Desafíos de Protección Bajo La Penetración Masiva de Recursos de Energía Renovable
Desafíos de Protección Bajo La Penetración Masiva de Recursos de Energía Renovable
Desafíos de Protección Bajo La Penetración Masiva de Recursos de Energía Renovable
Estos niveles de falla son de naturaleza intermitente y es posible que los esquemas de protección
existentes no funcionen debido a su condición preestablecida. Por lo tanto, el diseño y la selección
de un esquema de protección adecuado es muy esencial para el control y la operación confiables de
los sistemas de potencia renovables integrados. Dependiendo del nivel de entrada y la ubicación de
la integración renovable, los requisitos de protección son diferentes. Para una entrada de energía
renovable baja en el nivel de distribución, la configuración del relé existente es inmune a cualquier
pequeño cambio en la corriente de falla de la red de las nuevas fuentes renovables entrantes. Sin
embargo, la alimentación a granel renovable requiere modificaciones en los esquemas de protección
existentes para acomodar la variación de la corriente de falla de las fuentes renovables entrantes.
Para la penetración a granel de las renovables, el requisito de esquemas de protección
modificados/adicionales es inevitable. Los esquemas de retransmisión adaptativa y de retransmisión
no adaptativa se discuten en la literatura para la protección de redes eléctricas, que experimentan
corrientes de falla dinámicas y topologías de red que cambian con frecuencia. Este artículo presenta
una revisión detallada de los esquemas de protección para redes de energía integradas renovables
que incluye sistemas de distribución, transmisión y micro red. Los méritos y desventajas de estos
esquemas de protección también se identifican en este artículo por el interés agregado de los lectores.
También se explora el alcance visible de los esquemas de protección avanzados que pueden ser
adecuados para proporcionar una protección confiable para redes de corriente de falla dinámica.
I- INTRODUCCIÓN
El DISEÑO y la selección de esquemas de protección adecuados son muy esenciales para el control
y el funcionamiento de los sistemas de energía. Ayuda a mejorar la confiabilidad de la potencia,
menos daños al equipo de potencia y la seguridad del personal operativo. La filosofía de protección
está bien establecida para los sistemas de energía que tienen máquinas síncronas convencionales
como su principal fuente de alimentación de fallas. Sus esquemas de protección se diseñan en la etapa
de planificación y se revisan de vez en cuando cada vez que se conectan nuevas fuentes de
alimentación de fallas a la red. La integración de las energías renovables en el sistema de energía
cambia el nivel de falla y también la alimentación es de naturaleza intermitente [1].
Los esquemas de protección que se diseñaron en la etapa de planificación pueden funcionar de manera
confiable para una entrada de baja penetración de una fuente de energía renovable (RES). Pero la
gran penetración de la RES provoca un disparo molesto de los relés de sobre corriente en los
alimentadores de distribución y su impacto puede llegar a los relés de distancia del sistema de
transmisión.
La penetración de las fuentes de energía renovables en los sistemas de energía está aumentando
constantemente y ha alcanzado alrededor del 14% en India [2] y las recomendaciones de la reciente
convención marco de las naciones unidas sobre el cambio climático (CMNUCC) en París han puesto
una urgencia por la penetración del 20% de energía renovable en el mercado de la electricidad para
2022. A partir de la experiencia del operador, los desafíos actuales de protección no son tan serios y
las técnicas de protección disponibles podrán proteger el sistema con la confiabilidad deseada. Para
el acceso universal a la energía para 2030, la agencia internacional de energía proyecta 470 TWh de
adiciones de energía RES (principalmente a través de energías renovables y diesel) contra 368 TWh
a través de redes (principalmente de combustibles fósiles). El diseño de los esquemas de protección
para esta penetración de potencia dinámica masiva es una preocupación importante para los
ingenieros de protección del sistema de potencia.
Según la potencia producida (calificación) por RES, estos se clasifican en términos generales como
micro RES (1 kW – 5 kW), pequeño RES (5 kW – 5 MW), medio RES (5 MW – 50 MW) y gran
RES (50 MW) 300 MW) [3]. En el Informe NREL [4], la gran penetración de las cuestiones
renovables se analiza en las redes eléctricas basadas en los Estados Unidos. Los niveles de penetración
se consideran del 30% al 90% para un escenario de cuadrícula 2050. En la actualidad, los niveles de
penetración de RES no son más del 40% de la capacidad total del sistema. Si los niveles de
penetración son más del 40% de la capacidad del sistema, entonces podemos considerarlo como un
RES de alta penetración.
El diseño de nuevos esquemas de protección para sistemas de energía conectados a granel RES es un
área emergente. Estos esquemas se pueden clasificar en términos generales como protección
adaptativa y filosofías de protección no adaptativa. La configuración del relé debe cambiarse según
el nivel de falla cambiante en los sistemas de energía. Todos los relés, dispositivos de conmutación y
centros de control deben conectarse a través de un protocolo de comunicación bidireccional confiable
para la implementación de esquemas de protección adaptativa [1]. En esquemas de protección no
adaptativa, la contribución de la corriente de falla del RES se minimiza o bloquea al colocar
dispositivos externos en el circuito de alimentación durante los períodos de falla [5], [6]. De esta
manera, no es necesario cambiar la configuración del relé cuando los niveles de falla varían en la red
eléctrica debido al funcionamiento intermitente de la RES conectada. La alta penetración de la RES
puede crear problemas de alcance o de sobrecarga en los relés de sobrecorriente y también podría
afectar el ajuste de alcance de zona de los relés de distancia en las líneas de transmisión aguas arriba
y conducir a una operación mal coordinada de los relés de distancia.
El futuro sistema de energía requiere esquemas de protección modificados. Este requisito será
esencial en el caso de un RES fotovoltaico basado en inversor. Las corrientes de cortocircuito de estos
recursos son extremadamente deficientes y los dispositivos de protección pueden no discriminar la
carga normal y la condición de falla debido al pequeño margen entre ellos [7]. Los nuevos esquemas
de protección, que son adecuados para una fuente de alimentación de corriente de falla débil, deben
desarrollarse en el futuro. En particular, el diseño de esquemas de protección para redes aisladas/islas
es un área de investigación emergente en sistemas de energía. Estos sistemas eléctricos son de
corriente alterna o de corriente puramente directa, donde los esquemas de protección requieren una
consideración adicional.
Este artículo de revisión discute los méritos y desventajas de varios esquemas de protección existentes
con la integración de RES en los sistemas de energía. También se discute la viabilidad de estos
esquemas de protección para la penetración a gran escala futurista RES en sistemas de energía. El
contenido de este artículo de revisión se presenta a continuación, los problemas de protección en los
sistemas de distribución conectados a RES se presentan en la Sección II y los problemas de protección
en los sistemas de transmisión conectados a RES se presentan en la Sección III y los esquemas de
protección de la micro red se presentan en la Sección IV. La conclusión y el alcance futuro de la
investigación en el sistema de energía conectado a RES también se presenta al final de este artículo.
La contribución del nivel de falla de una RES basada en síncronas (pequeñas centrales hidroeléctricas)
está en el rango de 5 a 6 veces su corriente nominal. Además, un RES fotovoltaico basado en inversor
tiene una contribución pobre de la corriente de falla en el rango de 1.1 a 2 veces la corriente nominal
[10]. En este caso, el relé de sobrecorriente existente no detecta la corriente de falla débil. En la
sección posterior de este artículo de revisión, los autores discuten nuevos esquemas de protección
basados en voltaje y corriente que pueden proporcionar efectivamente la protección para los sistemas
de distribución basados en energía fotovoltaica basados en inversores.
1) Cegamiento de la protección
Como se discutió anteriormente en la Fig. 1, la corriente de falla detectada por el relé R1 será menor
que sin una conexión RES. Esta reducción en la corriente de falla no resultará en ninguna operación
por el relé R1 y se conoce como una operación de cegamiento del relé.
2) Disparo falso o Disparo simpático
La integración de RES a gran escala en los sistemas de distribución da como resultado el flujo
bidireccional de la corriente de falla en la mayoría de los alimentadores / líneas. Un relé no direccional
de sobrecorriente puede fallar en proporcionar la protección deseada para estas redes durante la
alimentación desde la RES. Como se muestra en la Fig. 2, para una falla, el relé R2 puede dispararse
en dirección inversa debido a la operación hacia adelante del relé R1. Estos tipos de tropiezos se
conocen como falsos disparos. En los grandes sistemas de distribución interconectados, algunos relés
pueden experimentar niveles de falla mayores que su valor de activación y pueden dispararse antes
que los relés primarios / de respaldo deseados, lo que resulta en el aislamiento de una parte más grande
de la red. Estos tipos de falsos disparos se conocen como simpáticos.
3) Problemas de la isla
Como se muestra en la Fig. 3, si el nivel de corriente de falla detectado por R2 es suficiente para
dispararlo, entonces llevará a una operación de isla del RES con su carga local conectada. El
desequilibrio de potencia en la red aislada puede llevar a un funcionamiento inestable de la red de la
isla.
4) Pérdida de coordinación
Como se muestra en la Fig. 4, cuando la falla se elimina parcialmente del bus del reconectador,
todavía alimenta el RES. La corriente de falla RES inyectada puede causar la activación del arco a
través del reconectador y puede convertir una falla temporal en una falla permanente.
Como se discutió en la sección anterior, los esquemas de protección tradicionales no eran adecuados
para los sistemas de distribución con la integración de un RES. En esta sección se discuten diferentes
esquemas de protección propuestos.
La idea principal detrás del diseño de este esquema de protección es reducir la contribución de la
corriente de falla de la RES durante los períodos de falla. Esto se puede lograr controlando el voltaje
de PCC (Vpcc) usando el método de control de voltaje [11]. Durante los períodos de falla, la corriente
de referencia del convertidor (Iref) se controla de acuerdo con (1). Durante la condición de falla, si la
caída de voltaje en el bus PCC es menor que 0.88 p.u., entonces la corriente del convertidor de
referencia se puede controlar desde (1). Es una técnica simple y no se requiere ningún costo adicional
para la implementación de esta técnica. Pero no logra discriminar entre la caída de voltaje durante los
períodos de falla y la caída repentina de voltaje debido a los cambios dinámicos de carga en los
períodos transitorios. Además, si la falla está en el extremo más alejado del bus PCC y la caída de
voltaje en el bus PCC no se nota, bajo tales condiciones de falla, esta técnica de protección no puede
reducir la corriente de falla de la RES.
donde Imax es la corriente de salida máxima en Vpcc = 0.88 p.u.
Este índice (2) proporciona información sobre cuáles son las ubicaciones seguras o dónde los
márgenes de coordinación de la protección se ven menos afectados durante la penetración de la RES.
La caída en el intervalo de tiempo de coordinación se evalúa con respecto al porcentaje de penetración
del RES en el nodo PCI más alto.
En este enfoque, los operadores de red proporcionan las ubicaciones donde los impactos de la RES
son mínimos para lograr la máxima penetración de la potencia de la RES en los sistemas de
distribución. Si la RES se basa en el cliente, entonces el tamaño de la RES se optimiza, lo que no
afectará la configuración de relé existente en los sistemas de distribución. La aplicación de PCI
también se extiende a múltiples penetraciones de RES en una red de servicios [14].
Este índice también es útil para que las empresas de servicios públicos decidan la ubicación óptima
para el RES del cliente, donde el cliente puede inyectar su poder RES en el sistema de distribución
sin afectar la operación y el control existentes del sistema existente.
Los rendimientos de los tipos resistivos de FCL son más efectivos que los FCL basados en
impedancia/reactancia. El tamaño de la FCL en este enfoque híbrido es relativamente más pequeño
que los esquemas de protección no adaptativos [6].
Esquemas de protección adaptativa: en las técnicas mencionadas anteriormente, la corriente de falla
de las fuentes RES está anulada / localizada o limitada. En las técnicas no adaptativas, existen ciertas
limitaciones con el mayor nivel de penetración de las fuentes renovables. En los esquemas de
protección adaptativa, las configuraciones / características del relé se adaptan según la condición
prevaleciente de la red [17]. Se ha desarrollado un método simple de dos fases lineales para encontrar
la configuración de TDS para los relés [17]. Un esquema de protección adaptativa para altos niveles
de penetración de DG en un sistema de distribución se presentó en [1]. En esta técnica, la red completa
se dividió en zonas separadas (Zx), cada zona tiene una cantidad razonable de unidades de carga y
DG. Cada zona está separada por interruptores (Bxy) como se muestra en la Fig. 6. Un relé principal
central basado en computadora en la subestación (S / S) puede controlar todos Estos interruptores de
zona y relés DG. Durante la condición de falla, el relé principal identifica el tipo de falla, la ubicación
de la falla y dará señales de disparo a los interruptores de zona correspondientes, de modo que las
zonas restantes puedan funcionar como de costumbre. El problema con este método es que, para cada
zona, se requiere un esquema de protección separado cuando la zona se opera en modo de isla y estos
esquemas no deberían funcionar en condiciones normales (modo conectado a la red).
En los esquemas de protección adaptativa, la configuración del relé se modificará según las
condiciones de la red. Para cada futuro. En la instalación de la unidad DG, la configuración del relé
de sobrecorriente cambiará. Lukasz Huchel y Hatem H. Zeineldin propusieron un método que se
identifica de manera óptima por su configuración única de relé de sobrecorriente [19]. Estas
configuraciones son válidas para todas las futuras instalaciones de DG. Se utiliza una técnica de
optimización lineal simplex para resolver la optimización de los ajustes del relé de sobrecorriente.
Las fuentes de energía renovable son de naturaleza intermitente. Dependiendo de las diferentes
estaciones, la generación a partir de estas fuentes aumentará o disminuirá por la conexión/
desconexión de algunas máquinas en un grupo de RES. Continuamente modificará la topología de la
red. Estas son las tareas desafiantes para los ingenieros de protección para proteger el sistema con
altos niveles de penetración de fuentes renovables. Un esquema dinámico de protección adaptativa se
presentó en [20]. Es un esquema de protección de dos fases y se muestra en la Fig. 8. En fuera de
línea, se identifican las posibles topologías de red, lo que incluye activos.
La gestión de red (corte de línea y corte del generador) optimiza la configuración del relé mediante
un método de optimización no lineal de algoritmo de búsqueda diferencial (DSA) que luego se
almacena de manera grupal. En la fase en línea, la técnica adaptativa basada en difusos identifica el
grupo de topología de red y comunica la configuración de relé correspondiente a los relés
individuales. De manera similar, en [21] se presentó una técnica de hardware en adaptación de bucle.
En [23], se propone un esquema coordinado inteligente de protección y control para una red de
distribución con integración de generación eólica. Se utiliza un algoritmo de optimización basado en
el costo para calcular los valores operativos actuales optimizados para el relé. Este esquema también
minimiza el costo operacional y el riesgo del esquema de control y protección. En este esquema, la
condición de la red operada se define según el estado del interruptor y el estado del controlador
(controlador de generación de ala). El algoritmo basado en el costo optimizado propuesto identificará
la configuración del grupo optimizado para los modos de relé y controlador. Y estas nuevas
configuraciones se comunicarán a los relés.
Las energías renovables basadas en parques eólicos a granel generalmente se penetran en los niveles
de sub-transmisión y transmisión. Además del parque eólico, la penetración a granel de la energía
solar está aumentando en el tamaño de megavatios y, preferiblemente, están penetrados en la red de
transmisión [37]. Pero debido a la naturaleza variada de las fuentes renovables, afecta la filosofía de
protección existente de los sistemas de transmisión y el operador debe prestar especial atención al
diseño de esquemas de protección para sistemas de transmisión integrados con renovables. En
particular, el diseño de esquemas de protección para líneas de transmisión compensadas en estas
condiciones se vuelve más complicado [38].
Se han utilizado diversos esquemas de protección para la protección de la línea de transmisión, a
saber, protección de distancia, protección contra sobrecorriente, protección diferencial y protección
direccional del piloto. Las protecciones de distancia se basan en varias características de relé, como
mho, cuadriláteros y características poligonales [39]. Los relés de distancia con características
cuadrilaterales se utilizan principalmente para la protección de líneas de transmisión. Para una rápida
protección de las líneas, la protección diferencial también proporciona un mejor resultado en la
conjugación con esquemas de transmisión de distancia.
2) Protección de la palanca
El efecto de las nuevas regulaciones de la red de la capacidad de recorrido de fallas (FRT), que
establece que la generación de inducción de doble alimentación (DFIG) debe estar conectada a la red
durante las condiciones de falla, puede causar daños al convertidor, debido a variaciones en el
corriente. Para proteger el convertidor, se utiliza la protección de palanca que pasa por alto el
convertidor. Debido a la resistencia de la palanca, DFIG ofrece diferentes valores de la corriente de
falla en comparación con las condiciones normales para ciertos períodos [43], [48]. Esto provoca
problemas de alcance en la protección de la línea de transmisión.
Las plantas de generación basadas en parques eólicos utilizan diferentes tipos de generadores, a saber,
de inducción y sincrónicos. Los generadores de inducción de jaula de ardilla (SCIG) y los DFIG son
generadores basados en inducción. De manera similar, los generadores síncronos de rotor bobinado
(WRSG) y los generadores síncronos de imán permanente (PMSG) se basan en generadores síncronos
[45], [49] - [54]. El comportamiento de cortocircuito de los generadores de inducción es diferente.
que los generadores síncronos tradicionales, que es un factor importante para decidir las
características del relé de distancia [55].
El efecto de los parques eólicos de un solo terminal en los límites de los viajes de relé a menudo se
compara con las redes integradas de parques eólicos de doble terminal [38], [42]. En este sistema, la
resistencia de falla afecta el rendimiento del relé de distancia, se discute en la literatura [41], [44],
[45], [51], [56]. Los factores mencionados anteriormente que afectan las características del relé de
distancia se muestran en la Fig. 12. El diseño de esquemas de protección para líneas de transmisión
basadas en el viento requiere considerar las variaciones en los parques eólicos y las variaciones en
los parámetros fuera de los parques eólicos. Se han propuesto diferentes esquemas de protección para
la protección de parques eólicos de penetración masiva integrados con sistemas de transmisión. Se
trata principalmente de protección basada en la distancia con características adaptativas y esquemas
modificados de retransmisión diferencial. UNA Un breve resumen de estos dos esquemas de
protección se mencionan a continuación.
En el esquema de protección de distancia adaptativa propuesto [41], los fasores de voltaje y corriente
se recolectan desde el bus conectado RES. Después de recoger los fasores de voltaje y corriente, se
estima la impedancia equivalente del lado RES. Finalmente, al calcular la relación (IW/EA), se
estiman los factores de distribución de secuencia positiva y cero y la impedancia de error. Ahora,
según el cálculo de impedancia de error, se establecerán nuevos límites para el relé de distancia.
En [58], se usa un esquema de protección diferencial con una técnica de IA. Las señales recibidas de
las unidades de medición de fasor (PMU) se analizan y se extraen varias características mediante
diferentes transformaciones, como la transformada de Fourier discreta (DFT), el filtro de Kalman,
etc. Estas características de las cantidades operativas y de restricción se enviarán a la lógica de
decisión. donde la decisión de transmisión final se decidirá mediante una técnica de IA como el árbol
de decisión (DT), lógica difusa, red neuronal artificial (ANN), etc. El breve resumen de los esquemas
de protección de líneas de transmisión se clasifican en diferentes categorías de acuerdo con las
características de los relés que se enumeran en la Tabla II a continuación.
Una micro red es una fuente de generación localizada a pequeña escala y carga, normalmente
funcionará en modo fuera de la red. Se conecta a la red cuando la generación de energía es insuficiente
para cumplir con su carga [62]. En la Fig. 13 se muestra una red de micro red simple. Los principales
problemas de protección en un modo de funcionamiento de micro grid se enumeran a continuación.
Los niveles de falla en la red de micro red son más altos cuando está operando con un modo conectado
a la red en comparación con un modo de operación en isla [63]. En un modo de funcionamiento en
isla, solo las fuentes RES son fuentes de alimentación de corriente de falla, que tienen capacidades
limitadas de cortocircuito. Durante estos modos operativos, la discriminación de los niveles de falla
de los niveles de carga conduce a disparos molestos de los relés.
2) Coordinación y Selección de Dispositivos de Protección.
En la práctica actual, estos pequeños recursos de energía generada se desconectan durante los
períodos de falla para guardarlos contra la corriente de falla inversa del sistema principal [65]. Para
la protección de estos sistemas independientes, requerimos un esquema de protección sensible que
pueda diferenciar con precisión entre fallas cercanas y corrientes de carga. El esquema de protección
diseñado debe ser capaz de proporcionar una protección confiable tanto en los modos de operación
conectados a la red como en la isla. La revisión de los diferentes tipos de esquemas de protección de
micro redes discutidos en la literatura se muestra en la Fig.14.
En [75], se discuten dos características adicionales para el esquema de protección de control de voltaje
para sobrecorriente y protección de sobrecarga con integración RES. Los esquemas de protección
propuestos detectan la falla y limitan la corriente de salida de la unidad RES y restauran la micro red
a sus condiciones de operación normales luego de la eliminación de la falla. El esquema de protección
contra sobrecargas detecta condiciones de sobrecarga basadas en las mediciones de voltaje y limita
la potencia de salida al asignar los voltajes apropiados a los terminales de interfaz del controlador de
fuentes de voltaje de la unidad RES. El esquema de protección de voltaje controlado es más rápido
que el esquema de protección de relé de sobrecorriente convencional.
Los sistemas de energía futuristas pueden tener niveles de falla altamente dinámicos dependiendo
del nivel de integración de la RES. Los esquemas de protección basados en la adaptación serán más
efectivos para la protección de tales redes de energía. Aparte de los esquemas de retransmisión
convencionales, los esquemas de protección basados en lógica también pueden ser soluciones
confiables. El uso de un protocolo de comunicación confiable para habilitar los esquemas de
protección basados en comunicación también está ganando impulso en todo el mundo para la
protección de redes de energía basadas en RES.
V. CONCLUSIÓN
Los esquemas de protección para una red eléctrica integrada renovable son un área de investigación
en evolución importante en ingeniería de energía. La gran variabilidad y la naturaleza intermitente
de los resultados renovables en diferentes topologías de red causan variaciones en los niveles de
falla. Los relés que se configuran para el nivel de falla fija para la topología de red predefinida
experimentarán diferentes niveles de falla. Esto dará lugar a pérdidas en la protección coordinada de
los relés.