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Transient Overvoltage Analysis in the Context of Renewable Energy Integration: A Case Study in a Large Petroleum Company - ECOPETROL

Noviembre 27, 2024

Diego Rodríguez

GERS

Luis Rodriguez

GERS

Jose R. Gómez

Ecopetrol SA

Adrián Barranco

GERS

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Sistema Eléctrico Campo La Cira Infantas

ECOPETROL se ha consolidado como un actor clave en el desarrollo de proyectos de energías para la transición.
El campo La Cira Infantas es el más antiguo del país y el de mayor producción en la región Central-Magdalena Medio.
Las facilidades de producción se integran a una infraestructura eléctrica compleja que alimenta sistemas de levantamiento artificial para la producción de hidrocarburos y la inyección de agua como método para la recuperación mejorada de hidrocarburo.
ECOPETROL con una inversión 100% propia ha desarrollado un parque solar de 56MWp DC /44,8MW AC integrado para autogeneración sin entrega de excedentes , generando aproximadamente 76,3 GWhr de energía anual y con una reducción de emisiones de aprox 12,8 kton CO2/yr

PV

Autogeneración

Cap. 15Mvar

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Objetivo

Analizar las interacciones de tensión entre Variadores de Velocidad (VSD) y Fuentes Basadas en Inversores (IBR) bajo diversas condiciones, identificando los peores escenarios y examinando las respuestas a diferentes sensibilidades.

Guía para la integración de fuentes de energías renovables en sistemas eléctricos de la industria petrolera.

Modelos EMT para estudiar interacciones de electrónica de potencia en redes con renovables y motores.

Analizar el impacto de fuentes variables en sistemas con alta presencia de VSDs.

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Manual de Hardware ABB

Diagrama de interfaces de circuito de potencia

Modelado�VFD AFE – Modelo PSCAD/EMTDC

Leyenda

: Transformador reductor MT/BT

: Filtro LCL

: Etapa rectificadora de frente activo (AFE) con IGBTs y clamp capacitors

: Nivel de disparo (protección) de sobretensión DC

: Circuito de precarga asociado a los condensadores del bus DC (opcional)

: Enlace DC constituido por la capacitancia y resistencia de descarga

: Etapa inversora

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Modelado�VFD 12 pulsos – Modelo PSCAD/EMTDC

Leyenda

: Transformador desfasador hexafásico MT/BT/BT

: Tiristores (SCR) de la sección conversora

: Nivel de disparo (protección) de sobrevoltaje y bajo voltaje

: Circuito de precarga asociado a los condensadores del bus DC

: Diodo de rueda libre o flyback

: Enlace DC constituido por el capacitor y reactor (opcional)

: Etapa inversora (Condición de frontera del modelo)

Diagrama de interfaces de circuito de potencia

Esquemáticos BAKER-HUGHES

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Modelado�Planta de Energía Fotovoltaica – PV

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Análisis�Sobretensiones Transitorias

Los Variadores de Velocidad (VSDs) son vulnerables a disparos por transitorios al energizar capacitores, debido al banco de capacitores de enlace DC en los inversores de fuente de tensión. Estos transitorios pueden activar las protecciones de sobretensión en DC o AC del equipo.

El análisis de este estudio fue enfocado a las sobretensiones transitorias ya que los variadores de velocidad son vulnerables a disparos por transitorios, debido al banco de capacitores en el enlace DC en los inversores de fuente de tensión.
Estos eventos transitorios pueden activar las protecciones de sobretensión a nivel AC y nivel DC de los variadores de velocidad, lo cual para la industria petrolera es de vital importancia ya que esto afecta directamente su producción.
Aquí se puede evidenciar el efecto transitorio en las tensiones para los variadores de frente activo los cuales tienen protecciones a nivel DC y los variadores de 12 pulsos con protecciones a nivel AC. En los variadores de 12 pulsos se puede evidenciar que aunque supera los valores de disparo la duración de estos eventos son menores a ¼ de ciclo lo que corresponde a 4ms, lo cual no es suficiente para el disparo de las protecciones de los variadores.

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Resultados�Conmutación de Capacitores con Planta de Energía Fotovoltaica

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Resultados�Efecto del Controlador PPC de la Planta Fotovoltaica

Salida de potencia activa: 100% de la potencia máxima (Pmax) y 50% de Pmax.

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Resultados�Variaciones de Irradiancia en la Producción de Energía Fotovoltaica

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Conclusiones

La integración de energías renovables en sistemas de producción de petróleo y gas exige un análisis detallado de los eventos transitorios que puedan afectar elementos críticos como los VSDs utilizados en levantamiento artificial.

Para el estudio realizado en el campo La Cira Infantas, contrario a las premisas tradicionales, se encontró que los eventos transitorios incluyendo fuentes capacitivas y PVs no afectan significativamente la operación de VSDs.
Las simulaciones demostraron que incluso en presencia de PVs los convertidores AFE controlan de manera efectiva los eventos de sobretensión transitoria, y los de 12 pulsos a pesar de sobrepasar en algunos casos los valores de disparos, son eventos momentáneos que no superan los 2 ms. Haciendo que ninguno de ellos cause desconexión.
Este estudio resalta la importancia de una aproximación integral que considere el modelaje dinámico EMT con los parámetros reales de VSDs instalados en los sistemas de levantamiento artificial y los IBRs a instalar, de tal forma que se integren exitosamente energías renovables en las operaciones de producción de hidrocarburos de compañías Oil&Gas como ECOPETROL.

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