Análisis de servicios complementarios en sistemas de potencia eléctricos en ambientes de ...

217 Pages·2013·2.91 MB·Spanish

Análisis de servicios
complementarios en sistemas de
potencia eléctricos en ambientes de
mercados

Ancillary services Review in
Electrical Power Systems in
desregulated Market

Sandra Ximena Carvajal Quintero

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería eléctrica
Manizales, Colombia
2013
Contenido II
Análisis de servicios
complementarios en sistemas de
potencia eléctricos en ambientes de
mercados

Ancillary services Review in
Electrical Power Systems in
desregulated Market

Sandra Ximena Carvajal Quintero

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Ph.D. en Ingeniería – Línea automática

Director:
Ph.D. Santiago Arango Aramburo
Codirector:
Ph.D. Camilo Younes Velosa

Línea de Investigación:
Línea de Investigación en Mercados de energía
Grupo de Investigación:
Grupo de Redes de Distribución y Potencia
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería eléctrica
Manizales, Colombia
2013
Contenido IV
A Jorge, Tommy y Susy
A mi madre y hermanito

Agradecimientos
En primer lugar, yo quiero agradecerle a mi director Profesor Dr. Santiago
Arango Aramburo, por confiar en mí y apostar por estetrabajo cada día, por su
ayuda y disponibilidad, por su paciencia conmigo y por todas las palabras de
ánimo que me brindó durante la realización de este trabajo, muchasgracias.
También quiero agradecer, a todos mis compañeros y compañeras del
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación de la
Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, especialmente a César
Arango Lemoine y Samuel Ramírez, gracias por su apoyo y consejos valiosos
que permitieron enriquecer esta tesis doctoral.
A mis estudiantes de maestría, muchas gracias por contagiarme de la energía
positiva y ganas de aprender que los caracteriza.
A mi familia, Sebastián por estar siempre pendiente de mí y sacarme una
sonrisa, aún en los momentos más tristes de mi vida. A mi mamá, porque su
vida la ha dedicado a querernos y todos los días de mi vida me demuestra que
su amor es incondicional.
Finalmente, quiero agradecerle a mi esposo Jorge Alonso y a mis dos
hermosos hijos Tomás y Susana, freno y motor de este trabajo. Muchas
gracias porque sin el apoyo de ustedes este trabajo nunca lo hubiese
terminado. Los amo mucho.
Sandra Ximena Carvajal, 2013.

Resumen y Abstract IX

Resumen
Los servicios complementarios son aquéllos asociados a la generación, transporte y
distribución de energía eléctrica que permiten establecer un determinado nivel de
seguridad, calidad y eficiencia en el suministro. Los servicios complementarios, definidos
como fundamentales en la operación de cualquier sistema eléctrico, son los servicios de
arranque autónomo, control de tensión y control de frecuencia.En esta tesis se presenta
una evaluación de dichos servicios complementarios, teniendo en cuenta los siguientes
elementos principales: los fundamentos técnicos de cada servicio complementario, la
evaluación de costos relacionada con la implementación y provisión de cada servicio y el
análisis de posibles opciones de mercado en el ámbito nacional que permitan una
contratación eficiente y una remuneración justa. La evaluación se hizo utilizando
Dinámica de Sistemas y herramientas de simulación de redes eléctricas tales como
MATLAB y NEPLAN. Los resultados generales muestranlas siguientes conclusiones:
a. El servicio de arranque autónomo permite que su remuneración se haga a
través de un esquema de mercado, donde se propone remunerar por
disponibilidad y uso de dicho servicio. Con el desarrollo y uso de un modelo
de simulación, se observa que el precio del mercado depende del tipo de
energía primaria utilizada por las plantas con arranque autónomo debido a
que los costos incurridos por la implementación y utilización de este servicio,
es mayor en las plantas térmicas en relación con las plantas hidroeléctricas.
b. Respecto al control de tensión, se muestra que la Generación Distribuida -
GD- es una tecnología que puede proveer dicho servicio de manera eficiente.
En la tesis se analiza el efecto de aumentar los usos de la GD a través de
incentivos ambientales y técnicos, incentivos que son evaluados en un
modelo de difusión en Dinámica de Sistemas. La respuesta del modelo
apunta a que los incentivos técnicos permiten crear esquemas sostenibles,
aumentar el crecimiento de la GD, disminuir las pérdidas por baja tensión y
reducir los requerimientos de reactivos en las redes de distribución.
Contenido X

c. El aporte principal en el control de frecuencia es la evaluación de este servicio
cuando es utilizado para operar en modo isla intencional o microrred. El
control de frecuencia en las microrredes es fundamental para que se pueda
mantener la operación estable, aunque ocurran cambios imprevistos entre la
potencia activa generada y la demandada. Se plantea un modelo de
simulación, el cuál determina que es necesario un controlador análogo para
asegurar el control de frecuencia. La inversión del controlador de frecuencia
propuesto demuestra la viabilidad de la implementación de este servicio
complementario dentro de microrredes que utilicen Pequeñas Centrales
Hidroeléctricas.

Palabras clave: Arranque autónomo, Control de frecuencia, Control de tensión
Mercados de energía, Microrredes, Servicios complementarios.

Abstract
Ancillary services are those associated with the generation, transmission and distribution
of electric power that allow establishing certain level of supply safety, quality and
efficiency. Ancillary services, defined as essential in the operation of any electrical
system,compriseblackstart, voltage and frequency controlservices.This thesis presents an
evaluation of the before mentionedancillary services, taking into account the following
elements: technical foundations for each ancillary service, evaluation of the costs related
to implementation and the provision of each ancillary service, and the analysis of possible
national market options that enable efficient procurement and fair remuneration. Said
evaluation was done using System Dynamics and simulation tools such as MATLAB grids
and NEPLAN.The general results show the following conclusions:

a) Blackstart service allows its remuneration to be made through a trading scheme,
which aims to pay for availability and use of that service. The development and
use of a simulation model allows observing that the market price depends on the
type of primary energy used by plants with blackstart. This occurs because the
service implementation and use costs of thermal plants are higher in relation to
those of hydroelectric plants.
b) Distributed Generation -DG- technology can provide the voltage control service
efficiently. This thesis analyzes the effect of increasing the uses of DG through
technical and environmental incentives, which are evaluated by a diffusion model
in System Dynamics. The response of the model suggests that the technical
incentives allow creating sustainable schemes, increasing DG growth and