Scaling Up Variable Renewable Power: The Role of Grid Codes

27 de Julio, 2017

Dialogue: Transmission & distribution agencies, Grids operators and SIM NMIs

• 162 GW de ER instalados en 2016 globalmente – 71 GW solar, 51 GW eólica, hidro 30 GW,

bioenergía 9 GW, geotermia 1 GW

• Capacidad total acumulada alcanzo > 2,000 GW

• A pesar de que los precios del combustible fósil baja

• 164 países con políticas de ER

2016: Un año record para energías renovables (ER)

2

• Solar: 113.7 billones de dólares

• Eólica: 112.5 billones de dólares

Inversiones de energía renovable por tecnología

Fuente: www.irena.org/resource

Dramática reducción de costos

PV y eólica por debajo

de los 3 centavos de

dólar por kWh

5

Las inversiones en energías renovables han superado a las no renovables

Sesenta porciento de nueva capacidad en los dos últimos años

Economía fósil

Matriz energética de Latino América

Source: IRENA (2016) Latin America RE Market Report

6

LATAM – Capacidad eléctrica instalada

en ER

Source: IRENA (2016) Latin America RE Market Report

Eólica progresando rápido, seguido por fotovoltaica

7

LATAM – inversión por tecnología

Source: IRENA (2016) Latin America RE Market Report

Eólica y fotovoltaica han superado bioenergía

8

LATAM – Inversiones por país

Source: IRENA (2016) Latin America RE Market Report

Brasil lidera

México, Chile y Uruguay avanzando rápidamente

9

Recursos energéticos en sistemas eléctricos

Especialmente la energía eólica y la irradiación solar vienen con la restricción adicional de la variabilidad del tiempo, por lo que se llama Energías Renovables Variables. Conocidas en inglés como Variable Renewable Energies (VRE).

VRE

Viento

Irradiación Solar

Variabilidad del tiempo

No se almacena fácilmente (sin conversión

de energía)

IntegraciónSistema de

energíaeléctrica

La desagregación: necesidad de coordinar los actores del sistema

Sistema de energía tradicional

• Generación centralizada

• Utilidad posee red ygeneradores

• Reglas y requisitos internos

Sistema de energía desagregado

• Generación descentralizada

• Propiedad separada

• Necesidad de coordinaciónpare elaborar el código de red

Energía renovable variable en la generación de energía por país, 2013-2030

En algunos países, la generación de energía solar y eólica supera la demanda en determinados momentos: Dinamarca, Alemania, Portugal

En el caso de Referencia , 15 de 40 países tendrían una cuota de VRE mayor a 10% en 2030. Con las opciones de REmap, 20 países

tendrían un cuota mayor a 25%.

Relación entre aspectos técnicos

Integración técnica de

VRE en redes

eléctricas

Regulación del sistema

adaptativo -código de

conexión a la Red

Desarrollo tecnológico –suministro y demanda

Evolución de prácticas

operacionales para el sistema

Códigos de conexión de la red:Dos objetivos políticos

Requisitos

técnicos en los

códigos de

conexión a la red

Crecimiento

sostenible de

VRE

Suministro de

electricidad

• Confiable

• Seguro

• Alta Calidad

1- Asegurar que la población cuenta con electricidad según sea necesario

2- Aumentar la participación de las energías renovables en el sistema eléctrico

Se unen dos objetivos políticos

Identificando los desafíos

Segundos

Años

Impactos

Estabilidad, Voltaje y

Respuesta de Frecuencia

Generadores

asíncronos

Compromiso de la

unidad y asignación de

la reserva

Incertidumbre

Utilización de la

capacidad

despachable (puesta

en marcha de nuevo)

Requisitos de

Capacidad de

RampaVariabilidad

Ubicación y

modularidad

Flujos de potencia

Voltaje

PROPIEDADES VRE

Planificación

en la

operación de

la red para

garantizar

seguridad

Operación del

sistema

Planificación

adecuada

generación

IMP

AC

TOS D

EP

EN

DEN

DE L

AS C

AR

AC

TER

ÍSTI

CA

S D

EL

SIS

TEM

A

Planificación

adecuada

T&D de la red

red

Reglas claras para hacer frente a los desafíos

Los diferentes tipos de códigos de red facilitan:

• Flexibilidad operativa (requerida por una generación de VRE creciente)

• Estabilidad operativa

• Seguridad y calidad del suministro

• Mercados al por mayor que funcionan bien

Tipos de códigos de red

Los códigos de red establecen las reglas y los requisitos técnicos para el funcionamiento del

sistema de energía y del mercado energético.

• Código de Conexión del Generador

• Código de Conexión de la Demanda

• Código de Conexión HVDC

• Código Operacional de Seguridad

• Código Operacional de Planificación y

Programación

• Código de Control de Frecuencia de

Carga y Reservas

• Código de Planificación del Generador

• Código de Planificación de la red

• Código Regulaciones del Mercado

• Asignación de Capacidad de la Red y

Código de Gestión de la Congestión

• Código de Balance de la Red

Códigos de

Conexión

Códigos de

Operación

Códigos de

Planificación

Códigos de

Mercado

El reporte se enfoca en Código de Conexión del

Generador de VRE

Desarrollo e implementación del código de conexión de red de VRE

Todos las partes interesadas en cuestiones

de códigos de red deben participar en el

proceso:

• Responsables políticos

• Propietarios / operadores de

generadores

• Operadores de red

• Reguladores

• Generador y fabricantes de activos de

la red

• Dependiendo del alcance: los

consumidores

¡Un proceso de revisión fiable y previsible

es importante para la planificación de

redes y generadores!

Consulta y decisión de escribir primer código de

red

Preparar datos , evaluar aspectos específicos del

país

Borrador del código de red

Consultar con partes

interesadas

Implementación, experiencia, potenciales

cambios en las políticas

Finalizar código de red

Necesita revisión el código de

red?

Es satisfactorio el borrador del código

de red?

Yes

YesNo

No

around 30.000 plants around 1.500.000 plantsaround 220.000 plants

2000 2006 2014

Wind Photovoltaics Biomass

Source: 50Hertz Source: 50Hertz Source: 50Hertz

La desagregación de los sistemas de energía y el aumento de las proporciones de la generación descentralizada son los principales impulsores del desarrollo

del código de red.

Códigos de red y su relación a las políticas energéticas (I)

Códigos de red y su relación a las políticas energéticas (II)

• Los requisitos muy estrictos pueden impedir alcanzar los objetivos de la política energética.

• Los requisitos pocos exigentes pueden causar problemas de fiabilidad o estabilidad si las instalaciones renovables no satisfacen las expectativas.

• Los procesos de revisión bien estructurados del código de red son cruciales.

• ¡Anticipe las necesidades de un sistema dinámico!

Ejemplo: Alemania 50.2 Hz

• Todos los generadores fotovoltaicos debían desconectarse de la red si la frecuencia excedía los 50,2 Hz

• El aumento de las instalaciones fotovoltaicas superó todas las expectativas

• La desconexión de todos los generadores fotovoltaicos al mismo tiempo puede conducir a la pérdida de demasiada generación

• El código de la red tenía que ser revisado, las instalaciones necesitaban ser adaptadas

2,5% de la

demanda máxima

- ¡seguro!

45% de la demanda de pico -

la desconexión conduce a

inevitable falla del sistema!

Los requisitos técnicos dependen del contexto

Los sistemas eléctricos y sus requisitos para la conexión de plantas eólicas y solares pueden diferir de varias maneras:

Aprenda de países pioneros en este tema, recuerde los códigos de la red para cada caso diferencian en sus requisitos.

Tamaño y reservas de capacidad

Niveles de voltaje y

frecuencia del sistema

Prácticas operaciona

les

Nivel de interconexi

ón

Capacidades VRE

(actuales y previstas)

Distribución de los

recursos VRE

(actuales y previstos)

Capacidades de los

generadores

convencionales

(actuales y previstos)

Diseño de Mercado

Marco institucional

Procedimientos

técnicos y opèraciona

les

Determinación de requisitos técnicos

El proceso de determinar los requisitos implica estudios que investigan las necesidades del sistema eléctrico. Los requisitos deben considerar las capacidades de los sistemas generadores disponibles para no obstaculizar el proceso de integración de VRE.

Generalmente se necesitan los siguientes estudios:

Esta lista sólo incluye estudios en el contexto de la parametrización del código de red para VRE, debe agregarse a lista los estudios que se deben realizar para la planificación

y operación del sistema.

Estudio de flujo de carga para investigar las

capacidades de potencia reactiva de los generadores

Estudios de cortocircuito estáticos y dinámicos para evaluar la protección y los

requisitos LVRT,

Estudios de control de frecuencia de carga para

requisitos de reserva y limitaciones de gradiente,

idealmente incluyendo estudio de estabilidad de

frecuencia.

Requisitos Técnicos - ¿Cuándo son necesarios?

El punto más importante para definir ciertos requisitos técnicos para los generadores de VRE, es la cuota de VRE en el sistema:

Cu

ota

VR

E

Protección

Control de Frecuencia Completo

Control de Voltaje Completo

Inercia sintética

Reservas Operativas

Limitación de gradiente de potencia activa

Modelos de simulación

Comunicación

Bajo voltaje

Capacidad de energía reactiva

Reducción de potencia en sobre frecuencia

ba

joa

lto

Calidad de energía

Administración de energía activa

Certificación y verificación de requisitos técnicos

El cumplimiento de los requisitos técnicos en los códigos de la red VRE requiere mecanismos para verificar el cumplimiento de los códigos. Existen diferentes estrategias con diferentes costos y grados de factibilidad dependiendo del contexto del país.

Estos mecanismos incluyen, por ejemplo:

• Las inspecciones in situ,

• El uso de sistemas de certificación,

• Verificación de plantas en lugar de unidades,

• Requerir declaraciones de conformidad del fabricante,

• Post evaluación de records por perturbaciones y eventos en el sistema y revocación del acceso a la red si se detecta un incumplimiento de los requisitos del código de la red por parte de un generador.

Un sistema de certificación eficaz y confiable puede venir con el más alto nivel de confiabilidad. Sin embargo, es difícil para las regulaciones de sistemas pequeños debido a la alta sobrecarga organizativa.

La armonización de los requisitos y el intercambio de conocimiento entre los países puede hacerlo factible!

Normas internacionales relevantes para códigos de red

Casos de Estudio

Barbados

Isla sincrónica

independiente

1,30%Australia

Varias zonas

sincrónicamente

independientes

7,50%

Filipinas

Varias zonas

sincrónicamente

independientes

0,22%

Alemania

Fuerte interconexión

19,56%

Irlanda

Interconexión de CA

con Irlanda del Norte

en isla sincrónica

independiente 15,50%

% Representa la proporción de VRE de la carga anual

Casos de estudio - Información general

Country Alemania Irlanda Australia Barbados Filipinas

Población 80,620,000 4,595,000 23,130,000 286,644 98,390,000

Área [km2] 357,114 70,273 7,692,024 430 300,000

Interconectado con otros

paísesFuerte interconexión

AC interconnection with

Northern Ireland on

synchronously independent

island of Ireland, island has

two HVDCs with GB

Varias zonas

sincrónicamente

independientes

Isla sincrónicamente

independiente

Varias zonas

sincrónicamente

independientes

Carga máxima [MW] 81,738 (2014) 4,613 (2014) 33,100 (2014) 152 (2014) 11,822 (2014)

Carga minima [MW] 36,709 (2014) 1,664 (2014) 14,900 (2014) 82 (2014)

Capacidad total de

generación convencional

[MW]

108,000 (2014) 7,405 (Despacho 2014) 48,000 (2014) 239 17,500 (2014)

Eólica [MW] 38000 (12. 2014) 2138 (2014) 3,600 ( 01. 2015) 0 (03. 2015) 283 (2014)

Solar PV [MW] 38000 (12. 2014) 0 (2014) 3,440 (01. 2015) 7.6 (03. 2015) 23 (2014)

Capacidad VRE versus

carga mínima [%]207% 128% 47% 9.30%

Carga annual [TWh/a] 505 (2014) 29 (2014) 188 (2014) 0.968 77 (2014)

Cuota de VRE de la carga

anual [%]19.56% 15.50% 7.50% 1.30% 0.22% (2014)

VRE conectado a nivel de

distribución o transmisiónAmbos Ambos

Ambos a Eólica,

PV principalmente

a la distribución

Distribución

Regional and National Grid Codes

Many requirements can be harmonised between countries, enabling countries to pool their resources in areas such as certification and to make it easier for manufacturers to access more markets, resulting in lower costs for consumers.

The development of regional VRE grid codes do not replace national grid codes, but instead provide a common framework for minimum requirements that all national grid codes should meet. Example of those are:

• The ENTSO-E Network Codes are intended to harmonise and standardise the technical requirements of European Grid Codes.

• The Nordic Grid Code is used by all Scandinavian TSOs, primarily to facilitate exchanges of energy and ancillary services.

Recomendaciones

• Diseñe un proceso de revisión del código que sea predecible y confiable.

• Consulte con todas las partes interesadas pertinentes.

• Anticipe los requisitos de un sistema cambiante.

• Participe en iniciativas regionales para armonizar los requisitos y compartir recursos.

• Aprenda de otros países, pero diseñe el código de red para el contexto de su país.

Descargue el informe completo gratis

Enlace:http://www.irena.org/DocumentDow

nloads/Publications/IRENA_Grid_Cod

es_2016.pdf

GraciasPóngase en contacto con nosotros para obtener más información:

Francisco Boshell – Fboshell@irena.org Alessandra Salgado – Asalgado@irena.org

www.irena.org/publications

Back Up

Grid Connection Codes - Stakeholders

By applying at the boundary between power system and generator facility, technical requirements in grid connection codes affect different stakeholders in unbundled power systems. Grid codes are a means to achieve fair and transparent treatment of these system actors and enable efficient coordination.

Identifying the Challenges

Mayor challenges

Technical issues

VRE Integration

Variable Resources availability

System adequacy

Dispatch and Scheduling

Short-Balancing

Reserve provision scheme

Distributed generation

Facilities with a wide range of power ratings

Power electronic converters

Voltage changes

Frequency changes

The technical solutions for these issues require research, development, and implementation. The resulting costs should be optimized, and the distribution of costs should be agreed on

between generator manufacturers, generator owners, and system operators.

Outlook for VRE Grid codes

• New technical requirements

Contribution of inertia or synthetic inertia: converter-based VRE generators do not provide inertia.

Black-start capability: ability to start a generation plant without any externally provided electricity. Would usually include a conventional generator or storage system capable of fast balancing.

Damping power system oscillations: Studies are being conducted to investigate whether or how the increasing share of VRE generation changes the oscillatory behaviour of large transmission systems.

Source: energy-charts.com, Fraunhofer ISE, July 2015. VRE and conventional generation in Germany in July 2015.

Time-dependent variability of VRE generation requires more flexibility from conventional generators. Grid codes can govern the

interaction between the different generators.

Time-dependent availabilityExample: Generation in Germany

36

Synchronous generators possess inherently grid-stabilizing properties, such as rotational inertia, while VRE are mostly connected to the grid by power electronics. These can be used to

stabilize the grid as well, but features need to be implemented electronically.

VRE generation technology example

Requirement Example: LVRT

LVRT requirements from different grid codes

In fault cases that cause a voltage drop, such as short circuits, VRE

must support the grid for a certain time without disconnecting.

Requirement example: Reactive power

Required reactive power characteristics for wind turbines

from different grid codes

Reactive power operational ranges for offshore wind

parks in Germany and the UK

VRE units must provide reactive power for voltage control.

Requirement Example: Operation Ranges

Required operation ranges for VRE connected to the transmission grid in Germany.

VRE generators may not immediately disconnect during frequency

or voltage deviations to avoid cascading failures.

Regional and National Grid Codes

Grid Codes with overlapping scopes or areas of application (such as TSO- or province-specific requirements in a national setting) must be consistent and the precedence of the Grid Codes must be made clear.

The use of international standards in the preparation of VRE grid codes is another relevant instrument for the harmonisation of requirements, as well as a valuable platform for experts to exchange international experiences and document good practices.

Study cases – Key Findings

Overall, there is a correlation between power system characteristics, such as VRE share, andthe stringency of the grid code requirements

• Barbados has currently a low share of VRE, and its grid code requirements are relativelyeasy to fulfil.

• Ireland has a relatively high share of VRE, and at the same time is part of an island systemwith Northern Ireland, thus the island of Ireland must regulate its own frequency. For thisreason its grid code contemplates:

o A focus on frequency control requirements,

o Restricted ramping rates,

o The ability to curtail wind power plants, given worries about frequency stability with high levels of

non-synchronous generation.

Study cases – Key Findings

There are many similarities between the grid codes and often they differ only in how the

grid code requirements are parameterized, rather than differing substantially in the types of

requirements made.

This is due to the fact that network operators have been able to share experience in the

requirements for VRE generators, and avoid the mistakes made by early-adopters of VRE

technology.

• Código de Conexión del Generador

• Código de Conexión de la Demanda

• Código de Conexión HVDC

• Código Operacional de Seguridad

• Código Operacional de Planificación y

Programación

• Código de Control de Frecuencia de

Carga y Reservas

• Código de Planificación del Generador

• Código de Planificación de la red

• Código Regulaciones del Mercado

• Asignación de Capacidad de la Red y

Código de Gestión de la Congestión

• Código de Balance de la Red

Códigos de

Conexión

Códigos de

Operación

Códigos de

Planificación

Códigos de

Mercado

El reporte se enfoca en Código de Conexión del

Generador de VRE

Desarrollo e implementación del código de conexión de red de VRE

Consulta y decisión de escribir primer código de

red

Preparar datos , evaluar aspectos específicos del

país

Borrador del código de red

Consultar con partes

interesadas

Implementación, experiencia, potenciales

cambios en las políticas

Finalizar código de red

Necesita revisión el código de

red?

Es satisfactorio el borrador del código

de red?

Yes

YesNo

No