Estudio de la distorsión armónica en alta frecuencia en la señal de corriente Generada por la adaptación de cargas y generadores de nuevas tecnologías a la red eléctrica convencional

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(1)____________________________________________. Estudio de la distorsión armónica en alta frecuencia en la señal de corriente generada por la adaptación de cargas y generadores de nuevas tecnologías a la red eléctrica convencional. ____________________________________________. CARLOS ANDRES BAUTISTA POLANÍA SEBASTIAN ANTONIO MORENO ROMERO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN FUENTES DE ENERGÍA ALTERNATIVA (LIFAE) PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2018. 1.

(2) Estudio de la distorsión armónica en alta frecuencia en la señal de corriente generada por la adaptación de cargas y generadores de nuevas tecnologías a la red eléctrica convencional.. Carlos Andres Bautista Polanía Código: 20102005034 Sebastian Antonio Moreno Romero Código: 20111005012. Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero electrónico. Dirigido por: Javier Antonio Guacaneme Moreno, Ph.D. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN FUENTES DE ENERGÍA ALTERNATIVA (LIFAE) PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2018. 2.

(3) Agradecimientos A nuestras familias, por ser el pilar de apoyo para poder realizar este proyecto. Por estar siempre ahí, dándonos ánimos y cariño, en cada momento y en cada circunstancia. A nuestras madres, padres y hermanos, quienes forman nuestro núcleo íntimo y personal, quienes han estado siempre y han formado nuestra forma de ser y de vivir. A nuestros compañeros y amigos, donde cada uno de ellos ha aportado a su manera en la formación que tuvimos durante el paso por esta etapa de nuestras vidas, brindándonos herramientas, experiencias e ideas para formarnos como personas y como profesionales. A nuestros profesores, a todos ellos, que dedican su vida para formar una sociedad mejor, capaz de construir, progresar y entender el mundo. Especialmente a nuestro director y a nuestro evaluador, quienes con su infinita paciencia y grandes consejos nos ayudaron a llevar a buen término esta empresa que aquí presenta su resultado final. A todos ustedes, gracias.. 3.

(4) Índice 1.. Introducción: ............................................................................................................................. 11. 2.. Planteamiento del problema: ..................................................................................................... 14 2.1. Objetivos ........................................................................................................................... 16. 2.1.1 General: ............................................................................................................................ 16 2.1.2 Específicos: ...................................................................................................................... 16 2.2. Alcances y limitaciones ..................................................................................................... 16. 2.2.1 Alcances: .......................................................................................................................... 16 2.2.2 3.. Limitaciones: ............................................................................................................. 16. Generalidades: ........................................................................................................................... 17 3.1. Microrred: ......................................................................................................................... 17. 3.2. Fuentes de energía: ............................................................................................................ 18. 3.3. Cargas:............................................................................................................................... 19. 3.3.1. Linealidad:................................................................................................................. 19. 3.3.2. Cargas lineales: ......................................................................................................... 20. 3.3.3. Cargas no lineales: .................................................................................................... 21. 3.4. Distorsión armónica: ......................................................................................................... 22. 3.3.1 Distorsión armónica total (THD): .................................................................................... 23 3.5. Potencia: ............................................................................................................................ 24. 3.5.1 Potencia activa, reactiva y aparente: ................................................................................ 24 3.5.2 Factor de potencia: ........................................................................................................... 26 3.5.3 Potencia activa, reactiva y aparente teniendo en cuenta las componentes armónicas: ..... 28 3.5.4 Factor de potencia teniendo en cuenta las componentes armónicas:................................ 30. 4.. 3.6. Calidad de la potencia eléctrica:........................................................................................ 31. 3.7. Flujo de potencia: .............................................................................................................. 33. 3.8. Softwares utilizados .......................................................................................................... 41. 3.8.1. DIgSILENT Power Factory....................................................................................... 41. 3.8.2. Matlab ....................................................................................................................... 42. Componentes y escenarios de simulación de la microrred:....................................................... 43 4.1 Descripción de componentes:.................................................................................................. 43 4.1.1 Red eléctrica externa y transformador de aislamiento: .................................................... 43 4.1.2 Banco de baterías: ............................................................................................................ 45 4.1.3. Sistema solar fotovoltaico: .............................................................................................. 48 4.

(5) 4.1.4. Tablero de punto de conexión común TPCC: ................................................................. 54 4.1.5. Cargas del sistema: .......................................................................................................... 55 4.2 Topologías y casos de estudio: ................................................................................................ 56 4.2.1 Topología principal de la microrred: ................................................................................ 56 4.2.2. Escenario de estudio 1: .................................................................................................... 57 4.2.3. Escenario de estudio 2: .................................................................................................... 57 5.. Simulación de los escenarios..................................................................................................... 58 5.1. Simulación de escenarios (distorsión armónica): ................................................................... 58 5.1.1. Red eléctrica externa y transformador de aislamiento en Simulink: ............................... 59 5.1.2. Banco de baterías en Simulink: ....................................................................................... 61 5.1.3. Sistema fotovoltaico en Simulink: .................................................................................. 63 5.1.4. Modelado de las cargas en Simulink: .............................................................................. 66 5.1.5. Escenario de estudio 1 en Simulink: ............................................................................... 70 5.1.6. Escenario de estudio 2 en Simulink: ............................................................................... 78 5.2. Simulación de escenarios (flujo de potencia): ........................................................................ 84 5.2.1. Red eléctrica externa y transformador de aislamiento en DIgSILENT: .......................... 85 5.2.2. Banco de baterías en DIgSILENT: .................................................................................. 87 5.2.3. Sistema fotovoltaico en DIgSILENT: ............................................................................. 88 5.2.4. Cargas del sistema en DIgSILENT: ................................................................................ 89 5.2.5. Escenario de estudio 1 en DIgSILENT: .......................................................................... 91. 6.. Análisis de resultados y conclusiones: ...................................................................................... 94 6.1. Propuestas de trabajos futuros: ............................................................................................... 97. 7.. Referencias: ............................................................................................................................... 98. Anexo A. Diagrama en Simulink del ejemplo tomado como base del modelo:.............................. 101 Anexo B. Diagrama unifilar inicial de la microrred eléctrica: ........................................................ 102 Anexo C. Diagrama de bloques de la red completa en Simulink: ................................................... 103 Anexo D. Diagrama unifilar usado para el estudio: ........................................................................ 104 Anexo E. Tabla de resultados en Simulink del caso 1 (cargas): ..................................................... 105 Anexo G. Tabla de resultados en Simulink del caso 2 (cargas): ..................................................... 107 Anexo H. Tabla de resultados en Simulink del caso 2 (fuentes):.................................................... 108. 5.

(6) INDICE DE FIGURAS FIGURA 1. PARTICIPACIÓN POR TECNOLOGÍA EN LA MATRIZ ELÉCTRICA COLOMBIANA. OBTENIDO DE [1]. ................................................................................................................................ 12 FIGURA 2 PARTICIPACIÓN POR TECNOLOGÍA EN LA MATRIZ ELÉCTRICA COLOMBIANA. OBTENIDO DE [1] ................................................................................................................................. 13 FIGURA 3 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA QUE PUEDE USAR UNA MICRORRED. [ELABORACIÓN PROPIA] ......................................................................................... 18 FIGURA 4 CORRIENTE (EN ROJO), EN ATRASO RESPECTO A LA TENSIÓN (EN AZUL), DEBIDO A UNA CARGA DE NATURALEZA INDUCTIVA. [ELABORACIÓN PROPIA]............................. 20 FIGURA 5 CORRIENTE (EN ROJO), EN ADELANTO RESPECTO A LA TENSIÓN (EN AZUL), DEBIDO A UNA CARGA DE NATURALEZA CAPACITIVA. [ELABORACIÓN PROPIA]........... 20 FIGURA 6 SEÑAL DISTORSIONADA (EN ROJO), RESPECTO A LA FUNDAMENTAL (EN AZUL). [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 21 FIGURA 7. SEÑAL RAMPA CON DIFERENTES VALORES DE N EN LA SERIE DE FOURIER. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 23 FIGURA 8. TRIANGULO DE POTENCIAS. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................. 26 FIGURA 9 TRIANGULO DE POTENCIA PARA UN SISTEMA DE NATURALEZA INDUCTIVA. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 27 FIGURA 10 TRIANGULO DE POTENCIA PARA UN SISTEMA DE NATURALEZA CAPACITIVA. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 27 FIGURA 11. RELACIÓN GEOMÉTRICA DE POTENCIAS CON DISTORSIÓN ARMÓNICA. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 30 FIGURA 12. LÍNEA DE TRANSMISIÓN PARA ANÁLISIS DE FLUJO DE POTENCIA. OBTENIDA [21] .......................................................................................................................................................... 34 FIGURA 13 SISTEMAS DE DOS BUSES PARA ANÁLISIS DE FLUJOS DE POTENCIA. OBTENIDA DE [21] .................................................................................................................................................... 35 FIGURA 14 SISTEMA DE DOS BUSES CON LÍNEA DE TRANSMISIÓN MODELADA EN CONFIGURACIÓN Π. OBTENIDA DE [21] ........................................................................................ 35 FIGURA 15 POTENCIA NETA EN CADA UNO DE LOS BUSES DEL ANÁLISIS. OBTENIDA DE [21] ................................................................................................................................................................. 36 FIGURA 16 POSIBLES CUADRANTES QUE SE PUEDEN OBTENER AL EVALUAR LOS SENTIDOS Y LA NATURALEZA DEL FLUJO DE POTENCIA. OBTENIDA DE [23]........................................ 40 FIGURA 17 CUADRANTES DE POTENCIA INDUCTIVA Y POTENCIA CAPACITIVA. OBTENIDA DE [23] .................................................................................................................................................... 41 FIGURA 18 TRANSFORMADOR 1:1 (VISTA FRONTAL) [DATOS TOMADOS DIRECTAMENTE DEL DISPOSITIVO]. ...................................................................................................................................... 44 FIGURA 19 PLACA DE CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR 1:1 [DATOS TOMADOS DIRECTAMENTE DEL DISPOSITIVO]. .............................................................................................. 44 FIGURA 20 TRANSFORMADOR 1:1 (VISTA SUPERIOR) [DATOS TOMADOS DIRECTAMENTE DEL DISPOSITIVO]............................................................................................................................... 45 FIGURA 21. CAPACIDAD DE LA BATERÍA, EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE CICLOS Y DE LA PROFUNDIDAD DE DESCARGA DE LOS MISMOS. TOMADO DE [27] ....................................... 46 FIGURA 22. CAJA DE CONEXIÓN DEL BANCO DE BATERÍAS. .......................................................... 47 FIGURA 23 BANCO DE BATERÍAS ........................................................................................................... 48 FIGURA 24 CURVA I(CORRIENTE) VS V (VOLTAJE), Y CURVA P(POTENCIA) VS V(VOLTAJE). TOMADO DE [26] .................................................................................................................................. 49. 6.

(7) FIGURA 25. MICRO-INVERSOR SMA SUNNY BOY 240-US .................................................................. 51 FIGURA 26 MULTIGATE SMA MULTIGATE ............................................................................................ 52 FIGURA 27 PROMEDIO HORARIO DE LA RADIACIÓN (WH/M^2) (TOMADO DE [30]). ................... 52 FIGURA 28 EN LA PARTE SUPERIOR, CURVA PROMEDIO ANUAL DE IRRADIACIÓN. EN LA PARTE INFERIOR, LA CURVA DE TEMPERATURA CONSTRUIDA A PARTIR DE LOS VALORES DEL IDEAM. [ELABORACIÓN PROPIA A PARTIR DE LOS DATOS TOMADOS DE 30] ............................................................................................................................................................ 53 FIGURA 29. CAJA DE TIERRAS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. ....................................................... 54 FIGURA 30 DISEÑO DEL TABLERO DE PUNTOS DE CONEXIÓN COMÚN (TPCC) (TOMADO DE [26]). ........................................................................................................................................................ 54 FIGURA 31 TABLERO DE PUNTOS DE CONEXIÓN COMÚN (TPCC). ................................................. 55 FIGURA 32 TOPOLOGÍA INICIAL DE LA MICRORRED. [ELABORACIÓN PROPIA]. ....................... 57 FIGURA 33 ESCENARIO DE SIMULACIÓN DE UNA RED INTERCONECTADA CON CARGAS DOMESTICAS E INYECCIÓN DE ARMÓNICOS. [ELABORACIÓN PROPIA]. ............................. 58 FIGURA 34 MODELO EN SIMULINK DE LA RED EXTERNA. [ELABORACIÓN PROPIA] ............... 59 FIGURA 35 MODELO EN SIMULINK DEL TRANSFORMADOR DE ASILAMIENTO GALVÁNICO. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 60 FIGURA 36. MODELO INTERNO DE LA RED EXTERNA EN SIMULINK [TOMADO DE 32]. ............ 60 FIGURA 37. PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR UNO A UNO EN SIMULINK [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 61 FIGURA 38. MÓDULO Y PARÁMETROS DE LAS BATERÍAS EN SIMULINK. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 62 FIGURA 39. SUBSISTEMA REFERENTE AL ARREGLO DE BATERÍAS EN SIMULINK [ELABORACIÓN PROPIA]. .................................................................................................................. 63 FIGURA 40 PARÁMETROS DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO EN SIMULINK [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 63 FIGURA 41 CURVAS DE MÁXIMA POTENCIA DEL PANEL ELEGIDO PARA LA SIMULACIÓN. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 64 FIGURA 42. BLOQUE PV, CON CONVERTIDOR DC-DC TIPO BOOST CONTROLADO MEDIANTE ALGORITMO MPPT [ELABORACIÓN PROPIA].. ............................................................................. 65 FIGURA 43 INVERSOR Y SU CONTROL EN EL SISTEMA FOTOVOLTAICO. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 65 FIGURA 44 SUBSISTEMA DE GENERACIÓN SOLAR EN SIMULINK. [ELABORACIÓN PROPIA] . 66 FIGURA 45. MODELO DE CARGA DISIPADORA DE CALOR (RESISTIVA CON BAJA RESISTENCIA). ..................................................................................................................................... 67 FIGURA 46 MODELO DE CARGA CON MOTOR ELÉCTRICO. ............................................................. 67 FIGURA 47. MODELO DE CARGA PURAMENTE RESISTIVA EN AC.. ................................................ 68 FIGURA 48 MODELO DE BOMBILLA LED. ............................................................................................. 68 FIGURA 49 MODELO DE CARGA CON TRANSFORMADOR-RECTIFICADOR. ................................. 68 FIGURA 50 MODELO DE CARGA NO LINEAL DE CIRCUITO DIGITAL. ............................................ 69 FIGURA 51 CARGAS DEL SISTEMA CONECTADAS A LA MICRORRED TRIFÁSICA. [ELABORACIÓN PROPIA]. .................................................................................................................. 69 FIGURA 52 RELACIÓN ENTRE TIEMPO REAL Y TIEMPO DE SIMULACIÓN. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 70 FIGURA 53CORRIENTES DE LÍNEAS, EN EL PUNTO DE INTERCONEXIÓN DE LA RED ARTICULADA. [ELABORACIÓN PROPIA] ....................................................................................... 71 FIGURA 54 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 71 FIGURA 55THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 72. 7.

(8) FIGURA 56 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 72 FIGURA 57 THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 72 FIGURA 58 THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 73 FIGURA 59. THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 73 FIGURA 60 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 73 FIGURA 61THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 74 FIGURA 62 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA].................................................................................................................................................. 74 FIGURA 63 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DE LA RED CONVENCIONAL, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 74 FIGURA 64 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DE LA RED CONVENCIONAL, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 75 FIGURA 65 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DE LA RED CONVENCIONAL, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 75 FIGURA 66 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE PANELES SOLARES, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................. 75 FIGURA 67THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE PANELES SOLARES, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA] .............................................................................................................. 76 FIGURA 68 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE PANELES SOLARES, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................. 76 FIGURA 69 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA A. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 76 FIGURA 70 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA B. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 77 FIGURA 71 THD EN PORCENTAJE DE LA SALIDA DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA C. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 77 FIGURA 72 FUENTE EXTERNA INTEGRADA A LA MICRORRED ARTICULADA. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 78 FIGURA 73 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA A, ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 78 FIGURA 74 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA B, ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 79 FIGURA 75 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA RESISTIVA AC, LÍNEA C, ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 79 FIGURA 76 THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA A. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 79 FIGURA 77 THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA B. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 80 FIGURA 78 THD EN PORCENTAJE DEL TRANSFORMADOR AC/DC, LÍNEA C. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 80 FIGURA 79 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA A. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 80 FIGURA 80 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA B. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 81. 8.

(9) FIGURA 81 THD EN PORCENTAJE DE LA CARGA NO LINEAL, LÍNEA C. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 81 FIGURA 82 THD EN PORCENTAJE DE LA RED EXTERNA, LÍNEA A. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA]. ......................................................... 81 FIGURA 83 THD EN PORCENTAJE DE LA RED EXTERNA, LÍNEA B. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA]. ......................................................... 82 FIGURA 84 THD EN PORCENTAJE DE LA RED EXTERNA, LÍNEA C. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA]. ......................................................... 82 FIGURA 85 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DEL PANEL SOLAR, LÍNEA A. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................ 82 FIGURA 86 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DEL PANEL SOLAR, LÍNEA B. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA]. ............................... 83 FIGURA 87 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DEL PANEL SOLAR, LÍNEA C. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA]. ............................... 83 FIGURA 88 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA A. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 83 FIGURA 89 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA B. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 84 FIGURA 90 THD EN PORCENTAJE DEL ARREGLO DE BATERÍAS, LÍNEA C. ASOCIADA A UNA FUENTE DE GENERACIÓN ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA].......................................... 84 FIGURA 91 MÓDULO DE LA RED EXTERNA Y EL TRANSFORMADOR UNO A UNO EN DIGSILENT. [ELABORACIÓN PROPIA]. ........................................................................................... 85 FIGURA 92 CONFIGURACIÓN DE LA RED EXTERNA COMO BUS SLACK (SL). [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 86 FIGURA 93 PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR UNO A UNO EN DIGSILENT. [ELABORACIÓN PROPIA]. .................................................................................................................. 86 FIGURA 94 BLOQUE DEL ARREGLO DE BATERÍAS EN DIGSILENT. [ELABORACIÓN PROPIA]. ........................... 87 FIGURA 95 PARÁMETROS DEL ARREGLO DE BATERÍAS EN DIGSILENT. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 87 FIGURA 96 BLOQUE CORRESPONDIENTE AL SISTEMA FOTOVOLTAICO EN DIGSILENT. [ELABORACIÓN PROPIA].. ................................................................................................................. 88 FIGURA 97 CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. [ELABORACIÓN PROPIA]. .................................................................................................................. 88 FIGURA 98 PARÁMETROS GENERALES DE LAS CARGAS PURAMENTE RESISTIVAS. [ELABORACIÓN PROPIA]. .................................................................................................................. 89 FIGURA 99 BLOQUE DE CARGAS DC CONECTADAS AL BUS DC DESPUÉS DEL CIRCUITO RECTIFICADOR. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................... 90 FIGURA 100 PARÁMETROS DEL MOTOR DC. [ELABORACIÓN PROPIA]. ........................................ 90 FIGURA 101 CARGAS RESISTIVAS EN AC CONECTADAS AL BUS PRINCIPAL DE INTERCONEXIÓN. [ELABORACIÓN PROPIA]. ............................................................................... 91 FIGURA 102 BLOQUE RECTIFICADOR AC-DC. [ELABORACIÓN PROPIA]. ...................................... 91 FIGURA 103 SIMULACIÓN DEL CASO DE ESTUDIO 1, FLUJO DE POTENCIA. [ELABORACIÓN PROPIA]. ................................................................................................................................................. 92 FIGURA 104 CONFIGURACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LA FUENTE ADICIONAL. [ELABORACIÓN PROPIA] ................................................................................................................... 93 FIGURA 105 SIMULACIÓN DEL ESTUDIO DE CASO 2, FLUJO DE POTENCIA. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 93. 9.

(10) INDICE DE TABLAS TABLA 1 TERMINOLOGÍA RECOMENDADA POR LA IEEE. OBTENIDA DE [20].............................. 32 TABLA 2. CARACTERÍSTICAS DE LA RED EXTERNA [TOMADO A PARTIR DE ESTÁNDAR COLOMBIANO]. .................................................................................................................................... 43 TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR 1:1 [DATOS TOMADOS DIRECTAMENTE DEL DISPOSITIVO]............................................................................................................................... 45 TABLA 4. CARACTERÍSTICAS DE UNA BATERÍA FL FULIBATTERY [27]. ....................................... 46 TABLA 5. CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS (TOMADO DE [26]). .......... 48 TABLA 6. CARACTERÍSTICAS DEL MICRO INVERSOR (TOMADO DE [28]). .................................... 50 TABLA 7 CARACTERÍSTICAS MULTIGATE ............................................................................................ 51 TABLA 8 CONSUMO DE POTENCIA DE ALGUNAS CARGAS QUE PUEDEN ENCONTRARSE EN UNA RED DOMÉSTICA TÍPICA.......................................................................................................... 56 TABLA 9. CLASIFICACIÓN DE LAS CARGAS CON ALGUNOS EJEMPLOS. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 66 TABLA 10 PROMEDIOS DE THD, POR CADA ELEMENTO DEL SISTEMA. [ELABORACIÓN PROPIA].................................................................................................................................................. 94 TABLA 11 PROMEDIOS PORCENTUALES DE MAGNITUDES DE ESPECTRO. [ELABORACIÓN PROPIA] .................................................................................................................................................. 95. 10.

(11) 1. Introducción: Vivimos en un mundo cada vez más consciente de la importancia que tiene la conservación de los recursos naturales de los que dispone. Hemos empezado a optar por formas alternativas de llevar a cabo todas las actividades económicas que hacen parte del desarrollo de las naciones, dejando atrás los viejos modelos lineales basados en la producción y el consumo, para pasar a otros modelos que tengan como fundamento el uso sostenible de los recursos. La generación de energía eléctrica es un determinante a la hora de medir el desarrollo de una nación. Esto es debido a que una mayor productividad implica la necesidad de generar más energía con el fin de suplir las necesidades de consumo. Es por ello que con una población que crece, también aumenta la demanda energética. En el caso colombiano la generación de energía eléctrica, según los datos de la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética), en el Informe mensual de variables de generación y del mercado eléctrico colombiano- diciembre de 2016 [1], se hace mediante el funcionamiento de plantas hidroeléctricas (69,93%), plantas térmicas a gas (12,61%), plantas térmicas a carbón (8,17%), combustibles líquidos (6,74%), generadores eólicos (0,11) , biomasa (0,01%), Jet-A1 (0,28%), mezcla gas – Jet-A1 (1,59%) y Bagazo (0,55%) (Ver la figura 1 y 2). Basados en estos datos se puede evidenciar que el uso de fuentes de energía renovable (con excepción de las hidroeléctricas) no es común. Las hidroeléctricas son las fuentes principales de abastecimiento a nivel nacional. A pesar de que durante mucho tiempo se ha hablado de las hidroeléctricas como alternativas amigables con el medio ambiente, la evidencia parece apuntar a que no es así del todo. La construcción de centrales hidroeléctricas conlleva varios efectos en el área donde se ubica la obra civil, que, a largo plazo, pueden generar consecuencias perjudiciales para el medio ambiente y la calidad de vida de las comunidades circundantes. El segundo grupo importante de fuentes de energía en el país es el de los combustibles fósiles, los cuales se aprovechan a través de la quema en centrales térmicas. Estas fuentes de energía generan gran cantidad de partículas de desecho y gases de efecto invernadero. Las centrales hidroeléctricas y las térmicas suman aproximadamente el 90% de la generación total del país [1], por lo que podemos decir que en Colombia no se ha aprovechado el enorme potencial que se tiene en materia energética basada en fuentes de energía renovable (a parte del caso de las centrales hidroeléctricas). Colombia, al estar situada en la región ecuatorial, recibe incidencia solar importante durante todo el año, tiene vientos con velocidades favorables en muchas zonas, especialmente en las costeras y posee un potencial agrícola capaz de mantener sistemas basados en el uso de biomasa en grandes cantidades. Colombia tiene los recursos para desarrollar diferentes propuestas que busquen hacer de las fuentes de energía renovable una alternativa significativa frente a los métodos tradicionales que se han usado para llevar electricidad a la población, sin embargo, las tecnologías que usan dichas fuentes como suministro para la generación de energía eléctrica no han penetrado aún de manera significativa en el mercado del país, debido principalmente a su alto costo frente a su baja eficiencia, y a la ignorancia de la población acerca del tema. A pesar de lo dicho anteriormente, vale la pena hacer un análisis más profundo de las ventajas que podría traer cambiar el paradigma que se ha estado llevando hasta ahora. La alternativa propuesta es la implementación de microrredes; tema que ha sido estudiado (junto con otros que están directamente relacionados), en varias universidades del mundo, nombrando trabajos y experimentos como: Simulación de la microrred de la facultad de ingeniería de la Universidad Distrital FJDC” [2], Metodología para incrementar los ciclos de uso de un banco de baterías de plomo-ácido con diferentes tipos de arreglos en paralelo 11.

(12) [3], (realizados por el grupo de investigación LIFAE de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas), Metodología para el análisis técnico de la masificación de sistemas fotovoltaicos como opción de generación distribuida en redes de baja tensión [4] y Modelado, control y simulación de generación fotovoltaica y almacenamiento con baterías [5], entre otros. Las microrredes, cambian por completo el modelo con el que se ha generado y distribuido energía hasta ahora. La idea ya no es generar una gran cantidad de energía concentrada en un solo punto para luego ser distribuida mediante líneas de transmisión hacia sitios remotos; se basa, en cambio, en la autogeneración (priorizando el uso de fuentes de energía renovable) y la interconexión dinámica, construyendo así redes pequeñas capaces de brindar y demandar energía desde y hacia varios puntos. Hay una serie de ventajas y razones por las cuales este modelo resulta conveniente en Colombia. El principal, a nuestro criterio, es la complejidad geográfica que presenta el territorio colombiano. Realizar las obras civiles necesarias para poder distribuir la energía desde las grandes centrales resulta sumamente costoso y dispendioso. Las fallas suelen afectar a muchos usuarios al mismo tiempo y un problema en la central se traduce en catástrofe para el sistema entero. Las microrredes resultan mucho más manejables en áreas de difícil acceso o en donde no hay cobertura de la red convencional (como concluye el estudio de la ONG Energía sin fronteras, titulado Estudio sobre las microrredes y su aplicación a proyectos de electrificación de zonas rurales) [6]. Si un generador falla no resulta ser crítico para toda la red, ya que cada usuario tendría varias fuentes disponibles al mismo tiempo. Adicionalmente se reducen las pérdidas por conductores, ya que no es necesario transportar la energía a regiones remotas debido a que las fuentes suelen estar relativamente cerca de las cargas. Las microrredes pueden tener varias fuentes de energía disponibles para los usuarios según el área en la que se encuentren y los recursos propios de cada zona, así puede haber múltiples topologías y configuraciones. Puede haber casos en donde haya redes pequeñas aisladas de la red convencional y otros en los que se tenga a la red convencional como otra entrada del sistema inteligente, todo dependiendo del contexto.. Figura 1. Participación por tecnología en la matriz eléctrica colombiana. Obtenido de [1].. Las microrredes deben, en la medida de lo posible, monitorear continuamente los parámetros de la energía que circula por ellas (frecuencia, tensión, corriente, factor de potencia, etc.), de tal manera que puedan controlar en tiempo real dichos parámetros con el fin de garantizar la calidad en la 12.

(13) potencia que circula. Junto con las unidades de control y gestión se tienen diferentes tipos de cargas con elementos en su funcionamiento de naturaleza digital. La conmutación de alta frecuencia se usa en la electrónica que caracteriza la etapa de potencia de estas cargas digitales con el fin de administrar la energía de la manera más eficiente posible. Circuitos que usan la conmutación de alta frecuencia pueden ser encontrados en todo tipo de cargas que pueden hacer parte de una microrred: vehículos eléctricos, convertidores DC-DC, inversores, dispositivos electrónicos de toda índole, etc. Adicionalmente a la conmutación, se tiene que durante el funcionamiento de una microrred se presentan continuas conexiones y desconexiones de fuentes y cargas debido a la naturaleza dinámica del concepto de microrred. Dependiendo de las acciones de control se interrumpen los flujos desde y hacia diferentes zonas, de tal manera que se debe tener en cuenta los picos de tensión y de corriente, las respuestas estacionarias y el ruido que se pueda presentar.. Figura 2 Participación por tecnología en la matriz eléctrica colombiana. Obtenido de [1]. Basados en lo que se ha dicho hasta aquí, se plantea este trabajo de grado como apoyo a los demás estudios que buscan hacer viable la implementación de las microrredes en Colombia y su interconexión con la red eléctrica convencional existente; focalizándolo en la posibilidad de encontrar distorsión armónica de alta frecuencia como consecuencia de la naturaleza misma de la microrred y de sus componentes. Se hace la hipótesis de que ligados a la presencia de distorsión armónica, puede haber comportamientos y efectos no deseados en el sistema, tales como calentamiento de los conductores, efectos en el flujo de potencia, degradación acelerada de los componentes de los circuitos, etc.. 13.

(14) 2. Planteamiento del problema: Existen muchos factores diferentes que influyen en la calidad de la potencia, demasiados para poder ser abordados en un único estudio. Es por esta razón que decidimos enfocarnos sólo en una parte de toda esa gama de factores: la distorsión armónica. La distorsión armónica está ampliamente estudiada para frecuencias “bajas” (hasta el armónico 21), sin embargo, no se ha hablado mucho del tema en frecuencias mayores. La razón por la cual se evita estudiar un rango de frecuencia tan alto en un problema de potencia, es que en los diferentes estudios que existen se observa una disminución de la amplitud, y por lo tanto del aporte a la distorsión, de los armónicos a medida que se aumenta la frecuencia. A la altura del armónico 21 el aporte a la distorsión se vuelve bastante bajo, tanto así que se tiende a descartar a partir de esta frecuencia cualquier efecto que pueda brindar un armónico superior. Entonces ¿por qué decidimos estudiar un rango de frecuencias en el que aparentemente no pasa nada? La primera razón radica en el contexto en el que se han realizado la mayor parte de los estudios hasta el momento, todos con cargas que en su mayoría no hacen uso de fuentes conmutadas para alimentarse, sin los circuitos de eficiencia energética que caracterizan a las cargas modernas. Los circuitos que se usan en la actualidad en todo tipo de cargas (en especial las que tienen controles e interfaces digitales), usan conmutación en alta frecuencia (superior a 1KHz) en su etapa de potencia, teniendo así la capacidad de inyectar armónicos de alta frecuencia a la red. Estos armónicos, que se presentan como consecuencia de la conmutación, pueden traer efectos no deseables a los componentes de la red, influyendo en los parámetros que se toman en cuenta cuando se estudia la calidad de la potencia. Las microrredes deben basar su implementación a futuro en los controles inteligentes, los cuales administran la energía de tal manera que se tenga el sistema más eficiente posible. Al estar basado este control futuro en sistemas digitales, se tienen componentes que son potencialmente generadores de armónicos de alta frecuencia por todas partes, por lo que su aporte se vuelve mucho más considerable que en una red que no posee este tipo de controles. Otra posible causa importante de distorsión armónica puede asociarse a la continua conexión y desconexión de fuentes y cargas debido a las acciones de control. Con la conexión y desconexión de circuitos se tienen periodos estacionarios, interrupciones de flujo, picos de tensión y de corriente, entre otros. Resulta importante realizar estudios de armónicos de alta frecuencias en señales de potencia debido al gran avance que ha tenido la tecnología de comunicaciones a través de las líneas de potencia. Para estos nuevos sistemas se tiene una única línea por la cual circulan de manera simultánea la señal de comunicaciones y la señal de potencia, ahorrando así la necesidad de tener cableado independiente para ambas necesidades. Resulta evidente entonces, que al presentarse distorsión armónica de alta frecuencia en este tipo de sistemas, se tendría una hipotética interferencia entre las señales de comunicaciones que circulan por la red (que por lo general poseen alta frecuencia también) y los armónicos generados por los componentes de la red que los inyectan [7]. En base a lo anterior, podemos decir que podrían presentarse efectos de interés en altas frecuencias en términos de distorsión armónica, y que debido a esto es importante indagar en busca de los mismos. El objetivo que nos planteamos entonces para este estudio es encontrar y analizar estos efectos. Se requiere verificar la existencia de los armónicos de alta frecuencia en la señal de corriente en un sistema que emula a una microrred (aislada o interconectada con la red eléctrica convencional). Nos concentraremos en el THD y los flujos de potencia para constatar los posibles 14.

(15) problemas que puedan traer estos armónicos. Las herramientas elegidas para llevar a cabo el estudio son las simulaciones y las mediciones en estudios de caso con una red que emula a una microrred real. Al final se determinará si existe el fenómeno que aquí describimos, si afecta los parámetros de calidad de potencia elegidos y cómo puede ser modelado matemáticamente en caso de que exista.. 15.

(16) 2.1 Objetivos 2.1.1 General: . Analizar el fenómeno de distorsión armónica en el rango de frecuencias comprendido entre 1KHz y 100KHz en la señal de corriente, que se pueda generar debido a la conexión e interacción de cargas y generadores en una microrred (aislada o conectada a la red eléctrica convencional).. 2.1.2 Específicos: .  . Estudiar los efectos de la distorsión armónica en alta frecuencia en las señales de corriente y su repercusión en la calidad de potencia cuando se conectan dispositivos que usan tecnologías relacionadas a la construcción de microrredes, tales como iluminación LED, baterías para vehículos eléctricos, generadores fotovoltaicos, entre otros. Proponer un modelo matemático que describa la problemática encontrada en caso de que se determine que es necesario. Encontrar la solución a la problemática a través del modelo matemático (en caso de que lo haya), analizar los resultados obtenidos y concluir.. 2.2 Alcances y limitaciones 2.2.1 Alcances:  Se hará énfasis en la distorsión armónica en la señal de corriente, y de ella se observará y analizará el efecto que tienen los armónicos de alta frecuencia, entendiendo que por alta frecuencia definimos el rango que va de 1KHz hasta 100KHz.. 2.2.2 Limitaciones:  . . El análisis se hará en el marco de los parámetros de distorsión armónica y flujo de potencia únicamente. Las frecuencias menores a 1KHz y las mayores a 100KHz no serán tomadas en cuenta para el análisis, debido a que las frecuencias menores a este rango ya se han estudiado ampliamente (desde la frecuencia fundamental hasta el armónico 21), y las mayores exceden las capacidades de los instrumentos de medición. El estudio de caso sólo aplica para una red doméstica, por lo tanto, no se asegura que sus resultados sean extrapolables a redes industriales o comerciales.. 16.

(17) 3. Generalidades: En esta sección del documento se definen y exponen los conceptos en los cuales se basa el estudio planteado. Se abordan los temas desde la perspectiva de la microrred, sus componentes típicos, comportamientos y características generales; así como aquellos que permiten llevar a cabo las mediciones y análisis, tales como la distorsión armónica, flujos de potencia, clasificación de los tipos de cargas y fuentes, entre otros.. 3.1 Microrred: Una microrred, es un sistema de baja tensión que se compone de recursos energéticos distribuidos (DER por sus siglas en inglés), unidades de almacenamiento energético y cargas flexibles. Puede ser autónoma (independiente a la red eléctrica) o no autónoma (interconectada con la red) dependiendo de los requerimientos específicos de cada sistema. Una microrred debe ser capaz de administrar sus recursos energéticos de la manera más eficiente posible, lo que se traduce en controles digitales que actúen en función de los factores que definen el correcto funcionamiento en un instante dado (nivel de tensión, frecuencia, factor de potencia, etc.). La característica principal de una microrred radica en su capacidad de autoabastecerse, aun cuando pueda estar interconectada a la red de distribución. La electrónica de potencia juega un papel fundamental en el concepto de microrred, ya que hace posible administrar y analizar las diferentes fuentes y cargas que hacen parte de la misma, priorizando la eficiencia energética [2]. El concepto de microrred, se enfoca en el suministro local de energía eléctrica a ciertas cargas cercanas, por lo tanto, los modelos que no tienen en cuenta la ubicación física de la generación y las cargas, no son microrredes. [8]. El funcionamiento de una microrred es, en esencia, el mismo de cualquier red de distribución de energía. El concepto se mantiene en cuanto a asegurar el flujo de energía desde las fuentes de generación hacia las cargas. La diferencia, en términos de funcionamiento, entre una microrred y una red de distribución de energía tradicional, radica en la forma como se administran los recursos energéticos disponibles y se garantiza la calidad de la potencia que circula dentro de la red. Los recursos energéticos no se limitan únicamente a la energía que pueda suministrar la red, diversificando así la oferta, mediante el aprovechamiento de fuentes de energía alternativas a la red (mejor si son fuentes de energía renovable). El factor que determina las acciones que debe llevar a cabo la microrred (tales como conexión y desconexión de cargas y generadores, fijación de niveles de tensión, corriente y frecuencia, corrección de factor de potencia, etc.) es la calidad de la potencia; se hace evidente entonces la necesidad de implementar controles digitales que sean capaces de medirla en tiempo real. Estos controles deben activar mecanismos determinados en función de las mediciones que realizan, buscando siempre garantizar la disponibilidad de energía y su calidad [2]. Una característica importante en el funcionamiento de una microrred es el comportamiento que debe adoptar cuando se detecte baja calidad de potencia procedente de una o varias fuentes específicas. En el caso en el que la calidad de potencia proveniente de la red externa sea inaceptable para los estándares fijados, se debe abrir el circuito que conecta con la red, con lo cual se debe garantizar el flujo de potencia desde las demás fuentes hacia la isla que ha quedado sin suministro energético, garantizando los niveles de tensión, frecuencia, y en general, de calidad de la energía suministrada por estas fuentes. Una vez que se han medido nuevamente condiciones de calidad favorables por parte de la red, se cierra el circuito, siendo en este punto de vital importancia la sincronización entre la señal proveniente de la red y la que se ha usado para alimentar las cargas que habían quedado aisladas de la misma. Para garantizar la sincronización y evitar así al máximo cualquier perjuicio en todos los elementos implicados en la microrred, se deben tener, en la medida de lo posible, equipos de medida en los puntos necesarios para llevar cabo las acciones de control 17.

(18) pertinentes en pos de brindar los niveles adecuados en cada factor (tensión, frecuencia, armónicos, etc.). Lo mismo sucede cuando se debe abrir el circuito debido a mediciones que determinen baja calidad de potencia en la energía suministrada por otras fuentes que no sean la red externa [2]. Implementar microrredes trae una serie de ventajas: independencia relativa o total de la red convencional, mayor ahorro de energía, mayor calidad de la potencia, aumento de la eficiencia en términos de trasporte debido a la proximidad de las cargas y los generadores entre sí, amigabilidad con el medio ambiente debido al uso de generadores que usan energías renovables, entre otros. Así mismo se presentan algunas desventajas, como la dependencia a elementos de almacenamiento (como baterías), el alto costo inicial, la falta de normatividad y experiencia en Colombia, entre otras [2].. 3.2 Fuentes de energía: Las fuentes de energía de las que puede disponer una microrred se dividen en dos grandes grupos: el de las energías de origen renovable y el de las energías de origen no renovable. En el primer grupo se encuentran todas las fuentes de energía que se regeneran de manera natural (o que se encuentran de manera abundante a muy largo plazo), tal es el caso de la radiación solar, la energía de las mareas, la energía del viento (eólica) etc. El segundo grupo se compone de aquellas fuentes de energía cuya existencia está limitada en el tiempo y no pueden regenerarse de manera natural, tal como sucede con el petróleo, el carbón y los isotopos radiactivos [2].. Figura 3 Clasificación de las fuentes de energía que puede usar una microrred. [Elaboración propia]. 18.

(19) 3.3 Cargas: A los receptores finales del proceso de generación y distribución de energía se les denomina “cargas”. Las cargas son todos los equipos o dispositivos que hacen uso de la energía eléctrica para funcionar, consumiendo así la potencia que ha sido generada para tal fin. Las cargas presentan diferentes naturalezas, afectando de formas distintas el comportamiento y la calidad de la energía que circula por la red; así mismo, las redes que componen, pueden clasificarse en función del tipo de cargas que posean y la cantidad de energía que consumen. Para nuestro caso concreto resulta conveniente clasificar a las redes en tres grupos que poseen cargas y niveles de tensión representativos: redes industriales, redes comerciales y redes domésticas. La cantidad de energía que consume una red industrial en promedio es mayor que la que consume una red comercial, y esta, a su vez, consume más energía que una red doméstica [9]. Para el caso específico que se estudia en este documento se hace uso de una red doméstica, lo que se traduce en la necesidad de analizar todas las características y factores que para efectos de esta investigación, la definen; especialmente en términos de las cargas típicas que suele poseer. Una red doméstica se caracteriza por funcionar con bajas tensiones (entre 100V y 300V), poseer un comportamiento mayoritariamente resistivo y tener un factor de potencia cercano a 1, no obstante, se presenta también consumo de potencia reactiva (en pequeña medida debido a las cargas cuyo funcionamiento depende de elementos de naturaleza inductiva), e inyección de armónicos por parte de las denominadas “cargas no lineales” [9] [10]. Al ser nuestro caso el de una red doméstica moderna, se encuentran cargas de naturaleza diversa. Las cargas típicas que siempre han definido a una red doméstica son mayoritariamente resistivas (como aquellas que se usan para generar calor mediante efecto Joule), junto con algunas que poseen comportamiento inductivo (aquellas que usan motores en su funcionamiento). Con el uso creciente de sistemas electrónicos en todos los tipos de redes, se ha incrementado la relevancia del comportamiento no lineal que estos poseen. Es así como las redes domésticas han presentado también un incremento de cargas no lineales. Resulta entonces necesario definir el concepto de linealidad y cómo, en base a este, se clasifican las cargas en lineales y no lineales [11].. 3.3.1 Linealidad: Se dice que un sistema es lineal cuando cumple el principio de superposición. El principio de superposición se compone, así mismo, de dos propiedades: la propiedad aditiva y la propiedad de homogeneidad. La propiedad aditiva sostiene que la salida que resulta del efecto aplicado por el sistema lineal a la suma de las entradas es igual a la suma de las salidas individuales de las entradas, así: ( Donde. y. ). ( ). ( ). ( ). son las entradas del sistema.. La propiedad de homogeneidad establece la proporcionalidad de la salida de un sistema lineal respecto a su entrada, es decir, para un factor multiplicativo escalar en la entrada se tiene el mismo factor multiplicativo en la salida del sistema: ( Donde. ). es el factor multiplicativo escalar y. ( ). ( ). es la entrada del sistema.. Los sistemas lineales facilitan considerablemente los análisis debido al principio de superposición. A través de su uso se pueden descomponer sistemas complejos con múltiples entradas en unidades 19.

(20) de análisis más pequeñas que al final se estudian en conjunto. Un ejemplo típico es el de un circuito de corriente alterna con varias fuentes simultáneas a diferentes frecuencias, las cuales alimentan cargas inductivas, resistivas y capacitivas. Debido a la naturaleza lineal de las cargas, es posible estudiar el efecto que tiene cada una de las fuentes por separado para sumarlas al final, obteniendo así el comportamiento global del circuito [12].. 3.3.2 Cargas lineales: Todas las cargas que cumplen con el principio de superposición que describimos en el apartado anterior son consideradas cargas lineales. Relacionando el concepto de linealidad con el contexto eléctrico tenemos varios comportamientos físicos que pueden ser considerados idealmente lineales. Las cargas que poseen únicamente elementos resistivos, inductivos y capacitivos funcionan de manera lineal; esto puede observarse en las ecuaciones diferenciales de cada uno de estos fenómenos. En un circuito puramente resistivo con un factor de potencia 1, la corriente está en fase con el voltaje. En un circuito predominantemente inductivo, con un factor de potencia menor a 1, (típicamente entre 0.8 y 0.95) la corriente está en retraso en algún ángulo de fase con el respecto al voltaje (Ver figura 4). En un circuito predominantemente capacitivo, con un factor de potencia mayor a 1, la corriente está en adelanto en algún ángulo de fase con respecto al voltaje (Ver figura 5). En cualquiera de estos tres tipos de circuitos, la magnitud de la corriente es siempre proporcional a la magnitud del voltaje y además para un voltaje sinusoidal la corriente también es sinusoidal [13].. Figura 4 Corriente (en rojo), en atraso respecto a la tensión (en azul), debido a una carga de naturaleza inductiva. [Elaboración propia]. Figura 5 Corriente (en rojo), en adelanto respecto a la tensión (en azul), debido a una carga de naturaleza capacitiva. [Elaboración propia]. 20.

(21) Hasta cierto punto en la historia sólo se analizaban los efectos que las cargas lineales tenían en las redes y los circuitos, centrándose en la relación entre los diferentes tipos de potencia. Los motores resultaban ser las cargas más críticas, especialmente en redes industriales, debido a la caída del factor de potencia que ocasionaban por su naturaleza inductiva [13]. Con el auge de la electrónica y los circuitos digitales aparecen las topologías que usan la conmutación, entre otras herramientas, para manipular las señales y la energía según convenga en cada aplicación específica, naciendo así el grupo de las cargas no lineales [14].. 3.3.3 Cargas no lineales: Los dispositivos electrónicos modernos usan elementos semiconductores como herramientas que les permiten manipular de muchas maneras las señales eléctricas. Esta manipulación genera otras relaciones distintas a las tradicionales (resistiva, capacitiva, inductiva), entre la señal de corriente y la señal de tensión. Los conmutadores, los rectificadores de media onda y de onda completa, los disparadores, entre otros, cambian la forma de onda de la tensión y de la corriente obedeciendo un comportamiento no lineal [10]. Debido a la pérdida de la forma sinusoidal de la señal, se dice que esta se ha “distorsionado”, y esta distorsión se debe a la inyección de armónicos a la señal de entrada que hace las veces de fundamental (ver figura 6). En el apartado 3.4 se ahonda más en el fenómeno de distorsión armónica.. Figura 6 Señal distorsionada (en rojo), respecto a la fundamental (en azul). [Elaboración propia]. Las cargas “modernas” poseen sistemas digitales para múltiples propósitos. Estos sistemas requieren fuentes reguladas para trabajar correctamente, usando así dispositivos semiconductores en su funcionamiento. Las microrredes, a su vez, requieren varios sistemas de conversión energética, tales como convertidores DC-DC e inversores en su estructura debido a la presencia de fuentes de energía de diferente naturaleza. Estos sistemas de conversión hacen uso de la conmutación como estrategia principal de funcionamiento [14]. Todos estos sistemas poseen comportamientos no lineales, haciéndose evidente el incremento de este tipo de cargas en las redes modernas, de manera aún más significativa en las microrredes.. 21.

(22) 3.4 Distorsión armónica: La distorsión armónica es un fenómeno que tiene lugar en los sistemas eléctricos en los cuales intervienen dispositivos de naturaleza no lineal. Se presenta debido a las alteraciones sufridas por la señal que circula por el circuito, causadas por el efecto de distintos componentes presentes en la electrónica de los mismos. Al haber introducido artefactos que tienen comportamientos no lineales a los sistemas electrónicos, se tienen deformaciones en las señales de tensión y de corriente, perdiendo así su forma sinusoidal pura. Esta pérdida de forma trae efectos negativos a los componentes que hacen parte de la red, los cuales han sido diseñados para trabajar a partir de señales sinusoidales puras. La deformación de la señal puede ser estudiada desde la perspectiva del análisis de Fourier mediante la descomposición en series de Fourier [15]. Según la teoría de Fourier se puede descomponer una señal periódica en una serie de la forma: ( ) En donde. ,. y. ∑. ( ). se denominan coeficientes de Fourier y se calculan: ∫. ( ). ( ). ∫. ( ). (. ). ( ). ∫. ( ). (. ). ( ). La ecuación (3) expresa la convergencia de una función periódica a la denominada serie de Fourier. La serie de Fourier depende de la frecuencia angular , la variable real de tiempo y el número que corresponde a cada término de la sucesión hasta el infinito. Cada término de la serie representa un “armónico”, y la suma total de esos armónicos, junto con el nivel DC, converge a la señal original (ver la figura 7). El término asociado al coeficiente corresponde al nivel DC de la señal, y corresponden a la componente que posee la frecuencia fundamental de la señal, y corresponden a la componente que contiene la frecuencia del segundo armónico, y corresponden a la del tercer armónico y así sucesivamente. A partir de este análisis observamos que una señal periódica puede ser estudiada como la suma de una señal de naturaleza sinusoidal con una frecuencia fundamental, junto con un conjunto de armónicos que dependen de esta frecuencia fundamental. Es el número el que define la relación entre la frecuencia fundamental y sus armónicos, de tal manera que cada uno de ellos resulta ser un múltiplo entero de dicha fundamental. El análisis de Fourier resulta ser entonces la base conceptual sobre la que se construye el concepto de distorsión armónica [16]. La señal que circula por las redes de distribución convencionales es de naturaleza alterna (AC), con forma de onda sinusoidal pura (de manera ideal) y con frecuencia y nivel de tensión dependiente de la legislación de cada país en cuestión. Cuando se presentan alteraciones en la forma de onda sinusoidal, decimos que hay distorsión armónica, o lo que es lo mismo, que se han sumado. 22.

(23) armónicos a la señal original (la fundamental), generando formas de onda diferentes a la señal inicial.. Figura 7. Señal rampa con diferentes valores de n en la serie de Fourier. [Elaboración propia]. Entre las consecuencias de la distorsión armónica que se han podido identificar, se destacan el mal funcionamiento de los dispositivos que usan la señal de tensión como referencia para accionar o controlar sistemas internos, interferencias debidas a los campos magnéticos generados que inducen corrientes en líneas y dispositivos próximos, circulación de corrientes armónicas por el neutro de los sistemas trifásicos generando descompensaciones y desniveles de tensión, entre otros [15].. 3.3.1 Distorsión armónica total (THD): Una vez definido el concepto de distorsión armónica se brindan las herramientas necesarias para poder identificar y medir el fenómeno en un ambiente experimental real. Uno de los índices más utilizados a la hora de medir la distorsión armónica en las señales de potencia es la distorsión armónica total THD (Total Harmonic Distortion) por sus siglas en inglés; concepto que resulta aplicable tanto para la señal de corriente como para la señal de tensión. El THD describe qué tan deformada está una señal respecto a su componente fundamental a través de un valor cuantitativo, resultando útil para comparar diferentes niveles de distorsión. Este índice se define como la relación entre la raíz del total de la suma de todos los valores eficaces de las componentes armónicas y el valor eficaz correspondiente a la componente fundamental: √∑ √∑. ( ) ( ). 23.

(24) Donde (7) corresponde al THD de tensión y (8) al de corriente. El valor k corresponde a el número de armónico (siendo el valor correspondiente a la fundamental, el valor correspondiente al segundo armónico y así sucesivamente). El THD de tensión y el THD de corriente están relacionados con la potencia activa que disipa una carga resistiva pura mediante las ecuaciones: ( (. ). ( ). ). (. ). Donde es la potencia activa de la componente fundamental y armónicos [15].. es la potencia activa de todos los. 3.5 Potencia: La potencia es un concepto fundamental en el problema que aborda esta investigación. Se define como la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo, lo cual se entiende desde el punto de vista de los fenómenos eléctricos como la cantidad de energía entregada o recibida por un elemento en una unidad de tiempo determinada. Es a partir de este concepto, y de la forma como entendemos la manera como se evalúa su calidad, que se realizan todas las hipótesis, simulaciones y pruebas experimentales en este estudio. Para los fenómenos eléctricos se tienen distintos tipos de potencia, así como distintos conceptos ligados a ella cuando se hace un análisis más profundo [17].. 3.5.1 Potencia activa, reactiva y aparente: Cuando se está trabajando con señales AC sinusoidales, se tienen principalmente tres tipos diferentes de potencia: la potencia aparente, la potencia activa y la potencia reactiva. La potencia real o activa es aquella que se traduce como trabajo o calor. Es la potencia que interviene en las transformaciones energéticas, es decir, que puede convertirse en otros tipos de energía, tales como energía mecánica, química, lumínica, etc. Es este tipo de potencia la que define las tarifas y los costos de generar energía para consumo. Se mide en vatios (w) y se puede definir en el contexto de la energía AC en función del triángulo de potencias (ver figura 8), según la ecuación: (. ). Donde corresponde al valor rms de la tensión, corresponde al valor rms de la corriente y φ corresponde al ángulo de desfase entre la señal de tensión y la señal de corriente. La potencia activa se relaciona directamente con la componente real de la impedancia, lo que significa que se asocia a los componentes resistivos del circuito, por lo cual se puede expresar como: (. ). (. ). 24.

(25) Donde sigue siendo el valor rms de la tensión, componente resistiva de la impedancia [15].. el valor rms de la corriente y. el valor de la. La potencia reactiva es aquella que se asocia a la generación de campos eléctricos y magnéticos por parte de los componentes inductivos y capacitivos de un circuito. Es esta clase de potencia la que describe la cantidad de energía que usan estos componentes para generar los campos que caracterizan su funcionamiento, sin embargo, resulta ser inoficiosa en términos de trabajo real, es decir, que no se traduce en energía efectiva. Se mide en voltamperios reactivos (VAR) y puede definirse a partir del triángulo de potencias (ver figura 8) como: (. ). Donde corresponde al valor rms de la tensión, corresponde al valor rms de la corriente y φ al ángulo de desfase entre la señal de tensión y la de corriente [17]. La potencia reactiva está asociada con la componente imaginaria de la impedancia, es decir, con los componentes inductivos y capacitivos del circuito. Por convención se asume signo positivo cuando el circuito es de naturaleza inductiva y negativo cuando es de naturaleza capacitiva, de tal manera que se tiene:. En donde. para inductancias,. (. ). (. ). para capacitancias,. es la frecuencia angular,. definida como (lo que hace evidente que la reactancia, y la potencia reactiva, son fenómenos ligados directamente a la dependencia de oscilaciones (frecuencia), es decir, a contextos AC), corresponde al valor rms de la corriente y al valor rms de la tensión. La potencia reactiva es un fenómeno que tiende a evitarse debido a los efectos indeseables que trae consigo. A medida que se tiene más potencia reactiva en un circuito que se alimenta con una única fuente de tensión fija, mayor será la amplitud de la señal de corriente que circula por ese circuito, lo que hace necesario aumentar el calibre de los conductores y con ello, los costos. A pesar de tener un valor de amplitud más grande en la señal de corriente, no se tiene más potencia real, es decir que se hace el mismo trabajo con una instalación más cara. De ahí que se quiera mantener a la potencia reactiva lo más cerca posible a cero. Para entender mejor por qué aumenta la señal de corriente cuando aumenta la potencia reactiva es necesario entender el análisis geométrico (ilustrado en el triángulo de potencias) y el concepto de potencia aparente. La potencia aparente es el valor obtenido al hacer la operación tradicional con la que se obtiene el valor de la potencia activa en circuitos DC. Se hace con los valores rms de tensión y corriente: (. ). Este valor no corresponde al de la potencia activa a pesar de obtenerse a partir de la ecuación que brinda dicho valor en circuitos DC, de ahí que se llame “aparente”. La potencia aparente se calcula a partir de dos componentes: la potencia activa y la potencia reactiva (como puede observarse en la figura 8), siendo el resultado de su suma geométrica:. 25.

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Figura  2 Participación por tecnología en la matriz eléctrica colombiana. Obtenido de [1]

Figura 2

Participación por tecnología en la matriz eléctrica colombiana. Obtenido de [1] p.13
Figura  3 Clasificación de las fuentes de energía que puede usar una microrred. [Elaboración propia]

Figura 3

Clasificación de las fuentes de energía que puede usar una microrred. [Elaboración propia] p.18
Figura  33 Escenario de simulación de una red interconectada con cargas domesticas e inyección de armónicos

Figura 33

Escenario de simulación de una red interconectada con cargas domesticas e inyección de armónicos p.58
Figura 38. Módulo y parámetros de las baterías en Simulink. [Elaboración propia]

Figura 38.

Módulo y parámetros de las baterías en Simulink. [Elaboración propia] p.62
Figura  42. Bloque PV, con convertidor DC-DC tipo boost controlado mediante algoritmo MPPT [Elaboración propia].

Figura 42.

Bloque PV, con convertidor DC-DC tipo boost controlado mediante algoritmo MPPT [Elaboración propia]. p.65
Figura  54 THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea A. [Elaboración propia].

Figura 54

THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea A. [Elaboración propia]. p.71
Figura  55THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea B. [Elaboración propia].

Figura 55THD

en porcentaje de la carga resistiva AC, línea B. [Elaboración propia]. p.72
Figura  60 THD en porcentaje de la carga no lineal, línea A. [Elaboración propia]

Figura 60

THD en porcentaje de la carga no lineal, línea A. [Elaboración propia] p.73
Figura  61THD en porcentaje de la carga no lineal, línea B. [Elaboración propia]

Figura 61THD

en porcentaje de la carga no lineal, línea B. [Elaboración propia] p.74
Figura  66 THD en porcentaje de la salida del arreglo de paneles solares, línea A. [Elaboración propia]

Figura 66

THD en porcentaje de la salida del arreglo de paneles solares, línea A. [Elaboración propia] p.75
Figura  67THD en porcentaje de la salida del arreglo de paneles solares, línea B. [Elaboración propia]

Figura 67THD

en porcentaje de la salida del arreglo de paneles solares, línea B. [Elaboración propia] p.76
Figura  69  THD en porcentaje de la salida del arreglo de baterías, línea A. [Elaboración propia]

Figura 69

THD en porcentaje de la salida del arreglo de baterías, línea A. [Elaboración propia] p.76
Figura  70 THD en porcentaje de la salida del arreglo de baterías, línea B. [Elaboración propia]

Figura 70

THD en porcentaje de la salida del arreglo de baterías, línea B. [Elaboración propia] p.77
Figura  73 THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea A, asociada a una fuente de generación adicional

Figura 73

THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea A, asociada a una fuente de generación adicional p.78
Figura  76 THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea A. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 76

THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea A. asociada a una fuente de generación adicional p.79
Figura  75 THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea C, asociada a una fuente de generación adicional

Figura 75

THD en porcentaje de la carga resistiva AC, línea C, asociada a una fuente de generación adicional p.79
Figura  78 THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea C. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 78

THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea C. asociada a una fuente de generación adicional p.80
Figura  79 THD en porcentaje de la carga no lineal, línea A. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 79

THD en porcentaje de la carga no lineal, línea A. asociada a una fuente de generación adicional p.80
Figura  77 THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea B. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 77

THD en porcentaje del transformador AC/DC, línea B. asociada a una fuente de generación adicional p.80
Figura  81 THD en porcentaje de la carga no lineal, línea C. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 81

THD en porcentaje de la carga no lineal, línea C. asociada a una fuente de generación adicional p.81
Figura  82 THD en porcentaje de la red externa, línea A. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 82

THD en porcentaje de la red externa, línea A. asociada a una fuente de generación adicional p.81
Figura  85 THD en porcentaje del arreglo del panel solar, línea A. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 85

THD en porcentaje del arreglo del panel solar, línea A. asociada a una fuente de generación adicional p.82
Figura  84 THD en porcentaje de la red externa, línea C. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 84

THD en porcentaje de la red externa, línea C. asociada a una fuente de generación adicional p.82
Figura  88 THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea A. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 88

THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea A. asociada a una fuente de generación adicional p.83
Figura  87 THD en porcentaje del arreglo del panel solar, línea C. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 87

THD en porcentaje del arreglo del panel solar, línea C. asociada a una fuente de generación adicional p.83
Figura  89 THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea B. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 89

THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea B. asociada a una fuente de generación adicional p.84
Figura  90 THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea C. asociada a una fuente de generación adicional

Figura 90

THD en porcentaje del arreglo de baterías, línea C. asociada a una fuente de generación adicional p.84
Figura  91 Módulo de la red externa y el transformador uno a uno en DIgSILENT. [Elaboración propia]

Figura 91

Módulo de la red externa y el transformador uno a uno en DIgSILENT. [Elaboración propia] p.85
Figura  95 Parámetros del arreglo de baterías en DIgSILENT. [Elaboración propia].

Figura 95

Parámetros del arreglo de baterías en DIgSILENT. [Elaboración propia]. p.87
Figura  99 Bloque de cargas DC conectadas al bus DC después del circuito rectificador

Figura 99

Bloque de cargas DC conectadas al bus DC después del circuito rectificador p.90

Referencias

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