Integración de UPS dispersas y generación distribuida para mejorar la fiabilidad de la red

La demanda de sistemas de suministro de energía sin cortes se ha incrementado significativamente en los últimos años ya que cada vez más clientes industriales operan cargas sensibles tales como centros de datos, bancos y telecomunicaciones. La solución estándar para estos clientes es la instalación de sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) en combinación con generadores diesel para superar interrupciones de suministro prolongadas. Esta solución introduce varias desventajas, incluyendo la necesidad de sistemas de control complejos, el coste de reparación y mantenimiento, el espacio adicional requerido para el equipo y el cumplimiento con los requerimientos de emisión.

En áreas con una carga alta y alta densidad de clientes tales como los centros comerciales, una red de de distribución de energía eléctrica a menudo puede ser diseñada para ofrecer una fuente alternativa de energía. Incluso aunque la fiabilidad de suministro en estas áreas es posible sea excepcional, la demanda del cliente para conexiones redundantes está aumentando. Una solución interesante se ha desarrollado por elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz). Se trata de crear una red secundaria independiente que puede expandirse en una red inteligente.

Seguridad standard de suministro

La red de distribución de Zürich está conectada a la red nacional por quince subestaciones de 150/220 kV. La mayoría de las subestaciones de 150/22 kV se benefician de conectarse al menos tres circuitos, cada uno de los cuales con suficiente capacidad para suministrar a la máxima demanda de la subestación. Este nivel de redundancia asegura que la red de 150 kV no contribuye a cortes en el sistema. Los fallos del sistema ocurren en gran medida debido a fallos del equipo de la subestación en los sistemas de voltaje más bajo.

El sistema de 22 kV está diseñado para operar con bucles radiales cerrados que tienen una longitud del alimentador promedio de 5 km, cada uno de los cuales suministra de 8 a 10 subestaciones. Estas suministran a los alimentadores de bajo voltaje en bucle cerrado que suministran energía a un área con un radio de 250 m.

Para determinar los índices de fiabilidad para los clientes abastecidos por 22 kV y 0,4 kV, ewz desarrolló una herramienta basada en una técnica de diagrama de bloques adaptada a una topología de red simple.

Usando la herramienta, pueden evaluarse diferentes soluciones de suministro de energía. La herramienta calcula las tasas de corte totales, basándose en los mismos parámetros usados para los componentes predefinidos tales como transformadores, barras de bus, cables y baterías UPS.

La frecuencia de interrupción para los clientes suministrados por 22 kV es 0,08 por año, o alrededor de una interrupción cada 12,5 años con una duración de 45 minutos. Para los clientes suministrados por 0,4 kV, puede esperarse una interrupción cada seis años con una duración media de 90 minutos, o 0,168 por año.

Fuente de alimentación secundaria o alternativa

Para incrementar la fiabilidad del sistema, una alimentación de energía alternativa desde una red de distribución puede ser una buena solución relativamente efectiva en costes en áreas con una alta densidad de clientes. Esta otra alimentación a menudo se alcanza mediante la conexión a la subestación de transformador en la que se dispone de un bucle de medio voltaje alternativo. Sin embargo, la mejor solución se consigue cuando los dos bucles se abastecen por subestaciones de medio-voltaje/bajo-voltaje diferentes.

Para un suministro de medio voltaje, aunque la tasa de cortes queda sin cambios (0,08 por año), el tiempo de corte se reduce para el periodo requerido para conmutar la carga al circuito secundario. Dependiendo de las circunstancias, este periodo varía desde unos pocos segundos a minutos. En estas situaciones, la rotación de una energía con masa en vez de baterías es una buena alternativa para interrupciones de corta duración, carga alta.

Provisión de redes adicionales

La disponibilidad de una alimentación de energía alternativa o secundaria puede ser embebida en la red de distribución principal. Esta disposición implica demanda operacional adicional y costes de administración debido a la necesidad de planificar operaciones de conmutación y organizar reservas de energía.

En 2007, ewz comenzó un proyecto piloto para planificar una red de medio voltaje secundaria independiente en el centro de la ciudad de Zürich, donde se espera una demanda creciente de suministro de energía redundante. El plan de red consistía en dos circuitos, cada uno conectado a subestaciones adyacentes. La subestación del transformador en la ruta de cada circuito está conectada en anillo al circuito.

La red está abastecida por un transformador de reserva en la subestación de 150/22 kV y puede automáticamente conmutar a un transformador de 150-22 kV en una subestación adyacente, lo cual significa que los componentes del circuito redundante son mejor utilizados. El uso de una red de medio voltaje de 22 kV está limitado por el área transversal de  cable de 150 mm2 a 9 MVA para cada circuito. Ambos circuitos están suministrados por el transformador de reserva en la subestación 1, con la posibilidad de cambiar la alimentación mediante conmutación automática a la subestación 2. Esto puede ser necesario por motivos de mantenimiento o en el caso de una barra de bus primaria o fallo de transformador en la subestación 1.

Es posible distribuir cargas hasta el doble de la capacidad de transporte de corriente, es decir 18 MVA a un circuito. Si la mitad de la carga del cliente, o 9 MVA, se suministra a través de la subestación estándar 1 y la otra mitad por la subestación 2, en el caso de un corte de energía afecta a todos los clientes suministrados por la subestación, el transformador de reserva en la subestación en buen estado suministraría a los otros 9 MVA. La probabilidad de un fallo simultáneo ocurriendo en ambos circuitos es improbable que pueda despreciarse.

Bibliografía:

• Reliability advances. Transmission & Distribution February 2011