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

En comparación, el sistema de distribución es más propenso a sufrir problemas relacionados con altas distorsiones armónicas. Es por ello que los sistemas de compensación y filtros activos presentados en este libro están principalmente orientados a media y baja tensión.

Los sistemas de distribución tienen como objetivo recibir la energía eléctrica que llega desde los grandes centros de generación a través del sistema de potencia, y distribuirla a los diferentes usuarios a niveles de tensión adecuados. La operación de estos sistemas debe realizarse bajo parámetros de eficiencia, calidad y confiabilidad. Aproximadamente el 70% de las pérdidas totales de energía se presentan a nivel de distribución y por tanto, los retos son mayores a este nivel. Igualmente, la introducción de fuentes de energía alternativa con potencias variables hacen más complejo su análisis y operación.

Los sistemas de distribución presentan características particulares que los diferencian de los sistemas de potencia, entre ellas se destacan:

• Radialidad:los sistemas de distribución son operados de forma radial evitando la necesidad de sofisticados sistemas de adquisición de datos (SCADA) y facilitando la coordinación de las protecciones que, en la mayoría de los casos, son relés de sobrecorriente. Asimismo, la topología radial reduce las corrientes de cortocircuito y la cantidad de documentación descriptiva.

• Relación R/X:a diferencia de los sistemas de potencia, las líneas de distribución presentan valores cercanos entre la resistencia y la reactancia serie. Esta relación varía según los tipos de conductores utilizados y la disposición geométrica de los mismos. En algunos casos R y X tienen valores cercanos mientras que en otros el primero puede ser mucho mayor al segundo.

• Transposición:las líneas de distribución son de corta longitud y bajo nivel de tensión, por ello son construidas sin requerir transposición. Por tal motivo, un modelo adecuado debe realizarse en forma trifásica.

• Multiplicidad de las cargas:existe una variedad de cargas conectadas de forma trifásica o monofásica las cuales pueden ser modeladas como impedancia, corriente o potencia constante.

• Desbalance:debido a la presencia de cargas monofásicas y elementos diseñados asimétricamente, el sistema de distribución es desbalanceado. Esto implica un modelado trifásico de todos los componentes imposibilitando la utilización de equivalentes monofásicos tal y como se hace en sistemas de potencia.

• Tamaño:los sistemas de distribución presentan gran cantidad de nodos. Por ende, se requiere un adecuado manejo de la información. Asimismo, el sistema de distribución crece mucho más rápido que el sistema de transmisión y generación.

• Incertidumbre:la falta de bases de datos de manejo de carga hace más difícil el análisis a mediano y corto plazo. Adicionalmente, las cargas a nivel de distribución presentan un mayor nivel de aleatoriedad que en los sistemas de potencia.

Todas estas características hacen complejo el análisis de los sistemas de distribución, especialmente en estudios de compensación de potencia. La incertidumbre natural de la demanda se ve agravada con la variabilidad de la generación característica de las fuentes de energía renovable. Todas estas características afectan los estudios en sistemas de distribución y en particular, aquellos relacionados con la calidad de la forma de onda (i.e., armónicos). Por ejemplo, un capacitor ubicado con el fin de compensar potencia reactiva puede ser sintonizado de tal forma que resulte en un factor de potencia para una generación y demanda nominal. No obstante, debido a la alta variabilidad de la demanda o la generación distribuida, este compensador puede operar a factores de potencia no unitarios en la mayor parte del tiempo e incluso puede generar resonancias con la red.

Una red inteligente puede ser definida como una red eléctrica que utiliza diversas tecnologías para monitorear, controlar y gestionar de forma inteligente, el transporte de energía eléctrica desde los centros de generación hasta los usuarios finales. La principal novedad con respecto a los sistemas de potencia convencionales radica en el uso de tecnologías que permitan hacer el sistema más autónomo e inteligente.

El concepto de red inteligente es difuso ya que una red eléctrica convencional cuenta con elementos de control, optimización y automatización que pueden se considerados inteligentes. Sin embargo, gran parte de la operación de estos sistemas siguen siendo realizados de forma manual, confiando en la experiencia y experticia del operador.

Una red inteligente utiliza tecnologías de control y comunicación que permiten una operación más segura, confiable y eficiente con un aumento en el grado de automatización del sistema. Una red inteligente debe tener las siguientes características:

• Eficiencia:los sistemas eléctricos modernos deben ser operados con criterios de eficiencia, para ello se diseñan mercados que permitan competencia entre los generadores. Igualmente, se desarrollan metodologías de despacho económico que tengan en cuenta estos criterios por al momento de determinar la potencia generada por cada unidad. El despacho económico es un elemento importante en la operación de los sistemas de potencia convencionales. En una red inteligente se espera que esta metodología actúe en tiempo real, con un alto grado de automatización y considerando un modelo detallado de la red.

• Confiabilidad:la confiabilidad es otro factor importante considerado en los sistemas de potencia convencionales, la red inteligente debe mantener y aumentar los criterios de confiabilidad. Igualmente, se debe considerar la operación estable del sistema, para ello se cuenta con elementos físicos tales como los dispositivos FACTs ( flexible alternating current transmission systems por sus siglas en inglés) y las líneas en HVDC ( high voltage direct current transmission ).

• Integración de recursos renovables:la generación eólica y solar fotovoltaica impone un reto adicional a la operación de un sistema de potencia, ya que la potencia generada es altamente variable. Por ello, la red inteligente debe estar en capacidad de responder a estas variaciones en tiempo real mediante el uso de elementos almacenadores de energía y del control apropiado de los recursos de generación.

• Información:los sistemas SCADA son comunes en los sistemas eléctricos convencionales. Sin embargo, debido a la alta penetración de energías renovables, estos sistemas deben responder de forma más rápida. El uso de unidades de medición fasorial es fundamental para disminuir los tiempos de respuesta. La información en una red inteligente debe fluir en forma bidireccional, esto permite al usuario tener una mayor participación en la operación del sistema mediante el manejo de la demanda. Los vehículos eléctricos pueden desempeñar un papel importante en este concepto.

• Flexibilidad:el número de dispositivos FACTs y líneas HVDC aumenta a medida que la red requiera mayor flexibilidad, estos dispositivos permiten realizar acciones de control en tiempo real por lo que son fundamentales en la operación de redes inteligentes. Aunque los sistemas HVDC han sido utilizados principalmente en sistemas de potencia, cada vez aumentan más las aplicaciones de sistemas DC en microrredes y en redes de distribución.