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ESTUDIO DE ESTABILIDAD DE TENSIÓN EN UNA RED DE DISTRIBUCIÓN
ALIMENTADA POR UN SISTEMA IEEE 9 NODOS A TRAVÉS DE UNA DVPP
(PLANTA VIRTUAL DE POTENCIA DE DISTRIBUCIÓN)
JOSÉ LUIS PATERNINA DURÁN
JOHN FREDY MONTOYA SÁCHICA
DIRECTOR
I.E., MSc., PhD. EDWIN RIVAS TRUJILLO
GRUPO DE INVESTIGACIÓN:
GCEM
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
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ESTUDIO DE ESTABILIDAD DE TENSIÓN EN UNA RED DE DISTRIBUCIÓN
ALIMENTADA POR UN SISTEMA IEEE 9 NODOS A TRAVÉS DE UNA DVPP
(PLANTA VIRTUAL DE POTENCIA DE DISTRIBUCIÓN)
JOSÉ LUIS PATERNINA DURÁN
JOHN FREDY MONTOYA SÁCHICA
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELÉCTRICO
DIRECTOR
I.E., MSc., PhD. EDWIN RIVAS TRUJILLO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
3
RESUMEN
Contexto: En este trabajo de grado se estudia la estabilidad de tensión en una red de distribución al integrar
recursos energéticos distribuidos DER (como generación distribuida y elementos compensadores) en una
planta virtual de potencia de distribución (DVPP). La integración en una DVPP surge de la necesidad de
contrarrestar las diferentes problemáticas que presentan los DER, debido a diferentes factores como su
dependencia de las condiciones climáticas, las cuáles son de difícil predicción. Para ello se toma una red de
distribución con carga de tipo industrial y generación distribuida, la cual es alimentada por un sistema de
potencia IEEE 9 nodos.
Método: Se realiza un caso de estudio compuesto por nueve escenarios de simulación, para analizar la
estabilidad de tensión. El caso de estudio se estructura en tres fases. En la primera se realiza una revisión de la
literatura científica con enfoque en VPP y análisis de estabilidad de tensión con curvas PV. Esta fase se
complementa con una presentación del marco regulatorio colombiano referente a Generación Distribuida
(GD). En la segunda fase se plantea una red de distribución con GD y condensadores (baja y media tensión),
la cual es sometida a variaciones de carga y topología, mediante las cuáles surgen nueve escenarios de
simulación. En la última fase se evalúa la tensión en la red (estabilidad y regulación) con curvas PV, criterio
de criticidad propuesto e índices normalizados (con DVPP y sin integración). Las simulaciones necesarias y la
construcción de las curvas PV se realiza con DIGSILENT POWERFACTORY versión 15.1.
Resultados: Con el análisis de las curvas PV y con ayuda de los índices normalizados se puede cuantificar la
mejora que presenta la red (tanto en estabilidad como en regulación de tensión) al utilizar la DVPP (Mejora
del 9%). Además, en uno de los escenarios críticos desde el punto de vista de regulación de tensión, la red
presenta una mejora del 42%.
Conclusiones: Los beneficios técnicos en la red se obtienen a través de la estructura de integración planteada
para la DVPP, en función de los DER instalados, un DER complementario y teniendo como restricciones la
regulación del operador de red. De ésta forma, la integración se simplifica a un problema básico de estructuras
para redes neuronales artificiales. A partir de la estructura planteada se pueden integrar otros DER no
contemplados en éste estudio (almacenamiento, vehículos eléctricos) y teniendo en cuenta otras restricciones
(corrientes de falla y armónicos). Además, se puede utilizar la estructura planteada para integrar VPP locales
en una VPP regional. Por último, se recomienda realizar el planteamiento de un modelo económico que
permita implementar la DVPP propuesta.
ESTRUCTURA DEL TRABAJO DE GRADO
Este documento se encuentra organizado en 8 capítulos cuyo contenido se describe a continuación:
En el capítulo uno se realiza una breve contextualización sobre los recursos energéticos distribuidos en redes
de distribución y las oportunidades que representa la integración de los mismos para los diferentes actores de
la red. Se realiza el planteamiento del problema, se formula el objetivo general y los objetivos específicos los
cuales se desarrollan en los capítulos 2 al 6. Finalmente se muestra la justificación y el alcance del proyecto.
En el capítulo dos se encuentra el marco teórico y una revisión del estado del arte enfocado en VPP. El
capítulo se encuentra dividido en cuatro secciones: La primera sección contiene un breve marco teórico
referente a la estabilidad de tensión y curvas PV. En la segunda sección se hace una revisión bibliográfica de
los diferentes mecanismos para la integración de DER y se hace énfasis en Plantas Virtuales de Potencia. En
la tercera sección se plantea una definición de VPP con base a la literatura científica revisada. Por último, en
la sección cuatro se presentan la normatividad colombiana más relevante en cuánto a energías renovables y
regulación de tensión.
En el capítulo tres se realiza el planteamiento de un modelo de pruebas, sobre el cual se definirán el caso base
y los escenarios de simulación. En este capítulo se muestra la información del circuito de distribución
planteado por los autores y su interconexión con el sistema IEEE 9 nodos. Además, se determina el nivel de
GD en la red y su dispersión mediante la generación de números aleatorios, con base a proyecciones de
informes internacionales e históricos dadas por XM. En último lugar, se determina el tamaño de cada
generador fotovoltaico y el número de paneles requeridos de acuerdo a un panel seleccionado.
4
En el capítulo cuatro se plantean los escenarios de simulación, así como el caso base. Se definen los eventos
relacionados para el caso base y las características de cada escenario. Mediante la combinación de las horas
de demanda y las variaciones de topología del sistema de transmisión, se definen los nueve escenarios de
simulación y se determina la potencia producida por las unidades fotovoltaicas para cada hora de demanda
analizada. Se corren las curvas PV para determinar el límite de estabilidad de tensión para cada nodo y se
determinan los valores de tensión para cada escenario. Se realiza un análisis de los resultados obtenidos, se
define un procedimiento analítico para determinar los nodos críticos del sistema y se plantea la introducción
de condensadores como DER complementario.
En el capítulo cinco se plasma el dimensionamiento de condensadores como DER complementario y el
impacto de su ubicación en redes de distribución, tanto con referencias en baja cómo en media tensión. Se
desarrolla la aplicación “Cálculo de Banco de Condensadores en Baja Tensión” en C# con base a un
algoritmo planteado por los autores para el cálculo de bancos de condensadores en baja tensión para
corrección del factor de potencia. Con el software DigSilent PowerFactory se localiza condensadores de
media tensión a lo largo de la red y se calcula la estabilidad de tensión de los nodos, sus valores de tensión
para los nueve escenarios y se comparan con los resultados del caso base. Se analizan los resultados y las
comparaciones obtenidas para introducir la integración de DER con DVPP.
En el capítulo seis se define la estructura de la DVPP con base a las limitantes técnicas del operador, las
variaciones de topología relacionadas con la alimentación para cada hora analizada y los DER a integrar.
Finalmente se plantean los criterios de integración de los DER (Estabilidad de tensión y tensiones en cada
nodo para todos los escenarios) para definir la combinación de generadores y el despacho de potencia activa y
reactiva para cada escenario de simulación.
En el capítulo siete se tienen las conclusiones del documento mediante las cuáles se corrobora el
cumplimiento del objetivo general y de los objetivos específicos. Además, se muestra los aportes realizados y
se plantean los trabajos futuros.
En el capítulo ocho se encuentran los anexos (desarrollo matemático para cálculo de condensadores en BT,
manual de usuario de DigSilent, manual y desarrollo de aplicación “Calculo de Banco de Condensadores en
Baja Tensión” y las fichas técnicas utilizadas.
5
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 13
1.1 CONTEXTUALIZACIÓN ................................................................................................ 13
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 13
1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 14
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 14
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................... 14
1.4 JUSTIFICACIÓN.............................................................................................................. 14
1.5 ALCANCE ........................................................................................................................ 14
2 MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 15
2.1 ESTABILIDAD DE TENSIÓN Y COLAPSO DE TENSIÓN ......................................... 15
2.2 MECANISMOS PARA LA INTEGRACIÓN DE DER ................................................... 18
2.2.1 VIRTUAL POWER PLANT (VPP) .......................................................................... 19
2.3 DEFINICIÓN DE VPP PLANTEADA ............................................................................ 26
2.4 NORMATIVIDAD ........................................................................................................... 26
2.4.1 LEY 1715 DE 2014 ................................................................................................... 27
2.4.2 DECRETO 2143 DE 2015 ........................................................................................ 27
2.4.3 RESOLUCIÓN 045 DE 2016 ................................................................................... 27
2.4.4 ISO 5001-NTC5001 .................................................................................................. 28
2.4.5 NTC 1340 .................................................................................................................. 28
3 MODELO DE PRUEBAS ....................................................................................................... 29
3.1 CURVAS DE CARGA DIARIA ...................................................................................... 29
3.2 MODELO DE PRUEBAS ................................................................................................ 30
3.3 GENERACIÓN DISTRIBUIDA ...................................................................................... 32
3.3.1 NIVEL DE PENETRACIÓN DE GD EN COLOMBIA .......................................... 32
3.3.2 GENERADORES FOTOVOLTAICOS INSTALADOS.......................................... 34
4 ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ......................................................................................... 35
4.1 CASO BASE ..................................................................................................................... 35
4.2 HORAS DE DEMANDA .................................................................................................. 35
4.3 NIVELES DE GENERACIÓN GD .................................................................................. 36
4.4 SIMULACIÓN DE MONTECARLO ............................................................................... 38
4.4.1 DEMANDA MEDIA (HORA 09) ............................................................................ 38
6
4.4.2 DEMANDA ALTA (HORA 16) ............................................................................... 39
4.5 CONSTRUCCIÓN CURVAS PV .................................................................................... 41
4.6 RESULTADOS DE SIMULACIÓN PARA CASO BASE .............................................. 42
4.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN PARA CASO BASE ........................... 49
5 UBICACIÓN DE CONDENSADORES................................................................................. 51
5.1 DER COMPLEMENTARIO ............................................................................................. 51
5.2 CONDENSADORES EN REDES DE DISTRIBUCIÓN ................................................ 51
5.2.1 ALGORITMO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN
BAJA TENSIÓN (BT) .............................................................................................................. 51
5.3 UBICACIÓN DE CONDENSADORES EN MEDIA TENSIÓN CON DIGSILENT
POWERFACTORY ...................................................................................................................... 54
5.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN PARA UBICACIÓN DE COMPENSACIÓN EN BT
Y MT EN EL CASO BASE .......................................................................................................... 56
5.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS, DISCUSIÓN Y COMPARACIÓN DE LA RED CON
COMPENSACIÓN Y CASO BASE ............................................................................................. 63
6 FUNCIONAMIENTO DVPP Y PARÁMETROS DE INTEGRACIÓN ................................. 71
6.1 ESTRUCTURA DE LA DVPP PLANTEADA ................................................................ 72
6.1.1 ESTRUCTURA DE UNA RED NEURONAL ARTIFICIAL ...................................... 73
6.2 PARÁMETROS DE INTEGRACIÓN ............................................................................. 75
6.2.1 CÁLCULO DE kVAR PARA LA DVPP ................................................................. 76
6.2.2 CÁLCULO DE kW PARA LA DVPP .................................................................... 76
6.3 RESULTADOS DE SIMULACIÓN RED CON DVPP ................................................... 77
6.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS, DISCUSIÓN Y COMPARACIÓN DE LA RED CON
DVPP Y CASO BASE .................................................................................................................. 78
7 CONCLUSIONES .................................................................................................................... 80
APORTES ......................................................................................................................................... 81
TRABAJOS FUTUROS ................................................................................................................... 82
8 ANEXOS ................................................................................................................................... 83
A. ANEXO: DESARROLLO MATEMÁTICO PARA EL CÁLCULO DE CONDENSADORES
EN REDES DE DISTRIBUCIÓN ................................................................................................ 83
A.1. ANALISIS TÉCNICO DE CONDENSADORES SHUNT .............................................. 84
A.2. UBICACIÓN DE CONDENSADORES EN BAJA TENSIÓN POR PENALIZACIONES
................................................................................................................................................... 85
A.3. DESARROLLO MATEMÁTICO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE
POTENCIA EN BT. .................................................................................................................. 86
7
B. ANEXO: MANUAL DE USO DE DIGSILENT POWERFACTORY.................................... 88
B.1. ESPACIO DE TRABAJO ................................................................................................. 88
B.2. CREACIÓN DE UN PROYECTO NUEVO ..................................................................... 88
B.3. VENTANA GRÁFICA ..................................................................................................... 90
B.5. INTERCONEXIÓN DE SUBSISTEMAS DE POTENCIA ............................................. 93
B.6. CONFIGURACIÓN DE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE POTENCIA ..................... 94
B.9. ESTUDIO DE VPP EN DIGSILENT ............................................................................. 103
C. ANEXO: MANUAL DE USO APLICACIÓN CÁLCULO DE BANCO DE
CONDENSADORES BT ............................................................................................................ 105
C.1. ASPECTOS A TENER EN CUENTA ............................................................................ 105
C.2. IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO: .................................................................. 105
C.3. GUÍA DE USUARIO ...................................................................................................... 106
D. ANEXO: FICHAS TÉCNICAS UTILIZADAS .................................................................... 112
D.1. PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO .............................................................................. 112
D.2. CONDENSADORES BT ................................................................................................ 113
9 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 115
8
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Sistema radial para análisis de estabilidad de Tensión ...................................................... 16
Figura 2. Curva P-V del sistema de la Figura 1. Fuente [30] ............................................................ 17
Figura 3. Curva Q-V del sistema de la Figura 1. Fuente [30] ........................................................... 18
Figura 4. Áreas de trabajo reciente con VPP. Fuente: Autores ......................................................... 22
Figura 5. Curva de carga para un usuario industrial en Colombia. Fuente [21] ................................ 29
Figura 6. Curva de carga para un usuario comercial en Colombia. Fuente [21] ............................... 29
Figura 7. Curva de carga para un usuario residencial en Colombia. Fuente [21] ............................. 30
Figura 8. Sistema IEEE 9 nodos que alimentará la red de distribución de pruebas. En Azul la
subestación que alimentará la red de distribución. Fuente: Autores en DigSilent PowerFactory ..... 30
Figura 9. Red de distribución utilizada como modelo de pruebas. ................................................... 31
Figura 10. Composición de la generación del SIN en 2015. Fuente XM. ......................................... 33
Figura 11. Estructura del caso base, partiendo del modelo de pruebas. Fuente: Autores. ................ 35
Figura 12. Eventos relacionados para cada hora de demanda. .......................................................... 40
Figura 13. Algoritmo de curvas PV planteado por [34] .................................................................... 42
Figura 14. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Alta) Arriba:
Escenario 1. Mitad: Escenario 2. Abajo: Escenario 3. ...................................................................... 43
Figura 15. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Media)
Arriba: Escenario 4. Mitad: Escenario 5. Abajo: Escenario 6. .......................................................... 44
Figura 16. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Baja) Arriba:
Escenario 7. Mitad: Escenario 8. Abajo: Escenario 9. ...................................................................... 45
Figura 17. Algoritmo para el cálculo de banco de condensadores en BT. ........................................ 53
Figura 18. Metodología utilizada por DIGSILENT para la ubicación de condensadores. ................ 55
Figura 19. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Alta) ......... 57
Figura 20. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Media)...... 58
Figura 21. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Baja) ........ 59
Figura 22. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 1. ........... 66
Figura 23. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 2. ........... 66
Figura 24. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 3. ........... 67
Figura 25. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 4. ........... 67
Figura 26. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 5. ........... 68
Figura 27. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 6. ........... 68
Figura 28. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 7. ........... 69
Figura 29. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 8. ........... 69
Figura 30. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 9. ........... 70
Figura 31. Beneficios para una red cuyos DER funcionan de forma independiente o integrados en
una DVPP. ......................................................................................................................................... 71
Figura 32. Limitantes para la participación en el mercado SPOT de generadores renovables. ........ 72
Figura 33. Participación en el mercado SPOT de DER mediante DVPP. ......................................... 72
Figura 34. Estructura de una RNA – Perceptrón Multicapa .............................................................. 73
Figura 35. Estructura de la DVPP planteada. .................................................................................... 74
9
Figura 36. Estructura detallada de la DVPP teniendo en cuenta topología, DER y criterios del
operador de red. ................................................................................................................................. 75
Figura 37. Circuito equivalente de un circuito de distribución. ........................................................ 83
Figura 38. Modelo PI distribuido de una red de distribución. ........................................................... 84
Figura 39. Circuito equivalente de una red de distribución con carga capacitiva ............................. 84
Figura 40. Diagrama fasorial para el circuito de la figura 39. ........................................................... 85
Figura 41. Triángulos de potencia para análisis matemático para corrección de factor de potencia 86
Figura 42. Espacio de trabajo en DigSilent. ...................................................................................... 88
Figura 43. Creación de un nuevo proyecto........................................................................................ 89
Figura 44. Configuración de la nueva red ......................................................................................... 89
Figura 45. Ejemplo de proyecto creado ............................................................................................ 90
Figura 46. Nueva ventana gráfica .................................................................................................... 91
Figura 47. Caja de herramientas de instrumentos de dibujo ............................................................. 91
Figura 48. Posicionamiento y conexión de los elementos del SEP ................................................... 92
Figura 49. Ventana de edición de un solo elemento .......................................................................... 93
Figura 50. Ventana de edición para más de un elemento .................................................................. 93
Figura 51. Representación de barra para conexión de subsistemas ................................................... 94
Figura 52. Representación de barras en Digsilent. ............................................................................ 94
Figura 53. Configuración de una barra en DigSilent. ........................................................................ 95
Figura 54. Ventana de configuración de líneas. ................................................................................ 96
Figura 55. Nuevo Proyecto de Línea. ................................................................................................ 96
Figura 56. Ventana de configuración de Transformador .................................................................. 97
Figura 57. Nuevo proyecto de transformador ................................................................................... 98
Figura 58. Selección de estudio para ubicación óptima de compensación ........................................ 99
Figura 59. Opciones básicas de algoritmo de ubicación óptima de capacitores................................ 99
Figura 60. Instalación de compensadores seleccionados de ficha técnica. ..................................... 100
Figura 61. Reporte de ubicación óptima de compensadores en media tensión. .............................. 101
Figura 62. Selección de elementos para ejecutar DPL .................................................................... 102
Figura 63. Ventana de comando DPL ............................................................................................. 102
Figura 64. Curva PV y reporte de estabilidad. ................................................................................ 103
Figura 65. Configuración de despacho automático ........................................................................ 104
Figura 66. Diagrama caso de uso aplicación. .................................................................................. 105
Figura 67. Diagrama clases aplicación. ........................................................................................... 106
Figura 68. Interfaz gráfica aplicación. ............................................................................................ 106
Figura 69. Campos de tensión, frecuencia y factor de potencia deseado ........................................ 107
Figura 70. Opciones disponibles para la información de consumo ................................................. 107
Figura 71. Información consumo de factura ................................................................................... 107
Figura 72. Campos necesarios para hacer el cálculo cuándo la información es obtenida de la factura
......................................................................................................................................................... 108
Figura 73. Opciones de cálculo para banco cuándo la información se obtiene de la factura .......... 108
Figura 74. Estado cuándo los kVAR del banco son mayores o iguales a 300 y el cálculo se hace con
información obtenida de la factura .................................................................................................. 109
10
Figura 75. Resultados obtenidos al dar click en calcular banco y estado del cálculo. ................... 109
Figura 76. Campos requeridos para hacer el cálculo por estudio de calidad de energía. ................ 110
Figura 77. Mensaje de estado de cálculo cuándo los datos son erróneos. ....................................... 110
Figura 78. Cálculo del banco de condensadores para la carga Industrial 2. .................................... 110
Figura 79. Botones adicionales de la aplicación ............................................................................. 110
Figura 80. Menú desplegable de la aplicación para tener acceso a la ficha técnica de condensadores
en BT, al manual de usuario y tener información de los desarrolladores. ....................................... 111
Figura 81. Información de la aplicación. ......................................................................................... 111
11
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Definiciones referentes a VPP en los últimos diez años. Fuente: Los autores. ................... 20
Tabla 2. Tipos de VPP y sus funcionalidades. Fuente: [3] y los autores. ......................................... 21
Tabla 3. Metodología planteada por [19] para un estudio de respuesta en la demanda. Fuente:
Autores .............................................................................................................................................. 23
Tabla 4. Principales trabajos realizados de VPP en los últimos cinco años en temáticas de mercado
energético, optimización y respuesta a la demanda. ......................................................................... 25
Tabla 5. Información de las líneas del circuito. ................................................................................ 31
Tabla 6. Información de las cargas del circuito................................................................................. 32
Tabla 7. Información de los transformadores del circuito ................................................................. 32
Tabla 8. GD de la red. ....................................................................................................................... 34
Tabla 9. Característica del panel escogido ........................................................................................ 36
Tabla 10. Generadores FV ubicados en la red de Distribución, su potencia y número de paneles
requeridos. Fuente: Autores. ............................................................................................................. 36
Tabla 11. Tabla de frecuencias para simulación de Montecarlo en demanda Media. ....................... 38
Tabla 12. Tabla de frecuencias para simulación de Montecarlo en demanda Alta. .......................... 39
Tabla 13. Potencia generada por el panel escogido para demanda alta y media. .............................. 39
Tabla 14. Generación de cada generador FV para cada escenario de demanda. ............................... 39
Tabla 15. Escenarios de simulación y eventos relacionados a ellos. ................................................. 41
Tabla 16. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 1, 2 y 3. ............................................................................................................................ 46
Tabla 17. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 4, 5 y 6. ............................................................................................................................ 47
Tabla 18. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 7, 8 y 9. ............................................................................................................................ 48
Tabla 19. Banco de condensadores para cada carga que requiere compensación en BT. ................. 54
Tabla 20. Requerimientos de compensación en MT para optimizar regulación de tensión en cada
escenario. ........................................................................................................................................... 56
Tabla 21. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 1, 2 y 3. ............................................................................................................................ 60
Tabla 22. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 4, 5 y 6. ............................................................................................................................ 61
Tabla 23. Límites de potencia y tensión sacados de la curva PV de cada nodo con carga, para los
escenarios 7, 8 y 9. ............................................................................................................................ 62
Tabla 24. Comparación límite de estabilidad de tensión según curva PV para caso base y para caso
con compensación. ............................................................................................................................ 63
Tabla 25. Índice de beneficio por escenario para cada nodo y promedio de beneficio por escenario.
........................................................................................................................................................... 64
Tabla 26. Reactivos en kVAR que entregará la DVPP a través de los condensadores de BT y MT 76
Tabla 27. Combinaciones a realizar por escenario para determinar los kW. .................................... 77
Tabla 28. Mejor combinación de generadores FV para cada escenario. ........................................... 78
12
Tabla 29. Configuración DVPP para cada escenario, valores de tensión promedio para cada
escenario y porcentaje de mejora en la estabilidad de la red. ............................................................ 78
13
1 INTRODUCCIÓN
1.1 CONTEXTUALIZACIÓN
La red eléctrica se ha desarrollado en torno a la generación centralizada, sin embargo, en la actualidad desde
el lado de los usuarios de la red eléctrica, se presenta un incremento en el uso de recursos energéticos
distribuidos (DER por sus siglas en inglés). Esto representa una oportunidad para diferentes actores con
carácter decisorio (operadores de red y el gobierno nacional) de tal manera que les permita plantear políticas
regulatorias con el propósito de facilitar a los usuarios con DER integrarse con éxito como participantes en la
alimentación de la red, y no solo como consumidores.
Los DER pueden ser de diferentes tecnologías, entre las que se encuentran:
Unidades de Generación Distribuida de cualquier tipo.
Sistemas de almacenamiento como baterías e inclusive pequeñas centrales hidroeléctricas.
Cargas especiales como Vehículos eléctricos.
Sistemas de compensación como bancos de condensadores.
Algunas de estas tecnologías presentan un mayor grado de madurez y penetración con respecto a otras, lo cual
se ve reflejado en un desarrollo tecnológico mucho más marcado.
Para proporcionar un servicio de energía confiable con una determinada calidad, los operadores de red deben
cumplir requisitos de índole técnico y están limitados por la forma en la cual pueden equilibrar la oferta y la
demanda. Por lo tanto, es necesario evaluar en primera instancia las implicaciones de índole técnico en la red.
Este proyecto busca en primera instancia proporcionar una revisión de los DER, definir una estructura que
permita integrarlos y finalmente evaluar el impacto de su integración, en la estabilidad de tensión en una red
de distribución alimentada por un sistema IEEE 9 nodos, con variaciones de carga y topología en el sistema.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La penetración de DER en las redes de distribución está creciendo de forma acelerada a nivel mundial debido
a diferentes factores, entre los cuales se encuentran: disminución del impacto ambiental, eficiencia energética
y una tendencia direccionada al cambio de políticas regulatorias del mercado energético, en el cual se busca
un proceso continuo de liberalización del mismo. [3] [21].
Los DER representan varios retos a tener en cuenta:
Naturaleza intermitente de las energías renovables: Muchos de los DER utilizan fuentes de energía
renovable, lo cual provoca intermitencia en su generación dependiendo de las condiciones
climáticas, dificultando de ésta manera la gestión de la generación y provocando dificultades
técnicas y económicas. [3]
Topología de la red: La mayoría de las redes de distribución tiene una topología radial, por lo cual
diferentes situaciones relacionadas con el alimentador principal (desconexión de líneas de
alimentación) y cambios en las condiciones propias de la red, pueden afectar al sistema en general
[29]. Dichos efectos en la red pueden ser mucho más notorios ante la implementación de DER en
diferentes puntos del sistema.
Al combinar la naturaleza intermitente de los DER, las variaciones en la topología de una red y los diferentes
escenarios de carga que normalmente se presentan a lo largo de un día, se puede manifestar (o agudizar si ya
existen) problemas de estabilidad de tensión [30].
Como una posible alternativa de solución para contrarrestar el impacto de los DER ante la estabilidad de
tensión, surge el concepto de Planta Virtual de Potencia o VPP por sus siglas en inglés (Virtual Power Plant).
[3] Las VPP basan su funcionamiento en técnicas de gestión energética como respuesta a la demanda,
autoconsumo energético y la integración de recursos energéticos distribuidos en una red para su
funcionamiento como una única central de generación. [19]. Como el estudio se limitará a la integración de
los DER de una red de distribución, se utilizará una DVPP (Distribution-Virtual Power Plant).
14
Con base en los argumentos expuestos, surge una pregunta ¿Cómo integrar en una DVPP los DER de una red
de distribución interconectada con un sistema de transmisión, con el fin de mejorar la estabilidad de tensión
ante variaciones de carga y de topología?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar la estabilidad de tensión de una red de distribución alimentada por un sistema IEEE 9 nodos con
integración de DER a través de una DVPP, ante modificaciones en la topología del sistema de transmisión y
variaciones de carga.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Revisar la literatura científica de Recursos Energéticos Distribuidos (DER) y de estructuras que
permitan integrarlos.
Definir la estructura de la DVPP en función de los DER integrados en ella (sistemas de generación
distribuida, y elementos compensadores).
Evaluar la estabilidad del sistema con base en la normatividad internacional y colombiana de nueve
escenarios de simulación, que permitan combinar la topología del sistema y los DER integrados en la
DVPP ante variaciones de carga (Alta, media y baja)
1.4 JUSTIFICACIÓN
Desde la perspectiva nacional, con base en la Ley 1715 de 2014, la cual busca “regular la integración de las
energías renovables no convencionales al sistema energético nacional” y la reciente publicación de la
resolución 045 del 3 de Febrero de 2016, donde se establecen los requisitos y procedimientos para obtener los
beneficios tributarios en proyectos de fuentes no convencionales de energía, se espera un crecimiento en la
inversión de diferentes recursos energéticos dispersos en cualquier punto de la red. Además, el reciente
fenómeno del niño y el riesgo que provocó de generar apagones a nivel nacional, pueden impulsar la
masificación de DER en las redes de distribución.
Además de ello, a nivel internacional se ha evidenciado la promoción de la integración de DER por parte de la
ONU a través de la XXI conferencia sobre cambio climático en 2015 y los diferentes estudios impulsados por
la academia como [31], se concluye que los DER juegan un papel preponderante al presentarse como la
tendencia de desarrollo de sistemas energéticos.
Estas tendencias direccionadas a la masificación de DER representan retos tanto técnicos como financieros
[3] para todos los actores del sector eléctrico a nivel de distribución. Por ello, las investigaciones enfocadas a
la integración de recursos energéticos distribuidos en DVPP y los estudios de estabilidad en redes con dichas
tecnologías permitirán mejorar el comportamiento eléctrico de una red ya existente y buscar una operación
mucho más rentable.
1.5 ALCANCE
En este proyecto se utilizarán como DER a unidades de generación distribuida (generadores solares
fotovoltaicos interconectados con la red) y sistemas de compensación de reactivos (bancos de condensadores).
El alcance del presente trabajo es realizar un estudio de estabilidad de tensión de tal manera que permita
definir las condiciones de integración de los DER y buscar un beneficio para la red en general (mejora de la
estabilidad de tensión). El presente proyecto, puede ser utilizado como base para integrar otras tecnologías
DER como elementos de respuesta en la demanda y de almacenamiento. Además, puede ser utilizada la
metodología aquí propuesta para el análisis de VPP en Sistemas eléctricos de Potencia y redes de transmisión
de alta tensión. Por último, se propone el complemento de éste trabajo, mediante el análisis de otros aspectos
relevante como estudio de cortocircuito y de contaminación armónica por parte de los DER a la red.
15
2 MARCO TEÓRICO
En la actualidad, la competitividad de la generación de energía mediante recursos renovables ha alcanzado
niveles históricos. A pesar de la formulación de políticas económicas bastante inconsistentes y débiles, las
energías renovables han llegado a cubrir el 19% de la demanda energética a nivel mundial para el periodo
2013-2014. [1] [2]
Por primera vez, la energía solar fotovoltaica alcanzó para el año 2014 niveles superiores que la energía
eólica; llegando a superar los 40GW en una cifra estimada para el 2014. [1]
Sin embargo, el reto principal de las energías renovables y de los recursos energéticos distribuidos (DER), es
el inconveniente para realizar una gestión eficiente de dichos recursos que permita volverlos competitivos y
visibles en el mercado energético. [3] [4]
Según como lo muestra [3], la dificultad en la gestión de dichos recursos energéticos renovables radica en los
siguientes aspectos:
Participación en el mercado: Generalmente a las pequeñas centrales de generación basadas en
energías renovables se les prohíbe la participación en el mercado energético actual.
Naturaleza intermitente: Tal vez el más complicado de todos los aspectos. Lo anterior debido a que
tecnologías como los paneles solares fotovoltaicos son dependientes de factores ambientales, como
la intensidad de la radiación solar.
Funcionamiento independiente y no cooperativo de las unidades DER pertenecientes a una red,
dificultando su control y aprovechamiento.
La naturaleza intermitente de los DER, sumado con las variaciones de carga y topología de la red, puede
provocar una progresiva pero incontrolable caída de tensión, haciendo entrar al sistema en una condición de
inestabilidad [30].
2.1 ESTABILIDAD DE TENSIÓN Y COLAPSO DE TENSIÓN
Desde el punto de vista técnico, se evidencia la inestabilidad en la tensión, cuándo en las barras del sistema se
presentan tensiones por fuera de los límites permitidos por regulación.
Es importante entender, que la estabilidad de tensión se debe garantizar ante condiciones normales de
operación y después de ser sujeta la red a perturbaciones [30].
En [30] se evidencia que unas de las perturbaciones a las cuales una red se puede ver sometida son
variaciones de carga o generación. Cuándo se utilizan unidades DER de tipo generación distribuida con
energías renovables, éstas representan continuas fluctuaciones en su producción que evidentemente pueden
incidir en la estabilidad del sistema.
De las formas más sencillas de analizar la estabilidad de tensión es a través de las curvas PV y PQ. [30]
emplea el análisis de dichas curvas para realizar estudios de estabilidad y poder determinar los puntos críticos
de operación de un sistema.
Para ilustrar el fenómeno de voltaje, se parte de un sistema radial simple, es decir, un generador y un receptor
interconectados a través de una línea con impedancia 𝑍𝐿 ∠ 𝜙. El siguiente análisis es el utilizado en [30] para
estudiar el fenómeno de estabilidad de tensión:
16
Figura 1. Sistema radial para análisis de estabilidad de tensión
Si bien en sistemas de potencia se puede simplificar el análisis al tener en consideración solamente la parte
reactiva de la impedancia en las líneas de transmisión, para el caso particular de redes de distribución, dicha
aproximación no es válida. Debido a que no se cumple la relación de X mucho mayor a R que si se presenta
en niveles de transmisión. Por ello, se dejará planteada la impedancia de la línea como una impedancia
𝑍𝐿𝑁∠ 𝜙.
𝐼 =𝐸𝑠
𝑍𝐿𝑁 + 𝑍𝐿𝐷
(2.1)
La magnitud del fasor de corriente sería
𝐼 =𝐸𝑠
√(𝑍𝐿𝑁 cos 𝜃 + 𝑍𝐿𝐷 cos ∅)2 + (𝑍𝐿𝑁 sin 𝜃 + 𝑍𝐿𝐷 sin ∅)
2
(2.2)
Se hace que
𝐹 = 1 + (𝑍𝐿𝐷𝑍𝐿𝑁
)2
+ 2(𝑍𝐿𝐷𝑍𝐿𝑁
) cos(𝜃 − ∅) (2.3)
Por lo cual, la magnitud de corriente queda:
𝐼 =1
√𝐹
𝐸𝑠
𝑍𝐿𝑁
(2.4)
La magnitud de voltaje en el receptor es:
𝑉 = 𝑍𝐿𝐷𝐼 =𝑍𝐿𝐷
√𝐹
𝐸𝑠
𝑍𝐿𝑁
(2.5)
17
Y la potencia suministrada a la carga finalmente será:
𝑃𝑅 =𝑍𝐿𝐷𝐹
(𝐸𝑠
𝑍𝐿𝑁)2
cos ∅ (2.6)
De este desarrollo matemático se concluye que el factor de potencia de la carga tiene relevancia en la
característica Potencia-Tensión del sistema. Por lo tanto, se espera que la estabilidad de tensión dependa de la
relación entre V, Q y P, la cual se muestra en la Figura 1 y 2.
Figura 2. Curva P-V del sistema de la Figura 1. Fuente [30]
En la Figura 2 se evidencia la importancia del factor de potencia. Como primera medida, se grafica la curva P-
V ante diferentes factores de potencia. Para cada curva se tiene un límite de estabilidad, delimitado por la
línea punteada. Los puntos que se encuentran por debajo de dicha línea punteada son una región de
inestabilidad, donde un aumento de la potencia activa demandada en un nodo no provoca una caída de tensión
en dicho nodo. En contraparte, la zona ubicada por encima de la línea punteada es una región de estabilidad,
ya que, al demandar más potencia activa, se presenta una disminución de tensión.
18
Figura 3. Curva Q-V del sistema de la Figura 1. Fuente [30]
La Figura 3 muestra la Curva Q-V, en la cual se evidencia la relación entre la inyección de potencia reactiva y
la tensión. La línea punteada representa el límite de estabilidad. Para construir ésta gráfica se debe mantener
la potencia activa constante. La región ubicada a la izquierda de la línea punteada es una zona de
inestabilidad, ya que se evidencia una relación inversa entre Q y V. El lado derecho de la curva, representa un
estado de operación satisfactoria.
Es útil realizar una clasificación de voltaje de la siguiente manera [30]:
- Estabilidad de voltaje para grandes perturbaciones: Está relacionada con una habilidad del sistema
para controlar los voltajes siguientes a grandes perturbaciones como fallas del sistema, pérdidas de
generación.
- Estabilidad de voltaje para pequeñas perturbaciones: Está relacionada con la habilidad del sistema
para controlar los voltajes siguientes a pequeñas perturbaciones como cambios incrementales de
carga. Se utiliza la curva Q-V para determinar la estabilidad en estos casos.
Es evidente que la estabilidad de tensión cobra una relevancia mayor, al momento de tener DER con
diferentes niveles de generación y diferentes factores de potencia dispersados en varios puntos de la red.
2.2 MECANISMOS PARA LA INTEGRACIÓN DE DER
En [40] se plantea el uso de las micro redes para la integración de energías renovables. Una micro red se
puede definir como aquella capaz de integrar de forma eficiente las acciones y comportamientos de
generadores y consumidores, además de actores que realizan ambas acciones. Buscando eficiencia técnica,
ambiental y económica. Se presentan las micro redes y las plantas virtuales de potencia como conceptos
idénticos [40- 41].
Sin embargo, en [42] se clarifican las diferencias entre ambos conceptos:
Uno de los enfoques de las micro redes es la operación en isla, pero no es recomendable que la VPP
trabaje bajo éste tipo de contingencia porque representaría grandes sectores del sistema eléctrico
operando de forma autónoma (esto puede representar problemas de coordinación de protecciones).
Las micro redes requieren sistemas de almacenamiento, pero las VPP pueden ser dimensionadas sin
dichos sistemas al no ser concebidas para operación en isla.
19
Las micro redes son funcionales para DER ubicados en áreas geográficas limitadas (para garantizar
la operación en isla), mientras que las VPP pueden integrar DER dispersos en grandes áreas
geográficas.
Las micro redes comercializan normalmente en un mercado energético minorista, con las VPP se
puede tener participación en un mercado mayorista, ya que se puede agrupar mayor capacidad de
DER en áreas geográficas extensas.
En [31] se plantea como otra herramienta de gestión de los DER de una red, el correcto dimensionamiento de
dichos recursos, teniendo como bases políticas regulatorias y estándares internacionales (IEEE 1547).
Además de ciertos parámetros técnicos como pérdidas en líneas, mejora en las tensiones de nodo, etc. Sin
embargo, dos falencias que no se pueden contrarrestar utilizando únicamente esta metodología están
relacionadas con:
DER ya dimensionados y operando en la red.
Funcionamiento cooperativo de diferentes DER de una misma red.
Por lo tanto, es recomendable mirar alternativas que permitan conservar las bondades de dimensionar bien los
nuevos DER de la red, pero además permita un funcionamiento cooperativo de los ya instalados. Por ello
surge el concepto de Planta Virtual de Potencia.
2.2.1 VIRTUAL POWER PLANT (VPP)
En la actualidad, hay una cantidad considerable de DER penetrando en la red eléctrica. Sin embargo, la
penetración de los DER está limitada con la exigencia de un sistema menos centralizado en la generación,
pero con una alta eficiencia al mismo tiempo [7].
Adicionalmente, se está presentando una continua liberalización del mercado, dejando a un lado los
monopolios para permitir el continuo aumento de un mercado competitivo. Para contrarrestar éstas
problemáticas se plantea la implementación de una VPP [8]
El concepto de VPP sigue siendo caso de estudio aún, por lo tanto, no se tiene una definición estandarizada en
la literatura científica. En la Tabla 1, se tienen las diferentes definiciones de VPP encontradas en los distintos
trabajos desarrollados desde 2006 hasta 2016. Cabe resaltar, que en las primeras definiciones de VPP (2008)
se consideraba igual éste mecanismo de integración a una micro red. Sin embargo, a medida que se ha
desarrollado la investigación tanto en VPP como en micro redes, se han podido identificar las diferencias
entre ambas como las define [42], donde se plantea que el principal enfoque de las micro redes está en
permitir una operación en isla de porciones del sistema eléctrico en áreas pequeñas; en contraparte de las VPP
que permiten integrar DER en áreas geográficas mucho más grandes. Por último, desde el año 2012, el
concepto de VPP busca centrar esfuerzos que permitan a las energías renovables tener participación en un
mercado eléctrico mayorista.
20
Tabla 1. Definiciones referentes a VPP en los últimos diez años. Fuente: Los autores.
Autores y año
H. Saboori, M.
Mohammadi. 2011
Una Virtual Power Plant es un grupo de unidades generadoras dispersas,
cargas y almacenamientos controlables, agregados con el fin de operar
como una central única. Los generadores pueden utilizar tanto fósiles
como fuente de energía renovable.
R. Hooshmand, E.
Gholipour, S.
Nosrabatabi. 2015
Se define VPP y en especial una IVPP (VPP Industrial) como la
programación de los generadores agregados de la red en un entorno
industrial buscando la participación en el mercado energético.
A. Ghahgharaee, A.
Zakariazadeh, S.
Jadid. 2016
Una VPP es definida como la agregación de algunos DER para operar de
forma coordinada y así poder participar en el mercado energético.
T. Sowa, S. Krengel,
S. Koopman. 2014
Se define una VPP como un concepto que permite agrupar DER en dos
partes esenciales: Cargas controlables y generadores para reducir el
impacto de recursos energéticos volátiles.
Una VPP es un término mediante el cual se busca optimizar la generación y
despacho de los recursos de almacenamiento en un único sistema,
aprovechando las virtudes de la web para proporcionar seguridad y
conectividad remota.
P. Asmus. 2010
Se define VPP como un concepto propio de una red de distribución en baja
tensión, mediante el cual se puede lograr una gestión activa de una red
inteligente. Específicamente con fuentes de energía a pequeña escala para
apoyar grupos específicos de cargas eléctricas.
O. Palizban, K.
Kauhaniemi, J.
Guerrero. 2013
Una Planta Virtual de potencia es una estructura compuesta por
generadores y cargas controlables. Se limitan los generadores hasta una
potencia máxima de unas docenas de MW. Además se pueden utilizar
energías renovables y basadas en combustibles fósiles de forma
simultánea.
P. Lombardi, T.
Sokolnikova, Z.
Styczyniski, N.
Voropai. 2012
Definiciones encontradas de VPP
F. Bignucolo, R.
Caldon 2006
VPP se define como una agregación de diferentes tipos de GD que pueden
estar dispersas en diferentes puntos de la red de distribución de media
tensión.
D. Pudjianto, C.
Ramsay 2007
VPP se define como un número de diversas tecnologías con diversos
patrones de funcionamiento y disponibilidad que pueden conectarse a
diferentes puntos de la red de distribución.
H. Morais, P. Kadar
2008VPP recibe la misma definición que tiene una micro red autónoma.
K. El Bakari, J. M. A.
Myrzik. 2009
Una Virtual Power Plant representa una agregación de los recursos
energéticos distribuidos (DER) y puede incluir cargas controlables, así
como dispositivos de almacenamiento.
21
En [3] se plantea que las tecnologías de generación aplicables a VPP son, entre otras: Energías renovables
como la producción solar fotovoltaica y eólica, unidades de generación, sistemas de almacenamiento y
sistemas de compensación energética como turbinas y gasificación.
Además, diferentes autores incluyen entre los DER, bancos de condensadores, unidades de generación y
vehículos eléctricos [28-29].
El concepto de VPP puede tener varios frentes de acción. Por ejemplo, una VPP puede enfocar sus esfuerzos
en criterios técnicos (TVPP) o comerciales (CVPP) [9].
Las funcionalidades de una VPP técnica o comercial se presentan en la Tabla 2:
Tabla 2. Tipos de VPP y sus funcionalidades. Fuente: [3] y los autores.
En trabajos de 2015 y 2016 se realiza una clasificación de las VPP según el tipo de usuario (industrial,
comercial, etc.).
La clasificación de la Tabla 2 aplica para cualquier VPP, sin importar el nivel de tensión (por ejemplo, DVPP-
Virtual Power Plant de Distribución).
Las diferentes clasificaciones de las VPP se encuentran en la Figura 4.
Independientemente si los esfuerzos se centran en respuesta a la demanda, visibilidad en el mercado
energético o en estrategias de optimización de VPP, en todos los casos se busca balancear las fluctuaciones
provocadas por las energías renovables, sistemas interconectados y redes inteligentes.
En la Figura 4, se relaciona de color rojo las áreas de trabajo en las cuáles se centrará éste proyecto.
Este trabajo se centrará en la integración de DER en una planta virtual de potencia a nivel de distribución
(DVPP) y se realizará con un enfoque técnico en los estudios a realizar en la VPP, focalizado en la estabilidad
de Tensión.
Visibilidad de las unidades de GD en los
mercados energéticos.
Participación de las unidades de GD en los
mercados de energía.
Maximización del valor de la participación
de las unidades de GD en los mercados de
la energía
Funcionalidades de una TVPP Funcionalidades de CVPP
Condición de monitorización continua-
recuperación de equipos de carga histórica.
Gestión de activos- con el apoyo de los
datos estadísticos.
La auto identificación /Auto descripción de
los componentes del sistema.
Localización de fallas en el sistema con
manejo de cortes.
Análisis estadístico y optimización de la
cartera de proyectos.
22
Virtual Power Plants - VPP
Clasificación según
Enfoque Nivel Tipo de usuario
Estudio
Técnico
TVPP
Estudio
Comercial
CVPP
En redes de
Distribución
DVPP
En redes de
Transmisión
VPP
Balance de las
fluctuaciones de las
energías renovables.
Compensaciones y
estabilidad.
Otras Áreas de Trabajo:
Mercados de energía competitivos
Visibilidad de pequeños generadores
en el mercado energético.
Mecanismos de respuesta a la
demanda.
Industrial
Comercial
Residencial
Figura 4. Clasificaciones de VPP. Fuente: Autores
23
2.2.1.1. VPP EN EL BALANCE DE LAS FLUCTUACIONES DE ENERGÍAS
RENOVABLES, COMPENSACIÓN Y ESTUDIO DE ESTABILIDAD
En [10] se plantea una relación directa entre el beneficio económico y una mayor eficiencia técnica de los
recursos renovables, reduciendo sus fluctuaciones y su impacto en los flujos de potencia de la red (se realizan
estudios en estado estable, por lo cual cobra gran relevancia los niveles de tensión en cada punto del sistema).
En todos los casos los autores coinciden en el impacto que provoca en el mercado energético, el hecho de
realizar interconexiones confiables. La mayoría con el uso de recursos renovables de forma óptima.
En [29] se plantea la integración de recursos energéticos distribuidos de diferentes tecnologías (generación
distribuida, compensación y almacenamiento) y su coordinación. Se plantean interrogantes con estos DER
sobre su impacto en el perfil de tensión y su contribución para suavizar dicho perfil.
2.2.1.2. VPP EN RESPUESTA A LA DEMANDA
En los trabajos que buscan lograr mecanismos de respuesta a la demanda con una VPP, se busca aplanar la
curva de carga diaria [19]. De esta forma, la VPP actúa como un dispositivo capaz de unificar la generación a
partir de energías renovables y la demanda del consumidor. El operador de la VPP está obligado a garantizar
el suministro eléctrico estable a la carga que tiene integrada, utilizando la generación producida por sus
generadores o a través de compras en el mercado eléctrico con un día de antelación. Del mismo modo la
potencia adicional que se genere, puede ser comercializada fuera del sistema VPP.
Para garantizar la seguridad del suministro en un contexto de incertidumbre en la generación (por la presencia
de energías renovables) y ante variaciones de carga, se presenta la metodología propuesta por [19] en la Tabla
3, donde se plantean los perfiles de carga a los usuarios pertenecientes a la VPP y se organizan según la
preferencia de los mismos. Posteriormente, la VPP realiza una selección de los perfiles de carga a utilizar, de
acuerdo al orden definido por los usuarios y determinando cuál de ellos representa el mínimo costo del
sistema, para finalmente conectar o desconectar las cargas y unidades generadoras correspondientes.
Tabla 3. Metodología planteada por [19] para un estudio de respuesta en la demanda y VPP. Fuente: Autores
2.2.1.3. VPP EN LA VISIBILIDAD DE PEQUEÑOS GENERADORES EN EL MERCADO
ENERGÉTICO
Para lograr una visibilidad de pequeños generadores en el mercado energético minorista, se debe tener en
cuenta varios aspectos. Lo más recomendable es contar con pronósticos del recurso energético renovable que
hará parte de la VPP. Al momento de hacer las transacciones es aconsejable realizarlas por bloques de horas,
debido a que los registros de las condiciones climatológicas son suministrados generalmente en estos lapsos
de tiempo. [16]
En los trabajos desarrollados en este aspecto, se presentan conceptos referentes al mercado minorista
liberalizado, como un escenario óptimo para la implementación de VPP. Sin embargo, en cualquier lugar
donde se quiera implementar una VPP para volver competitivas las energías renovables en el mercado, es
necesario tener en cuenta el marco normativo y regulatorio.
Estrategias Aspectos relevantes
Se plantea a los usuarios diferentes perfiles de carga y se organizan en el orden de preferencia de los
consumidores.Perfiles de carga
La VPP realiza una selección de los perfiles de carga buscando una minimización del costo total del
sistemaMinimización
Gestión de la
demandaLa VPP conecta y desconecta las cargas y unidades generadoras correspondientes.
24
En Colombia se manejan diferentes tipos de mercado en el sector eléctrico. Sin embargo, debido a que las
energías renovables dependen de las condiciones climáticas, y teniendo en cuenta la dificultad existente para
realizar predicciones climáticas a largo plazo, el mercado en el cuál una VPP con unidades de generación con
energías renovables como DER puede participar de una forma mucho más activa, es en el mercado de corto
plazo o mercado spot.
El funcionamiento del mercado spot se da de la siguiente manera: Con un día de anticipación a la operación,
cada generador declara diariamente a la Bolsa de Energía la disponibilidad horaria de sus recursos y una
oferta de precio.
Los trabajos desarrollados bajo este tópico realizan una optimización basado en programación lineal para
poder volver competitivo el costo de la energía en el mercado energético. [16-17]
2.2.1.4. VPP Y ESTRATEGIAS PARA SU OPTIMIZACIÓN
Los trabajos centrados en la elaboración de estrategias para la optimización de una VPP van encaminados a
utilizar programación lineal. Es decir, determinar una función objetivo con ciertas restricciones y según sea el
caso maximizar o minimizar dicha función. En los diferentes documentos referenciados, se evidencia que las
funciones objetivo van encaminadas a permitir la participación de DER en el mercado energético, realizando
proyecciones acertadas del precio de la energía [16-17]. Sin embargo, la función objetivo también pueda estar
centrada en el aspecto técnico, por ejemplo, lograr compensar las fluctuaciones de la energía eólica, teniendo
en cuenta las restricciones operativas de otras unidades generadoras pertenecientes a la VPP, como micro
cogeneración térmica [14].
Los trabajos más relevantes en los últimos cinco años en las diferentes líneas de investigación (visibilidad de
pequeños generadores en el mercado energético, Balance de fluctuaciones de energía y Respuesta a la
demanda se presentan en la Tabla 4.
25
Tabla 4. Principales trabajos realizados de VPP en los últimos cinco años en temáticas de mercado energético,
optimización y respuesta a la demanda.
S. Abdollahy 2015
Si bien no se utiliza el concepto de VPP, si se plantean estrategias de integración de recursos energéticos
distribuidos de manera coordinada en la red de distribución. Se plantean beneficios de usar bancos de
condensadores y sistemas de almacenamiento como baterías.
A. Ghahgharaee, A.
Zakariazadeh, S.
Jadid. 2016
En éste paper, la VPP es definida como la agregación de algunos DER para operar de forma coordinada y
así poder participar en el mercado energético. Para determinar el punto óptimo de operación se plantea un
modelo de programación lineal, teniendo en cuenta aspectos como: Flujo de dinero entre la VPP con el
mercado y programación energética (reservas, costos).
P. Lombardi, T.
Sokolnikova, Z.
Styczyniski, N.
Voropai. 2012
Plantea la VPP como mecanismo para integrar DER y lograr su participación en el marcado energético.
Propone el uso de sistemas de almacenamiento como característica de la VPP y centra su estudio para una
carga máxima de 1 MW.
T. Sowa, S. Krengel,
S. Koopman. 2014
Se estudia un modelo estocástico para analizar diferentes escenarios de operación del mercado energético,
de acuerdo a las características de cada tecnología de los DER integrados en la VPP.
Autores y año Aspectos relevantes
B. Roossien, A. Van
den Noort 2011
Se busca compensar las fluctuaciones de la energía eólica, variando la producción y la demanda mediante
una VPP conformada por: Bombas de micro-cogeneración térmicas, veintidós sistemas de calefacción, dos
vehículos eléctricos y un aerogenerador. Fueron utilizadas herramientas de respuesta en la demanda para
gestionar la carga. El escenario fue el piloto de la primera smart grid de Europa: PowerMatching City en
Holanda.
N. Etherden, M.H.J.
Bollen 2013
Se estudia la viabilidad de una VPP conformada por: un parque eólico, planta hidroeléctrica con su reserva
y paneles solares fotovoltaicos con su respectivo sistema de almacenamiento en baterías. El escenario de
la VPP es brindar servicios auxiliares a una red de distribución de 50 kV en Suecia. Se plantea la utilidad
de la VPP para el manejo de potencia activa y reactiva para adquirir visibilidad en el mercado Spot.
B. Melon Llorca 2011
Integración de una planta de cogeneración y un parque eólico en una VPP. Para mejorar el funcionamiento
de la VPP, se busca reducir las pérdidas de potencia activa total, teniendo en cuenta varios aspectos
como lo son: Límites de potencia activa y reactiva de los generadores, además de los límites del flujo de
potencia.
I. Kuzle, M. Zdrilic
2011
Se realizan simulaciones de una VPP conformada por unos paneles solares fotovoltaicos, una generación
de tipo eólico y una planta de potencia convencional. Se plantea una función objetivo, la cual será
minimizar el costo de operación de la central convencional. Para lograr una óptima participación en el
mercado, se debe contar con pronósticos de las energías renovables y realizar contratos por bloques de
horas. La principal restricción del modelo es el valor mínimo de potencia suministrada por la VPP. Es
fundamental tener en cuenta el impacto de las plantas convencionales (Sin energías renovables), ya que
serán las que representen una mayor diferencia en el precio final.
26
2.3 DEFINICIÓN DE VPP PLANTEADA
Con base en la revisión de la literatura expuesta en la sección 2.2 y tomando como criterio el alcance y
objetivos del presente proyecto, se realizará una definición de VPP. Como primero se tendrá en consideración
el nivel de tensión al cuál se encontrarán conectados los DER. Como se realizará la conexión de unidades
DER en baja y media tensión, se utilizará una DVPP (planta virtual de potencia a nivel de distribución).
Como se observó en la literatura revisada, la mayoría de VPP buscan cierta participación en el mercado
energético, por lo cual la planta virtual planteada en éste trabajo no será la excepción. Sin embargo, no será el
enfoque de este proyecto, pero es útil definir que el mercado en el cual tendría cabida y una participación
mayor las DVPP es en el mercado de corto plazo o Spot.
Otro tema importante al momento de definir una DVPP será los DER a utilizar en la misma. Entre las
tecnologías DER utilizadas se encuentra:
Unidades de Generación Distribuida de cualquier tipo (energías renovables, unidades térmicas y de
cogeneración, generadores síncronos).
Sistemas de almacenamiento como baterías e inclusive pequeños embalses.
Cargas especiales como Vehículos Eléctricos
Sistemas de compensación como bancos de condensadores
Por lo tanto, al momento de hablar de DER, se puede definir como
DER: Recursos energéticos ubicados de forma distribuida en un sistema eléctrico. Los recursos energéticos
pueden ser de diferentes tecnologías y funciones, entre las cuales se tiene generación, almacenamiento,
compensación y gestión de la demanda. En una red se puede tener diferentes tipos de unidades DER o un solo
tipo.
Con la definición del concepto de DER y los tipos que se pueden presentar, se procederá a definir una DVPP
con ayuda de la Tabla 1.
DVPP: Una DVPP es un grupo de Recursos Energéticos Distribuidos (DER) con diferentes patrones de
funcionamiento y disponibilidad, ubicados a lo largo de una red de Distribución (baja y media Tensión) en
cualquier extensión de área geográfica; y agrupados de tal manera que funcionan de forma conjunta y
cooperativa como un único elemento, en búsqueda de beneficios técnico-financieros para todos los
participantes de la red (operador de red, generadores y cargas). La DVPP debe estar concebida para que
funcione bajo diferentes eventos que se puedan presentar en la red (relacionados con carga y topología del
sistema) sin necesidad de contemplar una operación en isla. Para los propósitos de éste trabajo, se optará por
el uso de dos unidades DER diferentes:
Generación distribuida con energías renovables. Particularmente con generadores de energía solar
fotovoltaica.
Sistema de banco de condensadores. Debido a las penalizaciones que representa el flujo excesivo de
potencia reactiva y su relación directa con el nivel de tensión. Así mismo, la facilidad de aumentar el
factor de potencia a través de condensadores y la relación directa entre el factor de potencia y la
estabilidad de tensión.
Tomando como base la Figura 4 y la explicación dada, se buscará lograr un balance en las fluctuaciones de
generación de las energías renovables y definir el funcionamiento de la DVPP. Por lo tanto, no se requerirá
cargas especiales (vehículos eléctricos) ya que son utilizados para trabajos enfocados en la respuesta a la
demanda.
2.4 NORMATIVIDAD
En Colombia, los entes principales encargados de la normatividad y la regulación energética son la Comisión
de Regulación de Energía y Gas (CREG) y el Ministerio de Minas y Energía. Un ente importante en la
planeación y desarrollo del sector eléctrico colombiano es la Unidad de Planeación Minero Energética
(UPME).
27
En materia de Energías renovables y DER, la normativa principal está en el marco de la Ley 1715 del 13 de
mayo de 2014, por medio de la cual se plantea la integración de las energías renovables no convencionales al
sistema eléctrico colombiano y cuya reglamentación gira en torno al Decreto 2143 de 2015. En el 2016, la
UPME publicó la resolución 045 del 3 de febrero de 2016.
Debido a que el uso óptimo de DER y la reglamentación de las energías renovables en Colombia está
enfocado entre otros, a la eficiencia energética, es importante mencionar a la norma ISO 5001 y a la NTC
5001 que son la normatividad relacionada en este campo.
Por último, es de vital importancia mencionar normatividad nacional e internacional que permitan obtener
indicadores para evaluar los niveles de tensión en los sistemas de potencia y el factor de potencia (factores
preponderantes en la estabilidad de tensión al analizar curvas PV y QV).
Para evaluar el perfil de tensión se debe tener en cuenta las normas colombianas NTC 1340 y la CREG 025 de
1995. Además, también se deben definir los límites de sobretensiones y subtensiones permitidas, expresadas
en la norma NTC 5000 y en la IEEE 1159.
2.4.1 LEY 1715 DE 2014
La Ley 1715 de 2014 promulgada por el gobierno nacional el 13 de mayo de 2014 tiene por objeto promover
el desarrollo de las fuentes no convencionales de energía, con un énfasis particular en las de carácter
renovable.
La Ley busca promover en líneas generales los siguientes aspectos:
Integración de las Fuentes No Convencionales de Energía (FNCE) al sistema energético nacional.
Participación de FNCE en el mercado eléctrico.
Fomentar la participación de las FNCE de carácter renovable en las zonas no interconectadas.
Establecer el marco legal para fomentar el aprovechamiento de las FNCE.
Establecer mecanismos de cooperación entre los diferentes sectores para fomentar la gestión
eficiente de energía.
Estimular la inversión, investigación y desarrollo en FNCE, principalmente las de carácter renovable.
Incentivar la Eficiencia Energética, y mecanismos de respuesta a la demanda.
2.4.2 DECRETO 2143 DE 2015
En la Ley 1715 se plantearon diferentes beneficios tributarios de utilizar FNCE, entre los cuáles se encuentra:
Impuestos sobre la renta.
Exclusión de IVA.
Exención de aranceles.
Aspectos Contables (sin aclarar si los beneficios serán contables y fiscales o sólo contables).
Por lo cual, el Decreto 2143 de 2015 fue emitido como marco regulatorio de la Ley 1715. El Decreto
estableció como requisito para acceder a la exención de gravamen arancelario que “Las personas naturales y
jurídicas titulares de nuevas inversiones en proyectos para el desarrollo de FNCE deberán obtener
previamente la certificación expedida por el Ministerio de Minas y Energía, a través de la UPME, en la cual
se avala el proyecto de FNCE, maquinaria, equipos, materiales e insumos destinados para tal fin.”
2.4.3 RESOLUCIÓN 045 DE 2016
La UPME publicó el 3 de febrero de 2016 la resolución 045. Entre los aspectos importantes de dicha
resolución se encuentra:
Se definen los requisitos para aplicar a los beneficios de deducción de IVA e impuestos arancelarios
de todos los equipos, maquinarias y servicios relacionados con FNCE, según listado publicado con la
resolución.
28
Se permite la renovación de la certificación que permite la exención de IVA y aranceles. La
certificación tendrá vigencia de 18 meses, y podrá ser renovada por otros seis meses más.
La resolución no especifica si los proyectos en funcionamiento recibirán la certificación necesaria
para exención de IVA y aranceles, por lo cual, se debe esperar las modificaciones que se realizarán a
dicha resolución.
2.4.4 ISO 5001-NTC5001
Norma enfocada a la eficiencia energética. Temática fundamental es la calidad de potencia eléctrica, límites y
metodología de evaluación en punto de conexión común. Se realiza la clasificación de diferentes
perturbaciones entre las cuales se incluyen variaciones de tensión.
2.4.5 NTC 1340
Aborda temas de calidad de potencia, con un énfasis en tensiones y frecuencias nominales en sistemas
eléctricos de servicio público. [21]
Esta norma define para media tensión (entre 1kV y 62 kV), una tensión nominal máxima de +5% y una
mínima de -10%. Teniendo como definiciones de tensión máxima y mínima de un sistema como el valor
eficaz máximo que ocurre bajo condiciones normales de operación en cualquier momento y punto del sistema.
[21].
En [21] se plantean índices normalizados para evaluar la regulación de tensión en una red de Distribución
como:
𝐼𝑉 =𝑉𝑛𝑜𝑑𝑜 − 𝑉𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛
(2.7)
En [21] se utiliza el índice beneficio para evaluar el impacto de la generación distribuida basado en el
concepto de porcentaje. De ésta forma se puede cuantificar el beneficio de una acción en un estudio mediante
la variación de un índice o valor cualquiera.
𝐼𝐵𝐸𝑁𝐸𝐹𝐼𝐶𝐼𝑂 =𝐼1 − 𝐼2𝐼1
∗ 100 (2.8)
Estos dos índices serán los utilizados para evaluar la estabilidad de tensión en la red de prueba utilizada para
los escenarios de simulación propuestos.
Por último, es importante tener en cuenta que la normativa colombiana con referencia al flujo de potencia
reactiva y al factor de potencia está compuesta por:
Resolución CREG 009 de 1996 (relacionada con las tarifas).
Resolución CREG 009 de 1997 (límites de potencia reactiva).
Resolución CREG 108 de 1997 (control del factor de potencia en 0,9 inductivo).
Resolución CREG 082 de 2002 (mecanismo de cobro para liquidación mensual por el uso del
sistema por bajo factor de potencia).
Resolución CREG 047 de 2004 (Limita el cobro al transporte y no a los otros conceptos de la
fórmula tarifaria).
Las cuáles tienen en común, que en todas se expresa el límite de consumo de potencia reactiva, realizando
penalización cuándo el consumo de energía reactiva supere el 50% de la activa. Desde el punto de vista de
factor de potencia, se debe garantizar por lo menos en 0,9.
29
3 MODELO DE PRUEBAS
Para estudiar la estabilidad de tensión en un sistema de distribución, se debe plantear una red que permita
realizar variaciones en carga y topología. La red planteada es de tipo industrial, debido a las particularidades
que ofrece (demanda de reactivos) con un nivel en media tensión (MT) de 11,400V. La topología de la red es
de tipo radial y su alimentador es el sistema IEEE 9 nodos. La curva de carga utilizada es la que describe el
consumo de potencia por hora en Colombia.
3.1 CURVAS DE CARGA DIARIA
Las curvas de carga diaria, son variaciones de la demanda de potencia a lo largo de un día. La importancia de
las curvas radica en la información que contiene hora a hora, referente al tipo de usuario que demanda la
energía. Por lo tanto, se obtienen tres tipos de curva de carga, dependiendo del tipo de usuario (industrial,
comercial y residencial) [21]:
Figura 5. Curva de carga para un usuario industrial en Colombia. Fuente [21]
Figura 6. Curva de carga para un usuario comercial en Colombia. Fuente [21]
30
Figura 7. Curva de carga para un usuario residencial en Colombia. Fuente [21]
3.2 MODELO DE PRUEBAS
Como se mencionó anteriormente, el modelo de pruebas es un sistema de distribución típico de Bogotá. En
líneas generales, el sistema cuenta con 26 nodos todos de tipo industrial, 9 cargas, 9 transformadores y 9
líneas de MT según normatividad CODENSA. La red se encuentra alimentada por el sistema IEEE 9 nodos
(mediante las líneas de transmisión LINE 5 y LINE6).
En la Figura 8 se muestra el sistema IEEE 9 nodos y se evidencia la ubicación de la red de pruebas. La red de
pruebas se ubica en el BUS 6 ya que éste tiene la tensión más cercana a la nominal para condiciones de plena
carga (1,01 pu). Por ejemplo, en el BUS 8 la tensión es de 1,016 pu y en el BUS 5 es de 0,988 pu para las
mismas condiciones.
Figura 8. Sistema IEEE 9 nodos que alimentará la red de distribución de pruebas. En Azul la subestación que
alimentará la red de distribución. Fuente: Autores en DigSilent PowerFactory
En la Figura 9 se muestra la red de distribución planteada.
31
Figura 9. Red de distribución utilizada como modelo de pruebas.
En las tablas 5, 6 y 7 se detalla la información del circuito utilizado:
Tabla 5. Información de las líneas del circuito.
Línea 1 2 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 2 1 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 3 0,76 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 4 0,43 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 5 0,157 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 6 1,3 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 7 0,234 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 8 0,13 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 9 0,36 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 10 0,621 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 11 0,235 1/0 11,4 230 0,549 0,6783 3ø, 3 hilos
Línea 12 0,113 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 13 0,098 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 14 0,241 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
Línea 15 0,567 2 11,4 180 0,874 0,6835 3ø, 3 hilos
XL
[Ω/km]Sistema
Nombre
Línea
Longitud
[km]
Calibre
[AWG]
Tensión
[kV]
Corriente
[A]
R
[Ω/km]
32
Tabla 6. Información de las cargas del circuito
En la práctica, muchas instalaciones de tipo industrial en Colombia no tienen conocimiento de la penalización que pueden
recibir por tener un factor de potencia menor a 0,9; y teniendo en cuenta que este fenómeno representa mayor demanda de
reactivos (situación útil para él análisis), se optó con que varias cargas (ubicadas en diferentes puntos de la red) tuvieran
un bajo factor de potencia como aparece en la Tabla 6.
Tabla 7. Información de los transformadores del circuito
3.3 GENERACIÓN DISTRIBUIDA
El modelo de pruebas ya tendrá una red de distribución con GD incorporada. Para determinar el nivel de
generación de la GD y la ubicación de las mismas se realizó el siguiente procedimiento:
3.3.1 NIVEL DE PENETRACIÓN DE GD EN COLOMBIA
El nivel de penetración de GD a calcular será para Colombia, debido a que la red de distribución, las
variaciones de carga y las condiciones climatológicas son las propias de Bogotá. Sin embargo, el
procedimiento utilizado también se puede implementar en cualquier otro territorio, siempre y cuándo se
obtenga la información previa necesaria (informes de generación, proyecciones y limitantes normativas).
Según el informe anual dado por XM sobre la operación del Sistema Interconectado Nacional (SIN) y
administración del mercado, la generación en 2015 fue de la siguiente manera:
Industrial 2 Carga 1 240,00003 180 0,8
Industrial 5 Carga 2 75,65001 38,75664 0,9
Industrial 7 Carga 3 32,00001 24 0,8
Industrial 13 Carga 4 259,96002 65,15205 0,97
Industrial 12 Carga 5 275,4 199,38615 0,81
Industrial 25 Carga 6 95,7 54,23568 0,87
Industrial 23 Carga 7 49,68 21,16359 0,92
Industrial 22 Carga 8 284,49 161,22792 0,87
Industrial 17 Carga 9 186 73,51191 0,93
Industrial 19 Carga 10 53,4 27,357633 0,9
Nodo Nombre de carga kW kVARFactor de
potencia
Nombre Potencia [kVA] Primario [kV] Secundario [kV] Conexión
Transformador 1 500 11,4 0,208
Transformador 2 112,5 11,4 0,208
Transformador 3 45 11,4 0,22
Transformador 4 300 11,4 0,44
Transformador 5 400 11,4 0,208
Transformador 6 75 11,4 0,208
Transformador 7 300 11,4 0,44
Transformador 8 225 11,4 0,22
Transformador 9 75 11,4 0,208
Transformador 10 112,5 11,4 0,208
33
Figura 10. Composición de la generación del SIN en 2015. Fuente XM.
Según la figura 10, el 5,2% de la generación estuvo a cargo de pequeños generadores y cogeneradores para el
2015. En este rubro se puede incluir la generación distribuida.
Para el caso de estudio analizado, el sistema IEEE 9 nodos es capaz de generar en condiciones de carga
máxima 248 MW. Utilizando las proporciones de generación expuestas en la Figura 10, se puede determinar
que la generación instalada a cargo de pequeños generadores será de 13 MW.
Adicionalmente, debido a la reglamentación que busca fomentar la inversión en fuentes no convencionales de
energía, éste porcentaje se espera que aumente.
Según el sumario de políticas en energías renovables en América Latina para el 2015 realizado por la Agencia
Internacional de Energías Renovables (IRENA), se tiene como objetivo de energías renovables en Colombia
que un 6,5% de la generación esté a cargo de dichas tecnologías.
Es de tener en cuenta, que el estimativo preciso de penetración de fuentes no convencionales de energía no es
fácil de determinar, y el actual marco regulatorio puede representar una mayor participación de dichos
generadores. Algo claro, es que los beneficios de congelación en el precio de la energía por el autoconsumo,
exenciones del pago del IVA e impuestos arancelarios representarán un crecimiento mucho más acelerado.
Esto sumado al alto costo de inversión en dichas fuentes de energía, se puede estimar que las grandes
industrias (con mayores utilidades) serán las que tengan la capacidad de invertir.
Por lo tanto, se va a tomar un escenario de penetración que contemple un incremento mayor al esperado y
cercano a un país en el cuál la industria ha cobrado gran relevancia para la inversión en FNCE como Chile,
cuya meta para 2025 es que la generación mediante FNCE sea del 20%.
De esta forma, se generará un número aleatorio en un intervalo cuyo límite inferior será el esperado en
Colombia para 2020 (6,5%) y el superior será el esperado por Chile para 2025 (20%).
El número aleatorio se determinará mediante MATLAB y será el nivel de penetración de GD que tendrá la
red de distribución de prueba. Para generar el número aleatorio, se debe definir la raíz en MATLAB mediante
el comando “seed” como se hace en la ecuación 3.1. Para este caso de estudio, se define la raíz del número
aleatorio a generar como la potencia instalada en la red de distribución, la cual es de 1784 kW. Después de
definir la raíz, se calcula el valor NP (nivel de penetración) como se hace en la ecuación 3.2, para finalmente
34
corregir el intervalo dentro del cual se generará el número (por defecto, MATLAB genera el número aleatorio
en un intervalo entre cero y uno). Para ello, se multiplica el valor NP por la diferencia del límite superior con
el inferior (13,5) y se suma el límite inferior (6,5) como aparece en la ecuación 3.3.
>> rand (‘seed’, 1784)
(3.1)
>>NP=rand(1,1)
(3.2)
>>NP*(13.5)+6,5
(3.3)
Al realizar la generación del número aleatorio, se obtiene un nivel de penetración de 7%, es decir, una
potencia instalada de 125kW en generación distribuida.
3.3.2 GENERADORES FOTOVOLTAICOS INSTALADOS
Como es de esperar, es un factor complejo determinar la dispersión de las unidades de GD ya que depende de
muchos factores exógenos como los incentivos del mercado y la liberalización del mismo. Para plantear un
nivel de dispersión se volverá a utilizar la generación de un número aleatorio. Para ello se determinó el
porcentaje de nodos de la red de distribución a analizar que tienen carga. De los 26 nodos de la red de
distribución, 10 tienen carga, lo cual representa un 38%. Éste porcentaje será el límite superior en la
generación del número aleatorio y el inferior será del 10%. Cómo se hizo con el nivel de penetración de GD,
se debe definir la nueva raíz, la cuál será de diez (número de nodos con carga) como aparece en la ecuación
3.4. En la ecuación 3.5 se determina el nivel de dispersión (ND) dentro de un intervalo entre cero y uno. Por
último (y como se hizo en la ecuación 3.3) se corrige el intervalo del ND dentro de uno deseado, en la
ecuación 3.6.
>> rand (‘seed’, 10) (3.4)
>>ND=rand(1,1) (3.5)
>>ND*(28)+10
(3.6)
El número aleatorio generado por MATLAB es de 28%. Lo cual representa que de los 10 nodos con carga del
sistema, 3 tendrán generación distribuida. Es decir, los 125 kW de GD se repartirán en tres nodos. (Los tres
nodos con mayor carga).
Por lo tanto, la ubicación de los generadores y la potencia instalada de cada uno de ellos es la que se muestra
en la Tabla 8. (Tomando como base un panel de 315W):
Tabla 8. GD de la red.
Generador FV Potencia [kW] Número paneles Ubicación
Generador uno 68 216 Carga 5
Generador dos 50 159 Carga 8
Generador tres 7 23 Carga 1
35
4 ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
Como la red de distribución planteada es alimentada por un sistema IEEE 9 nodos y con el fin de realizar el
estudio de estabilidad de tensión, se proponen escenarios de simulación en las horas de demanda alta, media y
baja; para diferentes variaciones de topología en el sistema de transmisión.
Para plantear los escenarios de simulación y estudiar el impacto de una DVPP en la estabilidad de tensión de
una red, es necesario proponer un caso base.
4.1 CASO BASE
Se analizará la estabilidad de tensión en la red de distribución ante variaciones de carga y de topología. Para
ello se toma el modelo de pruebas IEEE 9 nodos como alimentador de la red de distribución. En la Figura 11
se tiene la estructura del caso base, donde se toma el modelo de pruebas y se realiza la desconexión de las
líneas de transmisión asociadas con el alimentador. Además, para cada variación de topología, se realizan
variaciones de carga (alta, media y baja).
Figura 11. Estructura del caso base, partiendo del modelo de pruebas. Fuente: Autores.
Definido el caso base en la Figura 11, se procede a determinar las horas del día donde se presenta demanda
alta, media y baja.
4.2 HORAS DE DEMANDA
Para determinar las horas de demanda, se utilizarán las curvas de carga típicas colombianas expuestas en el
capítulo anterior.
1. SE TOMA MODELO DE PRUEBAS
1.1. SE REALIZAN VARIACIONES DE TOPOLOGÍA
DESCONEXIÓN DE LINEAS DE TRANSMISIÓN
RELACIONADAS CON EL ALIMENTADOR
1.2. SE REALIZAN VARIACIONES DE CARGA
DEMANDA
ALTA
DEMANDA
MEDIA
DEMANDA
BAJA
CASO BASE
36
Analizando las Figuras 5, 6 y 7 se puede concluir que las horas de demanda son:
Demanda alta (100% carga instalada) = Hora 16.
Demanda media (70% carga instalada) = Hora 09.
Demanda baja (20% carga instalada) = Hora 05.
4.3 NIVELES DE GENERACIÓN GD
Los paneles fotovoltaicos van a generar acorde a la radiación solar que incida sobre ellos.
Como los paneles solares generarán únicamente cuándo haya presencia de brillo solar (entre 6am y 6pm), se
requiere determinar la generación de cada unidad fotovoltaica para demanda alta y media (en demanda baja
no hay presencia de brillo solar).
Para ello se deben realizar las correcciones por temperatura de acuerdo a las condiciones ambientales de la
localidad de instalación (Bogotá) y a las condiciones de circuito abierto y cortocircuito del panel escogido.
El Panel seleccionado tiene las siguientes características, donde: Wp (vatios pico), Voc (tensión circuito
abierto), Vm (tensión máxima potencia), Isc (corriente cortocircuito) e Im (corriente máxima potencia).
Tabla 9. Característica del panel escogido
La razón por la cual el panel fue escogido está marcada por el valor de vatios pico que brinda éste, siendo uno
de los más altos que ofrece el mercado. Además de presentar un buen rendimiento en condiciones de baja
intensidad de radiación solar para generar.
Los coeficientes de temperatura se encuentran en la hoja de especificaciones del panel escogido incluida en el
Anexo D.
En la tabla 10 se muestran los números de paneles a utilizar para cada uno de los generadores fotovoltaicos de
la red:
Tabla 10. Generadores FV ubicados en la red de distribución, su potencia y número de paneles requeridos.
Fuente: Autores.
Sabiendo el número de paneles, se realizan las correcciones por temperatura. El procedimiento para realizar
las correcciones por temperatura es el siguiente:
Con la temperatura ambiente 𝑇𝑎 y la irradiancia 𝐺𝑥 dada se determina la temperatura del panel
Panel SunPower
Wp 315
Voc 64,6
Vm 54,7
Isc 6,14
Im 5,76
Generador FV Potencia [KW] Número paneles
Generador uno 68 216
Generador dos 50 159
Generador tres 7 23
37
𝑇𝑐 = 𝑇𝑎 +45 − 20
800∗ 𝐺𝑥
(4.1)
Con la temperatura del panel, se determina el delta de temperatura
∆𝑇 = 𝑇𝑐 − 25° (4.2)
Con los valores de Pm, Isc y Voc en condiciones estándar, se determina el factor de forma FF
𝐹𝐹 =𝑃𝑚
𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐
(4.3)
Se determina el valor de corriente de cortocircuito para la irradiancia dada
𝐼𝑠𝑐𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 =𝐺𝑥1000
∗ 𝐼𝑠𝑐 (4.4)
Con el nuevo Isc, FF y el valor Voc de la hoja del fabricante, se determina la potencia para la irradiancia dada
𝑃𝑚𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜 = (𝐼𝑠𝑐𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜) (𝑉𝑜𝑐 )𝐹𝐹 (4.5)
Con el coeficiente de temperatura dado por el fabricante y el delta de temperatura calculado, se determina el
delta de potencia
∆𝑃 = ∆𝑇 ∗ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑃(𝑇) (4.6)
Finalmente se determina el valor de la potencia del panel, para una temperatura ambiente y una irradiancia
dada
𝑃𝑚(𝑇𝑥,𝐺𝑥) = 𝑃𝑚𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜 + (∆𝑃 ∗ 𝑃𝑚𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜) (4.7)
Para determinar la temperatura y la irradiancia a la cual se realizarán las correcciones se utilizaron los
históricos dados por el IDEAM.
38
4.4 SIMULACIÓN DE MONTECARLO
Para determinar la irradiancia y la temperatura durante cada escenario de demanda (alta, media y baja) se
procederá a realizar simulaciones de Montecarlo. Para ello se utilizó la herramienta Excel, ya que no requiere
ninguna clase de programación para realizar las simulaciones (a diferencia de MATLAB).
Con base a los históricos de irradiancia dados por el IDEAM para cada hora del mes de Enero (desde el año
2013 hasta el año 2016), se determinará mediante simulaciones de Montecarlo la irradiancia para demanda
alta (hora 16) y demanda media (hora 09). Se tomaron los históricos del mes de enero, ya que en los últimos
cuatro años ha sido el mes más caluroso en Bogotá.
4.4.1 DEMANDA MEDIA (HORA 09)
Se organizó la información suministrada por el IDEAM y se construyó la Tabla 11.
Tabla 11. Tabla de frecuencias para simulación de Montecarlo en demanda media.
Se calculan números pseudo-aleatorios a través de la distribución uniforme entre 0 y 1 de los datos de
irradiancia. Luego se asigna un suceso para cada número pseudo-aleatorio mediante el valor de irradiancia y
la frecuencia relativa acumulada de dicho valor. Finalmente, se calcula el promedio de los sucesos de cada
número aleatorio para determinar el pronóstico de irradiancia para esa hora. Al realizar la simulación, el valor
de irradiancia esperado a la hora 09 es de 400,44 W/m2.
487 14 0,125 0,866071429
Total 112 1
525 15 0,133928571 1
437 10 0,089285714 0,589285714
460 17 0,151785714 0,741071429
391 2 0,017857143 0,446428571
415 6 0,053571429 0,5
334 8 0,071428571 0,375
362 6 0,053571429 0,428571429
287,6 6 0,053571429 0,25
315 6 0,053571429 0,303571429
237,5 4 0,035714286 0,169642857
260 3 0,026785714 0,196428571
190 3 0,026785714 0,089285714
211 5 0,044642857 0,133928571
130 2 0,017857143 0,026785714
159 4 0,035714286 0,0625
Irradiancia [W/m2] Frecuencia absoluta (Días) Frecuencia relativaFrecuencia relativa
acumulada
100 1 0,008928571 0,008928571
39
4.4.2 DEMANDA ALTA (HORA 16)
Así mismo se organizó la información para la demanda alta (hora 16)
Tabla 12. Tabla de frecuencias para simulación de Montecarlo en demanda alta.
Realizando el mismo procedimiento anterior, se calcula un pronóstico de irradincia para la hora 16, el cuál es
de 387,02 W/m2.
La Tabla 13 muestra el valor de la potencia generada por el panel escogido para las condiciones de
temperatura e irradiancia calculadas por simulaciones de Montecarlo.
Tabla 13. Potencia generada por el panel escogido para demanda alta y media.
La generación producida por cada generador, para las horas de demanda alta y media se ilustra en la Tabla 14:
Tabla 14. Generación de cada generador FV para cada escenario de demanda.
No se incluyó la generación de los paneles FV en demanda baja ya que a esa hora no se tiene presencia de
brillo solar.
520,33
580
628,43
667,8
727
854
Irradiancia [W/m2] Frecuencia absoluta (Días) Frecuencia relativaFrecuencia relativa
acumulada
133,5
180
222,7
275
321,1
0,016666667
0,041666667
0,075
0,1
0,083333333
0,1
0,083333333
0,016666667
0,058333333
0,133333333
0,233333333
0,316666667
0,416666667
0,5
7
3
2
1
120
0,016666667
Total
7
2
5
9
12
10
12
10
8
8
12
12
43
79,4
372
426,12
477,5
0,066666667
0,066666667
0,975
0,991666667
1
0,95
0,008333333
1
0,1
0,1
0,058333333
0,058333333
0,025
0,566666667
0,633333333
0,733333333
0,833333333
0,891666667
Hora Irradiancia [W/m2] Temperatura [°C] Potencia [W]
9 400,4 15 124,9336
16 387,0 20 118,6247
9 15 15 26,9856 19,8644 2,8734
16 20 20 25,6229 18,8613 2,7283
Irradiancia
[W/m2]Temperatura [°C]
Potencia generador
uno [kW]
Potencia generador dos
[kW]
Potencia generador
tres [kW]Hora
40
Finalmente, se pueden plantear los escenarios de simulación partiendo de las variaciones de demanda. Se
tienen tres niveles de demanda y para cada nivel se tienen tres condiciones de topología. La combinación de
demanda y topología se presenta de una forma esquemática en la Figura 12:
Modelo de Pruebas
Demanda Alta, Media y Baja
Ubicación de
compensación
Topología sin Variación Desconexión de LINE 5 Desconexión de LINE 6
Patrones de funcionamiento de
la DVPP
Patrones de funcionamiento de
la DVPP
Patrones de funcionamiento de
la DVPP
Figura 12. Eventos relacionados para cada hora de demanda.
Los recuadros de color (rojo, verde y azul) son los eventos que se deben simular para cada hora de demanda.
Es decir, para cada nivel de demanda se deben tener tres escenarios de simulación, resultado de tres eventos
(topología sin variaciones, desconexión de LINE 5 en el sistema de Transmisión y desconexión de LINE 6).
Por lo tanto se van a tener nueve escenarios de simulación.
Como se plantea en la Figura 12, se debe realizar la ubicación óptima de compensación de reactivos en la red
para cada evento y como consecuencia para cada escenario de simulación. Esto se debe a que la mejora en el
factor de potencia permite aumentar el margen de estabilidad en las barras del sistema. La ubicación de
compensación se realizará en baja tensión con las cargas que tengan un bajo factor de potencia y en media
tensión con base a un criterio técnico económico con ayuda de DIGSILENT. En el capítulo cinco se detalla la
ubicación de los condensadores.
41
Los escenarios de simulación son nueve y los eventos relacionados se muestran en la Tabla 15:
Tabla 15. Escenarios de simulación y eventos relacionados a ellos.
Con los escenarios de simulación definidos, se requiere determinar la información que se necesita obtener de
cada uno de ellos. Como el enfoque es realizar un análisis de estabilidad de tensión, se necesitan utilizar los
índices normalizados de tensión expuestos en el capítulo dos (sección 2.4.5, página 27, ecuaciones 2.7 y 2.8)
y las curvas PV para cada uno de los escenarios de simulación.
El análisis de estabilidad de tensión se realizará con curvas PV, ya que para su construcción no requiere
adicionar otros elementos al sistema de potencia (a diferencia de las curvas QV, donde se necesita adicionar
condensadores en cada nodo donde se realice el análisis de estabilidad) y además requieren menos espacio de
memoria en DIGSILENT.
4.5 CONSTRUCCIÓN CURVAS PV
Como se observó en el estado del arte, las curvas PV son un indicador de la estabilidad de tensión, ya que
para unas condiciones específicas dadas (carga y factor de potencia) permite determinar el límite de potencia
en una barra, antes de que ésta llegue a la inestabilidad de tensión.
Si la construcción de las curvas PV se realiza sin la ayuda de herramientas computacionales, se requieren
ejecutar varios flujos de potencia hasta que el sistema llegue a un punto de no convergencia. De ésta forma, se
tiene el algoritmo planteado por [34] para la construcción de curvas PV.
ALTA MEDIA BAJA
Escenario 1 X X
Escenario 2 X X
Escenario 3 X X
Escenario 4 X X
Escenario 5 X X
Escenario 6 X X
Escenario 7 X X
Escenario 8 X X
Escenario 9 X X
ESCENARIO
DE
SIMULACIÓN
HORA DE DEMANDAVARIACIONES DE TOPOLOGÍA
SIN
VARIACIONES
DESCONEXIÓN
LINE 6DESCONEXIÓN
LINE 5
42
INICIO
Solución Flujo de carga
¿Flujo de carga
converge?
Almacenar V y P
de la barra
estudiada
Almacenar la
carga con
Factor de
Potencia
Constante
Construcción
curva PV
FIN
Figura 13. Algoritmo de curvas PV planteado por [34]
El algoritmo de la Figura 13 es válido para realizar el análisis de estabilidad de tensión en barras tipo PQ. Al
tener generación distribuida en barras con carga, éstas dejan de ser PQ y se convierten en tipo PV. Por ello, se
requiere adecuar las cargas a factor de potencia constante (y así construir las curvas) para representar el
sistema carga-GD como una única carga, resultado de tomar la demanda de potencia activa de la barra y
restarle la generación instantánea de la GD.
Sin embargo, el software DIGSILENT mediante su lenguaje de programación DPL, permite construir las
curvas PV de forma automática. Con este DPL, se realiza la construcción de las curvas para los nueve
escenarios de simulación. (Ver anexo B, sección 8).
4.6 RESULTADOS DE SIMULACIÓN PARA CASO BASE
Se requiere determinar el límite de estabilidad de tensión de todos los nodos de la red para cada escenario de
simulación del caso base. Se construyen las curvas PV de cada nodo con carga para obtener la información
necesaria (potencia y tensión en pu). Con éstos resultados, se puede comparar el comportamiento de
estabilidad de tensión de la red al integrar los DER en una DVPP.
Debido al número elevado de curvas PV (noventa) que se requieren para analizar todo el sistema, a
continuación se presenta el análisis de las curvas para uno de los nodos con carga. El análisis se realiza igual
para los demás nodos.
43
En la Figura 14, Figura 15 y Figura 16 se tienen las curvas PV de la carga ubicada en el nodo Industrial 22
para cada escenario de simulación. (Debido al script DPL de DIGSILENT, las curvas no se pueden
sobreponer en una sola gráfica)
Figura 14. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Alta) Arriba:
Escenario 1. Mitad: Escenario 2. Abajo: Escenario 3.
44
Figura 15. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Media) Arriba:
Escenario 4. Mitad: Escenario 5. Abajo: Escenario 6.
45
Figura 16. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Baja) Arriba:
Escenario 7. Mitad: Escenario 8. Abajo: Escenario 9.
Las curvas PV de las Figuras 14, 15 y 16 muestran la potencia máxima que puede demandar el nodo
Industrial 22, garantizando hasta dicho valor de potencia que la red de distribución mantiene la estabilidad de
tensión. Si se suministra una potencia mayor, la red colapsa desde el punto de vista de estabilidad. Las curvas
46
PV que construye DIGSILENT no grafican la curva después del límite de estabilidad (sección inestable de la
curva PV) por qué en esta región no es posible una convergencia en el flujo de potencia.
En las Tabla 16, 17 y 18 se tienen los límites de estabilidad de tensión (potencia en MW y tensión en pu)
obtenidas de las curvas PV graficadas para cada escenario de simulación.
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
1
Industrial 2 2881,608 0,541
Industrial 5 976,672 0,571
Industrial 7 348,237 0,550
Industrial 12 2442,688 0,551
Industrial 13 2472,349 0,588
Industrial 17 1640,576 0,557
Industrial 19 662,336 0,568
Industrial 22 659,492 0,567
Industrial 23 659,492 0,567
Industrial 25 924,653 0,562
2
Industrial 2 2682,600 0,525
Industrial 5 913,610 0,553
Industrial 7 326,236 0,534
Industrial 12 1904,391 0,515
Industrial 13 2300,802 0,570
Industrial 17 1528,883 0,540
Industrial 19 618,986 0,537
Industrial 22 1786,967 0,533
Industrial 23 616,057 0,548
Industrial 25 863,300 0,542
3
Industrial 2 2704,344 0,530
Industrial 5 931,524 0,559
Industrial 7 333,632 0,540
Industrial 12 1929,315 0,521
Industrial 13 2333,271 0,576
Industrial 17 1554,514 0,546
Industrial 19 632,411 0,556
Industrial 22 1814,477 0,540
Industrial 23 629,520 0,554
Industrial 25 881,024 0,551
Tabla 16. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 1, 2 y 3.
47
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
4
Industrial 2 2981,260 0,546
Industrial 5 1019,255 0,583
Industrial 7 363,277 0,563
Industrial 12 2148,764 0,541
Industrial 13 2610,367 0,602
Industrial 17 1731,117 0,569
Industrial 19 698,994 0,583
Industrial 22 2015,145 0,563
Industrial 23 697,719 0,582
Industrial 25 976,967 0,575
5
Industrial 2 2785,694 0,533
Industrial 5 957,507 0,565
Industrial 7 341,750 0,546
Industrial 12 2009,897 0,526
Industrial 13 2441,960 0,584
Industrial 17 1621,414 0,550
Industrial 19 656,551 0,566
Industrial 22 1887,159 0,545
Industrial 23 655,153 0,565
Industrial 25 916,848 0,554
6
Industrial 2 2811,268 0,539
Industrial 5 976,843 0,572
Industrial 7 349,592 0,553
Industrial 12 2037,508 0,530
Industrial 13 2477,835 0,588
Industrial 17 1649,448 0,560
Industrial 19 670,953 0,572
Industrial 22 1916,962 0,550
Industrial 23 669,652 0,572
Industrial 25 936,032 0,566
Tabla 17. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 4, 5 y 6.
48
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
7
Industrial 2 3077,593 0,556
Industrial 5 1061,132 0,594
Industrial 7 378,064 0,569
Industrial 12 2250,876 0,553
Industrial 13 2746,669 0,615
Industrial 17 1821,014 0,584
Industrial 19 735,476 0,598
Industrial 22 2112,440 0,568
Industrial 23 735,746 0,596
Industrial 25 1029,090 0,592
8
Industrial 2 2884,136 0,539
Industrial 5 1000,143 0,577
Industrial 7 357,034 0,547
Industrial 12 2113,502 0,537
Industrial 13 2580,788 0,598
Industrial 17 1712,398 0,560
Industrial 19 693,578 0,581
Industrial 22 1986,299 0,558
Industrial 23 693,882 0,581
Industrial 25 9669,829 0,574
9
Industrial 2 2912,898 0,541
Industrial 5 1021,021 0,584
Industrial 7 365,317 0,565
Industrial 12 2152,110 0,544
Industrial 13 2620,056 0,605
Industrial 17 1743,126 0,574
Industrial 19 709,119 0,588
Industrial 22 2018,714 0,565
Industrial 23 709,360 0,588
Industrial 25 990,278 0,582
Tabla 18. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 7, 8 y 9.
49
4.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN PARA CASO BASE
En la literatura científica el análisis de estabilidad de tensión con curvas PV, se limita a seleccionar el nodo
con menor valor de potencia activa en el punto crítico de estabilidad. De esta forma se centran las acciones
preventivas o correctivas en dicho nodo. Sin embargo, focalizar el análisis en un único nodo es riesgoso para
redes con gran cantidad de barras y ramales, ya que pueden existir otros puntos que también presenten de
forma reiterada y ante diferentes escenarios de demanda o topología una condición de baja estabilidad.
A continuación, se plantea un procedimiento analítico para determinar los tres nodos que llegan con mayor
facilidad a la inestabilidad de tensión:
1. Se define el número de escenarios donde se determinarán los nodos críticos (para este trabajo son 9).
2. Se determinan los tres nodos que tengan la mínima estabilidad (menor valor de potencia activa)
según curvas PV para cada escenario.
3. Se le asigna un peso a cada clasificación que pueda obtener un nodo dentro de los tres críticos para
cada escenario. No es igual de crítico un nodo que tenga el menor límite de estabilidad de forma
reiterada en los nueve escenarios, a un nodo que sea igualmente reiterativo pero con mayor límite de
estabilidad. De esta forma, el nodo crítico de un escenario tendrá un peso de 1, de 0,67 si es el
segundo o de 0,33 si es el tercero (estos pesos son obtenidos por frecuencias absolutas de las tres
opciones posibles).
4. Se determina el porcentaje de criticidad general de cada nodo candidato (es decir, el nodo que
representa un mayor riesgo para la red de llegar al colapso de tensión), teniendo en cuenta todos los
escenarios. Este porcentaje de criticidad se determina mediante el concepto de promedio aritmético
(teniendo en cuenta los pesos asignados) con la ecuación 4.1:
%𝐶𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝑎 ∗ 𝑃1 + 𝑏 ∗ 𝑃2 + 𝑐 ∗ 𝑃3
# 𝐸𝑠𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠
(4.1)
Dónde:
𝑎 = Número de escenarios donde el nodo analizado es el que tiene menor límite de estabilidad.
𝑏 = Número de escenarios donde el nodo analizado es el segundo nodo con menor límite de estabilidad.
𝑐 = Número de escenarios donde el nodo analizado es el tercer nodo con menor límite de estabilidad.
𝑃1 = 1 *
𝑃2 =0,67*
𝑃3 =0,33*
*Constantes obtenidas por frecuencias absolutas.
Que un nodo obtenga un porcentaje de criticidad del 100% indica que en todos los escenarios considerados,
dicho nodo es el primero en llegar al colapso de tensión o inestabilidad de tensión (según curvas PV tiene el
menor valor de potencia activa en el punto crítico).
Aplicando el análisis anterior se obtiene que para el caso base los nodos críticos son:
- Nodo Industrial 7: Nodo crítico. Porcentaje de criticidad del 100%.
- Nodo Industrial 19: Nodo crítico dos. Porcentaje de criticidad del 60%.
- Nodo Industrial 23: Nodo crítico tres. Porcentaje de criticidad del 41%.
Con éste análisis se va a centrar el estudio en aquellos nodos donde la estabilidad de tensión es crítica (nodo
Industrial 7, Industrial 19 e Industrial 23) y se verificará la regulación de tensión con un énfasis especial en
50
los nodos Industrial 20, Industrial 21 e Industrial 24 que son de MT y son nodos que superan el límite mínimo
de regulación. Además de los nodos Industrial 12, Industrial 22, e Industrial 25 para BT.
Como se aclaró en la bibliografía, la forma más sencilla de mejorar la estabilidad de tensión en una red es
mediante el aumento en el factor de potencia, lo cual se analizará con detalle en el siguiente capítulo.
51
5 UBICACIÓN DE CONDENSADORES
5.1 DER COMPLEMENTARIO
Para definir los parámetros de funcionamiento de la DVPP se debe tener en cuenta los DER que la integran y
el objetivo que se busca conseguir con ello. Sin embargo, un fenómeno que se puede presentar es que los
recursos energéticos distribuidos disponibles para conformar la planta virtual no puedan contribuir al
cumplimiento del objetivo de esta última. Por esto se plantea que antes de definir la estructura de integración,
se realice la selección de un DER complementario a los ya instalados (disponibles), de tal forma que permita
cumplir el objetivo de la integración.
Para una correcta selección del DER complemento se deben contemplar los beneficios de cada uno de ellos:
Generación Distribuida: Reducción de pérdidas en conductores y mejora del perfil de tensión [21].
Vehículos Eléctricos y mecanismos de respuesta a la demanda: Aplanar curva de demanda y suavizar
los picos de la misma [49].
Almacenamiento: Suavizar curva de potencia de los generadores renovables [50]
Condensadores: Mejora del factor de potencia y de regulación de tensión. [34]
Como el factor de potencia está directamente relacionado con la estabilidad de tensión, los condensadores en
baja y media tensión serán los seleccionados como DER complementario. Es importante resaltar, que además
de contribuir a mejorar la estabilidad de tensión, los condensadores también permiten mejorar la regulación.
5.2 CONDENSADORES EN REDES DE DISTRIBUCIÓN
Aproximadamente el 60% de la inversión total de sistemas de potencia está destinado a las redes de
distribución. Además, las mayores pérdidas se producen en ésta etapa debido a los bajos niveles de tensión
que se manejan y la gran cantidad de elementos que allí se encuentran. [34-35]. Por ello, es muy importante
desarrollar una planeación que permita mantener los estándares de calidad en la distribución de la energía (en
este trabajo, enfocados en la estabilidad de tensión) y optimizar en cierta manera la red, permitiendo liberar
capacidad de los transformadores y de las líneas con la menor inversión posible.
En [43] se plantean dos problemas particulares relacionados con la regulación de tensión:
Longitud de las líneas. Se evidencia que las cargas ubicadas a grandes distancias de los
alimentadores presentan problemas de regulación de tensión. (A mayor distancia, se presenta con
mayor criticidad la caída de tensión debido a las pérdidas en los conductores).
Demanda de reactivos. Las cargas que presentan una demanda mayor de reactivos tienen problemas
de regulación de tensión y demandan una corriente mayor, por lo cual se presenta una saturación de
las líneas de distribución.
El planteamiento matemático para el cálculo de condensadores en redes de distribución se presenta en el
Anexo A.
5.2.1 ALGORITMO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN
BAJA TENSIÓN (BT)
El diseño de un banco de condensadores parte de los valores de potencia reactiva que necesita el sistema para
demanda máxima y mínima (Q máxima y Q mínima). Con estos valores calculados se determinan los kVAR
de los condensadores para cada caso. Por lo general en la práctica, el condensador calculado para la demanda
mínima se encuentra siempre conectado a la red (Paso fijo). Por otra parte, el condensador calculado para la
demanda máxima se selecciona tomando la potencia reactiva calculada para esta demanda y dividiéndola en
múltiplos de la referencia seleccionada para la potencia reactiva mínima (de acuerdo al número de pasos que
se deseen). Estos se denominan pasos automáticos. De ésta manera, se puede cubrir los escenarios de
demanda mínima, alta, media y los diferentes escenarios de carga que se puedan presentar en la instalación.
Para entenderlo un poco mejor, se da el siguiente ejemplo:
52
En una instalación se tiene que los kVAR que se requieren instalar para demanda mínima son de 20,
para demanda media de 40 y para demanda máxima de 100. Debido a la naturaleza variable de la
carga, el usuario solicita un banco que tenga por lo menos tres pasos variables. La tensión nominal
del sistema es 220 V y la frecuencia de 60 Hz.
Solución:
Si para la demanda mínima se requieren 20 kVAR, se selecciona entre las referencias comerciales de los
fabricantes una botella o juego de ellas que permita tener éste valor de potencia reactiva. Con la ficha técnica
de un fabricante que se encuentra en el Anexo D, se puede estimar que a 220 V y 60 Hz se requieren dos
botellas de 10 kVAR cada una para el paso fijo.
Para la demanda máxima se requiere suministrar 100 kVAR, sin embargo hay que tener especial cuidado ya
que la potencia reactiva de demanda mínima se instaló como paso fijo (siempre está entregando los 20 kVAR
al sistema) por lo tanto el valor de reactiva que se requiere realmente suministrar en demanda máxima es de
80 kVAR. Para ello se pueden instalar tres pasos automáticos de 20 kVAR cada uno (cada paso automático
tendrá dos botellas de 10 kVAR cada una) y dos pasos más de 10 kVAR cada uno para darle modularidad al
sistema y poder suplir requerimientos de potencia reactiva de múltiplos impares (30, 50kVAR, etc).
De ésta manera, si se requiere suministrar la potencia reactiva de demanda mínima, el controlador de factor de
potencia mediante los contactores desconectará del sistema los pasos automáticos, para dejar únicamente en
funcionamiento el paso fijo. Si en cambio se requiere suministrar la potencia reactiva de demanda media, el
paso fijo seguirá funcionando y el controlador conectará mediante los contactores uno de los pasos
automáticos de 20 kVAR. Si por el contrario, se requiere suministrar la potencia reactiva propia de la
demanda máxima, el controlador activará los tres pasos automáticos de 20 kVAR y los dos pasos automáticos
de 10, los cuáles suplirán la necesidad del sistema junto con el paso fijo. Y por último, si se requiere
compensar 70 kVAR (requerimiento de reactiva diferente al de demanda alta, media o baja), el controlador
activará dos de los tres pasos automáticos de 20 kVAR, uno de los pasos automáticos de 10 kVAR y con el
paso fijo suministrará los 70kVAR que requiere la red.
El procedimiento empleado en el ejemplo anterior es el utilizado como algoritmo para la aplicación “Cálculo
de banco de condensadores BT” desarrollada por los autores y su diagrama de flujo se muestra en la Figura
17.
En el Anexo C se tiene una guía de uso de la aplicación y todo lo relacionado con el código implementado.
53
Cálculo de condensadores para
corrección de factor de potencia en
BT
FIN
Datos: Potencia Activa P, Potencia Reactiva Q, Nivel
de Tensión V, Frecuencia f y Factor de potencia
deseado FP
¿La Potencia reactiva
utilizada para los cálculos
es la Q mínima?
Definir el valor de la Potencia
Reactiva mínima, Q mínima.
No
Si
Con P y Q Se calcula el FP actual y el ángulo de FP
actual.
Con el FP deseado se calcula el ángulo de FP
deseado
Con la Potencia Activa P y los ángulos de FP (actual
y deseado) se calcula los kVAR del condensador.
Calcular los kVAR del condensador para Q máxima
con el mismo procedimiento matemático.
Definir los condensadores para Q máxima de acuerdo a los kVAR máximos
calculados y en función de la referencia de kVAR mínimos seleccionados y la
sensibilidad (Número de pasos) requeridos.
Definir el condensador para Q mínima de acuerdo a
los kVAR mínimos calculados.
Figura 17. Algoritmo para el cálculo de banco de condensadores en BT.
54
Otra forma de obtener la información de consumo de reactiva en una instalación es mediante la factura de la
energía. En éste caso, se toma el mes donde se tuvo mayor consumo de energía reactiva (caso crítico) y con
éste se realiza el dimensionamiento del banco.
A continuación se toman las cargas que tienen un factor de potencia bajo y se les corrige el factor de potencia
mediante bancos de condensadores automáticos. Para calcular el banco de cada carga que lo requiera, se
realiza mediante la aplicación “Cálculo Banco de Condensadores BT” desarrollada por los autores en C#”
cuyo algoritmo se presenta en la Figura 17.
En la tabla 19 se definen los condensadores a instalar para cada una de las cargas que requieren
compensación:
Tabla 19. Banco de condensadores para cada carga que requiere compensación en BT.
El factor de potencia deseado se sobredimensiona hasta 0,96 para suplir la demanda de reactivos en caso de
averías en alguno de los pasos del banco de condensadores (o en otro elemento como protecciones o
contactores). Esto se realiza en la práctica porque al momento de presentarse un daño en un elemento del
banco, el personal encargado no corrobora de forma instantánea las deficiencias, sino hasta una nueva
penalización reflejada en la factura.
5.3 UBICACIÓN DE CONDENSADORES EN MEDIA TENSIÓN CON DIGSILENT
POWERFACTORY
El software de simulación DIGSILENT trae incorporado una herramienta para la ubicación óptima de
condensadores en redes de distribución. El software determina los nodos candidatos en los cuales es viable
instalar bancos de condensadores (de uno o varios pasos) y los organiza desde el que representa un mayor
beneficio para la red reflejado en la regulación de tensión) al nodo que menor beneficio representa.
El software determina los nodos candidatos teniendo en cuenta criterios tanto técnicos como económicos.
Entre los criterios técnicos se encuentran los límites de regulación de tensión y las pérdidas del sistema. Entre
los criterios económicos se encuentran el costo de las pérdidas de energía en la red y el costo de los
condensadores (la ubicación puede tener en cuenta criterios únicamente técnicos o técnicos y económicos
simultáneamente).
El software utiliza una metodología basada en optimización de las pérdidas y niveles de tensión y compara
dichas variaciones con respecto al condensador instalado en la barra.
La metodología que se utiliza en DIGSILENT para ubicar condensadores por optimización, se ilustra en la
figura 18.
En el Anexo B (relacionado con el manual de usuario de DIGSILENT), se explica de una forma detallada el
uso de la herramienta de colocación óptima de compensación que trae incorporado el software.
Carga Industrial 2 0,8 0,96 92 15 17 5
Carga Industrial 7 0,8 0,96 13 3 5 2
Carga Industrial 12 0,81 0,96 103 18 17 5
Carga Industrial 25 0,87 0,96 24 5 9 2
Carga Industrial 22 0,87 0,96 69 13 28 2
UbicaciónFactor de
potencia Actual
Factor de
potencia Deseado
Potencia Banco
[KVAR]
Paso Fijo
[KVAR]
Potencia por Paso
Automático [KVAR]
Número de pasos
automáticos
55
Ubicación de condensadores con
DIGSILENT
FIN
Seleccionar red de distribución a intervenir
Ubicar condensador en un nodo
i+1 donde no se haya realizado
la prueba
No
Si
Definir límites de tensión según regulación
Introducir el valor máximo de kVAR a instalar
Definir los valores en kVAR de cada condensador
disponible
Nodo candidato para la ubicación de condensador
Organizar los nodos candidatos para instalación del
condensador
Ubicar los condensadores en uno de los nodos Ni de
la red, siendo i el número del nodo.
¿Al ubicar el
condensador en el nodo
i, hay reducción de
pérdidas y mejora en la
regulación?
Figura 18. Metodología utilizada por DIGSILENT para la ubicación de condensadores. Fuente [51].
56
Las referencias que se colocaron como disponibles en DIGSILENT fueron tomadas de una ficha técnica de un
fabricante especializado en condensadores trifásicos de media tensión, la cual se encuentra en el Anexo D.
Para este caso de estudio, no se utilizó análisis económico (valor de los condensadores o las pérdidas) ni
valores comerciales de los condensadores.
Con ayuda de DIGSILENT, y con la compensación en baja tensión ya instalada, se determinaron los
requerimientos de compensación en media tensión para mantener la regulación de tensión dentro de los
límites permitidos.
De ésta manera, se tiene en la Tabla 20 que los requerimientos de compensación en media tensión para cada
escenario de simulación son:
Tabla 20. Requerimientos de compensación en MT para optimizar regulación de tensión en cada escenario.
5.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN PARA UBICACIÓN DE COMPENSACIÓN EN BT
Y MT EN EL CASO BASE
Como se hizo en el capítulo cuatro con los resultados de simulación de caso base, en éste sección se
mostrarán los resultados obtenidos (curvas PV) para el nodo Industrial 22, al modificar el caso base con
compensación tanto en MT como BT.
En la Figura 19, Figura 20 y Figura 21 se tienen las curvas PV para la carga ubicada en el nodo Industrial 22
para cada escenario de simulación.
Uno Industrial 15 125 11,4
Dos - - -
Tres Industrial 11 100 11,4
Cuatro Industrial 20 125 11,4
Industrial 21 125 11,4
Cinco Industrial 20 125 11,4
Seis Industrial 11 150 11,4
Industrial 21 100 11,4
Industrial 3 150 11,4
Siete - - -
Ocho Industrial 10 175 11,4
Industrial 10 100 11,4
Industrial 3 150 11,4
Industrial 4 150 11,4
UbicaciónReferencia
[kVAR]Tensión [kV]
Nueve
Escenario
57
Figura 19. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Alta)
Arriba: Escenario 1. Mitad: Escenario 2. Abajo: Escenario 3.
58
Figura 20. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Media)
Arriba: Escenario 4. Mitad: Escenario 5. Abajo: Escenario 6.
59
Figura 21. Curvas PV para nodo Industrial 22. (Escenarios relacionados con demanda Baja)
Arriba: Escenario 7. Mitad: Escenario 8. Abajo: Escenario 9.
60
Las curvas PV de las Figuras 19, 20 y 21 muestran el límite de potencia activa que puede demandar el nodo
Industrial 22, para el cuál la red de distribución mantiene la estabilidad de tensión. Si se suministra una
potencia mayor, la red colapsa desde el punto de vista de estabilidad.
En las Tabla 21, 22 y 23 se tienen los límites de estabilidad de tensión (potencia en MW y tensión en pu)
tomadas de las curvas PV graficadas para cada escenario de simulación.
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
1
Industrial 2 2957,76 0,549
Industrial 5 1007,295 0,577
Industrial 7 362,365 0,563
Industrial 12 2549,846 0,564
Industrial 13 2560,268 0,599
Industrial 17 1703,221 0,568
Industrial 19 689,698 0,58
Industrial 22 2031,828 0,575
Industrial 23 688,048 0,577
Industrial 25 970,733 0,679
2
Industrial 2 2764,68 0,534
Industrial 5 947,49 0,563
Industrial 7 341,48 0,543
Industrial 12 2401,653 0,566
Industrial 13 2396,831 0,582
Industrial 17 1597,27 0,551
Industrial 19 648,709 0,558
Industrial 22 1889,099 0,552
Industrial 23 695,565 0,605
Industrial 25 912,758 0,563
3
Industrial 2 2781,864 0,54
Industrial 5 963,236 0,566
Industrial 7 348,058 0,553
Industrial 12 2490,8 0,556
Industrial 13 2408,814 0,554
Industrial 17 2421,605 0,587
Industrial 19 660,083 0,569
Industrial 22 1910,037 0,557
Industrial 23 701,079 0,61
Industrial 25 927,352 0,568
Tabla 21. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 1, 2 y 3.
61
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
4
Industrial 2 3512,318 0,569
Industrial 5 1000,827 0,579
Industrial 7 360,142 0,563
Industrial 12 2571,861 0,558
Industrial 13 2545,732 0,599
Industrial 17 1698,195 0,562
Industrial 19 692,272 0,582
Industrial 22 1992,75 0,563
Industrial 23 692,439 0,582
Industrial 25 971,265 0,579
5
Industrial 2 3706,187 0,57
Industrial 5 1036,739 0,587
Industrial 7 371,361 0,567
Industrial 12 2636,933 0,57
Industrial 13 2661,683 0,608
Industrial 17 1766,974 0,577
Industrial 19 714,463 0,59
Industrial 22 2075,827 0,572
Industrial 23 714,188 0,589
Industrial 25 1003,799 0,587
6
Industrial 2 3498,048 0,563
Industrial 5 987,3 0,568
Industrial 7 354,476 0,545
Industrial 12 2500,246 0,557
Industrial 13 2524,332 0,594
Industrial 17 1679,502 0,564
Industrial 19 681,705 0,576
Industrial 22 1972,147 0,559
Industrial 23 681,241 0,576
Industrial 25 956,577 0,574
Tabla 22. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 4, 5 y 6.
62
Escenario Nodo Límite Potencia
[MW]
Límite
Tensión [p.u]
7
Industrial 2 3062,387 0,556
Industrial 5 1055,723 0,592
Industrial 7 376,594 0,574
Industrial 12 2689,379 0,574
Industrial 13 2741,089 0,615
Industrial 17 1817,639 0,583
Industrial 19 734,259 0,597
Industrial 22 2112,107 0,575
Industrial 23 734,677 0,583
Industrial 25 1028,846 0,592
8
Industrial 2 2862,007 0,532
Industrial 5 991,375 0,571
Industrial 7 354,126 0,556
Industrial 12 2515,352 0,556
Industrial 13 2565,083 0,596
Industrial 17 1702,15 0,564
Industrial 19 688,995 0,575
Industrial 22 1976,799 0,556
Industrial 23 689,387 0,579
Industrial 25 964,868 0,574
9
Industrial 2 2913,573 0,547
Industrial 5 1024,095 0,585
Industrial 7 366,934 0,567
Industrial 12 2572,77 0,566
Industrial 13 2625,671 0,592
Industrial 17 1748,593 0,573
Industrial 19 711,481 0,585
Industrial 22 2027,568 0,564
Industrial 23 711,907 0,588
Industrial 25 995,06 0,584
Tabla 23. Límites de potencia y tensión de la curva PV de cada nodo con carga, para los escenarios 7, 8 y 9.
63
5.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS, DISCUSIÓN Y COMPARACIÓN DE LA RED CON
COMPENSACIÓN Y CASO BASE
Para analizar los resultados, es necesario realizar una comparación entre los resultados obtenidos en éste
aparte y los obtenidos en el caso base. Para ello se comparan las Tablas 16, 17 y 18 con las Tablas 21, 22 y
23. Sin embargo, dicha comparación se realizará prestando especial énfasis en los nodos críticos de la red de
distribución. Para ello se realizará una comparación de potencia activa y tensión en el punto crítico de la curva
PV del caso base para cada escenario con el nuevo punto de estabilidad de la curva de los nodos críticos, pero
después de ubicar compensación.
Escenario Nodo Caso base Red con compensación
Potencia [MW] Tensión [pu] Potencia [MW] Tensión [pu]
1
Industrial 7 348,237 0,55 362,365 0,563
Industrial 19 662,336 0,568 689,698 0,58
Industrial 23 659,492 0,567 688,048 0,577
2
Industrial 7 326,236 0,534 341,48 0,543
Industrial 19 618,986 0,537 648,709 0,558
Industrial 23 616,057 0,548 695,565 0,605
3
Industrial 7 333,632 0,54 348,058 0,553
Industrial 19 632,411 0,556 660,083 0,569
Industrial 23 629,52 0,554 701,079 0,61
4
Industrial 7 363,277 0,563 360,142 0,563
Industrial 19 698,994 0,583 692,272 0,582
Industrial 23 697,719 0,582 692,439 0,582
5
Industrial 7 341,75 0,546 371,361 0,567
Industrial 19 656,551 0,566 714,463 0,59
Industrial 23 655,153 0,565 714,188 0,589
6
Industrial 7 349,592 0,553 354,476 0,545
Industrial 19 670,953 0,572 681,705 0,576
Industrial 23 669,652 0,572 681,241 0,576
7
Industrial 7 378,064 0,569 376,594 0,545
Industrial 19 735,476 0,598 681,705 0,576
Industrial 23 735,746 0,596 681,241 0,576
8
Industrial 7 357,034 0,547 354,126 0,556
Industrial 19 693,578 0,581 688,995 0,575
Industrial 23 693,882 0,581 689,387 0,579
9
Industrial 7 365,317 0,565 366,934 0,567
Industrial 19 709,119 0,588 711,481 0,585
Industrial 23 709,36 0,588 711,907 0,588
Tabla 24. Comparación límite de estabilidad de tensión según curva PV para caso base y para caso con
compensación.
64
Realizando un análisis de la tabla 24 se puede concluir que al mejorar localmente el factor de potencia en
cargas que estén siendo penalizadas mediante condensadores en baja tensión (BT) y combinar dicha
corrección de factor de potencia en BT con la ubicación óptima de compensación en media tensión (MT) se
tiene una mejora en siete de los nueve escenarios. La comparación se realiza con la ayuda de la ecuación 2.8
“Índice de beneficio”.
Para la ecuación 2.8 se tiene que 𝐼1 es el valor inicial e 𝐼2 el valor final a comparar. Para éste caso 𝐼1 será el
valor de la potencia límite para cada escenario en el caso base e 𝐼2 será el límite de potencia para la red con
compensación.
Con la ayuda de la tabla 24 se puede determinar el beneficio de todos los escenarios para cada nodo crítico al
ubicar compensación. El promedio de beneficio para cada escenario se encuentra en la Tabla 25.
Tabla 25. Índice de beneficio por escenario para cada nodo y promedio de beneficio por escenario.
Industrial 7 4,06%
Industrial 19 4,13%
Industrial 23 4,33%
Industrial 7 4,67%
Industrial 19 4,80%
Industrial 23 12,91%
Industrial 7 4,32%
Industrial 19 4,38%
Industrial 23 11,37%
Industrial 7 0,86%
Industrial 19 0,96%
Industrial 23 0,76%
Industrial 7 8,66%
Industrial 19 8,82%
Industrial 23 9,01%
Industrial 7 1,40%
Industrial 19 1,60%
Industrial 23 1,73%
Industrial 7 0,39%
Industrial 19 7,31%
Industrial 23 7,41%
Industrial 7 0,81%
Industrial 19 0,66%
Industrial 23 0,65%
Industrial 7 0,44%
Industrial 19 0,33%
Industrial 23 0,36%
9
Nodo Indice beneficioPromedio mejora
Escenario
4,17%
7,46%
6,69%
0,86%
8,83%
1,58%
5,04%
0,71%
0,38%
4
5
6
7
8
Escenario
1
2
3
65
En la tabla 25 se evidencia que el mayor beneficio se obtiene en el escenario 5, donde la demanda es media y
se desconecta la línea de transmisión Line 5.
El índice de beneficio muestra una mejora en la red del 4% en promedio, tomando en cuenta todos los
escenarios de simulación. Analizando este índice en el escenario ocho (uno de los escenarios donde mayor
capacidad de compensación se instaló), se obtiene un beneficio menor al 1%, de lo cual se puede concluir que
la mejora no depende únicamente del tamaño instalado del banco de condensadores, sino de la ubicación del
mismo. Por ejemplo, en el escenario cinco (donde se obtuvo el mayor índice de beneficio), fue uno de los
escenarios con menor compensación instalada, pero ubicada en un punto mucho más estratégico de la red. De
esta forma, se corrobora que los condensadores en MT estratégicamente ubicados y condensadores en BT en
cargas con factor de potencia bajo, pueden representar mejora en la estabilidad de la red de hasta un 9%.
Cabe resaltar que, en los escenarios de simulación se ubicó compensación (con las capacidades adecuadas) en
el nodo con mayor porcentaje de criticidad de la red. Sin embargo, al instalar la capacidad en kVAR
adecuada, se logra un beneficio para otros puntos del sistema y no únicamente para el nodo donde se instala el
DER complementario.
Además de analizar la estabilidad de tensión con las curvas PV, también es importante verificar los límites de
regulación de tensión en todos los nodos y para cada escenario tanto en el caso base como en la red con
compensación. La comparación se realiza mediante el índice de regulación de la ecuación 2.3. Con ésta
ecuación, se calculan los índices para cada nodo (tanto para el caso base como para la red con compensación).
Luego se verifica en cuáles casos el índice supera los límites 0 o 1.
CODENSA entre sus límites de regulación permite en MT una caída de tensión del 2% y en BT desde los
transformadores hasta las cargas del 3% (dentro de estos límites no se tiene en cuenta la caída de tensión en
transformadores). Analizando la Tabla 19 y la Figura 16 se verifica que los nodos Industrial 20, Industrial 21
e Industrial 24 (nodos de MT) superan el límite mínimo de regulación; y que los nodos Industrial 12,
Industrial 22, e Industrial 25 tampoco están dentro del límite mínimo de regulación (análisis válido para el
escenario número uno). El límite superior tanto en BT como en MT es de +5% y no es superado en ningún
momento.
Por lo tanto, si el nodo a analizar es de MT y el índice de tensión es menor a cero, indica que se superó el
límite de -2%. Si en cambio, el nodo es de BT y el índice es menor a cero, el límite superado fue de -3%. En
ambos casos, si el índice llegase a ser mayor a uno, indica que se superó el límite de +5% de la tensión
nominal del nodo.
Desde la Figura 22 a la Figura 30 se grafican los índices de regulación de tensión para cada nodo y se realiza
la comparación por escenario.
66
Figura 22. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 1.
Figura 23. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 2.
67
Figura 24. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 3.
Figura 25. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 4.
68
.
Figura 26. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 5.
Figura 27. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 6.
69
Figura 28. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 7.
Figura 29. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 8.
70
Figura 30. Índice de tensión del caso base y de la red con compensación para Escenario 9.
En la Figura 22 se puede notar que la ubicación de compensación de MT en el nodo Industrial 15, permite que
los nodos Industrial 12, Industrial 20, Industrial 22, Industrial 24 e Industrial 25 se encuentren dentro de los
límites de regulación y adicionalmente que la tensión en todos los nodos de la red, se alejen del límite inferior
de regulación (manteniéndose alejado también del límite superior). Por último, otros nodos como el Industrial
10, Industrial 11, Industrial 13, Industrial 14, Industrial 15, Industrial 16, Industrial 17, Industrial 18 Industrial
19 e Industrial 23, cuyo índice de regulación de tensión era de 0,1 (cercano al límite inferior de regulación),
presentaran una mejora al ubicarse en valores cercanos a 0,3. Porcentualmente, antes de la compensación se
tiene que el 19,23% de los nodos de la red superan el límite inferior de regulación. Como se mencionó,
después de la compensación todos los nodos se encuentran dentro de los límites de regulación, representando
una mejora porcentual del 19,23%.
En la Figura 23 se tiene un caso crítico. En el caso base, todos los nodos se encuentran por debajo del límite
mínimo de regulación de tensión, a excepción de la subestación cuyo índice es bajo (menor a 0,2). Para éste
escenario, mediante la ubicación de condensadores en BT se logra una mejora en los valores de tensión para
cada nodo. Los nodos Industrial 1 al Industrial 9 se encuentran dentro de los límites de regulación de tensión
permitidos, además del nodo Industrial 12, Industrial 23 y la subestación. Antes de la compensación se tenía
que el 96,15% de los nodos superan el límite inferior de regulación. Al realizar la compensación, solo el
53,84% de los nodos superan el límite inferior de regulación de tensión, logrando una mejora porcentual del
42,3%. Adicionalmente, los nodos que permanecen por fuera del límite inferior de regulación, se lograron
ubicar con un índice entre -0,1 y +0,1.
En la Figura 24 se tiene que en el caso base un 88,46% de los nodos superan el límite inferior de regulación;
sin embargo, al compensar en MT en el nodo Industrial 11, todos los nodos logran tener el nivel de tensión
dentro de los límites de regulación permitidos. De esta manera se logra una mejora del 88,46%.
En la Figura 25 se evidencia que la ubicación de compensación en MT en los nodos Industrial 20 e Industrial
21 permite que la tensión en todos los nodos se alejen del límite inferior de regulación. Sin embargo, para el
caso base tampoco se violan los límites de regulación.
El 42,3% de los nodos para el caso base en la Figura 26 superan el límite inferior de regulación de tensión. Al
ubicar compensación en el nodo Industrial 20 se logra que, la tensión se encuentre dentro de los límites de
regulación en toda la red. La mejora porcentual es del 42,3%.
En las Figuras 27, 28, 29 y 30, el caso base no tiene nodos que superen el límite inferior ni cercanos a este
(por debajo de 0,1).
71
6 FUNCIONAMIENTO DVPP Y PARÁMETROS DE INTEGRACIÓN
En este capítulo se plantearán los parámetros a tener en cuenta para la integración de los condensadores y los
generadores fotovoltaicos, de tal manera que su funcionamiento represente beneficios para la red en general y
no únicamente para los usuarios que tengan instaladas éste tipo de tecnologías. Para tener mayor claridad en
el funcionamiento de una red de distribución con DER operando de forma integrada o independiente se tiene
la Figura 31.
Figura 31. Beneficios para una red cuyos DER funcionan de integrados en una DVPP.
La Figura 31 ilustra un fenómeno que sucede cuándo los DER de una red de distribución funcionan de forma
independiente. En el recuadro ubicado en la esquina superior izquierda se tiene una red de distribución con
recursos energéticos distribuidos funcionando de forma autónoma y sin tener en consideración los parámetros
de funcionamiento de los otros dispositivos ubicados en la red. Al funcionar de esta manera, los beneficios
técnicos y económicos que pueden representar los DER se limitan únicamente a los usuarios que sean dueños
de ellos. Sin embargo, si dichos recursos energéticos se integran a través de una DVPP, el funcionamiento
será de una forma ordenada y coordinada como se observa en el recuadro superior derecho, logrando de esta
forma, que los beneficios técnicos que pueden representar los recursos energéticos distribuidos sean para la
red en general (por ejemplo, mejora en la estabilidad de tensión).
Los beneficios de integrar los DER en una DVPP no son únicamente técnicos, también de índole económico.
Por ejemplo, uno de los principales problemas de las energías renovables es que el recurso que requieren para
producir energía eléctrica es intermitente (radiación solar, velocidad del viento), y esta incertidumbre en su
generación le impide su participación en el mercado eléctrico.
Por ejemplo, uno de los mercados donde podrían participar las energías renovables es el SPOT. Sin embargo,
para participar en éste mercado, los generadores deben garantizar tres aspectos fundamentales que aquellos
que producen energía con base en recursos renovables no pueden garantizar por si solos: Disponibilidad
diaria, capacidad de generación y garantizar la energía ofertada con un día de anterioridad. Estas
problemáticas se ven con claridad en la Figura 32, donde ocho generadores intentan participar de forma
72
autónoma en el mercado, pero debido a la incertidumbre del recurso climático que requieren para generar, no
pueden cumplir los requisitos para participar en el mercado SPOT.
Figura 32. Limitantes para la participación en el mercado SPOT de generadores renovables.
Sin embargo, en la Figura 33 se tienen los mismos generadores de la Figura 32, pero participando en el
mercado SPOT a través de una DVPP. Con la integración de los generadores renovables como un único
generador en la planta virtual de potencia, las limitantes de: Disponibilidad, capacidad de generación y
garantía de la energía ofertada, puedan ser superadas mediante un funcionamiento cooperativo y
aprovechando las ventajas técnicas de otros DER con patrones de funcionamiento distintos.
Figura 33. Participación en el mercado SPOT de DER mediante DVPP.
También es importante aclarar una de las principales virtudes de las plantas virtuales y es su posibilidad de
agrupar DER en grandes extensiones de área geográfica. Esto le permite a una VPP agrupar cantidades
considerables de MW y garantizar la energía que oferta en el mercado, a través de cualquier grupo de
generadores que tenga disponible.
6.1 ESTRUCTURA DE LA DVPP PLANTEADA
Uno de los participantes fundamentales de una red de distribución es el operador de red. Además de sus
labores comerciales, ellos deben garantizar que a los usuarios les sea suministrada la energía con ciertos
estándares de calidad. Mediante diferentes estudios, los operadores de red deben determinar la cargabilidad
máxima de sus circuitos y realizar las inversiones necesarias para aumentarla. La comunicación actual entre el
operador de red y los usuarios se presenta en un mismo sentido; pero mediante la integración de los DER de
73
una red y los usuarios en una planta virtual, esta comunicación se convierte bidireccional. Con el correcto uso
de los DER de una red y mediante la instalación de otros correctamente seleccionados de acuerdo a los
factores técnicos tenidos en cuenta (por ejemplo, límites de estabilidad de tensión y regulación), se pueden
posponer inversiones en la red y mantener los límites de calidad en el servicio, lo cual al combinarse con
incentivos monetarios permite obtener de ésta manera beneficios para el operador y los usuarios.
6.1.1 ESTRUCTURA DE UNA RED NEURONAL ARTIFICIAL
Para definir la estructura de la DVPP se parte del concepto de una Red Neuronal Artificial (RNA) de
topología multicapa y tipo “perceptrón”, la cual consta de una capa de entrada “n”, una capa oculta “m”
donde se realizan los cálculos necesarios entre las diferentes entradas y en función de las mismas; y la capa de
salida “o” donde se visualizan los resultados obtenidos en las operaciones realizadas en la capa “m”. Esta red
neuronal es la utilizada ya que se encuentra constituida por múltiples capas a diferencia de otras como la RNA
de base radial. [48]
En la Figura 34 se tiene la estructura de una RNA tipo Perceptrón multicapa:
Figura 34. Estructura de una RNA – Perceptrón Multicapa
El funcionamiento de la RNA de la Figura 34 es de la siguiente manera: En la capa de entrada se encuentran
todas las variables de entrada de la red. En la capa oculta se organizan y se realizan las operaciones necesarias
entre cada una de las entradas de acuerdo a los pesos que se les asigne y los resultados obtenidos en la capa
oculta, son visualizados en la capa de salida.
En la Figura 35 se observa la estructura de la DVPP utilizando el concepto de una RNA como la de la Figura
34. En el caso de la DVPP, la capa de entrada consta de varias variables necesarias para hacer la operación.
Las entradas son: Los usuarios con DER, el recurso energético complementario, la topología del sistema y las
limitantes técnicas del operador de red. Estas variables se integran en la DVPP de acuerdo a criterios que se
definirán más adelante y el resultado de dicha integración (mejora en la estabilidad y regulación de tensión) se
visualizan en la capa de salida.
74
Incentivos de
Mercado *
Topología del
Sistema
Usuarios con
DER
DER
Complementario
Mejora
Estabilidad
de Tensión
Mejora
Regulación
de Tensión
Integración en
DVPP
Operador de
RED
Figura 35. Estructura de la DVPP planteada.
Ampliando el concepto y la estructura planteada en la Figura 35, se analiza con detalle el funcionamiento de
la DVPP en la Figura 36.
De ésta forma la estructura de la DVPP, con las variaciones de topología a tener en cuenta, los DER a integrar
(incluyendo el DER complementario) y los límites de funcionamiento de acuerdo a los parámetros del
operador se evidencian de una forma clara en la Figura 36.
75
Generador
FV Uno
Generador
FV Dos
Generador
FV Tres
DER ExistenteCondensadores
BT
DER Complementario
Condensadores
MT
Desconexión
LINE 5
Desconexión
LINE 6
Demandas:
- Alta
- Media
- Baja
Nueve
Escenarios
Posibles
Topología
Definir
Funcionamiento
Generadores
Evaluar Límites de
regulación para cada
Escenario
Límite
Estabilidad
Regulación
de Tensión
Operador de
Red
DVPP
Definir
Funcionamiento
Condensadores
Figura 36. Estructura detallada de la DVPP teniendo en cuenta topología, DER y criterios del operador de
red.
En la Figura 36 se tiene que la DVPP es la capa oculta de la RNA. Las entradas de la DVPP (variables de la
capa de entrada) son: Topología, DER existente (generadores fotovoltaicos) y DER complementario
(condensadores en baja y media tensión). Mediante la entrada llamada “topología” se definen las limitantes
que se debe tener en cuenta dentro de la capa oculta (DVPP) para la integración de las entradas.
Dentro de la DVPP la operación de integración se realiza de la siguiente forma: Se validan los DER capaces
de entregar energía activa y reactiva y se agrupan en dos grupos distintos. Para cada grupo, se define la
integración respetando las restricciones operativas (regulación y estabilidad). Finalmente, los resultados
obtenidos por la integración se observan en la capa de salida y son retroalimentadas al operador quién es el
que maneja la información completa de los circuitos que conforman la red.
6.2 PARÁMETROS DE INTEGRACIÓN
Según la estructura definida en la sección anterior e ilustrada en la Figura 36, la DVPP tendrá dos
componentes: Potencia Activa y Potencia Reactiva.
Potencia Activa: Se determinan los generadores fotovoltaicos que estarán conectados a la red para
cada escenario de simulación. La prioridad será para aquellos generadores que representen una
mejora en el perfil de tensión.
Potencia Reactiva: Se determinan los condensadores en BT y MT que estarán funcionando. La
prioridad será para aquellos condensadores que mejoren la estabilidad de tensión.
76
6.2.1 CÁLCULO DE kVAR PARA LA DVPP
Con base a los resultados obtenidos en el capítulo 5 se determinan los kVAR que requiere la red para cada
escenario. Como primera medida, se determinan los condensadores a instalar en cada escenario. Para ello se
analiza la Tabla 19, Tabla 20 y Tabla 25 con las figuras de la 22 a la 30.
Como la instalación de condensadores en BT se realizó en aquellas cargas donde se tenía un bajo factor de
potencia, todos los bancos de condensadores en BT que aparecen en la Tabla 19 se utilizarán. Esto permitirá
que el factor de potencia de todas las cargas se encuentre por encima de 0,9 en todos los escenarios.
Con referencia a los condensadores de MT, mediante la ubicación realizada con DigSILENT y analizando la
Tabla 20 se observa que para el escenario 2 y el escenario 7 no hay compensación que optimice o mejore el
comportamiento de la red. Luego al analizar la regulación de tensión mediante las figuras 26 a 34 se evidencia
que en todos los escenarios se mejora la regulación (el índice en seis de los nueve escenarios se aleja del
límite inferior y del índice de 0,1 para ubicarse por encima de 0,3).
Como caso particular en el escenario 7, se concluye que la instalación de compensación en MT no es
necesaria ya que únicamente con la compensación en BT el índice es llevado a un promedio de 0,9 muy
cercano del límite superior de regulación.
En la Tabla 26 se define la potencia reactiva que entregará la DVPP a través de sus DER (Condensadores en
BT y MT).
kVAR a entregar por la DVPP en cada escenario
Escenario Baja Tensión Media Tensión Total
Uno 301 125 426
Dos 301 0 301
Tres 301 100 401
Cuatro 210 250 460
Cinco 210 125 335
Seis 210 400 610
Siete 76 0 76
Ocho 76 175 251
Nueve 76 400 476
Tabla 26. Reactivos en kVAR que entregará la DVPP a través de los condensadores de BT y MT
6.2.2 CÁLCULO DE kW PARA LA DVPP
El procedimiento para calcular los kW que entregará la DVPP se realizará combinando la prioridad de cada
uno de los generadores FV en los escenarios de simulación. Cómo el límite de estabilidad varía de acuerdo al
factor de potencia y los generadores están a factor de potencia unitario, el único criterio para determinar la
prioridad de los generadores será la regulación de tensión. De ésta manera, la combinación que permita que el
promedio de tensión de cada escenario sean los más cercanos a 1.0 pu será la escogida.
77
Es importante aclarar que, al no tener respaldo de baterías, en los escenarios 7, 8 y 9 no se tendrá potencia
generada por los generadores fotovoltaicos, ya que estos escenarios son los propios de demanda baja, la cual
se presenta a las 5:00 horas (sin presencia de brillo solar).
Para cada escenario se podrán tener siete posibles combinaciones de los generadores FV tal como se muestra
en la Tabla 27.
Funcionando
No Funcionando
Tabla 27. Combinaciones a realizar por escenario para determinar los kW.
6.3 RESULTADOS DE SIMULACIÓN RED CON DVPP
Al tener definido los valores de kVAR para cada escenario, tanto para MT como BT, se presentan los
resultados de las siete combinaciones para cada escenario. En la Tabla 28 se define la combinación de los
generadores para cada escenario, el promedio de tensión en pu para el caso base y el promedio de tensión en
pu con DVPP.
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Generador uno
Generador dos
Generador tres
Siete
GeneradoresCombinación Funcionamiento
Uno
Dos
Tres
Cuatro
Cinco
Seis
78
Escenario Combinación
seleccionada
Promedio tensión pu
Caso base Promedio tensión pu
Con DVPP
UNO Uno 0,982 1,002
DOS Cuatro 0,951 0,983
TRES Tres 0,9628 0,992
CUATRO Dos 1,008 1,018
CINCO Cinco 0,978 1,005
SEIS Seis 0,99 1,006
Tabla 28. Combinación de generadores FV para cada escenario.
Finalmente, para cada escenario, se tiene que la DVPP estará configurada como se muestra en la Tabla 29:
Tabla 29. Configuración DVPP para cada escenario, valores de tensión promedio para cada escenario y
porcentaje de mejora en la estabilidad de la red.
6.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS, DISCUSIÓN Y COMPARACIÓN DE LA RED CON
DVPP Y CASO BASE
Como se puede validar con la Tabla 28 y 29, la combinación de los generadores FV es diferente para cada
escenario. Esto es un claro indicador de que si un generador FV funciona de acuerdo a los requerimientos de
la red donde se encuentra, y no únicamente de la carga que alimenta, éste puede mejorar el perfil de tensión
de varios nodos de la red. Esto se debe al impacto que la GD causa en una red, el cual depende de su
ubicación y tamaño [21]. Una unidad de GD va a causar diferentes impactos en el mismo punto, dependiendo
de la capacidad de generación de la unidad. Por ello se realizaron las diferentes combinaciones para
determinar bajo las características propias de cada escenario, los generadores que era conveniente tener en
funcionamiento.
En la tabla 29, la mejor combinación de generadores permite que la tensión promedio del escenario dos que se
encontraba 4,9% por debajo de la nominal, se redujera a 1,7%. De esta forma se consigue que el promedio de
la tensión en pu para este escenario mejore un 3,2% con la integración en la DVPP.
Uno Uno Generador uno 25 301 125
Generador uno 25
Generador tres 2,7
Generador uno 25
Generador dos 19
Generador tres 2,7
Generador uno 27
Generador dos 20
Cinco Cinco Generador dos 20 210 125
Generador dos 20
Generador tres 2,8
Siete No aplica Ningúno 0 76 0
Ocho No aplica Ningúno 0 76 175
Nueve No aplica Ningúno 0 76 400
301 0
210 250
210 400
301 100
1,002
1,005
1,04
1,001
1,019
4,17%
8,83%
5,04%
0,71%
0,38%
Tres 0,9628
0,978
1,033
1,004
1,017
1,008
0,951 0,983
1,018
1,006 1,58%
0,86%
7,46%
0,992 6,69%
0,982
Dos
Tres
Cuatro
Seis
Cuatro
Dos
Seis 0,99
Generadores
funcionando
Potencia
activa [kW]
Condensadores
BT [kVAR]
Condensadores
MT [kVAR]
Potencia activa Potencia reactiva
Escenario
Mejor
combinación
generadores
Promedio
tensión red sin
DVPP [pu]
Promedio
tensión red con
DVPP [pu]
Porcentaje mejora
estabilidad de
tensión
79
En otros escenarios como el cuatro, se tiene que la tensión en pu se aleja de la nominal. Sin embargo, ésta
sigue estando dentro de los límites permitidos por regulación.
En el aspecto económico se deben plantear modelos que permitan al propietario de un DER como generadores
FV, tener la misma rentabilidad por utilizar su generador para autoconsumo bajo situaciones particulares, que
desconectarlo bajo la misma situación (buscando beneficios generales y no particulares). Por ejemplo, el
modelo económico debe garantizarle al usuario dueño del generador FV uno, que durante las circunstancias
del escenario cinco (demanda media y desconexión de LINE 5) le sea igual de rentable dejar su generador sin
funcionar para beneficiar la red, que mantenerlo encendido para autoconsumo y disminuir el costo de su
factura (aunque no sea lo más beneficioso para la red en general).
80
7 CONCLUSIONES
7.1 Mediante la revisión de la literatura científica respecto al tema de VPP, se realizó una definición que
permite estandarizar los conceptos dados por diferentes autores durante los últimos diez años. Mediante
la definición propuesta se diferencia el concepto de VPP y Micro – red, los cuáles no se encuentran
claramente separados (inclusive son considerados iguales por algunos autores). De esta forma, se busca
que los trabajos futuros definan los parámetros de integración y la estructura de una VPP con base a la
definición planteada en este proyecto.
7.2 Se propone un procedimiento para realizar proyecciones de masificación de energías alternativas en un
sistema eléctrico, en cualquier lugar y con base a informes e históricos, mediante la generación de
números aleatorios.
7.3 Se plantea una estructura de integración para una DVPP con el concepto de redes neuronales artificiales.
Mediante esta estructura se obtienen beneficios técnicos (mejora del 42% en la regulación de tensión en
uno de los escenarios críticos). Con la estructura propuesta, se facilita la integración ya que esta propone
definir un DER complementario en función del objetivo de la DVPP.
7.4 Al agrupar los DER de acuerdo a su capacidad de entregar potencia activa y reactiva, se logra obtener
una mejora del 9% tanto para el perfil de tensión cómo para los límites de estabilidad de tensión al
comparar la red con VPP y sin VPP. De esta forma, se puede realizar la integración de otros DER no
contemplados en este trabajo, al definir su capacidad de entregar potencia y ubicarlo en el grupo que le
corresponda.
7.5 Se planteó una forma de determinar los nodos críticos de una red desde el punto de vista de estabilidad de
tensión, con herramientas estadísticas como promedio aritmético y frecuencias absolutas. Esto debido a
que no se encontró un criterio analítico en la literatura científica que permitiera determinar con base a los
resultados de curvas PV, los nodos que son más débiles y contribuyen a un colapso de tensión. De ésta
forma, el análisis y la comparación se puede centrar en los tres nodos que representan un mayor riesgo
para el sistema.
81
APORTES
Con base a la revisión de la literatura científica realizada, Los aportes de éste trabajo son:
Desarrollo de un criterio analítico para determinar los nodos críticos de una red eléctrica desde el punto de
vista de estabilidad de tensión a través de las curvas PV ante diferentes escenarios de carga y topología. En la
literatura científica no se encuentra un criterio analítico y el estudio se limita a escoger el nodo cuyo límite de
estabilidad sea el más bajo.
Se propone que para integrar los DER de una red en una DVPP, primero se defina los beneficios técnicos que
se busca obtener al integrarlos. Con los beneficios definidos, se selecciona un DER complementario a los ya
instalados en la red de tal forma que permita conseguir los resultados esperados.
Propuesta de comparación que permite cuantificar las variaciones en el comportamiento de la red al integrar o
no los DER en una DVPP con ayuda del criterio analítico para determinar nodos críticos e índices
normalizados.
Se desarrolló una aplicación que permite calcular la capacidad de bancos de condensadores para BT en kVAR
con base a información básica de consumo. Mediante esta aplicación se pueden calcular bancos de
condensadores fijos o automáticos de hasta nueve pasos de forma inmediata. Evitando de ésta forma cálculos
manuales que pueden provocar errores.
Se define como estructurar una DVPP con ayuda del concepto de una Red Neuronal Artificial y agrupando los
DER en función de su capacidad de entregar potencia activa y reactiva.
82
TRABAJOS FUTUROS
A continuación se plantean trabajos futuros que pueden ser desarrollados posteriormente:
Realizar un estudio de contaminación armónica y análisis de fallas, para determinar el impacto que
provoca en la red de distribución y ante los mismos escenarios, el integrar los DER en una DVPP.
Utilizar la definición y la estructura propuesta de DVPP para integrar DER esparcidos en niveles de
Transmisión y sub transmisión.
Mediante la estructura de DVPP que se plantea, realizar la integración de DVPP locales en una VPP
regional. De ésta manera, con la estructura de integración propuesta, se realiza la integración de cada
DVPP local. Con las DVPP locales definidas, se plantea una VPP regional, manteniendo la misma
estructura de las DVPP, con la diferencia que la capa de entrada de la VPP regional no serán DER
sino las DVPP locales.
Realizar la integración en DVPP con otros DER no contemplados en éste trabajo (vehículos
eléctricos y sistemas de almacenamiento).
Plantear un modelo económico que le permita a un usuario con DER de tipo GD, recibir los mismos
o mayores beneficios económicos por sacar de funcionamiento su unidad de GD en ciertas
circunstancias de demanda o topología, que mantener en funcionamiento la unidad así no sea
conveniente para la red desde el punto de vista técnico.
83
8 ANEXOS
A. ANEXO: DESARROLLO MATEMÁTICO PARA EL CÁLCULO DE CONDENSADORES EN
REDES DE DISTRIBUCIÓN
A continuación se modela una red de distribución como un circuito en la Figura 37.
Figura 37. Circuito equivalente de un circuito de distribución. Fuente [52]
Uno de los modelos más utilizados para representar líneas de distribución en la actualidad, es el utilizado en la
Figura 37. De este circuito, se pueden obtener las siguientes relaciones matemáticas:
𝑉𝑆 = (𝑉𝑅
2+ 𝐼𝑅)𝑍 + 𝑉𝑅
(A.1)
𝑉𝑆 = (𝑍
2+ 1)𝑉𝑅 + 𝑍𝐼𝑅
(A.2)
Con la ecuación A.1 y A.2 se tienen ecuaciones relacionadas con la tensión. Para la corriente se tiene que
𝐼𝑆 = 𝑉𝑆
2+ 𝑉𝑅
2+ 𝐼𝑅
(A.3)
Para líneas de distribución largas, se debe utilizar el modelo PI exacto o modelo PI de parámetros
distribuidos. Este se ve en la Figura 38 [52]
84
Figura 38. Modelo PI exacto.
A.1. ANALISIS TÉCNICO DE CONDENSADORES SHUNT
En los conductores de MT se presentan perdidas de energía al momento de realizar la distribución. Estos
conductores se modelan como aparece en la Figura 38. Sin embargo, para simplificar el análisis, se
despreciarán las admitancias y se tendrá en cuenta únicamente la reactancia y la resistencia. Como se observa
en la figura 39, en el conductor se presenta una caída de tensión. (Esto sucede, si la carga es principalmente
inductiva), por lo cual la tensión en el extremo receptor será menor que la tensión en la subestación.
Una de las formas de corregir los problemas mencionados es ubicando condensadores SHUNT o en paralelo
en puntos estratégicos del sistema tanto en MT como BT.
Realizando un análisis fasorial se puede evidenciar que al ubicar condensadores en los extremos de las líneas
o en paralelo de las cargas se puede mejorar la regulación de tensión.
Para ello, se tiene en la figura 39 el mismo circuito equivalente de una red de distribución, con la diferencia
que ahora se tiene una carga de naturaleza puramente capacitiva y que ocasiona que la corriente del circuito se
adelante respecto a la tensión de la subestación.
SUBESTACIÓN
R+jX
I
+
Vi
-
+
Vo
-
+ Vlinea -
C1
Figura 39. Circuito equivalente de una red de distribución con carga capacitiva
85
El diagrama fasorial resultante teniendo como premisa que la corriente del circuito se adelanta a la tensión en
la subestación por el efecto capacitivo de la carga se ilustra en la Figura 40.
V2
Vi
-IjXL
-IRL
IjXL
I
ϕ
θ
IRL
Figura 40. Diagrama fasorial para el circuito de la figura 39.
En el diagrama fasorial de la figura 40. Se puede notar que en el extremo receptor se tiene un voltaje mayor al
voltaje en la subestación. Este fenómeno es conocido como el efecto Ferranti.
Aprovechando éste fenómeno y con un valor adecuado de condensador, no solo se puede mejorar el factor de
potencia en la carga; también se puede lograr subir la regulación de tensión en aquellos nodos que la tengan
en límites críticos o por debajo del mínimo.
A.2. UBICACIÓN DE CONDENSADORES EN BAJA TENSIÓN POR PENALIZACIONES
La ubicación de condensadores en BT está condicionada principalmente a la normatividad relacionada con el
bajo factor de potencia. Como se evidencio en la sección 2.4.5. Del capítulo 2, para el caso colombiano se
penaliza a un usuario cuyo factor de potencia sea menor a 0,9; o en otras palabras, que su consumo de energía
reactiva sea de por lo menos el 50% de su consumo de energía activa. Si bien, es responsabilidad del operador
suministrar la energía que demande el usuario cumpliendo con los límites de regulación, mediante las
penalizaciones por bajo factor de potencia a los usuarios, éstos se ven obligados a realizar las inversiones
necesarias que les permitan mejorar su factor de potencia y así evitar los sobrecostos de energía (a pesar de
que la instalación de condensadores también mejora el perfil de tensión). Por ello, con base en la tabla 6, se
puede concluir que cinco de los usuarios se encuentran penalizados y requieren instalar compensación de
reactivos.
Para determinar el tamaño de los condensadores a utilizar en BT de acuerdo a los requerimientos particulares
de cada carga se utilizará una aplicación desarrollada por los autores en C#. La forma de utilizar ésta
aplicación y el código se explica en el Anexo D. En la Sección A3 se muestra el desarrollo matemático para
86
determinar la capacidad de cada condensador. Comercialmente, los condensadores trifásicos se referencian en
kVAR y se deben escoger en función de la tensión nominal y la frecuencia de la instalación.
A.3. DESARROLLO MATEMÁTICO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN BT.
El análisis matemático para la corrección del factor de potencia parte del estudio de potencia en corriente
alterna como se muestra a continuación:
Analíticamente y desde el punto de vista de potencia en corriente alterna, se tiene que
𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎; Es la consumida por una carga netamente resistiva.
𝑄 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎; Es la consumida por una carga inductiva o capacitiva.
𝑆 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒; Es el producto de la magnitud de tensión y la magnitud de corriente.
La relación entre las potencias en corriente alterna y la corrección del factor de potencia se puede explicar
mediante el triángulo de potencia, cuyo análisis se presenta de la siguiente manera:
Q’
QS
S’
P
ϕ ϕ'
Figura 41. Triángulos de potencia para análisis matemático para corrección de factor de potencia
Si se analiza la figura 41 es fácil identificar que al mejorar el factor de potencia (disminuir la potencia
reactiva) también disminuye el ángulo entre la potencia activa (que permanece constante) y la potencia
aparente.
A través de las razones trigonométricas propias de un triángulo rectángulo, se puede determinar las siguientes
expresiones matemáticas:
tan𝜑 =𝑄
𝑃
(A.4)
Despejando el ángulo se tiene que
𝜑 = tan−1 [𝑄
𝑃]
(A.5)
87
Reemplazando la ecuación A.4 con la información de cada uno de los triángulos, se tiene que:
𝜑 = tan−1 [𝑄
𝑃]
(A.6)
Y que
𝜑′ = tan−1 [𝑄′
𝑃′]
(A.7)
Sabiendo que el factor de potencia se puede definir como
𝑓𝑝 = cos𝜑
(A.8)
Se puede calcular el ángulo nuevo con el factor de potencia deseado
𝜑′ = cos−1[𝑓𝑝]
(A.9)
En la Figura 21 se puede determinar que la potencia reactiva que se requiere para compensar es
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑄 − 𝑄′
(A.10)
Además que
𝑃 = 𝑃′
(A.11)
Tomando la ecuación A.4 y despejando la potencia reactiva,
𝑄 = 𝑃 tan𝜑
(A.12)
Con la ecuación A.12 y la ecuación A.10 se puede determinar la potencia reactiva que requiere entregar el
condensador
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑃 tan𝜑 − 𝑃 tan𝜑′
(A.13)
Organizando la ecuación A.13 se tiene finalmente que
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑃 tan[𝜑 − 𝜑′]
(A.14)
88
El valor de la potencia trifásica del condensador calculado con la ecuación A.14 se debe verificar con el nivel
de tensión y de frecuencia de la instalación.
B. ANEXO: MANUAL DE USO DE DIGSILENT POWERFACTORY
DIgSILENT Power Factory es una herramienta integrada para el análisis de sistemas eléctricos de potencia,
especializado en técnicas confiables y flexibles de modelamiento y algoritmos. Sus últimas versiones han sido
desarrolladas con la nueva tecnología de programación orientada a objetos y lenguaje de programación C++.
B.1. ESPACIO DE TRABAJO
El Software utiliza un ambiente de trabajo muy similar al que se utiliza en Windows, las ventanas más
importantes de muestran en la figura 42.
Figura 42. Espacio de trabajo en DigSilent.
Ventana Principal (1)
Ventana de administración de datos (2)
Ventana gráfica (3)
Ventana de salida (4)
B.2. CREACIÓN DE UN PROYECTO NUEVO
Un nuevo proyecto es creado por la selección de un archivo nuevo, “File-New-Project” en el menú principal,
lo cual abrirá la ventana de dialogo Intprj, como lo ilustra la figura 43. Esta ventana de dialogo es usada para
crear una nueva ventana de gráfica.
89
Figura 43. Creación de un nuevo proyecto
Se debe nombrar el proyecto y dar OK, una nueva carpeta de proyecto será creada. Un proyecto debe
contener al menos una carpeta de red o al menos una carpeta de caso de estudio. Por ende, una segunda
ventana se desplazará para crear tal red, como lo muestra la figura 44.
Figura 44. Configuración de la nueva red
Si se desea aceptar el nombre por predeterminado para la red (grid), y la frecuencia por defecto de 50 Hz o
bien, se pueden cambiar las dos opciones, un ejemplo en nuestro caso (Name: sistema de distribución y
Nominal Frequency: 60 HZ)
La carpeta de nuevo proyecto será creada con una carpeta de librería.
90
El modelo de la red será creado en la carpeta del proyecto.
Un nuevo caso de estudio será creado en la carpeta de proyecto.
El proyecto, el caso de estudio y la red serán activados.
El diagrama unifilar (vacío será abierto)
El ejemplo del nuevo proyecto creado es representado en la figura 45.
Figura 45. Ejemplo de proyecto creado
El proyecto nuevo puede ser expandido por la creación de redes extras o etapas del sistema, casos de estudio,
carpetas de librerías, etc.
B.3. VENTANA GRÁFICA
DIgsilent PowerFaactory usa objetos de tablas gráficas para mostrar el contenido de varios objetos gráficos:
Diagramas unifilares, gráficos de estaciones, gráficos de diagrama de bloques, etc.
Una nueva ventana grafica es creada al momento de abrir un nuevo proyecto como se muestra en la figura 46.
91
Figura 46. Nueva ventana gráfica
Posteriormente el grafico unifilar “Single Line Graphics” localizado en la red “Grid” pasa automáticamente.
DIgSILENT permite la construcción de objetos predefinidos, ofreciendo las características de arrastrar y
soltar, para poder trasladar los objetos del sistema de potencia desde el manejador de datos a la ventana
gráfica que muestra la figura 47.
Figura 47. Caja de herramientas de instrumentos de dibujo
92
La guía para la ejecución de esta acción es la siguiente:
1. Seleccionar de la caja de herramientas de dibujo el objeto que se va a importar a la ventana de
gráfico.
2. Dar clic izquierdo en el botón del mouse sobre el icono a seleccionar.
3. Presionando el botón izquierdo del mouse y moviendo este al área de dibujo gráfico.
4. Dar posición a los símbolos gráficos de la misma forma como es hecho normalmente.
5. Finalmente, un nuevo objeto gráfico es creado.
Los elementos del sistema de potencia de potencia son insertados para posteriormente ser conectado en el
diagrama unifilar. La forma más sencilla para dar posición y conectar los nuevos elementos del sistema es la
siguiente:
1. Haciendo clic con el botón izquierdo del mouse en uno o más barras para conectar o posicionar el
elemento directamente. Los elementos de un solo terminal o puerto (generadores o cargas) serán
posicionados directamente debajo o arriba de la barra a una distancia por omisión. Los objetos de
doble o triple terminal (transformadores, líneas, etc.) serán centrado entre las primeras dos
conexiones a las barras automáticamente.
Estos ejemplos se ilustran en la figura 48.
Figura 48. Posicionamiento y conexión de los elementos del SEP
Para editar los datos se debe seleccionar el elemento o múltiples elementos (edición múltiple) clic derecho en
el botón del mouse sobre la selección y dar clic izquierdo en “Edit Data”. Esta opción permite editar datos de
dispositivos de todos los objetos seleccionados en el dibujo. Si se trata de solo un elemento la ventana de
dialogo se desplegará automáticamente. Cuando más de un objeto es seleccionado se mostrará la lista de los
objetos. En las figuras 8 y nueve se evidencia las ventanas de edición de datos.
93
Figura 49. Ventana de edición de un solo elemento
Figura 50. Ventana de edición para más de un elemento
B.5. INTERCONEXIÓN DE SUBSISTEMAS DE POTENCIA
En el modo normal de funcionamiento, cuando se dibujan nuevas partes del sistema de potencia en la ventana
del diagrama unifilar, es imposible dibujar una línea entre una barra que pertenece a la parte actual del sistema
de potencia (IEEE 9 nodos), a una barra en otra parte del sistema (red de distribucón). Cuando la otra barra se
encuentra en otra carpeta de red, el símbolo gráfico se encuentra en otra red, y no puede ser conectado del
diagrama unifilar actual.
94
Para conectar tales redes, se debe representar la misma en más de un diagrama unifilar, es decir, esta tiene que
estar en dos redes. Luego de haber creado tal representación múltiple de la misma barra, se puede conectar
elementos a esa barra en más de un diagrama unifilar, de esta manera se conectan los subsistemas mostrados
en el diagrama unifilar.
Figura 51. Representación de barra para conexión de subsistemas
De esta manera la red de Distribución Puede ser conectada a la subestación por medio de la línea (Line1).
B.6. CONFIGURACIÓN DE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE POTENCIA
B.6.1. CONFIGURACIÓN DE BARRAS
El Software me permite insertar diferentes tipos de barras o multibarras. Estas representan un nodo en el SEP
y se pueden representar de la siguiente manera.
Terminal: Pueden ser usados en configuraciones en anillo o radial y su función es conectar dos o más barras.
Short Terminal: Son usados para conectar generadores o motores a través de una línea. Diferencia entre la
barra Terminal es que esta no genera caja de resultados.
Junction: Este punto es especial debido a que se utiliza para derivar una línea.
Figura 52. Representación de barras en Digsilent.
.
95
Para la configuración de una barra se requiere la información del tipo de conexión, la tensión nominal línea-
línea y el sistema ya sea corriente alterna o corriente directa (AC, DC) como lo muestra la figura 53.
Figura 53. Configuración de una barra en DigSilent.
Para el ejemplo mostrado la barra maneja una tensión nominal de 11,4 kV, Tipo de conexión ABC y tipo de
sistema AC.
B.6.2. CONFIGURACIÓN DE LINEAS
El modelo de una línea en DIgSILENT representa la conexión entre dos barras del sistema.
El programa permite la configuración de la línea por medio de parámetros distribuidos y modelo PI para
líneas de distribución.
96
Figura 54. Ventana de configuración de líneas.
Pasos para configuración de Línea de transmisión o distribución.
1. Sobre la ventana de configuración seleccionar type y seleccionar New proyect. Seguidos estos pasos
se abrirá la siguiente ventana.
Figura 55. Nuevo Proyecto de Línea.
97
En esta ventana se configura los parámetros principales de la línea de acuerdo al modelo
seleccionado. Para el ejemplo se maneja y configura un cable de calibre AWG 1/0 de aluminio
desnudo para transporte aéreo.
2. Después de llenar toda la información requerida por el software seleccionar verificar todos los datos
seleccionar Ok.
3. Verificar todos los datos en la ventana de configuración y dar Ok.
El software también permite insertar líneas por medio de librerías con los cables que dispone el software, es
importante conocer el cable, su configuración el medio por el que va ser transportado.
B.6.3. CONFIGURACIÓN DE TRANSFORMADORES
Los transformadores se conectan por medio de dos terminales o tres terminales en caso de un transformador
tridevanado. Para su configuración se deben seguir los siguientes pasos.
1. Seleccionar el transformador y dar doble clik sobre el con el botón izquierdo del mouse se abrirá la
ventana de configuración, se debe tener en cuenta la conexión con las barras ya que de esta manera
se identifica las zonas de Alta y Baja Tensión.
Figura 56. Ventana de configuración de Transformador
98
2. Para ingresar los datos de un transformador nuevo se debe ingresar en type y seleccionar new
proyect. Se abrirá una pantalla para crear un nuevo proyecto de transformador en la que se encuentra
todos los parámetros para definir un nuevo transformador.
Figura 57. Nuevo proyecto de transformador
En la figura mostrada se muestra los parámetros a configurar de un transformador, Para este ejemplo se
manejan los datos de un transformador típico de las redes de distribución de Codensa Dy5, 11.4/0.208 kV.
B.7. ALGORITMO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE CAPACITORES EN MEDIA TENSIÓN
(REDES DE DISTRIBUCIÓN)
Después de haber instalado los capacitores en las redes de distribución de baja tensión el algoritmo se encarga
de insertar y ubicar la compensación que sea necesaria sobre las barras en media tensión buscando siempre la
reducción de las perdidas con la instalación de un capacitor adicional.
Para correr el algoritmo es necesario correr un flujo de potencia y seguir los siguientes pasos.
1. Se debe dirigir sobre la ventana gráfica en la parte superior y seleccionar la opción change Toolbox,
se desplegará una lista de diferentes estudios que se pueden ejecuta. Seleccionar la opción optimal
capacitor placement. Deberá aparecer en la ventana grafica la siguiente opción encerrada en el
recuadro azul.
99
Figura 58. Selección de estudio para ubicación óptima de compensación
2. Dar clik sobre el icono de cálculo de ubicación óptima de capacitores se abrirá la ventana de
configuración.
3. Seleccionar el método que se utilizará que para este caso será el método de optimización. Para el
método es necesario seleccionar un alimentador que para el caso será la line 1 proveniente de la
Subestación eléctrica. Determinar el costo de las pérdidas de la energía (referencia). Seleccionar la
opción de instalar capacitores en la red eléctrica.
Figura 59. Opciones básicas de algoritmo de ubicación óptima de capacitores
100
4. Seleccionar Avaliable Capacitors e insertar el valor de capacitores de acuerdo a los niveles de
tensión que se maneja en el sistema de distribución en media tensión (mirar fichas técnicas de
condensadores en media tensión).
Figura 60. Instalación de compensadores seleccionados de ficha técnica.
5. Seleccionar Execute, inmediatamente se generará un reporte sobre la ventana de salida con los
resultados de la potencia Reactiva instalada, las barras en las cuales fueron instalados y la reducción
de pérdidas de energía reflejada en costos.
Nota: Verificar los condensadores si fueron instalados sobre las barras mencionadas en el
reporte.
Para el ejemplo de la figura 61 el algoritmo instaló 250 kVAr sobre los nodos Industrial 20 e
Industrial 21 repartidos en 125 kVAr para cada uno.
101
Figura 61. Reporte de ubicación óptima de compensadores en media tensión.
B.8. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD CON DIGSILENT
A continuación, se analizará la estabilidad de tensión del sistema establecido en el proyecto. Esto puede ser
llevado a cabo mediante el uso de curvas de tensión-potencia reactiva (V-Q) y curvas de potencia activa-
tensión. Para agilizar el cambio de los parámetros del sistema (por ejemplo, el de la potencia de las cargas) y
generar las curvas P-V y V-Q se dispone de escritos DPL (lenguaje de programación de DIgSILENT) que
automatiza esta tarea.
B.8.1. CURVAS P-V
Se analiza mediante el uso de curvas P-V la estabilidad de tensión en la barra de BT del sistema. Se desea
determinar cuales la carga máxima que se puede suministrar allí.
Para generar las curvas P-V se dispone un escrito DPL:
1. Crear un nuevo caso de estudio.
2. Opcional: Crear una variación de red a los efectos de guardar las modificaciones que se introducirán
a continuación.
3. Sobre el diagrama unifilar, Seleccionar las cargas y las barras de baja tensión las cuales se desean
analizar (presione la tecla Ctrl para la selección multiple)
4. Con el Boton derecho del mouse dar click sobre la selección, y en el menú contextual selecciona
ejecutar escritos DPL.
102
Figura 62. Selección de elementos para ejecutar DPL
5. Buscar y Seleccionar el DPL de Curvas P-V. Se abrirá la Ventana de Comando, la cual contiene el
código (script) y una descripción del funcionamiento de este DPL. Seleccionar Execute para ejecutar
DPL y generar la curva P-V
Figura 63. Ventana de comando DPL
103
6. Determinar los límites de estabilidad del sistema de acuerdo a las curvas y los repotes del Softaware.
Figura 64. Curva PV y reporte de estabilidad.
7. Para una tensión de operación de 1 p.u. +/- 5% determinar cuál es la máxima potencia que puede ser
suministrada a una carga en la barra LV.
B.9. ESTUDIO DE VPP EN DIGSILENT
Para seleccionar el Despacho automático para el elemento que hará parte de la VPP se deben seguir los
siguientes pasos.
1. Seleccionar el elemento nuevo que pertenecerá a la VPP (para el ejemplo seleccionaremos un
Sistema Fotovoltaico (PV Generador estático).
2. Sobre la opción Load Flow, seleccionar Automatic Distpach, se abrirá la ventana de configuración
para el despacho automático, para el caso del Panel Fotovoltaico se debe seleccionar como fijo en el
tipo de despacho del generador (Generator Dispatrch-fixed)
Después de configurado este parámetro ir a Virtual Power Plant y dar clik en select.
105
C. ANEXO: MANUAL DE USO APLICACIÓN CÁLCULO DE BANCO DE CONDENSADORES
BT
C.1. ASPECTOS A TENER EN CUENTA
La aplicación se desarrolló en C# de Visual Studio y es ejecutable en cualquier versión de Windows.
La aplicación se ejecuta para efectos del manual en Windows 7.
La solución se conforma de la clase BancoCondensadoresBT.cls.
C.2. IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO:
Para visualizar, especificar y construir la aplicación se utiliza el lenguaje unificado de modelado
UML.
C.2.1 DIAGRAMA CASOS DE USO
Mediante el diagrama de caso de uso se puede describir la interacción entre el usuario y la aplicación
desarrollada.
Introducir
Frecuencia
Introducir
FP deseado
Introducir
Tensión
Información
Consumo
Factura
Energía
Estudio
Calidad
Horas
Consumo
Energía
Activa
Energía
Reactiva
Banco fijo o
automático
P y Q máx
P y Q med
P y Q min
Calcular
Banco
Calcular
Banco
Figura 66. Diagrama caso de uso aplicación.
C.2.1 DIAGRAMA DE CLASES
En UML, el diagrama de clases permite describir la estructura de un algoritmo implementado con las clases
del sistema, atributos, métodos y la relación entre los objetos. En la figura 66 se observa el diagrama de clases
de la aplicación desarrollada.
106
Figura 67. Diagrama clases aplicación.
C.3. GUÍA DE USUARIO
Al abrir la aplicación, la interfaz con la que se encuentra el usuario se observa en la Figura 68
Figura 68. Interfaz gráfica aplicación.
107
Los primeros datos que se deben ingresar son los correspondientes a la información de la instalación, tal como
se muestra en la Figura 69.
Figura 69. Campos de tensión, frecuencia y factor de potencia deseado
El campo 1. Es el nivel de tensión en Voltios de la instalación. El 2. Es la frecuencia en Hz de la instalación y
el campo 3. Es el factor de potencia deseado.
Después de ingresar la información de la instalación, se requiere seleccionar si la información de consumo fue
obtenida de la Factura de Energía o de un estudio de calidad. Como se observa en la Figura 70. (Si la
información de consumo de la instalación se obtiene de un estudio de calidad de energía, se selecciona la
opción 2).
Figura 70. Opciones disponibles para la información de consumo
Al seleccionar la opción “factura de energía”, el software solicita la información de energía activa en kWh –
mes, la Energía Reactiva en kVARh-mes y las horas de consumo durante el mes. Toda ésta información se
obtiene de una factura de energía como se observa en la Figura 71.
Figura 71. Información consumo de factura
108
En la figura 70 se observa que las unidades de la medición son en kWh, se toma el peor de los casos (donde se
presentó un mayor consumo y penalización de reactiva y éste valor de consumo, junto con el de energía activa
es el que se ingresa en los campos 4 y 5; además de las horas de consumo en el mes en el campo 6 en la
Figura 72.
Figura 72. Campos necesarios para hacer el cálculo cuándo la información es obtenida de la factura
Después de ingresar los datos de los campos 4, 5 y 6. El software solicita seleccionar si el banco es fijo o
automático.
En la figura 72 se tiene la opción 4 o 5. Para determinar si el banco de condensadores es fijo o automático. Se
debe seleccionar una de ellas. Además, de ello, si el banco es mayor a 300 kVAR, por criterio de diseño, el
software recomienda que se realice primero un estudio de calidad de energía, como se puede visualizar en la
Figura 74.
Figura 73. Opciones de cálculo para banco cuándo la información se obtiene de la factura
109
Figura 74. Estado cuándo los KVAR del banco son mayores o iguales a 300 y el cálculo se hace con
información obtenida de la factura
Finalmente se da click en calcular banco. Si los kVAR requeridos son menores a 300 kVAR el software
calculará el banco de acuerdo a los valores ingresados y a las opciones seleccionadas e ilustrará el resultado
como se observa en la figura 75.
Figura 75. Resultados obtenidos al dar click en calcular banco y estado del cálculo.
Si en cambio se selecciona un banco calculado por estudio de calidad de energía, seleccionando la opción 2.
Los datos a ingresar se observan en la figura 75. Si en alguno de los campos la potencia reactiva no representa
penalización, el estado de cálculo del software indicará que se debe revisar dicha información. Por ejemplo si
la potencia mínima está mal ingresada, el estado indicará lo que aparece en la Figura 76.
Los datos de los campos 7 al 12 deben ser ingresados en kilos. Por ejemplo, si potencia activa máxima son
600 kW, en el campo 7 se debe ingresar 600 y no 600000.
110
Figura 76. Campos requeridos para hacer el cálculo por estudio de calidad de energía.
Figura 77. Mensaje de estado de cálculo cuándo los datos son erróneos.
Para el cálculo de los condensadores en BT del capítulo 5 se utilizó la opción de estudio de calidad de energía.
Debido a que se contaba con la información de demanda máxima, media y mínima. En la figura 77 se pueden
detallar los resultados obtenidos para la carga Industrial 2.
Figura 78. Cálculo del banco de condensadores para la carga Industrial 2.
El software también presenta la opción de realizar un nuevo cálculo oprimiendo el botón 2 (éste botón limpia
todos los campos y vuelve el software a condiciones iniciales) y el botón salir mediante el cual se puede salir
de la aplicación.
Figura 79. Botones adicionales de la aplicación
111
Adicionalmente el software permite tener acceso a éste manual y a una ficha técnica de condensadores
mediante un menú desplegable que se observa en la Figura 80.
Figura 80. Menú desplegable de la aplicación para tener acceso a la ficha técnica de condensadores en BT, al
manual de usuario y tener información de los desarrolladores.
Para acceder a la ficha técnica, se da click en “Ficha Técnica” en lugar de Manual de usuario.
Por último, en la figura 80 se puede identificar la ventana que surge al dar click en la opción “Acerca de”
Figura 81. Información de la aplicación.
115
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