Impacto de la energía eólica en sistemas eléctricos de potencia y su influencia en la calidad de la energía

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA CURSO DE MÁSTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍA EÓLICA: FUNDAMENTOS Y TECNOLOGÍA

TRABAJO DE FIN DE MASTER

IMPACTO DE LA ENERGÍA EÓLICA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Y SU INFLUENCIA EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA

por Ganimedes Fernández Quiroga

Madrid, Octubre de 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA CURSO DE MÁSTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍA EÓLICA: FUNDAMENTOS Y TECNOLOGÍA

IMPACTO DE LA ENERGÍA EÓLICA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Y SU INFLUENCIA EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA

Trabajo de Fin de Curso presentado a las Ilustres Autoridades de la Universidad Nacional de Educación a Distancia, por Ganimedes Fernández Quiroga

Como requisito parcial del programa Título de Máster Universitario en Energía Eólica: Fundamentos y Tecnología

Madrid, Octubre de 2014

IMPACTO DE LA ENERGÍA EÓLICA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Y SU INFLUENCIA EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA por Ganimedes Fernández Quiroga

RESUMEN Los sistemas de generación de energía eólica exhiben variabilidad en su salida de potencia como resultado de cambios en la velocidad del viento. Esto introduce un nuevo factor de incertidumbre en la red y representa un reto para los planificadores y operadores de un sistema eléctrico de potencia en términos de la integridad del sistema y en consecuencia de la seguridad, estabilidad y calidad del servicio. Este trabajo presenta una revisión monográfica de algunos aspectos técnicos que influyen en la integración de energía eólica en la red eléctrica y su influencia en la calidad de la energía. Se realiza una revisión del estado actual de la tecnología eólica, de los sistemas utilizados en aerogeneradores convencionales, del impacto de la generación eólica sobre sistemas eléctricos de potencia, de la calidad de la energía y finalmente se expone el marco legal y normativo que regula la calidad del suministro eléctrico. Con el constante desarrollo y la actual madurez tecnológica de la energía eólica se ha logrado un incremento de la integración en red de generación eólica, lo cual hace que la potencia generada en los parques eólicos tenga un nivel de participación mayor en el mix energético. Adicionalmente, en los últimos años, se ha incrementado la cantidad de elementos no lineales en la red eléctrica (entre los cuales están los convertidores electrónicos) y por todo ello la calidad de la energía es un tema cada vez más importante. La continuidad del servicio, la estabilidad de la red y el mantenimiento de los parámetros básicos de la tensión y frecuencia requieren unos niveles de calidad de la energía muy exigentes para asegurar el funcionamiento del sistema eléctrico de potencia. Los aerogeneradores, como todas las demás fuentes de generación de energía eléctrica, deben contribuir a mantener la red estable bajo cualquier condición de operación.

Palabras Clave: Energía eólica, energías renovables, aerogeneradores, calidad de la energía.

ÍNDICE GENERAL

1. INTRODUCCIÓN 1.1. Contexto Energético Actual 1.1.1. Demanda eléctrica . 1.2. Motivación . . . . . . . . . . 1.3. Objetivos del Trabajo . . . . 1.3.1. Objetivo General . . 1.3.2. Objetivos Específicos

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1 2 5 6 7 7 7

2. ENERGÍA EÓLICA 2.1. El recurso eólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Características del Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Energía del Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 9 9 12

3. TECNOLOGÍAS DE AEROGENERADORES 3.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Clasificación de los aerogeneradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Componentes de un aerogenerador de eje horizontal . . . . . . . . . . . 3.4. Constitución general de grupo de generación eléctrica . . . . . . . . . . 3.5. Conceptos de generación de electricidad y tipos de generador . . . . . . 3.5.1. Sistemas de generación con velocidad fija . . . . . . . . . . . . . 3.5.2. Sistemas de generación con variación limitada de velocidad . . . 3.5.3. Sistemas de generación con variación de velocidad y conversión parcial de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4. Sistemas de generación con variación de velocidad, acoplamiento directo y convertidor electrónico de potencia plena . . . . . . . .

15 16 17 21 21 23 23 26

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4. VARIABILIDAD Y ESTIMACIÓN DE LA POTENCIA DE LA GENERACIÓN EÓLICA 4.1. Características de una planta de energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Indicadores de desempeño de un planta de generación eólica . . . . . . 4.3. Variación de la producción de potencia en los generadores eólicos . . .

34 34 36 37

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4.4. Variabilidad y predictibilidad de la producción de potencia en los generadores eólicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Herramientas usadas para predicción del recurso eólico . . . . . 4.4.2. Precisión de la predicción de potencia generada a corto plazo . . 4.4.3. Precisión de la predicción de potencia generada requerida por el operador del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. IMPACTO DE LA GENERACIÓN EÓLICA EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS 5.1. Efectos a corto y largo plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1. Efectos a corto plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2. Efectos a largo plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Seguridad del sistema eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Desequilibrio de Potencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Gestión de la potencia de reserva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Variación de la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4. Variación de la tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Calidad de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Potencia máxima permitida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Potencia máxima medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Potencia reactiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4. Coeficiente de parpadeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5. Factor de parpadeo por pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.6. Factor de variación de la tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.7. Maniobras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.8. Armónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.9. Control de la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Huecos de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 46 47 48 48 49 50 50 52 53 53 54 54 55 57 57 58 58 59 60

6. CALIDAD DE LA ENERGÍA 6.1. Calidad del suministro eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Continuidad del suministro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2. Calidad del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3. Calidad de la forma de onda de la tensión debido a la inyección de corrientes armónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63 67 68 69 75

7. ASPECTOS A CONSIDERAR PARA INCREMENTAR LA INTEGRACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA SIN PÉRDIDA DE CALIDAD DE LA ENERGÍA 77 8. CONCLUSIONES

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BIBLIOGRAFÍA

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