadas. A-11
SUBESTACION EL PROGRESO - EPOCA SECA - DEMANDA MAXIMA V [kV] P gen [MW] Q gen [MVar]
Bus Caso Base Con GE % Caso Base Con GE % Caso Base Con GE % GEN-B1 13.800 13.800 0.00 20.600 20.600 0.00 -0.178 -0.298 67.15 GEN-B2 13.800 13.800 0.00 10.300 10.300 0.00 -0.232 -0.352 51.53 LES-H 6.900 6.900 0.00 13.600 13.600 0.00 1.296 1.028 -20.67 PAS-H1 4.160 4.160 0.00 5.000 5.000 0.00 0.625 0.349 -44.12
Continuación. IV.1 ANEXO 1. Compensación de potencia reactiva proporcionada por los generadores existentes y barras monitoreadas. A-12
SUBESTACION QUEZALTEPEQUE - EPOCA SECA - DEMANDA MAXIMA V [kV] P gen [MW] Q gen [MVar]
Bus Caso Base Con GE % Caso Base Con GE % Caso Base Con GE % GEN-B1 13.800 13.800 0.00 20.600 20.600 0.00 -0.178 -0.230 29.20 GEN-B2 13.800 13.800 0.00 10.300 10.300 0.00 -0.232 -0.284 22.41 LES-H 6.900 6.900 0.00 13.600 13.600 0.00 1.296 1.319 1.73 PAS-H1 4.160 4.160 0.00 5.000 5.000 0.00 0.625 0.600 -3.97
Investigador Principal y/o Responsable del Proyecto: ING. JORGE LUIS PÉREZ RIVERAMonto Autorizado: Q24,200.00Plazo en meses 4 MESES Fecha de Inicio y Finalización: 01/05/2009 al 31/08/2009
Menos (-) Mas (+)
1 Servicios no personales
181 Estudios, investigaciones y proyectos de factibilidad 14,000.00Q 10,500.00Q 3,500.00Q
181Estudios, investigacionesy proyectos de factibilidad(Evaluación Externa de Impacto) 8,000.00Q 8,000.00Q
2 MATERIALES Y SUMINISTROS -Q
3PROPIEDAD, PLANTA, EQUIPO EINTANGIBLES -Q GASTOS DE ADMÓN. (10%) 2,200.00Q 2,200.00Q -Q
24,200.00Q 12,700.00Q 11,500.00Q
MONTO AUTORIZADO 24,200.00Q Disponibilidad 11,500.00Q
(-) EJECUTADO 12,700.00Q SUBTOTAL 11,500.00Q
(-) CAJA CHICA -Q TOTAL POR EJECUTAR 11,500.00Q
TRANSFERENCIA
"EVALUACIÓN DE ELEMENTOS PARA LA COMPENSACIÓN DE POTENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO CON LA PRESENCIA DE GENERADORES EÓLICOS"