4.2 Geocoding with Map Vector
4.2.7 Discussion and Error Analysis
cada caso de estudio del factor de potencia. La inductancia 𝑋𝐿 del transformador se mantiene en
un valor de 14.2Ω. La Tabla 6.5 muestra las potencias reactivas inyectadas por fase.
Tabla 6.5. Potencias reactivas inyectadas para los casos de estudio de factor de potencia
CASO FP
No NODO
POTENCIAS RECTIVAS [KVAR] FASE A FASE B FASE C
1 832 -1.13 -1.11 -1.02 2 860 -202.43 -127.74 -22.17 3 844 -47.54 -6.71 -179.73 Fuente: Autores 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
Corrección del factor de potencia caso de estudio 3
Tiempo [s] Fp Fase A Fase B Fase C 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 -30 -20 -10 0 10 20 30 T ens ión [ Kv ] Tiempo [s] Señales de tensión y corriente fase A
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-30 -20 -10 0 10 20 30 C orrie nt e [A] Corriente Tensión 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 -30 -20 -10 0 10 20 30 T ens ión [ Kv ] Tiempo [s] Señales de tensión y corriente fase B
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-30 -20 -10 0 10 20 30 C orrie nt e [A] Corriente Tensión 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 -30 -20 -10 0 10 20 30 30 T ens ión [ Kv ] Tiempo [s] Señales de tensión y corriente fase C
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-33 -22 -11 0 11 22 33 33 C orrie nt e [A] Corriente Tensión
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Se observa en la Tabla 6.5 que las potencias inyectadas para corregir factores de potencia promedio de 0.67 en el caso de estudio 1 se encuentran entre 1.02 y 1.13 KVAR. Para el caso de estudio 2 se observa un aumento de las magnitudes de las potencias inyectadas por fase. Debido a que en este caso los factores de potencia por fase tienen valores diferentes (0.77, 0.87 y 0.95) se percibe que la inyección de potencia reactiva por parte del DSTATCOM también es realizada por fase, siendo la fase A aquella con mayor potencia reactiva inyectada asociada (202.43KVAR). Las fases B y C requieren una inyección de 127.74 y 22.17 KVAR respectivamente para corregir el factor de potencia por cada fase. Finalmente, para el caso de estudio 3 la fase C es la que presenta una mayor magnitud en la potencia reactiva inyectada (179.73KVAR). Este valor se encuentra asociado a su comportamiento ya que inicialmente presenta una reducción en el factor de potencia y luego si lo eleva. Las fases A y B presentan valores de 47.54 y 6.71 KVAR, con lo cual se demuestra que en los tres casos existe una corrección del factor de potencia por fase aunque el sistema presente condiciones desbalanceadas.
6.3 Conclusiones del capitulo
- Con el desarrollo de este capítulo se dio cumplimiento al objetivo específico seis:
Comparar, para los casos críticos seleccionados, el comportamiento del sistema de distribución IEEE34 ante la presencia de hundimientos de tensión y variaciones del factor de potencia, antes y después de implementar el DSTATCOM
- Con el desarrollo de los capítulos 5 y 6 se dio cumplimiento al objetivo específico:
Identificar a partir de un método de generación de perturbaciones seis escenarios de prueba críticos (casos críticos) que se puedan presentar en el sistema de distribución IEEE34 debido a la ocurrencia de hundimientos de tensión y al deterioro del factor de potencia
- En el momento de implementar el DSTATCOM diseñado el sistema presentó mejoras notables en los perfiles de tensión ante la presencia de un sag. Sin embargo, compensar en su totalidad hundimientos de tensión de rangos entre 0.1 p.u. y 0.2 p.u. ocasionados por fallas en el sistema necesitaría excesivas cantidades de energía. Aun así, se hicieron dos casos de estudio adicionales en los cuales se demuestra que el DSTATCOM diseñado funciona correctamente mitigando hundimientos de tensión de menor magnitud
- La severidad de los hundimientos de tensión ocasionados a partir de fallas ocasiona comportamientos inesperados en los perfiles de tensión del sistema, ya que en varios casos de estudio se presentaron caídas en el perfil de tensión de los nodos monofásicos correspondientes a la zona 2 cuando el DSTATCOM entra a mitigar los hundimientos de tensión. De acuerdo a los resultados mostrados en los casos de estudio adicionales se pudo concluir que dichos comportamientos se encuentran asociados a la severidad de los sag a los que es sometido el DSTATCOM.
- Es ineficiente mitigar hundimientos de tensión de magnitudes entre 0.1 p.u. y 0.2 p.u. ocasionados por fallas, ya que la cantidad de potencia reactiva que se debe inyectar supera la potencia nominal del sistema y del DSTATCOM. Esto se debe a que se está inyectando corrientes directamente a una falla en el sistema con impedancia de 4 ohm, lo que ocasiona que la mayoría de potencia inyectada se consuma a través de la falla
- De acuerdo a los resultados obtenidos en los casos adicionales se puede concluir que el DSTATCOM simulado es capaz de levantar hundimientos de tensión desde 0.3 p.u. hasta 0.9 p.u. Por otra parte, el control por fase implementado permite mitigar hundimientos de tensión desbalanceados y presenta al DSTATCOM diseñado como una buena alternativa para su implementación en sistemas de prueba reales
- El control de tensión para la corrección del factor de potencia debe ser más sensible, debido a que las potencias reactivas que se deben inyectar en cada nodo son de magnitudes pequeñas en comparación con las potencias reactivas inyectadas para
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compensar un hundimiento de tensión. El control diseñado presenta excelentes resultados en la compensación de potencias reactivas de los diferentes casos de estudio, obteniendo como resultados factores de potencia que se elevan desde 0,67 hasta 0,98.
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CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en los casos de estudio analizados en el capítulo 6 para hundimientos de tensión y corrección del factor de potencia, ratifican que se cumplió el objetivo general del proyecto: “Diseñar e implementar en ATP/EMTP un compensador estático de distribución (D-STATCOM), que actué de manera dinámica en fase y magnitud ante la presencia de hundimientos de tensión (sags) y el deterioro del factor de potencia, analizando su comportamiento en el sistema de distribución IEEE de 34 nodos (IEEE-34)” A pesar de la ausencia de un nodo SLACK el software ATP/EMTP permite modelar y
simular de manera adecuada los componentes eléctricos del sistema de distribución IEEE34, generando flujos de carga con errores menores al 4% en tensión y 1° en corrimiento angular.
Se planteó una metodología para identificar las zonas críticas del sistema a partir de la simulación de fallas sólidamente aterrizadas en los 34 nodos del sistema, con los once tipos de fallas. Se propusieron dos indicadores, la función objetivo y la función absoluta, para ponderar y evaluar los efectos y el impacto de los hundimientos de tensión en el sistema de distribución y así determinar que nodos tenían un mayor impacto en los perfiles de tensión de este, cuando en ellos se presentaba una falla.
Se planteó modificar las zonas críticas del sistema IEEE34 añadiendo una segunda unidad de generación de características idénticas al generador principal del sistema, variando la ubicación del punto de conexión de esta. La posición de la segunda unidad de generación impactó directamente en la robustez y la distribución de las zonas críticas del sistema IEEE34, por tal motivo se plantearon 5 sistemas de generación distribuida de prueba realizando un análisis de cada uno con el fin de escoger aquel con la mejor homogeneidad en las zonas críticas.
A partir del análisis de las diferentes configuraciones de pulsos de los inversores trifásicos, es posible concluir que aumentar la cantidad de pulsos en el inversor incrementando la cantidad de transistores utilizados presenta ventajas tales como: obtener una ganancia mayor en la tensión de salida y disminuir las componentes armónicas en las señales de salida.
Los inversores trifásicos construidos a partir de inversores monofásicos se presentan como una gran alternativa al momento de trabajar con sistemas y hundimientos de tensión desbalanceados, ya que permite realizar un control en cada fase de manera independiente. La conmutación de las señales a partir de la modulación SPWM presenta ventajas al
momento de realizar el filtrado de las señales de salida, ya que las componentes armónicas se encuentran en una frecuencia de conmutación lejana a la frecuencia fundamental del sistema. Luego, a partir de la distorsión armónica de las señales de salida se diseñó un filtro LC enfocado particularmente hacia el funcionamiento en un DSTATCOM, del cual se obtuvieron señales con THD menor al 5% y sin corrimientos angulares. Además el filtro no presentó consumos elevados de potencia ni grandes caídas de tensión en el mismo.
Los sistemas de control basados en el método de la potencia reactiva instantánea son los más adecuados para implementar en sistemas desbalanceados. Sin embargo, debido a las limitaciones del modelamiento en ATP/EMTP se optó por realizar el control a partir de medidas RMS. De tal manera que se investigaron y diseñaron alternativas de los sistemas de control que de manera conjunta tuvieron un buen comportamiento en los casos seleccionados. Así, empleando las características principales de la modulación SPWM y utilizando los principios del control realizado a partir de medidas RMS, se diseñó un
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controlador capaz de mitigar hundimientos de tensión, corregir el factor de potencia, y trabajar bajo sistemas desbalanceados.
Dado que en el desarrollo del proyecto se planteó analizar hundimientos de tensión monofásicos, bifásicos y trifásicos, se optó por realizar un control por fase debido a que era la manera más eficiente de cumplir con dichos objetivos en el software ATP/EMTP. Por tal motivo hubo la necesidad de implementar un inversor de 48 pulsos construido a partir de inversores monofásicos.
El sistema presentó mejoras notables en sus perfiles de tensión en la presencia de un hundimiento de tensión cuando se conectó el DSTATCOM diseñado en los nodos afectados. Sin embargo, compensar en su totalidad hundimientos de tensión de rangos entre 0.1 y 0.2 ocasionados por fallas en el sistema seria ineficiente. Esto se debe a la cantidad de potencia reactiva que se necesita inyectar supera la potencia nominal del sistema y del DSTATCOM. Las causas de este comportamiento, se pueden asociar a que se está inyectando potencia a una falla a con impedancia de falla de 4 ohm, lo que ocasiona que la mayoría de potencia inyectada se consuma en la falla.
La severidad de los hundimientos de tensión ocasionados a partir de fallas, origina comportamientos inesperados en el sistema. En el ramal monofásico correspondiente a la zona 2 los niveles de tensión cuando el DSTATCOM entra en funcionamiento disminuyen con respecto a las tensiones del sag del sistema sin el dispositivo conectado. Se planteó y corroboro la hipótesis de que se presentan diferencias significativas entre los ángulos antes del sag y durante el sag, debido a que el DSTATCOM genera tensiones sincronizadas con el ángulo del hundimiento de tensión diferente al ángulos de tensión en los generadores, y en consecuencia se presentan flujos de potencia indeseados que afectan la amplitud de la señal en esos nodos.
A pesar de que no se incluyó una investigación de los controladores enfocados hacia la corrección del factor de potencia, ya se tenía claro el funcionamiento interno del DSTATCOM. Para este caso se diseñó un control de tensión más sensible ya que las potencias reactivas que se deben inyectar para compensar los reactivos son muchos menores en comparación con las potencias reactivas inyectadas para compensar un hundimiento de tensión. De esta manera, se diseñó de forma independiente un controlador que cumpliera con este requerimiento, el cual presenta excelentes resultados en la compensación de factor de potencia de los diferentes casos de estudio, ya que elevan factores de potencia desde 0,67 hasta 0,98
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APORTES
En el presente proyecto se trataron y desarrollaron temáticas enfocadas hacia cumplir con los objetivos planteados, y de acuerdo a la revisión bibliográfica realizada se evidencio que en el algunas de estas no se trabajan o no se profundizan en la literatura consultada. De esta manera, los aportes realizados por el trabajo de grado que contribuyen a investigaciones posteriores son nombrados a continuación:
Se realizó una metodología para la identificación de las zonas críticas del sistema a partir de la simulación de los once tipos de falla sólidamente aterrizados en los 34 nodos del sistema. A partir de la función objetivo y función absoluta, es posible ponderar y evaluar los efectos y el impacto de los hundimientos de tensión en un sistema de distribución, con el fin de determinar que nodos presentan un mayor impacto en los perfiles de tensión del sistema cuando en ellos se presentaba una falla.
Se planteó una metodología para identificar aquellos escenarios críticos en los cuales los hundimientos de tensión presentan un mayor impacto en el sistema, a partir de la simulación de sags en las zonas críticas del sistema variando el tiempo de ocurrencia, el tipo de sag, y la magnitud del hundimiento de tensión. Aplicando las ecuaciones de las funciones objetivo y absoluta es posible determinar aquellos casos que afectan de peor manera al sistema.
Se desarrolló en el software Matlab® una aplicativo (código e interfaz gráfica) para el manejo de datos, capaz de leer las variables de tensión de salida de cada nodo del sistema calculadas por el software ATP/EMTP y exportarlas a un archivo de Microsoft Excel®, en el cual el manejo de datos, graficas, formulas y demás es más sencillo. Esta herramienta se encuentra diseñada para el sistema IEEE 34 y sus modificaciones.
Se desarrolló y simulo un modelo completo del DSTATCOM, cuyos componentes de electrónica de potencia y sistema de control se modelaron con el fin de simular el comportamiento real de cada dispositivo. El objetivo del DSTATCOM es el de mitigar hundimientos de tensión y corregir el factor de potencia en un sistema de distribución, ante la presencia de casos balanceados o desbalanceados.
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TRABAJOS FUTUROS
A medida que se iba desarrollando el presente trabajo surgieron varios interrogantes a los cuales no fue posible darles respuesta, debido a que no se contemplaron en los alcances del proyecto. De esta manera, a continuación se listaran los trabajos futuros en los cuales se puede profundizar y completar la investigación del presente proyecto:
Realizar un diseño del sistema de control basado en el método de potencia reactiva para el DSTATCOM, ya que se estima que por su configuración y funcionamiento es más completo y puede presentar mayor eficiencia en la mitigación de hundimientos de tensión y corrección del factor de potencia en sistemas desbalanceados.
Adecuar y utilizar el DSTATCOM para la mitigación de otros problemas de calidad de energía tales como flickers, armónicos, etc. Estas compensaciones se pueden realizar cambiando el sistema de control del dispositivo, como por ejemplo orientar su funcionamiento hacia la inyección de potencias reactivas menores para la compensación de flickers, o la inyección de señales de tensión con forma de onda opuesta a las señales de tensión de los armónicos con el fin de mitigar estos últimos.
Utilizar los resultados del presente trabajo como referencia para realizar una primera aproximación a un prototipo real que se pueda implementar a bajas tensiones y en baja potencia, con el fin de corroborar de manera física el funcionamiento del DSTATCOM modelado.
Desarrollar una interfaz capaz de sincronizar simultáneamente los software ATP/EMTP y Matlab® con el fin de programar automáticamente la simulación de fallas que se requieran para cualquier tipo de sistema de distribución, y reducir el tiempo de manejo de datos, simulaciones, resultados, etc. Esta herramienta servirá para aumentar la eficiencia de los tiempos de recolección y análisis de la información.