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

Montoya, Oscar Danilo Compensación de potencia reactiva en sistemas de distribución: un enfoque formal basado en optimización matemática / autores Oscar Danilo Montoya, Alejandro Garcés Ruiz, Walter Julián Gil González, Andrés Escobar Mejía ; prologo Alejandro Garcés. - - Cartagena de Indias : Universidad Tecnológica de Bolívar, 2020.

203 páginas: gráficos.

ISBN: 978-958-8862-78-1 (papel) ISBN: 978-958-8862-83-5 (digital)

1. Distribución de energía eléctrica 2. Potencia reactiva (ingeniería eléctrica) 3. Redes eléctricas 4. Recursos energéticos renovables 5. Convertidores electrónicos de potencia 6. Optimización matemática 7. Energía eólica I. Montoya, Oscar Danilo II. Garcés Ruiz, Alejandro III. Gil González, Walter Julián IV. Escobar Mejía, Andrés.

333.7932

M798

CDD23

Compensación de Potencia Reactiva en Sistemas de Distribución: Un enfoque formal basado en optimización matemática ©Ediciones Unitecnológica, 2020

Autores

Oscar Danilo Montoya

Alejandro Garcés Ruiz

Walter Julián Gil González

Andrés Escobar Mejía

Prólogo

Alejandro Garcés Ruiz

Portada

Jaxir Diaz Salcedo

Diagramación

Jaxir Diaz Salcedo

Ediciones UTB

ISBN:978-958-8862-78-1 (papel) ISBN:978-958-8862-83-5 (digital)

La reproducción parcial o total de esta obra por distintos medios queda prohibida, salvo autorización de los editores de la presente versión.

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El presente libro surge como parte de los siguientes proyectos de investigación:

Ubicación y dimensionamientoóptimo de generación distribuida con recursos renovables en sistemas de distribución de energía empleando técnicas inteligentes, y Operación eficiente de redes eléctricas con alta penetración de recursos energéticos distribuidos considerando variaciones en el recurso energético primario;los cuales han sido financiados por la Dirección de Investigaciones de la Universidad Tecnológica de Bolívar durante los períodos 2018 y 2019. Códigos internos C2018P020 y C2019P011, respectivamente.

Desarrollo de una metodología de optimización para la gestión óptima de recursos energéticos distribuidos en redes de distribución de energía eléctrica,el cual ha sido apoyado por el Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Código interno 1643-012-2020.

Formulación de modelos convexos para solucionar los problemas clásicos en redes de distribución de energía,el cual es un proyecto interno de la Institución Universitaria Pascual Bravo.

Diseño, construcción e implementación de un convertidor estático de 10 kVA para compensar los desbalances de las corrientes en sistemas de distribución causados por cargas desequilibradas,el cual contó con financiación de la Vicerrectoría de Investigaciones, Innovación y Extensión de la Universidad Tecnológica de Pereira, en los años 2018 y 2019. Código interno: 6-18-2.

Los sistemas de distribución tienen características especiales que los hace propensos a presentar problemas relacionados con la calidad de la forma de onda. Estos problemas han sido ampliamente estudiados en el contexto de las redes de distribución convencionales. Sin embargo, la introducción de nuevas tecnologías, tales como las energías renovables y los elementos almacenadores de energía, hacen necesario reevaluar muchas de las teorías existentes.

Este libro presenta algunos resultados de investigación relacionados con el uso de técnicas de optimización matemática aplicadas a la compensación de sistemas de distribución inteligente. Cuatro problemas de compensación básicos serán estudiados: compensación de potencia reactiva, compensación de armónicos (filtros activos), compensación de la corriente por el neutro (desbalance) y compensación de energía mediante el uso de elementos almacenadores.

El uso de técnicas matemáticas se limitará a las llamadas técnicas exactas, sin desconocer que las heurísticas han sido importantes en el análisis de sistemas de potencia. No obstante, los requerimientos de los sistemas de distribución inteligente, especialmente en lo que respecta a estabilidad y operación en tiempo real, hacen inadecuado el uso de técnicas heurísticas. Así mismo, los avances en capacidad de computo permiten encontrar soluciones a problemas que hace algún tiempo eran imposibles con técnicas exactas.

Este libro presenta aportes no solo desde el punto de vista del desarrollo de las técnicas de optimización, sino también en la implementación de nuevas tecnologías. En particular, se presenta la operación de los sistemas de conversión en generadores eólicos como compensadores de potencia. Así mismo, se muestra el uso de elementos almacenadores de energía como dispositivos de compensación.

Las redes inteligentes son un tema de investigación en desarrollo. Por lo tanto, las ideas expuestas en este libro podrían ser parte de los sistemas de distribución del futuro.

Alejandro Garcés

Contenido

1 Calidad de la forma de onda en sistemas de distribución

1.1 La potencia reactiva en sistemas de distribución

1.2 Armónicos en sistemas eléctricos y otros problemas relacionados con la calidad de la energía

1.3 Los sistemas de distribución

1.4 Redes de distribución inteligente

1.4.1 Microrredes

1.4.2 Elementos almacenadores de energía

2 Teorías de compensación de potencia

2.1 Definición de potencia reactiva

2.2 La potencia trifásica en condiciones de distorsión armónica

2.3 Compensación de potencia reactiva

2.4 La Teoría PQ

2.5 Formulación vectorial de la Teoría ABC

2.6 Teoría CPC

3 Filtros Pasivos

3.1 Bancos de condensadores

3.2 Diseño de filtros pasivos

3.2.1 Filtro pasa-banda

3.2.2 Filtro pasa-alta

3.2.3 Filtro tipo-C

3.3 Resonancias serie y paralelo

4 Convertidores electrónicos de potencia

4.1 Convertidores AC

4.2 Modulación de los convertidores de tensión

4.2.1 Modulación por ancho de pulso

4.2.2 Modulación por histéresis

4.2.3 Modulación usando control predictivo

4.3 Integración del control y la modulación

4.4 Modelo promediado

4.4.1 Topologías de convertidores para sistemas de cuatro hilos

4.5 Cálculo de las pérdidas en el convertidor

5 Introducción a la Optimización Matemática

5.1 Modelado matemático

5.2 Multiplicadores de Lagrange

5.3 Interpretación de los multiplicadores de Lagrange

5.4 Convexidad del espacio de soluciones

5.5 Problemas cuadráticos convexos

5.6 Método del gradiente descendente

5.7 Método de Newton para problemas de optimización

5.8 Métodos de puntos interiores

6 Compensación de Potencia Reactiva en ABC

6.1 Principios básicos de la teoría de compensación en el marco de referencia ABC

6.2 Efecto de la corriente en el conductor de neutro

6.3 Compensación de potencia reactiva con eliminación de la corriente de secuencia cero

6.4 Compensación con invarianza en la potencia instantánea y eliminación de la corriente de secuencia cero