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Impacto de la sobrecarga de Energ�a Reactiva en Sistemas Fotovoltaicos conectados a la Red

 

Impact of Reactive Energy overload on Photovoltaic Systems connected to the Grid

 

Impacto da sobrecarga de Energia Reactiva em Sistemas Fotovoltaicos ligados � Rede

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: marvin.castellano2066@utc.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 24 de mayo de 2024 *Aceptado: 13 de junio de 2024 * Publicado: �09 de julio de 2024

 

        I.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

 

Resumen

Este trabajo analiza el impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica. Mediante un enfoque que combina an�lisis te�ricos y una simulaci�n realizada en MatLab, a trav�s de ello se evalu� c�mo la inyecci�n excesiva de energ�a reactiva afecta la calidad del suministro el�ctrico. Los resultados demostraron que bajos factores de potencia inducen fluctuaciones significativas en los voltajes de los nodos, provocando problemas de regulaci�n de tensi�n, p�rdidas adicionales y distorsi�n arm�nica. Se exploraron estrategias de reducir el efecto de la energ�a reactiva en sistemas fotovoltaicos conectados a la red, como an�lisis en el control de inversores, dise�os optimizados y esquemas de compensaci�n reactiva. Este estudio resalta la importancia de gestionar adecuadamente la energ�a reactiva para mejorar la integraci�n de sistemas fotovoltaicos, optimizar su rendimiento y contribuir a un suministro energ�tico m�s eficiente y sostenible.

Palabras clave: Energ�a reactiva; Sobrecarga; Sistemas fotovoltaicos; MatLab, regulaci�n de tensi�n.

 

Abstract

This work analyzes the impact of reactive energy overload in photovoltaic systems connected to the electrical grid. Through an approach that combines theoretical analyzes and a simulation carried out in MatLab, it was evaluated how the excessive injection of reactive energy affects the quality of the electrical supply. The results demonstrated that low power factors induce significant fluctuations in node voltages, causing voltage regulation problems, additional losses and harmonic distortion. Strategies to reduce the effect of reactive power in grid-connected photovoltaic systems were explored, such as inverter control analysis, optimized designs and reactive compensation schemes. This study highlights the importance of properly managing reactive energy to improve the integration of photovoltaic systems, optimize their performance and contribute to a more efficient and sustainable energy supply.

Keywords: Reactive energy; Overload; Photovoltaic systems; MatLab, voltage regulation.

 

Resumo

Este trabalho analisa o impacto da sobrecarga de energia reativa em sistemas fotovoltaicos ligados � rede el�trica. Atrav�s de uma abordagem que combina an�lises te�ricas e uma simula��o realizada em MatLab, avaliou-se como a inje��o excessiva de energia reativa afeta a qualidade do fornecimento el�trico. Os resultados demonstraram que baixos fatores de pot�ncia induzem flutua��es significativas nas tens�es dos n�s, causando problemas de regula��o de tens�o, perdas adicionais e distor��o harm�nica. Foram exploradas estrat�gias para reduzir o efeito da pot�ncia reativa em sistemas fotovoltaicos ligados � rede, como a an�lise de controlo de inversores, projetos otimizados e esquemas de compensa��o reativa. Este estudo real�a a import�ncia de gerir adequadamente a energia reativa para melhorar a integra��o dos sistemas fotovoltaicos, otimizar o seu desempenho e contribuir para um fornecimento de energia mais eficiente e sustent�vel.

Palavras-chave: Energia reativa; Sobrecarga; Sistemas fotovoltaicos; MatLab, regula��o de tens�o.

 

Introducci�n

En las �ltimas d�cadas, la creciente demanda de energ�a y la creciente preocupaci�n por el cambio clim�tico han impulsado un aumento significativo en la adopci�n de fuentes de energ�a renovables, particularmente los sistemas fotovoltaicos (FV) conectados a la red el�ctrica [1]. A medida que se integran m�s sistemas FV en la red, surge la necesidad de abordar los desaf�os t�cnicos asociados con su funcionamiento �ptimo y su impacto en la calidad de la energ�a suministrada [2].

Uno de los aspectos cr�ticos a considerar es la gesti�n de la energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. La energ�a reactiva, medida en voltio-amperios reactivos (VAR), es un componente esencial del flujo de potencia en los sistemas de distribuci�n de energ�a el�ctrica. Representa la parte de la potencia aparente que no realiza un trabajo neto, sino que oscila entre los campos el�ctricos y magn�ticos de los componentes del sistema [3]. Sin embargo, una sobrecarga de energ�a reactiva puede provocar problemas significativos, como ca�das de tensi�n, p�rdidas de transmisi�n adicionales, sobrecalentamiento de equipos y una reducci�n general de la eficiencia del sistema [4].

Cuando los sistemas FV se conectan a la red, pueden contribuir a la generaci�n o consumo de energ�a reactiva, dependiendo de varios factores, como la tecnolog�a del inversor, la configuraci�n del sistema y las condiciones de operaci�n [5]. Los inversores fotovoltaicos modernos tienen la capacidad de controlar la potencia reactiva, lo que les permite operar en modo de factor de potencia unitario, modo de control de tensi�n o modo de control de potencia reactiva [6]. Sin embargo, una gesti�n inadecuada de la energ�a reactiva puede limitar la capacidad de integraci�n de los sistemas FV en la red, comprometer la calidad del suministro de energ�a y aumentar los costos operativos para los operadores de la red y los propietarios de los sistemas FV [7].

La sobrecarga de energ�a reactiva en los sistemas FV puede ocurrir debido a varios factores. Uno de ellos es la operaci�n de los inversores FV en modo de factor de potencia unitario, lo que puede provocar un consumo excesivo de energ�a reactiva, especialmente durante per�odos de baja irradiaci�n solar [8]. Adem�s, los efectos capacitivos o inductivos de los cables y transformadores en los sistemas FV pueden contribuir a la generaci�n o consumo de energ�a reactiva [9].

Las consecuencias de una sobrecarga de energ�a reactiva en los sistemas FV conectados a la red son significativas. En primer lugar, puede provocar ca�das de tensi�n en la red de distribuci�n, lo que puede afectar la calidad del suministro de energ�a y causar problemas de regulaci�n de tensi�n [10]. Adem�s, la circulaci�n de corrientes reactivas excesivas puede aumentar las p�rdidas de potencia en los conductores y transformadores, reduciendo la eficiencia general del sistema [11].

Otro aspecto importante es la distorsi�n arm�nica causada por la sobrecarga de energ�a reactiva. Los inversores FV pueden generar corrientes arm�nicas que se inyectan en la red, lo que puede causar interferencias electromagn�ticas y problemas de calidad de la energ�a [12]. Adem�s, la operaci�n de los sistemas FV en condiciones de sobrecarga de energ�a reactiva puede provocar un aumento en las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que contradice los objetivos ambientales de las energ�as renovables [13].

Adem�s, se analizaron estrategias de mitigaci�n y control para gestionar eficazmente la energ�a reactiva en los sistemas FV conectados a la red. Esto puede incluir t�cnicas de control de inversores avanzadas, como el control de Potencia Reactiva basado en droop [14], el control de tensi�n adaptativo [15] y el control de potencia reactiva basado en la posici�n del punto de m�xima potencia [16]. Tambi�n se considerar�n dise�os de sistemas optimizados, como la ubicaci�n estrat�gica de bancos de condensadores [17] y la implementaci�n de algoritmos de despacho �ptimo de potencia reactiva [18].

Otra estrategia aplicable es el uso de esquemas de compensaci�n reactiva, como la instalaci�n de dispositivos de compensaci�n est�tica de VAR (SVC) [19] o la integraci�n de sistemas de almacenamiento de energ�a con capacidades de control de potencia reactiva [20]. Adem�s, se analizar�n enfoques operativos mejorados, como la coordinaci�n entre m�ltiples sistemas FV y la integraci�n de sistemas de gesti�n de energ�a inteligentes [21].

Con lo analizado anteriormente, se puede mejorar la integraci�n de los sistemas FV en la red, optimizar su rendimiento y contribuir a un suministro de energ�a m�s eficiente y confiable. Esto es fundamental para aprovechar al m�ximo el potencial de los sistemas fotovoltaicos como una fuente de energ�a renovable y sostenible, al tiempo que se garantiza la estabilidad y la calidad de la red el�ctrica.

Este proyecto se centr� en evaluar el impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Se analizar�n los mecanismos que conducen a la generaci�n o consumo excesivo de energ�a reactiva, as� como sus consecuencias en t�rminos de p�rdidas de potencia, distorsi�n arm�nica, regulaci�n de tensi�n y otros aspectos relevantes de la calidad de la energ�a.

 

Metodolog�a

Para abordar el impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en sistemas fotovoltaicos conectados a la red, se emplear� un enfoque metodol�gico que combina an�lisis te�ricos, simulaciones num�ricas y estudios experimentales. Esta estrategia multifac�tica permitir� una comprensi�n profunda de los mecanismos subyacentes y las consecuencias pr�cticas de la sobrecarga de energ�a reactiva, as� como el desarrollo y validaci�n de estrategias de mitigaci�n efectivas.

 

Procedimiento

An�lisis te�rico

Se llevar� a cabo un estudio exhaustivo de los principios fundamentales y las teor�as relacionadas con la generaci�n, flujo y control de la energ�a reactiva en sistemas de distribuci�n el�ctrica. Esto incluir� una revisi�n de conceptos clave como el factor de potencia, analizando su comportamiento en sistemas fotovoltaicos conectados a la red y su impacto en la eficiencia y estabilidad del sistema el�ctrico; la regulaci�n de tensi�n, evaluando c�mo la energ�a reactiva influye en la calidad del suministro el�ctrico; las p�rdidas de potencia, midiendo las p�rdidas asociadas con la circulaci�n de energ�a reactiva en conductores y transformadores; y la distorsi�n arm�nica, investigando la generaci�n de arm�nicos por inversores fotovoltaicos y su impacto en la calidad de la energ�a.

 

 

Simulaci�n en sistema de prueba IEEE de 6 nodos

Para analizar el impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en sistemas fotovoltaicos conectados a la red, se utiliza un sistema de prueba basado en el sistema IEEE de 6 nodos. Este sistema se configura con par�metros espec�ficos de tensi�n y potencia, as� como con datos detallados de l�neas de transmisi�n y cargas. El objetivo principal es evaluar c�mo diferentes factores de potencia inductivos en la generaci�n fotovoltaica afectan los voltajes en los nodos del sistema.

 

Par�metros del Sistema

El sistema se configura con una tensi�n nominal de �y una P. A partir de estos valores, se calcula la impedancia base �y la admitancia base , utilizando las siguientes f�rmulas:

 

Datos del Sistema y Cargas

El sistema IEEE de 6 nodos se modela con datos espec�ficos de l�neas de transmisi�n y cargas. Las l�neas de transmisi�n se describen mediante sus resistencias y reactancias, y las cargas se especifican en t�rminos de potencia activa �y Potencia Reactiva �en cada nodo.

 

Generaci�n Fotovoltaica

La capacidad de generaci�n fotovoltaica se establece en . Para analizar el impacto de la energ�a reactiva, se consideran diferentes factores de potencia inductivos . Estos factores de potencia determinan la cantidad de potencia reactiva inyectada por el sistema fotovoltaico.

 

Construcci�n de la Matriz de Admitancia

Se construye la matriz de admitancia �del sistema utilizando los datos de las l�neas de transmisi�n. La admitancia entre dos nodos se calcula como el inverso de la impedancia total de la l�nea que los conecta. La matriz de admitancia se llena considerando las conexiones entre los nodos y sus respectivas impedancias:

 

Potencias Inyectadas en Cada Nodo

Las potencias inyectadas en cada nodo �se calculan en unidades por unidad �utilizando la base de potencia. Las cargas se representan como potencias negativas, mientras que la generaci�n fotovoltaica se modela como una inyecci�n de potencia positiva en el nodo correspondiente.

 

Iteraciones del Flujo de Potencia

Para resolver el flujo de potencia en el sistema, se utiliza el m�todo de Newton-Raphson iterativo. El nodo 1 se considera como el bus de referencia (slack bus) con tensi�n fija. Las iteraciones se realizan hasta que la diferencia entre los voltajes calculados en dos iteraciones consecutivas sea menor que una tolerancia predefinida . La f�rmula iterativa para actualizar los voltajes es:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1: Diagrama de Flujo An�lisis del Impacto de la Energ�a Reactiva sobre un nodo de prueba IEEE de 6 nodos

 

Materiales: Para realizar el an�lisis del impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en sistemas fotovoltaicos conectados a la red, se utilizaron los siguientes materiales y herramientas: una computadora con suficiente capacidad de procesamiento, MATLAB R2024a o una versi�n compatible, y los paquetes MATLAB Power System Toolbox y MATLAB Optimization Toolbox. Estos proporcionan funciones y herramientas espec�ficas para el an�lisis y simulaci�n de sistemas el�ctricos. Adem�s, se emplearon datos detallados del sistema IEEE de 6 nodos, incluyendo resistencia, reactancia y susceptancia de las l�neas de transmisi�n, potencias activas y reactivas en cada nodo, y capacidad de generaci�n y factores de potencia inductivos de la generaci�n fotovoltaica. Para escribir y ejecutar el script de MATLAB, se utiliz� un editor de texto o entorno de desarrollo integrado (IDE) como MATLAB Editor. Finalmente, las herramientas de visualizaci�n de MATLAB se emplearon para graficar los resultados del an�lisis de voltajes en los nodos del sistema de potencia, permitiendo una evaluaci�n del comportamiento del sistema bajo diferentes condiciones de carga reactiva

 

Resultados

Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones num�ricas en el sistema de prueba IEEE de 6 nodos revelaron el impacto significativo que tiene la sobrecarga de energ�a reactiva en los voltajes de los nodos del sistema de potencia. La Tabla 1 muestra los valores de voltaje en cada nodo para diferentes factores de potencia inductivos del sistema fotovoltaico.

 

Tabla 1: Voltajes en cada nodo (kV) para diferentes factores de potencia del sistema fotovoltaico

 

Los resultados demuestran que a medida que el factor de potencia del sistema fotovoltaico se reduce, lo que implica una mayor componente inductiva y, por lo tanto, una mayor inyecci�n de energ�a reactiva, los voltajes en los nodos del sistema de potencia experimentan variaciones significativas. En algunos nodos, los voltajes aumentan considerablemente, mientras que, en otros, los voltajes disminuyen.

Esta fluctuaci�n en los niveles de voltaje puede afectar negativamente la estabilidad y eficiencia del sistema de distribuci�n el�ctrica. Voltajes excesivamente altos o bajos en los nodos pueden causar problemas de regulaci�n de tensi�n, aumento de p�rdidas de potencia en las l�neas de transmisi�n y transformadores, y posibles da�os a los equipos y cargas conectadas.

La Figura 2 del documento ilustra gr�ficamente el impacto de la energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos, mostrando c�mo los voltajes en los nodos var�an dr�sticamente a medida que se reduce el factor de potencia del sistema fotovoltaico.

 

 

 

Figura 2: Simulaci�n del Impacto de la Energ�a Reactiva en Sistemas Fotovoltaicos

 

Discusi�n

Los resultados obtenidos en este estudio ponen de manifiesto la necesidad cr�tica de abordar la gesti�n de la energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica. La sobrecarga de energ�a reactiva, evidenciada por los bajos factores de potencia inductivos, tiene un impacto significativo en los voltajes de los nodos del sistema de distribuci�n, provocando fluctuaciones que pueden comprometer la estabilidad y eficiencia del sistema.

Los voltajes excesivamente altos o bajos en los nodos pueden causar varios problemas t�cnicos. Por un lado, los voltajes elevados pueden generar estr�s en el aislamiento de los equipos y aumentar el riesgo de fallas el�ctricas. Por otro lado, los voltajes bajos pueden afectar el desempe�o de las cargas y provocar ca�das de tensi�n que violen los est�ndares de calidad de la energ�a. Estas fluctuaciones de voltaje tambi�n pueden causar problemas de regulaci�n de tensi�n, lo que requiere ajustes frecuentes en los transformadores y otros dispositivos de control.

Adem�s de los problemas de regulaci�n de tensi�n, la sobrecarga de energ�a reactiva tambi�n contribuye a un aumento en las p�rdidas de potencia en las l�neas de transmisi�n y transformadores. Estas p�rdidas adicionales reducen la eficiencia general del sistema de distribuci�n y pueden resultar en costos operativos m�s altos para los operadores de la red y los propietarios de los sistemas fotovoltaicos.

Otro aspecto importante a considerar es el impacto de la sobrecarga de energ�a reactiva en la calidad de la energ�a suministrada. Los inversores fotovoltaicos pueden generar corrientes arm�nicas que se inyectan en la red, y estas corrientes arm�nicas pueden verse amplificadas en condiciones de sobrecarga de energ�a reactiva. Esto puede causar interferencias electromagn�ticas y otros problemas de calidad de la energ�a, afectando el funcionamiento adecuado de los equipos y cargas conectados a la red.

Los resultados obtenidos en este estudio resaltan la importancia de implementar estrategias efectivas para disminuir la sobrecarga de energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Algunas de las estrategias exploradas en este trabajo incluyen t�cnicas de control de inversores, dise�os de sistemas optimizados, esquemas de compensaci�n reactiva y enfoques operativos mejorados.

 

Conclusiones

La sobrecarga de energ�a reactiva, representada por factores de potencia inductivos bajos en los sistemas fotovoltaicos, tiene un impacto directo en los voltajes de los nodos del sistema de distribuci�n. Los resultados demostraron que a medida que el factor de potencia disminuye, los voltajes en los nodos pueden fluctuar dr�sticamente, con algunos nodos experimentando voltajes excesivamente altos y otros voltajes bajos.

Estas variaciones en los niveles de voltaje pueden provocar problemas de regulaci�n de tensi�n, aumentar las p�rdidas de potencia en las l�neas de transmisi�n y transformadores, y comprometer la calidad del suministro de energ�a. Adem�s, pueden generar estr�s en el aislamiento de los equipos y afectar el rendimiento de las cargas conectadas a la red.

Otro aspecto importante es la distorsi�n arm�nica causada por la sobrecarga de energ�a reactiva. Los inversores fotovoltaicos pueden generar corrientes arm�nicas significativas, y estas corrientes arm�nicas pueden verse amplificadas en condiciones de sobrecarga de energ�a reactiva, causando interferencias electromagn�ticas y otros problemas de calidad de la energ�a.

Las estrategias de mitigaci�n exploradas en este estudio, que incluyen t�cnicas de control de inversores avanzadas, dise�os de sistemas optimizados, esquemas de compensaci�n reactiva y enfoques operativos mejorados, han demostrado su potencial para gestionar eficazmente la energ�a reactiva en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red.

 

 

Referencias

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  20.            J. D. Munoz, A. B. Movila, and N. G. Inuiguchi, "Reactive power control strategies for energy storage systems to support grid operation in the presence of photovoltaic generation," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 13, no. 2, pp. 1047-1056, 2022.

  21.            A. Y. Rezaee Akbar, A. Ahmadian, C. Rosenberg, and R. D. Cruz, "Coordinated control of distributed energy resources in active distribution networks using energy storage systems and reactive power control," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 13, no. 1, pp. 415-424, 2022.

 

 

 

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

 

 

 

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