Oscar Danilo Montoya Giraldo - Compensación de potencia reactiva en sistemas de distribución

6.5 Compensación para alcanzar potencia constante

6.6 Compensación para alcanzar factor de potencia unitario

6.7 Compensación de potencia reactiva con forma de onda puramente sinusoidal

6.8 Comparación entre diferentes objetivos de compensación

7 Potencia reactiva y generación eólica

7.1 Turbinas eólicas

7.2 Estrategia de control de velocidad

7.3 Compensación de potencia en generadores eólicos directamente conectados a la red

7.4 Compensación de potencia reactiva turbinas tipo-C y D

8 Compensación de potencia reactiva usando los convertidores que integran generación eólica

8.1 Revisión del sistema de conversión de energía

8.2 Estrategia de control con capacidad de compensación

8.3 Ejemplo de aplicación de la metodología

9 Flujo de carga armónico en sistemas de distribución

9.1 Modelado de los elementos lineales

9.2 Cálculo de la matriz Y BUS a frecuencias armónicas

9.3 Cálculo de pérdidas técnicas

9.4 Uso de la matriz Y BUS para determinar resonancias

9.5 Modelado de las cargas no-lineales

9.6 Algoritmo de flujo de carga armónico

9.7 Algoritmo de barrido iterativo

9.8 Algoritmo de ordenamiento nodal

9.9 Extensión al caso trifásico

9.10 Linealización sobre los números complejos

9.11 Método linealizado para el análisis de sistemas de distribución

9.11.1 Caso balanceado

9.11.2 Caso desbalanceado

9.12 Aproximaciones de orden superior

9.13 Ejemplo de aplicación para la aproximación lineal

10 Flujo de cargaóptimo en sistemas de distribución con fuentes de energía alternativa

10.1 Introducción

10.2 Formulación del problema de flujo de cargaóptimo en sistemas de distribución

10.3 Formulación convexa del flujo de cargaóptimo en sistemas de distribución

10.4 Modelo analítico relajado

10.5 Formulación convexa del flujo de cargaóptimo para sistemas de distribución desbalanceados

10.6 Algunos ejemplos numéricos

A Sistemas de Prueba

A.1 Sistema de prueba I

A.2 Sistema de prueba II

Notas al pie

Este capítulo resume las principales características de los sistemas de distribución y los problemas asociados a la calidad de la forma de onda. Igualmente presenta algunas tecnologías en desarrollo y su relación con las redes inteligentes.

Los sistemas modernos de energía requieren cumplir altos estándares de calidad y confiabilidad. Por tal razón, es necesario desarrollar metodologías y dispositivos que permitan mantener una forma de onda sinusoidal y una potencia instantánea constante. En particular, los sistemas de distribución son propensos a presentar problemas relacionados con la calidad de la forma de onda debido a la variedad de dispositivos no lineales conectados a este nivel. La normatividad en este aspecto varía de acuerdo al nivel de tensión. En algunos casos se puede incluso desconectar o sancionar a un usuario conectado directamente al sistema de distribución, debido al contenido de armónicos de la corriente inyectada a la red. Los límites máximos permitidos de distorsión armónica para cada nivel de tensión dependen del código de red (Power and Society, 2014).

La mayoría de los problemas relacionados con la calidad de la forma de onda de tensión y corriente, se debe principalmente al creciente uso de dispositivos electrónicos y en particular, a aquellos basados en electrónica de potencia (Singh et al., 1998).

Los convertidores basados en conmutación forzada inyectan corrientes armónicas de altas frecuencias, las cuales pueden ser fácilmente filtradas por la componente inductiva de los transformadores. Sin embargo, los convertidores de potencia basados en conmutación de línea, se comportan como cargas no lineales inyectando corrientes armónicas a la red a bajas frecuencias. Estos dispositivos de electrónica de potencia están presentes en todo tipo de equipos, desde electrodomésticos como televisores y computadores, pasando por equipos industriales como variadores de velocidad e incluso en generadores eólicos. En consecuencia, podemos afirmar que el desarrollo de la electrónica de potencia es una de las principales causantes de distorsiones en la forma de onda. No obstante, la electrónica de potencia puede ser potencialmente parte de la solución. Los convertidores basados en conmutación forzada permiten introducir corrientes armónicas controladas que contrarresten los efectos de las distorsiones de la red. Este tipo de compensación recibe el nombre de filtros activos. Sin embargo, su función va mas allá del filtrado de la corriente, permitiendo corregir el factor de potencia así como el índice de desbalance y por tanto, aumentar la eficiencia de la red eléctrica (Lee and Wu, 1998). Igualmente, pueden tener efecto sobre la curva de carga y el mercado eléctrico si son construidos con elementos con alta capacidad de almacenamiento de energía. Los filtros activos son de esta forma, un elemento importante en las redes eléctricas futuras, las cuales presentan nuevos requerimientos de flexibilidad y calidad de la energía que son exigidos bajo el paradigma de las redes inteligentes o Smart Grids .

El control de los dispositivos de compensación se realiza mediante técnicas convencionales similares a las que se utilizan en los variadores de velocidad. Sin embargo, el punto de referencia para estos controladores así como el análisis de los mismos en el contexto del sistema de distribución requieren una discusión detallada. La Teoría PQ es una de las más utilizadas para definir este punto de operación. No obstante, las técnicas de optimización matemática pueden ser igualmente utilizadas. El uso de este tipo de técnicas en el desarrollo de sistemas de compensación de potencia reactiva se ha estudiado desde mucho antes del desarrollo de la Teoría PQ (Rodriguez, 2005; Salmeron et al., 2004) destacándose el trabajo desarrollado por Fritz en (Fryze, 1932). Igualmente, conceptos de optimización matemática han sido utilizados en la definición de los diferentes términos de potencia (Willems et al., 2005; Furuhashi et al., 1990; Chang et al., 2002; Garces and Molinas, 2011; Uyyuru et al., 2009; Jeon, 2005). Este libro va más allá de estas aplicaciones y muestra una teoría unificada de compensación que utiliza la optimización matemática como herramienta fundamental. En este sentido, se utilizaránúnicamente técnicas de optimización exactas, las cuales son directamente aplicables al contexto de las redes inteligentes debido a que éstas pueden ser fácilmente implementadas en aplicaciones en tiempo real.

El problema de calidad de la energía ha sido ampliamente estudiado en la literatura especializada. Sin embargo, la penetración de fuentes de energía renovable y el uso de nuevas tecnologías de compensación producen un impacto significativo en la forma como se debe abordar el problema. Tanto los dispositivos de compensación como las fuentes de energía renovable, especialmente eólica y solar-fotovoltaica, requieren del uso de un convertidor de potencia. Este convertidor puede realizar compensación de potencia reactiva en la red si se controla adecuadamente. El uso de sistemas de comunicación es importante para desarrollar esquemas de control coordinado; sin embargo, la operación debe encontrar un balance adecuado entre control local y control centralizado. Los controles locales reducen costos y aumentan la confiabilidad del sistema mientras que los controles centralizados aumentan la eficiencia en la operación. Los dos problemas principales relacionados con la calidad de la energía a ser estudiados en este libro, son los de compensación de potencia reactiva, balance del sistema y mejoramiento de la forma de onda.