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Soluciones Creativas para la Planta Generadora de Energía Eólica de Kumeyaay Las Necesidades de Control del Sistema Requieren Soluciones Creativas La continuidad y la confiabilidad son críticas tanto para la empresa que hace la interconexión como para el propietario del proyecto. POR FRANK GREB, ROBERT VOSBERG Y DAN WAGNER La planta generadora de energía eólica de Kumeyaay se asienta sobre un cerro, frente a la carretera Interestatal 8, aproximadamente a una hora al este de San Diego en el Sureste de California. La majestuosa línea de 25 turbinas, de manera silenciosa y confiable, produce suficiente electricidad para abastecer a más de 30,000 hogares, y se parece mucho a tantos otros parques eólicos en Estados Unidos. Como sucede con muchos parques eólicos, la planta de Kumeyaay se localiza en un área relativamente lejana, lo que, por consecuencia, hace que la planta de generación eólica esté ubicada muy lejos de los centros de carga. Las limitadas capacidades del sistema de transmisión y el hecho de que la planta eólica está lejos de un centro de carga requerían soluciones únicas en su tipo para permitir la interconexión de la planta de generación eólica. Conforme se van construyendo más plantas eólicas en todo el país, y el sistema de transmisión se va ampliando para incorporar la adición de las plantas eólicas en lugares lejanos, el enfoque y la atención en las necesidades eléctricas pormenorizadas son esenciales para que el flujo de energía se mantenga continúo y confiable. La continuidad y la confiabilidad son esenciales tanto para la empresa que hace la interconexión como para el propietario del proyecto. Durante la etapa de desarrollo de cualquier proyecto importante, la contratación de los servicios de ingenieros electricistas competentes y experimentados es crítica para garantizar que se exploren soluciones rentables antes de que se hagan los compromisos para el proyecto. Para el ingeniero no electricista, principiante o desarrollador inexperto, el solo lenguaje técnico de los aspectos de interconexión a la red eléctrica puede ser abrumador. Sin embargo, las tecnologías nuevas y las soluciones creativas pueden facilitar el éxito del proyecto en condiciones y limitaciones difíciles. Historia de Desarrollo Un sistema colector subterráneo lleva la energía hasta una subestación propiedad de la planta eólica, donde el voltaje es subido hasta 69 kV y transportado una milla hasta el punto de interconexión con la red. El punto de interconexión con la red eléctrica es una subestación que se conoce como Crestwood, propiedad de la empresa Gas & Electric de San Diego (SDG&E). La subestación Crestwood de SDG&E (69 kV) está ubicada en una línea de transmisión de aproximadamente siete millas de largo. En condiciones de falla en el sistema, el sistema de 69 kV se opera en una configuración radial de 25 millas, o más, de longitud. La naturaleza radial del sistema de 69 kV y la larga línea de transmisión radial de 69 kV en condiciones de falla necesitaban restricciones operativas específicas.
Estas restricciones operativas del sistema planteaban varios y singulares retos. Por ejemplo, las instalaciones de la planta eólica pueden satisfacer los requisitos de regulación del voltaje y del factor de potencia a través de una combinación de control reactivo de la turbina eólica y capacitores instalados en la subestación de la planta eólica. La Planta Generadora de Energía Eólica de Kumeyaay utilizó tanto el control reactivo de turbinas como los capacitores, pero también necesitó la instalación de reactores para interconectarse, de forma eficaz, con la red de transmisión. Asimismo, se necesitaba que la planta eólica redujera la generación a un nivel específico y a un nivel de arranque predeterminado, lo cual es un tanto raro para una planta eólica. Se necesitaron amplios estudios, incluyendo análisis de flujo de carga de estado constante, para cumplir con las restricciones operativas y con el acuerdo de interconexión del proyecto para garantizar un funcionamiento continuo y confiable de la planta. Estos exhaustivos estudios concluyeron las necesidades del factor de potencia, la regulación del voltaje y la limitación del aumento de voltaje en un sistema de 69 kV a un nivel máximo de 71 kV, lo cual se podía lograr con un sistema de VAR dinámico. El equipo de compensación reactiva que está a la derecha de la subestación incluye dos reactores de 4 MVar, dos bancos de capacitores de 6 MVar y un compensador adaptable de Var de 6 MVar (AVC). El equipo regula la salida de voltaje en los 69 kV. Opciones para Conexión del Equipo
El sistema PureWave se conecta a una barra colectora eléctrica de 34.5 kV en la subestación de la planta eólica y permite un margen continuo de control reactivo de -8 MVAR a +18 MVAR, todo con conmutación “suave”. Todos los componentes se localizan lejos de la barra de la subestación en el interior del área cercada de la subestación de la planta eólica. Se conecta con la barra de la subestación a través de un sistema de cableado y un interruptor automático de 34.5 kV. La restricción de la generación es importantísima para la estabilidad del sistema de transmisión en el área de la planta eólica. El sistema es una unidad que funciona con microprocesadores y se conmuta con tiristores. Continuamente conmuta los capacitores y/o reactores en pasos individuales mediante el uso de tiristores. La conmutación se realiza mecánicamente. El sistema responde en un margen de tiempo de ocho a 16 milisegundos para compensar los cambios de voltaje y el control del factor de potencia. El sistema monitorea continuamente los voltajes del mismo y la corriente de línea en la subestación de la planta eólica y corrige dichos valores a los anchos de banda o los puntos de control especificados. El sistema AVC actualiza el patrón de conmutación de los capacitores cada medio ciclo para controlar la corriente reactiva variando la potencia reactiva suministrada por el sistema. El sistema AVC controla la conmutación de los reactores y los capacitores en una forma de respuesta rápida para dar ajuste y regulación uniformes del voltaje o del factor de potencia según se necesite. La entrada de control del sistema proviene de un conjunto de tres transformadores de potencia ubicados en la subestación de la planta eólica en la barra de 34.5 kV. El sistema es independiente, se enfría con aire a presión y no necesita mantenimiento. Aparte de las inspecciones visuales de rutina y la eliminación del exceso de polvo y basura, el mantenimiento normal incluye el reemplazo de los filtros de aire de forma trimestral, o cada seis meses. En condiciones contingentes de transmisión (ciertas fuentes de 69 kV con fallas y/o abiertas), es necesario limitar la generación en la planta eólica. La disminución de hasta 25 MW en la generación es necesaria, pero se debe realizar sin causar la inestabilidad del sistema de transmisión. Necesidades únicas Las turbinas de la planta eólica de Kumeyaay no venían con equipo que les diera su propia capacidad para reducir la generación. Por lo tanto, fue necesario inventar un método para apagar “con suavidad” ciertas turbinas previamente determinadas utilizando una combinación del sistema SCADA de la planta eólica y otros controles instalados en la subestación. Tres alimentadores de 34.5 kV recolectan la producción de energía de las 25 turbinas en la subestación de energía eólica, y el transformador la sube hasta 69 kV para transportarla a la subestación Crestwood de la empresa SDG&E. Un cuarto alimentador proporciona la conexión del equipo de compensación reactiva. Los requisitos del acuerdo de interconexión inicial estipulaban que la limitación de la generación tenía que ocurrir en un tiempo de dos segundos. Sin embargo, un análisis más profundo de las cargas de las líneas durante las limitaciones del sistema determinaron que éste periodo se podía ampliar a 20 segundos. El ingeniero desarrolló un sistema especial para proporcionar reducción de la carga. Este sistema consta de una combinación de fibra óptica y enlaces de comunicación por satélite para obtener las señales necesarias desde la empresa SDG&E y lograr la compatibilidad con el sistema SCADA de la planta eólica. Durante las contingencias del sistema de transmisión, los relevadores de la subestación en Crestwood de la empresa SDG&E reciben señales vía comunicación satelital desde varias subestaciones del sistema de transmisión local para recortar el nivel de generación en la planta eólica. El sistema de respaldo para reducción de la generación se activa si la producción de la planta eólica no ha disminuido en 20 segundos. Desde la subestación Crestwood, se envía una señal hacia la subestación de la planta eólica vía un cable de fibra/estático aéreo instalado en la línea de transmisión. Para enviar dichas señales, se utiliza la tecnología Mirrored Bits de los Laboratorios de Ingeniería Schweitzer. Una vez que la señal se recibe en la subestación de la planta eólica, se aplica a través del relevador de la línea de transmisión y se le reenvía a un procesador de comunicaciones 2030 de Schweitzer, todos ubicados en la subestación de la planta eólica. Luego, el procesador de comunicaciones 2030 de Schweitzer envía la señal de reducir la generación al propio sistema SCADA de la planta generadora, que fue desarrollado por Garrad Hassan. La restricción de la generación es importantísima para la estabilidad del sistema de transmisión en el área de la planta eólica. Para garantizar que la producción se redujo por pérdida del enlace principal de comunicación entre la subestación Crestwood y la subestación de la planta eólica, se colocó un sistema tanto en la subestación de la planta eólica como en la subestación Crestwood de SDG&E. El sistema de respaldo para reducción de la generación selecciona interruptores alimentadores específicos de 34.5 kV en la subestación de la planta eólica y abre dichos interruptores en orden sucesivo. El sistema de respaldo para reducción de la generación se activa si la producción de la planta eólica no ha disminuido en 20 segundos. El interruptor de 69 kV de la subestación Crestwood se dispara después de 25 segundos, si aún no se ha logrado la reducción necesaria de la generación. Las instalaciones eléctricas de la planta eólica se energizaron en octubre de 2005 y la planta eólica alcanzó su operación comercial en diciembre de 2005. En resumen, el sistema PureWave AVC le ha proporcionado a la planta eólica una buena regulación de voltaje y del factor de potencia. Se les están haciendo ajustes constantes a los controles y a la compensación reactiva para incrementar los límites superiores de voltaje en el sistema de transmisión local. El sistema que controla el nivel de generación de la planta eólica ha sido afinado para que reúna las condiciones operativas reales. Los ajustes se han terminado y el sistema está completamente en marcha. Frank Greb es el gerente general de la empresa Alliant Energy Corp.´s WindConnect, con sede en Madison, Wisconsin, que les ha proporcionado más de 1,700 MW en servicios y consultoría sobre adquisición, diseño y construcción a los desarrolladores y propietarios de los parques eólicos en 19 plantas de generación eólica distintas en 14 estados. Se lo puede contactar en frankgreb@alliantenergy.com. Robert Vosberg, Ingeniero Petrolero, es gerente de servicios técnicos y de ingeniería de WindConnect. Se lo puede contactar en robertvosberg@alliantenergy.com. Dan Wagner es ingeniero técnico a nivel directivo de la empresa Alliant Energy. Se lo puede contactar en danwagner@alliantenergy.com.
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