Electrical Engineer, Flujo de Potencia, Ingeniería Eléctrica, Power Distribution, Teoría Electromagnética

Definición de Sistema Eléctrico de Potencia

Un sistema eléctrico de potencia es una herramienta de conversión y transporte de energía. Está compuesto por todas las máquinas, aparatos, redes, procesos y materiales utilizados para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. 

El manejo de la energía eléctrica en los sistemas de potencia se hace principalmente en la forma conocida como corriente alterna. En la entrada del sistema, la energía que se encuentra disponible en la naturaleza es transformada de diversas formas (hidráulica, eólica, por combustión de fósiles, nuclear, solar, geotérmica) en energía eléctrica. La última etapa en este proceso de generación lo representa el generador eléctrico. En la siguiente ilustración muestra la representación esquemática de una gran turbina eólica comercial (1) que impulsa un generador de inducción de jaula de ardilla (4) por medio de una caja de velocidades (3). El estator del generador está conectado a la red de energía eléctrica (7) por medio de un transformador (6):

Turbina Eólica

Una vez generada la energía eléctrica, inicia el proceso de transmisión, que consiste en el transporte de grandes bloques de energía desde los centros de generación hasta los centros de utilización. Ya disponible la energía eléctrica en los pueblos y ciudades, los usuarios finales son habilitados mediante el proceso de distribución.

Los sistemas de potencia eléctrica se componen de líneas de transmisión de alto voltaje que alimentan a una red de mediano voltaje (MV) por medio de subestaciones.

power lines over sunset and birds flying.

En América, estas redes de mediano voltaje operan generalmente entre los 2.4 KV (kilovoltios) y 69 KV. A su vez, éstas redes abastecen a millones de sistemas de bajo voltaje independientes que funcionan entre 120V y 600V.

Comenzando con la planta de generación, cada parte de un sistema eléctrico de potencia utiliza subestaciones de mediano voltaje, unidades que contienen los siguientes componentes principales:

  1. Transformadores
  2. Cortacircuitos
  3. Interruptores de conexión
  4. Interruptores de conexión a tierra
  5. Relevadores y dispositivos de protección

Las líneas de transmisión poseen todas las propiedades de los elementos básicos de un circuito (resistencias, capacitores, bobinas y las conexiones entre todos ellos). Para el análisis y estudio de las líneas de transmisión, mediante un proceso de abstracción, todos estos elementos se consideran concentrados, aunque en la realidad estas propiedades están distribuidas a través de toda la red. El estudio de las líneas de transmisión de un sistema eléctrico de potencia es el paso inicial para comprender a profundidad el comportamiento ondulatorio de dicho sistema.

A pesar de que la teoría fundamental de la transmisión de energía describe su propagación en términos de la interacción de campos eléctricos y magnéticos, el ingeniero eléctrico especializado en sistemas de potencia, estará más interesado en analizar la razón de cambio de la energía con respecto al tiempo en términos de diferencia de potencial (voltaje) y de la intensidad (corriente). Esta es la definición de potencia eléctrica cuya unidad de medida es el Watt.

Los sistemas de potencia funcionan con generadores trifásicos, por lo que el estudio de la potencia eléctrica requiere de destrezas para el análisis fasorial. Conviene antes, sin embargo, analizar la Potencia Eléctrica en Circuitos Monofásicos, y luego extrapolar este análisis al caso trifásico. Para poder analizar la Potencia Eléctrica en circuitos monofásicos, debemos dominar los elemental:

  1. Representación Fasorial de voltajes y corrientes – Fasores
  2. Relaciones fasoriales de los elementos de un circuito eléctrico

Fuente:

  1. Libro Analisis_de_sistemas_de_pot
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg
  3. Wildi. Maquinas Electricas y Sistemas de Potencia
  4. Getty Images

Revisión literaria hecha por:

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Flujo de Potencia – Simulación con Matlab

Versión pdf: Flujo de Potencia – Análisis y Simulación.

Las herramientas de Matlab para el análisis de sistemas de potencia pueden dividirse en dos tipos: programas comerciales y programas destinados a la educación e investigación. Entre los comerciales se mencionan los siguientes: NEPLAN, PowerWorld y ATP. La principal desventaja de estos es que son programas de código cerrado, por tanto no se pueden modificar sus rutinas o agregar nuevos modelos de dispositivos eléctricos, lo que limita enormemente su aplicación para el análisis de nuevas tecnologías, así como su aplicación para la investigación y la educación. En contraste, Matpower (Matlab Power System Simulation Package) es una herramienta de código abierto, fácilmente modificable que se adapta a las necesidades del mundo académico. En sus propias palabras, el matpower-guide reza: MATPOWER is a package of MATLAB M-files for solving power flow and optimal power flow problems. It is intended as a simulation tool for researchers and educators that is easy to use and modify. MATPOWER is designed to give the best performance possible while keeping the code simple to understand and modify…MATPOWER is free. Anyone may use it. A continuación, la Figura 1 muestra un resumen de los paquetes basados en Matlab para el análisis de sistemas de potencia:

Figura 1: Paquetes basados en Matlab para el estudio de sistemas de potencia.

Fuente: (Guzmán M. , 2012)

Aplicación.

Caso 9 Bus IEEE

Caso 30 Bus IEEE

A continuación se presentan aplicaciones específicas de Matlab y su herramienta Matpower para analizar casos IEEE de 30 barras y 9 barras (Figuras de arriba). Si bien, la función objetivo puede ser cualquiera (en estos ejemplos se utilizan los algoritmos “Simulated Annealing” y “Tabu Search” ), la corrida de flujo de potencia es un buen ejemplo del cómo se ejecuta dicha corrida en Matlab. Para ejecutar los ejemplos se debe crear un archivo .m para cada título (a,b,…etc), con el nombre exactamente igual como aparece en la lista porque…. Cada uno de ellos es utilizado por el Principal y deben estar todos cargados en matlab en la misma bandeja, la misma vía de acceso, para que matlab los encuentre. Adicional a esto, se deben copiar y cargar en Matlab varios archivos de la librería de Matpower.

  1. Tabu Search
    1. Principal.m
    2. st.m
    3. ogranicenja.m
    4. JANA.m
    5. Fobj.m
    6. Ybus.m
    7. Caso_30Bus.m
    8. Caso_9Bus.m
    9. Deberá obtener de la librería de Matpower y cargar en Matlab los siguientes archivos:
      1. test.mat
      2. all.mat
      3. bus.mat
    10. También debes crear un par de archivos jpg para las imágenes de cada caso mostradas más arriba
      1. Caso_30Bus.jpg
      2. Caso_9Bus.jpg

Instrucciones: Al darle play al archivo Principal.m, se te abre una ventana interactiva (IDE). Del lado superior izquierdo elegirás el tipo de bus (9 o 30), elegirás el método (solo tabu search por los momentos), la función objetivo (solo aparece pérdidas) y luego llenas las características para el tabu search, coloqué un botón que indica por defecto y te lanza unos datos, dale a por defecto (tmax aumenta el tiempo de iteración, mejora la solución por si quieres jugar con el). Presionas el botón Corrida que es de color Morado, e iniciará los cálculos Esperas a que termine y en resultados puedes ver todas las respuestas. Sabrás que el programa terminó porque te mostrará una gráfica y desaparecerán todo el desastre de gráficas y tablas que estaban antes. También en la ventana de comando te saldrá un tiempo, el que tardó en cada vuelta. Hay dos botones de imagen, uno te lanza el resultado de las pérdidas verás que la gráfica es una curva que baja. El otro botón de Imagen te da otra gráfica, que es la de iteraciones por Bus.

  1. Tabu Search (variante)
    1. Caso_30Bus.m
    2. Caso_9Bus.m
    3. Bus30.m
    4. Bus9.m
    5. Instrucciones: En este caso no se ejecuta un IDE sino que la corrida se observa directamente en la cónsola de Matlab. Debes cargar todos los archivos restantes del caso anterior. El principal en este caso es Bus30, o Bus9.
  2. Simulated Annealing
    1. En este ejemplo tendremos más de 80 archivos. La manera más práctica de compartir este ejemplo contigo es que me envíes tu dirección de correo electrónico y utilizo la herramienta de google drive para compartir todo en uno, (igual podemos hacer lo mismo con Tabu Search) de manera tal que lo descargues en tu compu, luego direccionas matlab adecuadamente y ejecutas…sencillo, gratis y un placer por servir. Por favor escribir solicitud a dademuchconnection@gmail.com

La programación en Matlab fue desarrollada por el estimado profesor de la EIE-UCV  Rafael Malpica.

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