Contexto
En los sistemas eléctricos de potencia, los principales problemas que afectan la estabilidad de frecuencia son las diferencias existentes entre demanda y generación de energía. A cada instante, la potencia producida por el sistema debe ser igual a la potencia total demandada más sus pérdidas, para así mantener la frecuencia de la red en su valor nominal. En caso de que la generación sea mayor que la demanda, el exceso de energía es almacenado en forma de energía cinética en el rotor de los generadores, produciéndose una aceleración de los mismos y determinando un aumento en la frecuencia del sistema. En caso contrario, la falta de energía es tomada de la energía almacenada en los rotores, llevando a una disminución en su velocidad y a la pertinente caída en la frecuencia.
Bajo el escenario de altas inyecciones de generación eólica, la demanda de energía de las turbinas de los parques eventualmente instalados comienzaría a influir fuertemente en el comportamiento de todo el sistema eléctrico, haciendo extremadamente difícil su operación. En particular, el manejo de la frecuencia del sistema se vuelve más complicado, pudiéndose incluso llegar al caso en que ésta se ve seriamente afectada.
El problema radica en la naturaleza estocástica del viento. Las variaciones en la velocidad del viento hacen que la potencia eólica generada presente fluctuaciones que afectan directamente la regulación primaria y secundaria del sistema. Estas fluctuaciones se transformarán inmediatamente en desequilibrios entre carga y generación, reduciendo las capacidades de control de frecuencia y deteriorando por ende la capacidad total del sistema para manejar los desbalances entre carga y generación.
Dichas fluctuaciones de potencia no tienen mayores impactos si la proporción de energía eólica producida es pequeña, y a su vez bien distribuida a lo largo de un área extensa. Sin embargo, a medida que el nivel de penetración aumenta, los requerimientos de reserva ya no podrán ser manejados con la capacidad existente en el sistema, requiriéndose reservas adicionales por parte de la generación convencional. Lo anterior se justifica por el hecho de que, frente a altas inyecciones de generación eólica, el sistema deberá estar preparado no sólo para compensar el incremento máximo probable de la demanda o la pérdida del mayor generador, sino también las variaciones en la potencia eólica generada.
Para los sistemas de potencia con importantes aportes de generación hidráulica de embalse, sin embargo, es posible disminuir dichas fluctuaciones en la potencia utilizando la energía almacenada en dichos embalses. En efecto, la capacidad de almacenamiento en los embalses, unido a los rápidos tiempos de toma de carga de este tipo de centrales, podrían proporcionar un buen filtro para las fluctuaciones en la energía del viento, generando un nivel de potencia relativamente constante en el sistema y eliminando así los problemas de regulación de frecuencia.
El caso chileno
El Sistema Interconectado Central (SIC) cubre el territorio chileno comprendido entre Taltal y Chiloé. Representa el sistema interconectado nacional más importante de los 4 existentes, al abastecer a más del 90% del total de la población y tener casi el 70% de la capacidad total instalada del país. El parque generador está constituido por centrales hidráulicas de embalse y pasada (53%), y por centrales térmicas a carbón, diesel y fuel y de ciclo combinado a gas natural (47%).
Las centrales de embalse del Sistema Interconectado Central tienen una característica particular que la mayoría de este tipo de centrales no tienen: fueron planificadas con capacidades instaladas tal que su factor de planta fuese cercano al factor de carga de la demanda. Lo interesante de esta característica radica en la posibilidad de aumentar la generación de la central sin modificar la capacidad del embalse mismo sino simplemente mediante la instalación de más turbinas en la central.
De esta forma, y considerando el inmenso potencial existente en los embalses del SIC, una re-conceptualización de dichos embalses podría ser el medio para entregar la reserva en giro adicional necesaria para compensar las variaciones de potencia provocadas por grandes inyecciones de generación eólica en el sistema. De esta manera se solucionan los problemas en la regulación de frecuencia ocasionados por grandes inyecciones de generación eólica aprovechando fuentes energéticas ya existentes en el país y con costos de inversión relativamente bajos.
En el contexto anterior, uno de los principales objetivos del presente proyecto es la cuantificación del máximo nivel de penetración de energía eólica en el SIC en base a la cantidad de potencia fluctuante que puede ser filtrada por las centrales hidráulicas de embalse existentes. Lo anterior, bajo el supuesto que dichas centrales pueden aumentar la potencia generada mediante la instalación de más turbinas en la central, sin modificar la capacidad del embalse pertinente, y respetando las exigencias relativas a la confiabilidad, calidad de servicio y estabilidad del sistema así como las restricciones propias de la planta.