Diseño e Implementación de una Microrred en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Sede de Ingeniería

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA MICRORRED EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS SEDE DE INGENIERÍA. ALEXIS IVAN CHAPARRO VARGAS JUAN DAVID LISCANO SEGURA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA (LIFAE) BOGOTÁ D.C. 2017. 1.

(2) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA MICRORRED EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS SEDE DE INGENIERÍA. ALEXIS IVAN CHAPARRO VARGAS Código: 20072007047 JUAN DAVID LISCANO SEGURA Código: 20072007001. Proyecto para optar al título de INGENIERO ELÉCTRICO. Director: Johann Alexander Hernández Mora, Ph. D. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA (LIFAE) BOGOTÁ D.C. 2017. 2.

(3) Johann Alexander Hernández Mora. PhD. Director proyecto de grado. Nota de Aceptación:. Firma del Jurado. Firma del jurado. JUNIO 2017. 3.

(4) Tabla de contenido. Lista de figuras. ............................................................................................................................................................................................ 5 Lista de tablas. .............................................................................................................................................................................................. 7 Resumen. ...................................................................................................................................................................................................... 8 Abstract......................................................................................................................................................................................................... 9 1.. Introducción. ................................................................................................................................................................................... 10 1.1.. 2.. Objetivos. .............................................................................................................................................................................. 12 Fundamento teórico......................................................................................................................................................................... 12. 2.1.. Generación distribuida (GD). ................................................................................................................................................ 12. 2.1.1. 2.2.. Generación distribuida en Colombia. ............................................................................................................................... 13 Generador fotovoltaico (PV). ................................................................................................................................................ 15. 2.2.1.. Sistema fotovoltaico aislado. ........................................................................................................................................... 15. 2.2.2.. Sistema Fotovoltaico conectado a la red. ......................................................................................................................... 16. 2.3.. Generación eólica. ................................................................................................................................................................. 17. 2.3.1.. Energía eléctrica de origen eólico. ................................................................................................................................... 17. 2.4.. Protecciones eléctricas. ......................................................................................................................................................... 17. 2.5.. Modelado BIM. ..................................................................................................................................................................... 18. 2.6.. Microrredes eléctricas. .......................................................................................................................................................... 19. 2.6.1. Componentes de una microrred eléctrica. .................................................................................................................................. 21 2.6.2. Configuración de microrredes eléctricas. .................................................................................................................................. 22 3.. Microrred de la Universidad Distrital. ................................................................................................................................... 24. 3.1. Diseño de la microrred. ............................................................................................................................................................... 24 3.1.1. Diagrama unifilar. ..................................................................................................................................................................... 25 3.2.. Componentes de la microrred. ............................................................................................................................................... 26. 3.2.1. Transformador de aislamiento. .................................................................................................................................................. 26 3.2.2. Tablero del punto de conexión común TPCC. ........................................................................................................................... 27 3.2.3. Generador fotovoltaico. ............................................................................................................................................................. 30 3.2.3.1. Inversor del sistema fotovoltaico. ........................................................................................................................................... 33 3.2.4. Emulador eólico. ....................................................................................................................................................................... 34 3.2.5. Cargas del sistema. .................................................................................................................................................................... 36 3.2.6. Tramos de la Microrred UD. ..................................................................................................................................................... 37 3.2.6.1. Tramos AC. ........................................................................................................................................................................ 37 3.2.6.2. Tramos DC. ........................................................................................................................................................................ 38 3.2.7. Cableado. .................................................................................................................................................................................. 40 3.2.7.1. Selección del conductor. ..................................................................................................................................................... 40 3.2.6.2. Calculo de regulación. ........................................................................................................................................................ 43 3.2.6.3. Selección de canalización. .................................................................................................................................................. 50 3.2.8. Medidores de energía. ............................................................................................................................................................... 51 3.2.9. Banco De Baterías. .................................................................................................................................................................... 53 3.2.10. Protecciones eléctricas. .......................................................................................................................................................... 56 4.

(5) 3.2.10.1. Selección de protecciones................................................................................................................................................. 56 3.2.10.2. Selección del conductor de tierra. ..................................................................................................................................... 62 3.2.10.3. Coordinación de protecciones........................................................................................................................................... 64 4.. Integración de la microrred. ............................................................................................................................................................ 69. 5.. Conclusiones. .................................................................................................................................................................................. 81. Referencias. ................................................................................................................................................................................................ 82 Anexos ........................................................................................................................................................................................................ 85 Anexo A. interruptores automáticos ic60N. ........................................................................................................................................... 85 Anexo B. interruptores automáticos EZC. ............................................................................................................................................. 89 Anexo C. Protección contra sobretensiones. .......................................................................................................................................... 90 Anexo D. Contactores. .......................................................................................................................................................................... 92 Anexo E. Informe Eólico. ...................................................................................................................................................................... 94 Anexo F. Informe Baterías. ................................................................................................................................................................... 95 Anexo G. Informe Carga. ...................................................................................................................................................................... 96 Anexo H. Informe G1. ........................................................................................................................................................................... 97 Anexo I. Informe G2. ............................................................................................................................................................................ 98 Anexo J. informe PV. ............................................................................................................................................................................ 99 Anexo K. Medidor Elster A1100 ......................................................................................................................................................... 101 Anexo L. Medidor Elster Alpha A1800 ............................................................................................................................................... 103 Anexo M. Baterías. .............................................................................................................................................................................. 105. Lista de figuras. FIGURA 1. EQUILIBRIO DE GENERACION Y DEMANDA [3] ________________________________________ FIGURA 2 Esquema de generación distribuida [12] _____________________________________________ FIGURA 3 Diagrama de flujo de energía en la tierra dado en Tera Vatios/año [13] ____________________ FIGURA 4 Esquema de un sistema fotovoltaico aislado típico [15] _________________________________ FIGURA 5 Esquema general de un sistema fotovoltaico conectado a la red __________________________ FIGURA 6 Representación del sistema eléctrico de un parque eólico [20]. ___________________________ Figura 7 Selectividad [21] (a) y filiación (b) en protección en BT ___________________________________ Figura 8 Modelado de un edificio [22] _______________________________________________________ Figura 9 Situación actual de los sistemas de potencia [27] _______________________________________ Figura 10 Esquema básico de una microrred eléctrica [30] _______________________________________ Figura 11 Elementos de una microrred [31] ___________________________________________________ Figura 12Red de distribución de una microrred [33] ____________________________________________ Figura 13 Microrred conectada a la red de distribución [26]. _____________________________________ Figura 14 Esquema de microrred aislada [31] _________________________________________________ Figura 15 Diagrama unifilar microrred UD ____________________________________________________ Figura 16 Transformador de aislamiento microrred UD __________________________________________ Figura 17 Placa del transformador de aislamiento ______________________________________________ 5. 10 13 15 16 16 17 18 19 20 20 21 22 22 23 25 26 27.

(6) Figura 18 diseño del TPCC _________________________________________________________________ Figura 19 TPCC microrred UD ______________________________________________________________ Figura 20 Caja de tierras __________________________________________________________________ Figura 21 Consumo anual para el sistema fotovoltaico[36] _______________________________________ Figura 22 Especificaciones técnicas del módulo fotovoltaico [36] __________________________________ Figura 23 Curva Característica I-V del módulo [36] _____________________________________________ Figura 24 Generador fotovoltaico de la microrred ______________________________________________ Figura 25 Inversor Fotovoltaico _____________________________________________________________ Figura 26 Etapa de Potencia del Emulador Eólico [37] ___________________________________________ Figura 27 Etapa de control del emulador eólico [37] ____________________________________________ Figura 28 Etapa de emulación eólica [37] _____________________________________________________ Figura 29 Esquema general del Emulador Eólico [37] ___________________________________________ Figura 30 G1 y G2 ________________________________________________________________________ Figura 31 Medidor Elster A1100 ____________________________________________________________ Figura 32 Medidor Elster ALPHA A1800 ______________________________________________________ Figura 33 Baterías de la microrred __________________________________________________________ Figura 34 Barraje DC _____________________________________________________________________ Figura 35 protecciones bipolares____________________________________________________________ Figura 36 Protecciones tripolares del TPCC ____________________________________________________ Figura 37 Protección contra sobretensiones ___________________________________________________ Figura 38 Contactores microrred UD _________________________________________________________ Figura 39 Curvas de Protecciones AC en BT y I falla _____________________________________________ Figura 40 Secuencia falla en Banco de Baterías ________________________________________________ Figura 41 Secuencia falla en Panel Fotovoltaico ________________________________________________ Figura 42 Secuencia falla en Generador 1 _____________________________________________________ Figura 43 Secuencia falla en Generador 2 _____________________________________________________ Figura 44 Secuencia falla en Tablero de Carga _________________________________________________ Figura 45 Secuencia falla en Emulador Eólico __________________________________________________ Figura 46 Diagrama Unifilar Modificado _____________________________________________________ Figura 47 vista en planta del LIFAE __________________________________________________________ Figura 48 Vista Sección Este _______________________________________________________________ Figura 49 Vista Sección Este _______________________________________________________________ Figura 50 Vista en Perspectiva _____________________________________________________________ Figura 51 Vista en perspectiva de la microrred construida _______________________________________ Figura 52 Transformador de aislamiento instalado _____________________________________________ Figura 53 energización del transformador. ____________________________________________________ Figura 54 Medición sobre barraje AC ________________________________________________________ Figura 55 Tensiones de línea y fase AC _______________________________________________________ Figura 56 Secuencia de fases _______________________________________________________________ Figura 57 Formas de onda _________________________________________________________________ Figura 58 Tensión DC de una batería. ________________________________________________________ Figura 59 Medición en el barraje DC. ________________________________________________________ Figura 60 Tensión a la salida del generador fotovoltaico. ________________________________________ Figura 61 Tensión de fase AC a la salida del inversor fotovoltaico _________________________________ Figura 62 Tensión de línea AC a la salida del inversor fotovoltaico. ________________________________ 6. 28 29 29 30 32 32 33 33 34 35 35 36 52 53 53 55 56 61 61 61 62 65 66 66 67 67 68 68 70 71 71 72 72 73 73 74 74 75 75 76 76 77 77 78 78.

(7) Figura 63 Medidor del sistema fotovoltaico. __________________________________________________ 79 Figura 64 Tensión de fase y tensión de línea para alimentar G1 ___________________________________ 79 Figura 65 Tensión de fase y tensión de línea para alimentar G2 ___________________________________ 80. Lista de tablas. Tabla 1 Tecnologías, capacidades e interfaz de generaciones distribuidas [8]. _______________________ Tabla 2. Factores que contribuyen al Calentamiento Global [6] ___________________________________ Tabla 3 Desarrollos en fuentes renovables para producción de energía (UPME) [6] ___________________ Tabla 5 Tecnologías de almacenamiento de energía [32] ________________________________________ Tabla 6 características técnicas transformador ________________________________________________ Tabla 7Potencia del generados Fotovoltaico [36]. ______________________________________________ Tabla 8 parámetros de los tramos de la microrred______________________________________________ Tabla 9Corrientes por tramo de la microrred __________________________________________________ Tabla 10 Capacidad de corriente permisible en conductores aislados para 0 a 2 000 V [38] _____________ Tabla 11 Calibre del conductor por tramo ____________________________________________________ Tabla 12 Regulación parcial de los tramos de la microrred _______________________________________ Tabla 13 Regulación total desde el generador PV hasta TP7 ______________________________________ Tabla 14 Regulación total desde el generador PV hasta TCARGAS _________________________________ Tabla 15 Regulación total desde TP/ hasta Baterías ____________________________________________ Tabla 16 Regulación total desde Baterías hasta TCARGAS _______________________________________ Tabla 17 Regulación total desde Inversor G1 hasta TP7 _________________________________________ Tabla 18 Regulación total desde Inversor G1 hasta TCARGAS _____________________________________ Tabla 19 Regulación Total desde Inversor G2 hasta TP7 _________________________________________ Tabla 20 Regulación total desde Inversor G2 hasta TCARGAS _____________________________________ Tabla 21 Regulación total desde TP/ hasta el Emulador Eólico ____________________________________ Tabla 22 Selección de canalización. _________________________________________________________ Tabla 23 características de las baterías ______________________________________________________ Tabla 24 Calculo de impedancia de corto circuito de los tramos de la microrred ______________________ Tabla 25 corrientes de corto circuito en los tramos de la microrred ________________________________ Tabla 26 Protecciones eléctricas de la microrred _______________________________________________ Tabla 27 Calibre mínimo de conductor de puesta a tierra para equipos y canalizaciones [38] ___________ Tabla 28 Conductores de puesta a tierra. _____________________________________________________. 7. 13 13 14 21 26 31 39 41 41 42 44 45 46 46 47 47 48 48 49 49 50 54 58 59 60 63 64.

(8) Resumen.. El presente documento fue elaborado con el objetivo de presentar la puesta en marcha de una microrred eléctrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, comprendiendo la etapa de diseño e implementación de la misma. El proyecto de la microrred de la UD busca integrar varios proyectos presentados en la Universidad, entre ellos el desarrollo de un sistema de generación de energía solar fotovoltaico interconectado a la red eléctrica, un sistema de gestión de la energía, y se encuentra soportado por los datos obtenidos mediante un proyecto de simulación de la microrred. Este proyecto muestra la etapa de implementación teniendo en cuenta parámetros dictados por la normatividad vigente de las instalaciones eléctricas en Colombia, y la disponibilidad de recursos tanto físicos como económicos de la Universidad. La microrred eléctrica diseñada e implementada parte del parámetro de potencia definida por la misma Universidad; la cual es 5kVA. Esta potencia es la máxima que puede entregar y/o recibir de la red de distribución hacia las cargas, o de los generadores de la microrred respectivamente. La fuente principal de generación de la microrred eléctrica es la red de distribución eléctrica del edificio Sabio Caldas de la Facultad de Ingeniería. Por otra parte, se integra un generador fotovoltaico cuya potencia máxima es de 240W y dos prototipos emuladores de carga o generación eléctrica. La microrred consta de un transformador de aislamiento que sirve como interfaz con la red de distribución, grupos de medida que pueden identificar consumos o generaciones según sea el caso, un tablero general usado como punto de conexión común (PCC) que tiene integrado un esquema de protecciones que cumple características de operación definidas según la parte que se desea proteger. Entre estas características están la capacidad de corriente, la capacidad térmica y la bidireccionalidad de ser requerida. Por ultimo están las cargas de la microrred. Este esquema de microrred con subsistemas de generación y consumo, será la base fundamental para estudios posteriores en el tema que realizaran, no solamente los grupos dec LIFAE y GCEM (desarrolladores del proyecto), sino para cualquier investigador de la Facultad o de la Universidad. Adicionalmente tendrá la posibilidad de ampliar la generación y la demanda a futuro, así como la posibilidad de integrar esquemas de control, gestión y/o protección que puedan ser desarrollados como otros proyectos.. 8.

(9) Abstract. The present document was prepared with the purpose of presenting the implementation of an electric micro grid in the District University Francisco José de Caldas, including the design and implementation stage. The project of the micro grid of the UD seeks to integrate several projects presented at the University, including the development of a photovoltaic solar energy system interconnected to the grid, an energy management system, and supported by the Data obtained through a micro grid simulation project. This project shows the implementation stage taking into account parameters dictated by the current regulations of the electrical installations in Colombia, and the availability of both physical and economic resources of the University. The electrical micro grid designed and implemented part of the parameter of power defined by the same University; which is 5kVA. This power is the maximum that can deliver and / or receive the distribution network to the loads, or of the generators of the micro grid respectively The main source of generation of the electrical micro grid is the electrical distribution network of the building Sabio Caldas of the Faculty of Engineering. On the other hand, it integrates a photovoltaic generator whose maximum power is 240W and two prototype emulators of load or electrical generation. The micro grid consists of an isolation transformer that serves as an interface with the distribution network, measuring groups that can identify consumptions or generations as the case may be, a general board used as a common connection point (PCC) that has integrated a scheme of protections that fulfill operating characteristics defined according to the part to be protected. Among these characteristics are current capacity, thermal capacity and bidirectionality to be required. Finally, are the charges of the micro grid. This micro-grid scheme with subsystems of generation and consumption, will be the fundamental basis for later studies in the subject that will be done, not only the LIFAE and GCEM investigation groups (project developers), but for any researcher in the Faculty or University. In addition, it will have the possibility of expanding future generation and demand, as well as the possibility of integrating control, management and / or protection schemes that can be developed like other projects.. 9.

(10) 1. Introducción. En los últimos años se ha dado un incremento sin precedentes en la generación de energía eléctrica a partir de fuentes no convencionales. El cambio climático, causado en su mayoría por las emisiones de CO2, ha generado un interés mundial en reducir las mismas y para ello se han desarrollado nuevos esquemas de generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables. Como consecuencia de lo anterior, y debido a la intermitencia de la potencia de salida de estas fuentes de generación, se busca integrar este tipo de generación a los esquemas convencionales, desarrollando así el concepto de generación distribuida y la implementación de la misma en microrredes que puedan generar su autoconsumo de forma limpia y eficiente, además de tener la capacidad de integrarse a las redes eléctricas convencionales. A la fecha, el crecimiento de proyectos de generación distribuida se ha dado de forma exponencial en el continente Europeo y varias partes del mundo, tal como se puede ver reflejado en reporte anual expedido por REN 21 "Renewables 2015 Global Status Report"[1]. El crecimiento de la economía a nivel mundial, ha generado un gran cambio en la forma de usar la energía, transformándolo en un uso intensivo, el cual genera un alto consumo de petróleo y combustibles fósiles [2]. Es por este motivo que se deben buscar formas alternativas y limpias de generar energía eléctrica que sean capaces de suplir la creciente demanda y mitigar los efectos del cambio climático. Este crecimiento casi exponencial de la economía mundial, evidencia que se deben reducir las pérdidas de la generación de energía eléctrica, por lo cual, el esquema tradicional de generación en grandes centrales alejadas de los centros de consumo resulta insuficiente si se quiere reducir el impacto ambiental, aunque, se debe mantener el esquema de un sistema interconectado ya que este permite garantizar el suministro de energía eléctrica en un territorio determinado que no puede ser cubierto por un solo sistema eléctrico, logrando satisfacer la relación de generación y demanda de energía [3].. FIGURA 1. EQUILIBRIO DE GENERACION Y DEMANDA [3] 10.

(11) La figura 1 muestra que debe existir un equilibrio entre lo que se produce y lo que se consume. El crecimiento económico mundial aumenta la demanda y por lo tanto se debe incrementar la generación de energía que a su vez busca mitigar el cambio climático, y de ahí la importancia de las fuentes de generación no convencionales en puntos más cercanos a los centros de consumo, lo que aumenta la importancia de la generación distribuida y las microrredes eléctricas. La situación en Colombia respecto al desarrollo de los sistemas de generación distribuida presenta un desarrollo distinto a lo que se esperaría que ocurriera como en el resto de Latinoamérica. Debido a la falta de regulación para la energía eléctrica generada a partir de fuentes renovables, los proyectos de generación distribuida y microrredes no han sido desarrollados como se esperaría en este país y esto trae varios desafíos a la hora de explorar las opciones de implementar este tipo de generación y de incluir tecnologías fotovoltaicas, eólicas, etc. [4]. En respuesta a esto, se ha decidido implementar una Microrred eléctrica en la Universidad Distrital capaz de guiar a los futuros ingenieros en los nuevos retos de la generación y gestión de energía eléctrica. En primera instancia debe recopilarse información acerca de conceptos de generación distribuida y microrredes, funcionamiento, configuraciones, esquemas de protección e implementación y elementos necesarios para el desarrollo de una Microrred. Se debe entender cuál es la parte eléctrica de potencia de una microrred y sus componentes principales, para así poder realizar el dimensionamiento y puesta en funcionamiento de una microrred eléctrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas sede de Ingeniería, la cual cumplirá los esquemas de generación distribuida para suplir sus propias necesidades energéticas y en caso de excedentes poder entregarlos a la red de distribución, o, en caso de no generar lo suficiente podrá recibir energía desde la red de distribución. Lo anterior con la intención de sentar un precedente en la Universidad, convirtiéndose en una herramienta académica para poder estudiar de manera empírica el comportamiento de una microrred, y siendo consecuente con el actual panorama energético del país, donde se desea generar mayor interés en la generación de fuentes no convencionales de energía. Este proyecto fue llevado a cabo en conjunto entre los grupos de investigación LIFAE (laboratorio de investigación de fuentes alternativas de energía), y GCEM (Grupo de Compatibilidad Electromagnética) de la facultad de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, usando e integrando a la nueva microrred el laboratorio de sistemas fotovoltaicos que se encuentra en las instalaciones del edificio Sabio Caldas, cumpliendo el papel de una fuente de generación distribuida, y la principal de esta microrred.. 11.

(12) 1.1.. Objetivos.. Objetivo general: Implementar los equipos eléctricos necesarios, destinados a la protección, aislamiento e interconexión del proyecto Microrred de la Universidad Distrital, dimensionando los mismos de tal manera que garanticen su correcto funcionamiento y puesta en servicio.. Objetivos específicos: . . . . Diseñar un cuadro de conexiones de acuerdo a la potencia disponible realizando el diagrama unifilar de la Microrred, para lograr ubicarlo de manera acorde a la disponibilidad de espacio donde se situará la instalación, cumpliendo las normas técnicas colombianas. Dimensionar las protecciones eléctricas necesarias para la configuración establecida con anterioridad, teniendo en cuenta los límites de tensión, corriente, frecuencia, temperatura, etc., cumpliendo los requerimientos de confiabilidad y redundancia de un sistema de protecciones, con base en lo estipulado en la NTC 2050 sección 690. Diseñar una instalación acorde a los requerimientos técnicos y de espacio disponible creando un proyecto con la mayor factibilidad posible, usando las herramientas computacionales utilizadas actualmente en el mercado para tal fin. Ejecutar la instalación del transformador, protecciones, barrajes, armarios, circuitos y demás elementos eléctricos, con base en el diagrama unifilar del proyecto dejando la microrred en modo funcional.. 2. Fundamento teórico. 2.1. Generación distribuida (GD). La GD es una alternativa para la solución de problemas técnicos, económicos y ambientales de los sistemas actuales de energía, siendo básicamente un sistema de distribución a pequeña escala en el cual se tienen las fuentes de generación cerca de los centros de consumo [5]-[6]. Al crecer la demanda, se requieren mayores potencias generadas, lo que se traduce en centrales de generación más robustas y como alternativa, se incluyen las fuentes renovables [7]- [8]. Las principales ventajas técnicas de la generación distribuida son [9]: Reducción de las pérdidas de línea, mejora el perfil de tensión, reducción de las emisiones contaminantes, 12.

(13) aumento de la eficiencia energética en general, fiabilidad y seguridad mejorada del sistema, la mejora de calidad de la energía. Tecnología solar, fotovoltaico Viento Geotérmica Oceánica Hielo Ciclo combinado Turbina de combustión Micro turbinas Celdas de Combustible. Rangos de capacidad típica Algunos W a varios cientos de kW Algunos cientos de W a algunos MW Algunos cientos de kW a algunos MW Algunos cientos de kW a algunos MW Algunos cientos de kW a algunas decenas de MW Algunas decenas de MW a varios cientos de MW Algunas decenas de MW a cientos de MW Algunas decenas de kW a algunos MW Algunas decenas de kW a algunas decenas de MW. Interfaz de utilización inversores Generador asíncrono Generador síncrono maquina síncrona Generador síncrono. AC-AC Generador síncrono Generador síncrono Convertidor ac-ac Inversores. Tabla 1 Tecnologías, capacidades e interfaz de generaciones distribuidas [8].. La tabla 1 muestra las tecnologías, las capacidades de generación que poseen y la interfaz de utilización. La aplicación de este tipo de tecnologías está definida por los requerimientos energéticos del usuario y del recurso disponible [10]-[11]. La figura 2 muestra un esquema básico de GD con gran participación de energías renovables, caracterizadas por la descentralización [12].. . FIGURA 2 Esquema de generación distribuida [12]. 2.1.1. Generación distribuida en Colombia. ACTIVIDAD Uso y producción de energía Clorofluorocarbonos Prácticas de agricultura Cambios en el uso de la tierra otras actividades industriales. Porcentaje de contribución al calentamiento global 57% 17% 14% 9% 3%. Tabla 2. Factores que contribuyen al Calentamiento Global [6] 13.

(14) La tabla 2 muestra las actividades industriales y su porcentaje de contribución al calentamiento global de forma general. En la figura 3, se observan las fuentes de generación de energía eléctrica a nivel mundial.. Tabla 3 Desarrollos en fuentes renovables para producción de energía (UPME) [6]. La tabla 3 muestra fuentes de energía renovable, conocimientos del recurso, aplicaciones, estado y a capacidad instalada en Colombia. La GD tiene una serie de barreras que hacen que su implementación se retarde un poco; tales como: tendencia a privilegiar los esquemas centralizados, marcos regulatorios que no consideran la GD, sino el 100% de generación central, inversión inicial alta y percepción de riesgos tecnológicos, potencias bajas y fluctuantes, conflictos con los intereses particularmente con los operadores de red y escepticismo[6]. Un estudio realizado por la Universidad de los Andes, analiza la prospectiva de la generación distribuida en Colombia, arrojando (en resumen) los siguientes resultados [4]:  . 14. La GD es una tecnología aplicable a los sistemas de distribución colombianos. La GD puede prestar servicios como: la reducción de pérdidas en transmisión, mejorar la confiabilidad en distribución y transmisión, y la regulación del voltaje y suministro de reactivos..

(15)  . . . Colombia debe generar los debidos espacios legales para que se puedan llevar a cabo proyectos con esta tecnología. La GD puede contribuir a mejorar: Costos de generación, número de interrupciones del servicio, seguridad del sistema. Gran parte de los expertos, coincide en la necesidad de incorporar estas tecnologías en los sistemas colombianos para mejorar el servicio, estimular el desarrollo económico, tecnológico y la inversión en el país Las ventajas de la GD para los usuarios inversionistas son: mejorar el costo de la energía, la posibilidad de vender excedentes, la calidad de la potencia, la posibilidad de vender la capacidad instalada para mejoramiento de la seguridad. Las ventajas que motivan a los operadores de red a invertir en el negocio son: Calidad de la potencia, costo de la energía, posibilidad de vender energía y posibilidad de vender capacidad instalada.. 2.2.. Generador fotovoltaico (PV).. La energía solar es la fuente de energía más abundante en la tierra, de carácter renovable, con un alto grado de disponibilidad, gratuita y muy superior a las necesidades de la población mundial [13].. FIGURA 3 Diagrama de flujo de energía en la tierra dado en Tera Vatios/año [13]. La figura 3 muestra el flujo de energía solar en la tierra dado en Tera Vatios/año, lo cual evidencia que la enorme cantidad de energía solar es aprovechada de forma superficial debido al desafío técnico que se presenta.. 2.2.1. Sistema fotovoltaico aislado. Un sistema de generación PV aislado, es aquel en el cual la energía de la red de distribución eléctrica no se encuentra disponible o simplemente no desea ser usada y por lo tanto el sistema es autónomo. La decisión de usar un sistema aislado o no, está ligada a la. 15.

(16) disponibilidad de la red y a la naturaleza de la carga, ya que, si esta es una pequeña carga, el sistema podría suplir las necesidades energéticas por sí mismo [14].. FIGURA 4 Esquema de un sistema fotovoltaico aislado típico [15]. Un PV aislado debe entregar potencia constante en todo momento, por lo cual, es necesario tener un elemento acumulador de energía. Este tipo de sistemas son usados ampliamente en zonas rurales donde no existe fácil acceso a los sistemas interconectados convencionales y para aplicaciones de bombeos solares (figura 4) [15].. 2.2.2. Sistema Fotovoltaico conectado a la red. Un sistema PV conectado a la red es un conjunto de elementos que permite el aprovechamiento de la energía solar para ser usada finalmente en una instalación eléctrica. La diferencia fundamental es que este tipo de sistema no es totalmente autónomo, por lo tanto, no requiere de elementos acumuladores de energía [16].. FIGURA 5 Esquema general de un sistema fotovoltaico conectado a la red. La figura 5 muestra los componentes principales de un sistema fotovoltaico conectado a la red. Para mejorar la confiabilidad del suministro existen alternativas como la inclusión de baterías, las cuales mitigan la intermitencia de la generación y entregan potencia constante a la red eléctrica [16]-[17].. 16.

(17) 2.3.. Generación eólica.. La generación eólica es la generación de energía eléctrica a partir del viento como fuente primaria. En principio, la generación eólica transforma la energía mecánica en energía eléctrica mediante elementos llamados aerogeneradores [18]. 2.3.1. Energía eléctrica de origen eólico. La conexión de un parque eólico a una red de transmisión o distribución puede tener consecuencias que afecten el comportamiento de las mismas de pendiendo de la potencia eólica instalada y de que tan robusta es la red a la cual se conecta [19].. FIGURA 6 Representación del sistema eléctrico de un parque eólico [20].. La conexión entre aerogeneradores y la subestación del parque eólico (figura 6) se realiza a través de una red de media tensión, para proteger el lado de media tensión por lo general se emplea un interruptor seleccionador que protege al transformador contra sobrecargas [20].. 2.4.. Protecciones eléctricas.. Son un elemento fundamental a la hora de implementar redes eléctricas, y buscan la protección de los equipos y de la vida de los operarios y cualquier agente externo a ella. Para la selección de protecciones se requiere de: Selectividad (figura 7a) dar continuidad al servicio, si ocurre una falla el dispositivo inmediatamente aguas arriba despejara la falla [21]. Filiación (figura 7b): Disminuir los efectos de las corrientes de cortocircuito, mediante la limitación de la corriente de cortocircuito, esto permite un tamaño reducido de la protección. La limitación reduce los siguientes efectos:   . 17. Electromagnéticos: Reducción de las perturbaciones EMC Mecánicos: Reducción de la deformación y los esfuerzos sobre el interruptor Térmicos: Aumento de la vida útil de los conductores.

(18) Figura 7 Selectividad [21] (a) y filiación (b) en protección en BT. Las sobre intensidades pueden ser causadas por:  . Sobrecargas: Ocurre si la carga durante su funcionamiento, consume una potencia superior a la nominal. Se interrumpirá el circuito por efecto TERMICO. Cortocircuitos: Se da cuando dos conductores que se encuentran a distinto potencial se ponen en contacto a través de un elemento con una baja impedancia. Se interrumpirá el circuito por efecto ELECTROMAGNETICO.. 2.5.. Modelado BIM.. Actualmente, en la representación de modelos arquitectónicos, se usa en su mayoría las herramientas CAD, las cuales, aunque han sido de uso general, muestran un nivel de uso tecnológico relativamente bajo, que además de consumir grandes cantidades de tiempo, están muy dadas a la aparición de errores de diseño, los cuales, se ven reflejados en la parte de construcción. Para aliviar estos inconvenientes, se plantean metodologías basadas en el uso de modelos tridimensionales Building Imformation Modeling (BIM). Estas herramientas facilitan la visualización de los proyectos [22]-[23]. La tecnología BIM tiene la capacidad de cuantificar eficazmente los parámetros del edificio como mediciones, pero también de otras cualidades computables como volúmenes de aire, recorridos de evacuación, consumo energético, etc. [22]. La figura 8 muestra el modelado estructural de un edificio.. 18.

(19) Figura 8 Modelado de un edificio [22]. Para el diseño de las instalaciones eléctricas en Revit®, se debe generar un nuevo proyecto a partir de la plantilla eléctrica y vincularla al proyecto arquitectónico permitiendo el trabajo de varias instalaciones y distintas facetas del proyecto manteniendo los vínculos de todas ella actualizadas. En cuanto a iluminación, el software DIALUX® puede exportar sus modelos a Revit® permitiendo total coherencia en el diseño de iluminación y la construcción final de la edificación facilitando la entrega final del proyecto [24]. El modelado de instalaciones permite tener una armonía al momento de hacer la coordinación con otras disciplinas reduciendo el margen de error en construcción adicionalmente disminuyendo tiempo de ejecución en obra y ahorrando dinero en materiales.. 2.6.. Microrredes eléctricas.. “Una micro-red puede ser definida como un sistema de distribución de electricidad compuesto por cargas y recursos de energía distribuida capaces de operar controlada y coordinadamente en modo conectado a la red principal o aislada de ella [25]. Con el incremento de la población y la industria, se genera una mayor demanda de energía eléctrica, por tal motivo, se hace necesario idear formas de suplirla teniendo en cuenta que la infraestructura convencional no es capaz de incrementar su capacidad de transmitir energía de forma a gran escala [26].. 19.

(20) Figura 9 Situación actual de los sistemas de potencia [27]. Los sistemas actuales (figura 9), tienen grandes distancias entre la fuente de generación y los centros de consumo, por lo cual, se presentan perdidas en transmisión, por lo que para mejorar estos sistemas en cuanto a calidad, se emplean sistemas de comunicación SCADA permitiendo automatizar procesos de transmisión guiando las redes actuales a redes inteligentes [27]. A la hora de implementar una microrred, se busca brindar una calidad de servicio en contraste al servicio universal proveído por la red pública. Una microrred también tiene la posibilidad de integrar sistemas de gestión de demanda dando prioridad más alta a ciertas cargas o más baja sobre un grupo determinado de cargas [28]. Básicamente una microrred es una red eléctrica inteligente que tiene la capacidad de operar de forma autónoma, bien sea de forma aislada o coordinada con la red eléctrica [29]. En la figura 10 se observa un esquema básico de microrred, en el cual se evidencia la interacción de generadores y consumidores.. Figura 10 Esquema básico de una microrred eléctrica [30]. 20.

(21) 2.6.1. Componentes de una microrred eléctrica. Una microrred eléctrica básicamente se compone de: Sistemas de generación: En microrredes son sistemas de generación distribuida, donde los generadores se encuentran cerca de los centros de consumo. Las principales fuentes de generación de energía eléctrica usadas en microrredes son motores de combustión alterna, turbinas de gas, micro turbinas, tecnología eólica, tecnología, tecnología solar térmica [31]-[32].. Figura 11 Elementos de una microrred [31]. Almacenamiento de energía: en redes eléctricas, se tiene una gran variedad de sistemas. Sin embargo, los más usados se muestran en la tabla 7:. Tabla 4 Tecnologías de almacenamiento de energía [32]. La tabla 5 muestra las tecnologías usadas en el almacenamiento de energía eléctrica más comunes. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones de microrredes usa almacenamiento por medio de baterías siempre y cuando el costo de la tecnología lo haga viable [29]. Sistemas de distribución: En microrredes son los mismos de una red de distribución convencional con variaciones en cuanto a la escala. La idea de la generación distribuida es la 21.

(22) producción de energía eléctrica lo más cerca posible de los centros de consumo, por lo cual, una microrred busca integrar múltiples usuarios con diversos sistemas de generación y almacenamiento a una pequeña red eléctrica de baja tensión (figura 12).. Figura 12Red de distribución de una microrred [33]. Protección, gestión y control: en microrredes, se tiene una gran variedad de tecnologías y estas son seleccionadas dependiendo del grado de robustez que se le quiera dar al sistema. Las protecciones eléctricas estarán dimensionadas según las corrientes de corto circuito del sistema y se evaluarán en las partes AC y DC [34]. Los inversores proporcionan de manera funcional control y flexibilidad a los generadores distribuidos, y de este modo se pueden agregar nuevos generadores a la microrred sin tener la necesidad de modificar los equipos existentes [35].. 2.6.2. Configuración de microrredes eléctricas. Microrred conectada a la red de distribución: Generalmente una microrred siempre estará conectada a la red de distribución eléctrica. Esta es la condición normal y en esta situación no es necesario que la demanda total de la carga sea suministrada por las fuentes de generación distribuida, ya que, el desfase entre generación y consumo será cubierto por la energía de la red de distribución (figura 13) [26].. Figura 13 Microrred conectada a la red de distribución [26]. 22.

(23) . Microrred aislada:. La microrred aislada tiene como principal consigna la autonomía. Una microrred aislada es aquella que bajo ninguna circunstancia está conectada a la red de distribución eléctrica (figura 14). Para suplir la demanda, la generación debe ser exactamente igual o superior a la demanda de energía. La forma en la que una microrred logra lo anterior es usando elementos almacenadores de energía, aliviando las fluctuaciones de generación [31].. Figura 14 Esquema de microrred aislada [31]. . Microrred hibrida:. Una microrred estará habitualmente conectada a la red de distribución. Sin embargo, ante un fallo en esta red, o por otra situación particular, es posible pasar al modo de emergencia en que la microrred se desconecta, pasando a trabajar de forma autónoma. Una vez detectado un problema en la red de distribución, se tratará siempre de que la desconexión se realice de la forma más transparente posible para las cargas conectadas [31].. 23.

(24) 3. Microrred de la Universidad Distrital. La microrred de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas es un proyecto que busca la implementación de un prototipo a pequeña escala con capacidad de 5kVA. La microrred de la Universidad Distrital está conformada por la red eléctrica de distribución y fuentes renovables con capacidad para ser ampliada y realizar cambios en su configuración haciéndola flexible para usos académicos. Inicialmente, dentro de sus subsistemas tiene conectado un generador fotovoltaico y un banco de baterías para alimentar las cargas y poderse convertir en aislada, dependiendo de las necesidades de la misma. Está pensada para dar pie a futuros estudios, y se implementó de tal capacidad que pueda integrar proyectos futuros como un sistema de control y gestión de la energía y un emulador eólico. Los equipos asociados a la microrred de la Universidad Distrital son conectados a través de un tablero que cumple las normas vigentes y esta adecuado de tal manera que permite realizar ampliaciones tal como implementar un sistema de control y gestión, integrar otros generadores a partir de fuentes renovables, baterías e inversores, y ubicar contactores asociados en el tablero de punto de conexión común, los cuales integrados al sistema de control, permiten su desconexión para realizar mantenimiento o alguna contingencia en caso de emergencia. El diseño de la microrred de la Universidad Distrital, tiene como consideración realizar la integración de distintos proyectos de grado y a su vez dar una idea general de las capacidades de la generación distribuida y su integración a los sistemas eléctricos convencionales de manera armoniosa y eficaz.. 3.1. Diseño de la microrred. La microrred consta de un barraje en AC el cual tiene conectado los generadores y las cargas. La energía que se genera a partir de las fuentes renovables es adecuada por inversores y conectada al barraje AC para alimentar las cargas. Adicionalmente, el tablero de conexión común cuenta con un barraje y protecciones para alimentar cargas en DC o bancos de baterías. Estas conexiones y elementos se encuentran en un tablero que es el punto de conexión común (TPCC), el cual esta alimentado desde la red eléctrica y desde las fuentes renovables. Este TPCC cuenta con las protecciones necesarias para la microrred en general y está diseñado para prever la ampliación e integración de sistemas de gestión y control.. 24.

(25) 3.1.1. Diagrama unifilar.. Figura 15 Diagrama unifilar microrred UD 25.

(26) 3.2.. Componentes de la microrred.. Siguiendo el diagrama unifilar, se procedió en primera instancia a realizar el levantamiento de los elementos necesarios para la implementación física. Para la construcción de la misma se realizaron cotizaciones de distintos proveedores buscando el equilibrio entre costo y calidad.. 3.2.1. Transformador de aislamiento. El transformador de aislamiento se usa para aislar galvánicamente la microrred de la red eléctrica convencional. Las características principales del transformador de aislamiento se enuncian en la tabla 6. Potencia Marca Tipo Medio de refrigeración Tensión nominal primario Tensión nominal secundario Numero de fases Conexión Material devanados Frecuencia Temperatura Max ambiente Peso. 5kVA El Watio Seco clase H Aire 208V 208V 3 DYN5 Cobre 60Hz 40oC 55kg. Tabla 5 características técnicas transformador. Figura 16 Transformador de aislamiento microrred UD 26.

(27) Figura 17 Placa del transformador de aislamiento. Las figuras 16 y 17 muestran el transformador de aislamiento de la microrred de la UD y su placa de características respectivamente. El transformador de aislamiento se encuentra instalado en las instalaciones del LIFAE en el séptimo piso del edificio Sabio Caldas y cuenta con las características técnicas definidas como punto de referencia para el proyecto (potencia, tensión).. 3.2.2. Tablero del punto de conexión común TPCC. El TPCC es el encargado de albergar los barrajes de conexión con las respectivas protecciones, los barrajes de neutros y tierras de la microrred. En este tablero se interconectan los generadores renovables, la red de distribución eléctrica a través del transformador de aislamiento, las cargas de la microrred y los futuros proyectos de grado (cargas y/o generadores) que servirán para ampliar la microrred.. 27.

(28) Figura 18 diseño del TPCC. El TPCC está fabricado en C.R. calibre 16, pintado en polvo electrostática, de dimensiones 1200X800X300. Grado de protección IP54. Suministro de barraje en cobre electrolítico de 94 A. pintado RETIE, electro plateado, montado en aisladores de resina epoxica, tornillería. Suministro de cable, terminales, amarres plásticos y demás elementos necesarios para un correcto funcionamiento del equipo, un barraje en Pl. de Cu. 1/8 x 3/4" para las fases, protecciones termomagnéticas monofásicas y trifásicas para las cargas y las fuetes de generación distribuida AC y/o DC, contactores para conexión y desconexión de cargas y generadores según requiera el estudio a realizar sobre la microrred, accesorios de conexionado, cerradura e iluminación interior. El TPCC está ubicado junto al transformador de aislamiento en las instalaciones del LIFAE y las acometidas asociadas a él son canalizadas apropiadamente según la normatividad vigente. El TPCC de la microrred se muestra en la figura 19.. 28.

(29) Figura 19 TPCC microrred UD. CAJA TIERRA (figura 20): Suministro de tablero fabricado en C.R. calibre 16, pintado en polvo electrostático, de dimensiones 300X220X120. Suministro de barraje en cobre electrolítico de 100 A. pintado RETIE, electro plateado, montado en aisladores de resina epóxica, tornillería.. Figura 20 Caja de tierras. 29.

(30) 3.2.3. Generador fotovoltaico. El generador fotovoltaico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas hace parte de un proyecto de investigación llamado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A LA RED TRIFÁSICA DE BAJA TENSIÓN EN LAS INSTALACIONES FÍSICAS DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”. Mediante una donación por parte de SOLEL INGENIERÍA S.A.S. la Universidad Distrital recibió dos módulos solares fotovoltaicos de 120 vatios pico (Wp) cada uno, junto con un inversor para interconexión con la red trifásica de baja tensión. Usando estos equipos se desarrolló un laboratorio de sistemas fotovoltaicos el cual fue integrado a la microrred planteada en el presente documento. “Para el dimensionamiento, es pertinente estimar la energía a suministrar a diario (con base en la carga se asume un consumo aproximado de 0,750 kWh-día) y tomar como referencia la información de radiación del año 2011”[36].. Figura 21 Consumo anual para el sistema fotovoltaico[36]. 30.

(31) MES. kWh/mes. HSS. Días del mes 23,25 4 31 ENERO 21 3,5 28 FEBRERO 23,25 4 31 MARZO 22,5 3,5 30 ABRIL 23,25 3,5 31 MAYO 22,5 3,5 30 JUNIO 23,25 4 31 JULIO 23,25 3,5 31 AGOSTO 22,5 3,5 30 SEPTIEMBRE 23,25 3,5 31 OCTUBRE 22,5 3 30 NOVIEMBRE 23,25 3,5 31 DICIEMBRE POTENCIA GFV (kW). PR 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9. POTENCIA (kW) 0,208 0,238 0,208 0,238 0,238 0,238 0,208 0,238 0,238 0,238 0,278 0,238 0,234. Tabla 6Potencia del generados Fotovoltaico [36].. Con la información proporcionada por los diseñadores del laboratorio de sistemas fotovoltaicos, se tienen dos módulos solares que son integrados a la microrred. Para el caso específico, el generador fotovoltaico genera una potencia nominal de 234W. El objetivo es integrar esta fuente de generación a la microrred de manera armoniosa, y para ello se debe dimensionar un arreglo de protecciones y verificar el cableado existente para llevarlo hasta el TPCC. Se cuenta con un arreglo de dos paneles solares con las especificaciones técnicas y curva de corriente contra tensión de las figuras 22 y 23 respectivamente.. 31.

(32) Figura 22 Especificaciones técnicas del módulo fotovoltaico [36]. Figura 23 Curva Característica I-V del módulo [36]. El generador fotovoltaico se encuentra instalado en la terraza del piso 8 de la sede administrativa del edificio Sabio Caldas (figura 24). Su instalación tuvo en consideración la inclinación para que no se acumulen aguas lluvias en la superficie de los módulos, una estructura firme para soportarlos y brindarles estabilidad ante los vientos, y finalmente una orientación para aprovechar lo máximo posible de la radiación solar y producir el máximo 32.

(33) de energía posible. Los módulos se encuentran conectados en serie para una tensión de salida de 34,6 [V] Voltios DC, hacia el inversor ubicado en el laboratorio del LIFAE.. Figura 24 Generador fotovoltaico de la microrred. 3.2.3.1. Inversor del sistema fotovoltaico. El inversor trifásico de 190 [W] Vatios (figura25) para la interconexión con la red eléctrica, se ubicó junto al punto de acople común en el salón del grupo de investigación. La potencia DC suministrada por los módulos solares fotovoltaicos es medida a la entrada del inversor. De igual forma a la salida de este son medidos los parámetros eléctricos de tensión y corriente que se inyectan a la red de baja tensión[36].. Figura 25 Inversor Fotovoltaico 33.

(34) 3.2.4. Emulador eólico. El emulador eólico que es integrado a la microrred eléctrica, es un prototipo que está siendo desarrollado como parte de un proyecto de grado, en el cual aún se está trabajando. Este emulador es desarrollado en tres etapas. La primera etapa es de potencia y está conformada por el variador de frecuencia (figura 26). Dispone de tres conexiones, una para la alimentación trifásica, otra para los puertos de control y finalmente una para la salida de tensión proporcional a la frecuencia. La segunda etapa es la del control de potencia (figura 27), la cual, está constituida por un prototipo de control y un PC que enviará los valores de frecuencia al variador dependiendo del programa que se esté ejecutando en MATLAB®. La tercera etapa es de emulación y está constituida por el generador eólico (figura 28) [37].. Figura 26 Etapa de Potencia del Emulador Eólico [37]. 34.

(35) Figura 27 Etapa de control del emulador eólico [37]. Figura 28 Etapa de emulación eólica [37]. 35.

(36) Figura 29 Esquema general del Emulador Eólico [37]. El esquema general del emulador eólico mostrado en la figura 29, es el conjunto general que se tendrá conectado a la microrred, donde V1 es la alimentación del emulador brindada por el tablero del punto de conexión común TPCC.. 3.2.5. Cargas del sistema. Las cargas del sistema están definidas por el usuario final de la microrred. El alcance del proyecto es dejar una reserva en el TPCC con la capacidad de alimentar las cargas que se instalen a futuro o alimentar un banco de pruebas del laboratorio.. 36.

(37) 3.2.6. Tramos de la Microrred UD. Para proceder a realizar los cálculos eléctricos y dimensionamiento de cableado (regulación y capacidad) y protecciones correspondientes, es necesario definir y diferenciar los tramos AC y DC para los cuales se determinarán valores de tensión y corriente.. 3.2.6.1. Tramos AC. Los tramos AC, están definidos como los recorridos del cableado entre los equipos y tableros eléctricos cuya tensión de funcionamiento es de naturaleza alterna. Estos tramos se identifican a partir del punto de origen y el punto de llegada de la conexión en cableado. TP7-TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO: Este tramo tiene como origen una protección de 3x20A tipo industrial que está ubicada en el tablero general del piso 7 del edificio Sabio Caldas, y su destino son los bujes del transformador de aislamiento ubicado en las instalaciones del LIFAE, que se encuentra ubicado en dicho piso. La tensión nominal en este tramo es de 208VL-L. La longitud de este tramo es de 20 metros. TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO-TPCC: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde la salida del transformador de aislamiento hasta el totalizador del TPCC (tablero punto de conexión común) de 3x20A tipo industrial ubicado dentro las instalaciones del LIFAE. La tensión nominal en este tramo es de 208VL-L. La longitud de este tramo es de 10 metros. TPCC-INVERSOR PV: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x16A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta la salida del inversor destinado al arreglo fotovoltaico. La tensión nominal en este tramo es de 208VLL. La longitud de este tramo es de 5 metros. TPCC-INVERSOR BAT: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x16A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta la salida del inversor destinado al banco de baterías. La tensión nominal en este tramo es de 208VL-L. La longitud de este tramo es de 6 metros. TPCC-INVERSOR G1: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x16A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta la salida del inversor destinado a un futuro proyecto. La tensión nominal en este tramo es de 208VLL. La longitud de este tramo es de 4 metros. TPCC-INVERSOR G2: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x16A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta la salida 37.

(38) del inversor destinado a un futuro proyecto. La tensión nominal en este tramo es de 208V LL. La longitud de este tramo es de 4 metros. TPCC-INVERSOR EMULADOR EOLICO: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x16A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta la interfaz de un futuro proyecto que desarrollará un emulador de un generador eólico. La tensión nominal en este tramo es de 208VL-L. La longitud de este tramo es de 4 metros. TPCC-TCARGAS: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde una protección de 3x20A ubicada en el TPCC (tablero punto de conexión común) hasta el barraje de un tablero de distribución trifásico. La tensión nominal en este tramo es de 208VL-L. La longitud de este tramo es de 4 metros.. 3.2.6.2. Tramos DC. Los tramos DC, están definidos como los recorridos del cableado entre los equipos y tableros eléctricos cuya tensión de funcionamiento es de naturaleza continua. Estos tramos se identifican a partir del punto de origen y el punto de llegada de la conexión en cableado. GENERADOR PV-INVERSOR PV: Este tramo tiene como origen el generador fotovoltaico compuesto por dos paneles solares conectados en serie ubicados en la terraza del piso 8 del edificio administrativo de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas y su destino es la entrada del inversor destinado al arreglo fotovoltaico. La tensión nominal en este tramo está dada por el generador PV y es de 34,6VDC. La longitud de este tramo es de 45 metros. BATERIAS- INVERSOR BAT: Este tramo comprende el recorrido en cableado desde la salida del banco de baterías ubicado en las instalaciones del LIFAE hasta la entrada del inversor destinado al banco de baterías. La tensión nominal en este tramo es de 120VDC. La longitud de este tramo es de 3 metros.. 38.

(39) Tipo de carga. GENERADOR PVINVERSOR PV BATERIAS-INVERSOR BAT. V (V). TP7-TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO -TPCC TPCC-INVERSOR PV TPCC-INVERSOR BAT TPCC-INVERSOR G1 TPCC-INVERSOR G2 TPCC-EMULADOR EOLICO TPCC-TCARGAS. Carga Tramo Barra (kVA) 5. 208. 3Ø. 20. 5. 208. 3Ø. 10. 0,24 5 2 2 5 5. 208 208 208 208 208 208. 3Ø 3Ø 3Ø 3Ø 3Ø 3Ø. 5 6 4 4 4 5. 0,24. 34,6. 1Ø. 45. 5. 120. 1Ø. 3. Longitud (m). TOTAL. TRAMO. MICRORRED UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS SEDE INGENIERIA. Tabla 7 parámetros de los tramos de la microrred. La tabla 8 enuncia los tramos y sus características de potencia, tensión, tipo de carga (monofásica, bifásica, trifásica) y longitud total de cada tramo. Estos valores son claves para realizar los cálculos eléctricos de la microrred.. 39.

(40) 3.2.7. Cableado. 3.2.7.1. Selección del conductor. Para la selección del cableado de la microrred es necesario tener en cuenta el análisis de los tramos realizado en el numeral anterior. Una vez identificada la potencia que se transmitirá a través del tramo, la tensión nominal del mismo y el tipo de carga (monofásica, trifásica), se procede a calcular la corriente usando las siguientes ecuaciones:. 𝐼[𝑘𝐴] =. 𝑆[𝑘𝑉𝐴] √3 𝑉𝐿 [𝑘𝑉]. 𝑃[𝑘𝑊]. 𝐼[𝑘𝐴] = 𝑉. 𝐷𝐶 [𝑘𝑉]. corriente de línea trifásica. corriente DC. Para los tramos AC y DC, se calculan las respectivas corrientes basados en los datos de la tabla 10 y las ecuaciones anteriores, y se selecciona el conductor apropiado tomando un factor de sobredimensionamiento del 25% por encima del valor nominal, con el fin de prolongar la vida útil de los conductores y asegurar que puedan soportar eventuales sobre corrientes transitorias. Al realizar los respectivos cálculos obtenemos los resultados de corriente para cada uno de los tramos, se multiplican por el factor de sobredimensionamiento (1,25) y así se tiene la corriente de diseño para la selección de los conductores que se usaran en la microrred, tal como se muestra en la tabla 9.. 40.

(41) V (V). I (A). FACTOR I (A) 125%. AC TP7-TRAFO TRAFO -TPCC TPCC-INVERSOR PV TPCC-INVERSOR BAT TPCC-INVERSOR G1 TPCC-INVERSOR G2 TPCC-EMULADOR EOLICO TPCC-TCARGAS DC GENERADOR PVINVERSOR PV BATERIAS-INVERSOR BAT. Carga Tramo Barra (kVA). TRAMO. MICRORRED UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS SEDE INGENIERIA. 5 5 0,24 5 2 2. 208 208 208 208 208 208. 13,8 13,8 0,6 13,8 5,5 5,5. 17,3 17,3 0,8 17,3 6,9 6,9. 5. 208. 13,8. 17,3. 5. 208. 13,8. 17,3. 0,24. 34,6. 6,9. 9,7. 5. 120. 41,6. 58,3. Tabla 8 Corrientes por tramo de la microrred. Una vez obtenidos los valores de la corriente de cada uno de los tramos, se procede a contrastarlos con los valores nominales de capacidad de conducción de corriente de conductores comerciales. Tabla 9 Capacidad de corriente permisible en conductores aislados para 0 a 2 000 V [38] 41.

(42) Con la tabla 10 y los resultados obtenidos a partir de los cálculos de la tabla 9, se procede a seleccionar el conductor para cada tramo teniendo como resultado lo mostrado en la tabla 13:. Conductor. AC TP7-TRAFO TRAFO -TPCC TPCC-INVERSOR PV TPCC-INVERSOR BAT TPCC-INVERSOR G1 TPCC-INVERSOR G2 TPCC-EMULADOR EOLICO TPCC-TCARGAS DC GENERADOR PVINVERSOR PV BATERIAS-INVERSOR BAT. FACTOR I (A) 125%. TRAMO. MICRORRED UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS SEDE INGENIERIA. 17,3 17,3 0,8 17,3 6,9 6,9. 10 10 10 10 10 10. 17,3. 10. 17,3. 10. 9,7. 10. 58,3. 10. Tabla 10 Calibre del conductor por tramo. En la tabla 11 se enlistan los conductores seleccionados. Se destaca que el cableado desde el generador fotovoltaico hasta el inversor fotovoltaico ya se encuentra instalado debido a que forma parte de un proyecto de grado ya concluido. Además del factor del sobredimensionamiento, se pensó en un conductor que permita futuras ampliaciones que se darían cambiando el transformador de aislamiento y las protecciones. Los conductores serán todos en cobre aislado tipo THHN/THWN 600V que deben cumplir con la normatividad vigente y tener su respectivo certificado de conformidad de producto. 42.

(43) 3.2.6.2. Calculo de regulación. Una vez conocidos los parámetros de tensión, potencia, corriente, tipo de cuenta calibre y material de los conductores de cada tramo, se procede a calcular la regulación parcial de cada tramo y la regulación total del recorrido desde el punto de inicio hasta el punto final del flujo de energía tanto en los tramos AC como DC. El cálculo de regulación en ambos casos se realiza usando la siguiente ecuación [34]:. Donde: 𝑃 = potencia o carga del tramo en kVA para el caso AC y en kW para el caso en DC. 𝑘 = Constante del conductor dado por los fabricantes en [%/kVA*m] 𝑙 = longitud total del tramo en metros [m] El producto 𝑃 ∗ 𝑙 = 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜. La regulación parcial de los tramos está dada por las ecuaciones anteriores y es mostrada en la tabla 12, la cual presenta las acometidas como fases más neutro en el caso de acometida trifásica, y positivo más negativo en el caso DC, denotándolo como si fuese una carga monofásica, pero teniendo en cuenta para todos los cálculos la naturaleza continua de la energía que fluye a través de estos tramos. La tabla 14 también muestra el material de los conductores el cual es necesario para buscar la constante del conductor brindada por los fabricantes.. 43.

(44) Momento (kVA*m). Constante [%/Kva*m]. Regulación Parcial [%]. Acometida. Material. MICRORRED UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS SEDE INGENIERIA. 20 10 5 6 4 4. 100 50 1,2 30 8 8. 0,012207 0,012207 0,012207 0,012207 0,012207 0,012207. 1,22 0,61 0,014 0,36 0,097 0,097. 3#10+1#10 3#10+1#10 3#10+1#10 3#10+1#10 3#10+1#10 3#10+1#10. Cu Cu Cu Cu Cu Cu. 4. 20. 0,012207. 0,24. 3#10+1#10. Cu. 5. 25. 0,012207. 0,30. 3#10+1#8. Cu. 45. 10,8. 0,0147. 0,15. 1#10+1#10. Cu. 2. 10. 0,0147. 0,147. 1#10+1#10. Cu. TOTAL. TRAMO. Longitud (m). AC TP7-TRAFO TRAFO -TPCC TPCC-INVERSOR PV TPCC-INVERSOR BAT TPCC-INVERSOR G1 TPCC-INVERSOR G2 TPCC-EMULADOR EOLICO TPCC-TCARGAS DC GENERADOR PVINVERSOR PV BATERIAS-INVERSOR BAT. Tabla 11 Regulación parcial de los tramos de la microrred. La regulación total es la suma de las regulaciones parciales de cada tramo por donde fluirá la potencia desde la fuente hasta el punto de consumo y está dada en porcentaje para después contrastarse con la normatividad vigente y asegurar que se encuentra dentro de los límites aceptables. La regulación total en porcentaje se muestra en las tablas 13 a 21 (rojo).. 44.

(45) AC TP7-TRAFO 1,22 TRAFO -TPCC 0,61 TPCC-INVERSOR PV 0,014 DC GENERADOR PV0,15 INVERSOR PV REGULACION TOTAL [%]. Regulación Total [%]. Regulación Parcial [%]. TRAMO. MICRORRED UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS SEDE INGENIERIA. 1,22 1,83 1,84 0,15 2,00. Tabla 12 Regulación total desde el generador PV hasta TP7. La tabla 13 muestra la regulación en porcentaje desde el generador fotovoltaico hasta el tablero de distribución general del séptimo piso. Este ejemplo muestra el caso en el que no hay consumo en la microrred y toda la energía generada por el sistema fotovoltaico será entregada a la red de distribución convencional.. 45.