Revista Técnica energía

Análisis de sobrevoltajes por impulso atmosférico en sistemas de Transmisión con discontinuidades líneas de transmisión aéreas y cables aislados, usando ATP

Resumen: El artículo muestra un análisis de los sobrevoltajes ocasionados por impulsos atmosféricos en sistemas de transmisión con discontinuidades, esto es, líneas de transmisión aéreas que se conectan a cables aislados, las simulaciones se hacen mediante el uso del software Alternative Transients Program (ATP). El análisis se realiza considerando descargas atmosféricas directas en el cable de guarda o torre de transmisión, y cuando ocurre una falla del apantallamiento de la línea, esto es un impacto directo del rayo en el conductor de fase. Para la determinación de los voltajes en los extremos del cable aislado y analizar su potencial afectación, se ha implementado un sistema de transmisión de prueba en el cual se ha definido un Caso Base, que está compuesto por seis torres de transmisión y un cable aislado protegido en ambos extremos por dispositivos descargadores de sobretensión, DPS. Se analiza el efecto de variar algunos parámetros que inciden en la magnitud de los voltajes tanto al ingreso del cable aislado como a la salida, con el fin de determinar la situación más crítica que puede influir en los valores máximos de sobrevoltaje en el cable aislado. Los resultados obtenidos permiten confirmar el efecto que tienen las discontinuidades presentes entre dos componentes de un sistema eléctrico en las magnitudes de voltaje que puedan producirse en un sistema debido a descargas atmosféricas.

Abstract: This paper shows an analysis of the overvoltages caused by atmospheric impulses in transmission systems with discontinuities, overhead transmission lines, and insulated cables using the Alternative Transients Program (ATP) software. The analysis is performed considering direct lightning impact on the guard cable or transmission tower and the direct impact on the phase conductor, when shielding failure occurs. In order to determine voltages at the ends of the insulated cable and analyze its potential affectation, a test transmission system has been implemented, and Base Case has been defined; this case is formed by six transmission towers and insulated cable protected in both sides by surge arresters. The effect of varying parameters that affect the magnitude of the voltages at both the input and the output of the insulated cable is analyzed in order to determine the most critical situation that can influence the maximum overvoltage values in the insulated cable. The results confirm the effect that the discontinuities between two components of an electrical system have on the voltage magnitudes that may occur in a system due to atmospheric discharges.

Solución al problema de Despacho Hidrotérmico a corto plazo mediante la programación no lineal aplicada a sistemas de uno y varios nodos

Resumen: La presente investigación propone dos modelos al problema de despacho económico a corto plazo de los sistemas eléctricos de potencia por medio de la programación no lineal (PNL). Los problemas planteados serán resueltos mediante la función de costo del despacho económico clásico en donde se considerarán centrales de generación térmica e hidráulicas para obtención de la potencia eléctrica generada en cada uno de los nodos, la metodología propuesta será utilizada para un periodo a corto plazo de 24 horas con diferente demanda horaria, al ser un despacho a corto plazo este se enfoca en la entrega de potencia que cubra la demanda designada en cada horario, por lo que no considerará para ninguno de los casos un costo de déficit o incertidumbre en las variables. En primera instancia se desarrollará el modelo para un solo nodo con embalses en cascada, mientras que el segundo caso será desarrollado en el sistema de 14 buses de la IEEE. La programación no lineal muestra resultados satisfactorios cumpliendo con las restricciones operativas implementadas en el modelo matemático, además se reduce considerablemente la participación de generación térmica lo que representa menor costo, el primer modelo de un nodo es validado mediante bibliografía obteniendo un costo de operación de $904.990. De la misma forma, cumpliendo con todos los parámetros designados, el segundo modelo llega a obtener un costo total de $129.802,16 satisfaciendo el total de la demanda en ambos casos, sujeto a cada una de sus restricciones.

Abstract: This research proposes two models for the problem of short-term economic dispatch of electrical power systems through nonlinear programming (NLP). The problems raised will be resolved through the cost function of the classic economic dispatch where thermal and hydraulic generation plants will be considered to obtain the electrical power generated in each of the nodes. The proposed methodology will be used for a short-term period of 24 hours with different hourly demand, as it is a short-term dispatch, it focuses on the delivery of power that covers the designated demand in each schedule, so it will not consider a deficit cost or uncertainty in the variables in any of the cases. In the first instance, the model will be developed for a single node with cascade reservoirs, while the second case will be developed in the IEEE 14-bus system. The non-linear programming shows satisfactory results, complying with the operational restrictions implemented in the mathematical model, in addition, the participation of thermal generation is considerably reduced, which represents a lower cost. The first model of a node is validated through bibliography, obtaining an operating cost of $904,990. In the same way, complying with all the designated parameters, the second model obtains a total cost of $129,800, satisfying the total demand in both cases, subject to each of its restrictions.

Herramienta de Identificación Paramétrica, Validación y Sintonización de Reguladores de Velocidad Mediante Algoritmos de Optimización Heurísticos

Resumen: En la actualidad, la operación del sistema eléctrico ecuatoriano experimenta varios desafíos técnicos, tales como: 1) la integración de sistemas eléctricos vecinos en el Sistema de Interconexión Eléctrica Andina (SINEA) y 2) la diversificación de las fuentes primarias de energía. Bajo estas nuevas condiciones operativas, la seguridad dinámica puede ser afectada por problemas de estabilidad de frecuencia. Con base en la regulación de frecuencia se busca, a través de mecanismos de control y reservas de generación disponible, responder en forma adecuada a las exigencias del sistema eléctrico. Bajo este contexto, es necesario el desarrollo de metodologías que permitan la respuesta rápida y precisa de los equipos de control potencia - frecuencia, tales como los reguladores de velocidad, los cuales actúan de forma local en los generadores para realizar la Regulación Primaria de Frecuencia. Con estos antecedentes, se propone una metodología, basada en métodos heurísticos de optimización, para el desarrollo de una herramienta que permita realizar la identificación paramétrica y ajuste de los reguladores de velocidad. Con las mediciones obtenidas en base a la metodología propuesta, la herramienta desarrollada logró de manera efectiva realizar la identificación y validación del sistema de regulación de velocidad de la central CCS así como proponer nuevos parámetros que mejoran la respuesta del sistema identificado.

Abstract: Currently, Ecuadorian electrical system operation is experiencing several technical challenges, such as: 1) neighboring electrical systems integration in the Andean Electrical Interconnection System (SINEA) and 2) primary energy sources diversification. Under these new operating conditions, dynamic safety may be compromised by frequency stability issues. Based on frequency regulation, the objective is to use control mechanisms and available generation reserves to respond suitably to the electrical system's demands. Within this context, it becomes imperative to devise methodologies that ensures fast and accurate responses of power-frequency control equipment, such as speed regulators employed for Primary Frequency Regulation in generators. Given this foundation, an approach is presented relying on heuristic optimization methodologies, for the development of a tool that helps to compute the parametric identification and adjustment of speed controllers. Using measurements obtained from the proposed methodology, the developed tool was able to effectively perform the identification and validation of the speed regulation system of the CCS power plant as well as to propose new parameters that improve the response of the identified system.

Regresión Lineal para la Identificación del Punto de Máxima Potencia en Microrredes Híbridas Implementado en HYPERSIM

Resumen: El presente trabajo se enfoca en la optimización del seguimiento de máxima potencia (MPPT) en sistemas fotovoltaicos mediante el empleo de una nueva técnica basada en regresión lineal. El propósito principal es desarrollar un algoritmo de MPPT que utilice técnicas de regresión lineal, lo que implica identificar y seguir con mayor exactitud el punto de máxima potencia de los paneles solares. El algoritmo propuesto se desarrolla en el software MATLAB/Simulink, validándose a través de pruebas experimentales. Posteriormente, se extiende la aplicación del algoritmo a una red eléctrica modelada y simulada en el software HYPERSIM, esta herramienta permite un análisis más detallado de la dinámica instantánea de las variables eléctricas y de control en sistemas complejos al variar factores como la temperatura e irradiación. La contribución innovadora de este trabajo no solo se circunscribe a la mejora de los algoritmos de MPPT en sistemas fotovoltaicos. Se destaca que, aunque el término MPPT se asocie principalmente con la energía solar fotovoltaica, la optimización de la potencia disponible también es relevante para otras fuentes de energía renovable. La optimización de la conversión de energía solar en electricidad utilizable no solo aumenta la rentabilidad y sostenibilidad de estos sistemas, sino que también destaca el papel fundamental en la transición hacia un suministro eléctrico más sostenible.

Abstract: The present work focuses on the optimization of maximum power tracking (MPPT) in photovoltaic systems by employing a new technique based on linear regression. The main purpose is to develop an MPPT algorithm using linear regression techniques, which involves identifying and tracking the maximum power point of solar panels more accurately. The proposed algorithm is developed in MATLAB/Simulink software and validated through experimental tests. Subsequently, the application of the algorithm is extended to an electrical network modeled and simulated in HYPERSIM software, this tool allows a more detailed analysis of the instantaneous dynamics of electrical and control variables in complex systems when varying factors such as temperature and irradiation. The innovative contribution of this work is not only limited to the improvement of MPPT algorithms in photovoltaic systems. It is highlighted that, although the term MPPT is mainly associated with solar PV, the optimization of available power is also relevant for other renewable energy sources. Optimizing the conversion of solar energy into usable electricity not only increases the cost-effectiveness and sustainability of these systems, but also highlights the key role in the transition to a more sustainable electricity supply.

Diseño y Evaluación de un Sistema Fotovoltaico Aislado para Iluminación en Vías Rurales y Carga de Vehículos Eléctricos Basado En Un Enfoque Multipropósito

Resumen: Se presentan los resultados de una propuesta de un sistema fotovoltaico de alta eficiencia con aplicaciones multipropósito, implementado a lo largo de una carretera. Este sistema está diseñado para abordar cuestiones relacionadas con la iluminación, las telecomunicaciones y la carga de vehículos eléctricos. La necesidad de un sistema aislado surge de los apagones repentinos en el país que afectan la seguridad vial, el excesivo uso de vehículos de combustibles fósiles que emiten gases que contaminan el planeta, así como la falta de señal telefónica en algunas zonas. En el ámbito de la iluminación, se realiza un análisis utilizando el software DiaLux para garantizar el cumplimiento de los estándares adecuados de iluminación para diferentes tipos de carreteras. Además, el sistema multipropósito incluye la carga de vehículos eléctricos livianos de uso particular, que se está volviendo cada vez más relevante debido al cambio hacia vehículos más ecológicos. La provisión de carga de vehículos eléctricos a lo largo de las carreteras resuelve el problema de la autonomía limitada de los vehículos eléctricos y promueve su uso confiable. La evaluación del recurso energético mediante el método Glover y McCulloch es fundamental para diseñar un sistema eficiente capaz de satisfacer diversas necesidades del usuario. Además, la reducción de las emisiones de dióxido de carbono es un aspecto importante, ya que los vehículos eléctricos pueden contribuir significativamente a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los vehículos de combustibles fósiles

Abstract: The results of a proposal for a high-efficiency photovoltaic system with multipurpose applications implemented along a road are presented. This system is designed to address issues related to lighting, telecommunications, and electric vehicle charging. The need for an isolated system arises from sudden power outages in the country that affect road safety and reliability, as well as the lack of phone signal in some areas. In the field of lighting, an analysis is conducted using DiaLux software to ensure compliance with appropriate lighting standards for different types of roads. Furthermore, the multipurpose system includes electric vehicle charging, which is becoming increasingly relevant due to the shift towards more eco-friendly vehicles. Providing electric vehicle charging along roads resolves the issue of limited electric vehicle range and promotes their reliable use. The evaluation of the energy resource using the Glover and McCulloch method is essential for designing an efficient system capable of meeting various user needs. Additionally, reducing carbon dioxide emissions is a significant consideration, as electric vehicles can significantly contribute to reducing greenhouse gas emissions compared to fossil fuel vehicles.

Estrategia de control robusto descentralizado para una micro-red aislada con generación distribuida acoplada para mejorar la estabilidad de voltaje

Resumen: El constante avance de la tecnología requiere una gran cantidad de energía, por ello se ha propuesto la inclusión de fuentes de energía renovable (RES) cerca de los centros de carga. La implementación de fuentes de energía renovable como la energía fotovoltaica, que introduce variabilidad en la generación debido a factores fluctuantes como la radiación. Estas RES son implementadas también en sectores donde el sistema eléctrico convencional no es capaz de llegar, de esta manera se garantiza el abastecimiento de energía eléctrica a toda la población. El paper presenta una novedosa estrategia de control de Micro-redes aisladas, basado en el control jerárquico y control droop modificado. Esta estrategia robusta permite mejorar la estabilidad de voltaje y su comportamiento transitorio. Se implementa una Micro-red de referencia con dos fuentes fotovoltaicas con valores nominales. Lo que permite verificar el desempeño de la estrategia propuesta comparando con un controlador PI convencional. Sin embargo, la implementación de estos nuevos sistemas implica retos de control para que su funcionamiento sea correcto, indiferente que la Micro-red funcione de forma conectada o aislada a la red convencional.

Abstract: The paper presents a novel control strategy for islanded Microgrids, based on hierarchical control and modified droop control. The robust control strategy presented allows stability voltage improvement and its transient behavior. Which subscribes to verify the performance of the proposed strategy compared with a conventional PI controller. The implementation of renewable energy sources such as photovoltaics, which introduces variability in generation due to fluctuating factors such as radiation. Due to technological advances demand a huge amount of electricity, therefore Renewable Energy Resources (RES) must be near the electrical demand is huge, in addition they are implemented in rural places, where electric utility is not able to provide the service. However, the implementation of these new systems implies facing new challenges for the correct operation of Microgrid connected or islanded from the conventional system.

Estudio de la Generación y Distribución de Vapor en un Hospital para la Mejora de Eficiencia Energética mediante Termografía, Ultrasonido y Analizador de Gases

Resumen: En esta investigación se analizó la eficiencia energética de un sistema de vapor en un hospital, considerando la norma ASME EA-3-2009. Esta norma se utiliza para la evaluación energética de los sistemas de vapor industriales y busca mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad de estos sistemas identificando oportunidades y proponiendo medidas para optimizar el rendimiento. Se obtuvo una eficiencia energética de la caldera de 80.29 % mediante un balance de energías y las pérdidas de calor en las tuberías de distribución alcanzaron 15.33 kW. Se plantearon dos alternativas de mejora consistentes, iniciando con unificar el diámetro de tubería del área de cocina de 5 m, generando una reducción de pérdida de calor de 828 hasta 600 W, que representó un ahorro de energía anual total de 2.4 GJ/año, aproximadamente. El costo de inversión es de USD 47.40, considerando como alcanzable el punto de equilibrio a los 9 meses, donde se planteó en segundo lugar el aislamiento de las tuberías mediante lana de vidrio y generó la disminución de pérdidas en 5.98 kW, representando un ahorro de energía anual total de alrededor de 62.91 GJ/año, lo que corresponde a USD 1 672, aproximadamente. La inversión para el aislamiento de tuberías con una longitud de 49 m fue de USD 462, considerando el cálculo del VAN y los posibles ahorros, además el punto de equilibrio se alcanza a los 4 meses, aproximadamente, e indica el beneficio económico de aplicar las dos opciones de mejora planteadas.

Abstract: This investigation studied the energy efficiency of a steam system in a hospital, considering the procedure in ASME EA-3-2009 standard. This is the standard for the energy assessment of industrial steam systems and aims to enhance the energy efficiency and sustainability of industrial steam systems by identifying opportunities and providing recommendations to optimize system performance. The obtained boiler energy efficiency was 80.29 %, by applying an energy balance, reaching 15.33 kW for heat losses in the distribution pipes. Two consistent improvement alternatives were proposed, starting by unifying the pipe diameter of the kitchen area of 5 m, generating a reduction of heat loss from 828 to 600 W, which represented a total annual energy saving of around 2.4 GJ/year. The investment cost is USD 47.40, considering the achievement of the break-even point after 9 months, where the insulation of the pipes with glass wool was considered second and it generated a reduction in losses of 5.98 kW, representing a total annual energy saving of about 62.91 GJ/year, which corresponds to approximately USD 1 672. The expenditure for insulating a 49 m pipe amounted to USD 462, factoring in both the NPV calculation and potential savings. The breakeven point was achieved within roughly 4 months, underscoring the economic advantage of implementing the two suggested improvement measures.

Estudio Comparativo de la Eficiencia de Colectores Solares de Placa Plana Rectangular y Triangular mediante el Método de Elementos Finitos

Resumen: En esta investigación, se comparó la eficiencia de un colector solar de placa plana con geometría triangular y cuadrada, a través del enfoque del método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés), se llevó a cabo la simulación. Las geometrías y los parámetros empleados en la simulación fueron extraídos de investigaciones previamente publicadas. Se utilizó el software SolidWorks para el modelado de los dos colectores, mientras que el módulo Fluent del software ANSYS fue utilizado para la simulación por el método FEM. Para los colectores se utilizó una tubería de 7 mm de diámetro interno, con un espesor de placa de 11 mm y de aluminio. Se consideró temperatura ambiente de 20 °C, con una radiación solar de 1000 W·m-2 y superficies de transferencia de calor 61 250 y 122 500 mm2 para el colector triangular y cuadrado, respectivamente. La calidad del mallado fue excelente, alcanzando skewness de 0.2486. De esta manera, luego del proceso de simulación se obtuvo eficiencias de 62 y 39 % y temperaturas máximas de 27 y 25.5 °C para el colector triangular y cuadrado, respectivamente. Debido a que las geometrías actúan como aletas, las temperaturas son más altas en las esquinas y por esto no es posible alcanzar mayor eficiencia.

Abstract: This investigation compared the efficiency of a flat-plate solar collector with triangular and square geometry, by using the finite element method (FEM). The design of the geometries and the utilized parameters for the simulation were obtained from previous publications. SolidWorks was used to model the two collectors, meanwhile, the Fluent module of the ANSYS software was used for the simulation by the FEM. Collectors integrated a pipe of 7 mm internal diameter with a plate thickness of 11 mm; the defined material was aluminum. The experiment was conducted under ambient conditions at a temperature of 20 °C, accompanied by a solar radiation intensity of 1000 W·m-2. The heat transfer surfaces employed were 61 250 mm2 for the triangular collector and 122 500 mm2 for the square collector. The quality of the mesh was excellent, obtaining a skewness of 0.2486, with which efficiencies of 62 and 39 % and maximum temperatures of 27 and 25.5 °C were obtained for the triangular and square collectors, respectively. Due to the geometries performing as fins, the temperatures are higher in the corners and, therefore, achieving higher efficiency is impossible.

Parámetros para el Proceso de Molienda en Molinos Verticales Usando Métodos de Optimización

Resumen: Los molinos verticales de rodillos (VRM), son máquinas muy utilizadas para moler materia prima en fábricas dedicadas a la extracción y procesamiento de minerales. Cualquier máquina ocupada para moler o triturar consume alrededor del 30 o 40% de la energía de una fábrica. La presión de carga, la velocidad de rotación de la mesa, el contenido de humedad, temperatura de salida del molino y presión de los rodillos son variables que se pueden controlar para disminuir el consumo de energía especifica (Ecs). Este trabajo plantea un problema de optimización con el fin de reducir el consumo energético de un VRM utilizado para producir cemento y encontrar los parámetros óptimos de las variables de operación. Se utilizan varios paquetes para resolver el problema de programación no lineal, obteniendo resultados muy buenos respecto a la precisión y velocidad de convergencia, pero se usan aquellos proporcionados por el paquete Pyomo ya que obtienen resultados más exactos. Comparando el resultado de la función objetivo con el consumo energético de una empresa cementera en Ecuador se concluye que los parámetros optimizados son capaces de reducir en un 25% el consumo energético garantizando una producción mínima de 2200 toneladas de cemento diarias por lo que el modelo se valida correctamente.

Abstract: Vertical roller mills, (VRM), are widely used for grinding raw materials in factories engaged in the extraction and processing of minerals. Any machine used for grinding or crushing consumes around 30 to 40% of the energy of a factory. The loading pressure, table rotation speed, moisture content, outlet temperature and pressure rollers are variables that can be controlled to decrease the specific energy consumption Ecs. This paper poses an optimization problem in order to reduce the energy consumption of a VRM used to produce cement and to find the optimal parameters of the operating variables. Several packages are used to solve the nonlinear programming problem, with very good results in terms of accuracy and speed of convergence, but those provided by the Pyomo package are used because it obtains more accurate results. Comparing the result of the objective function with the energy consumption of a well-known cement company in Ecuador, it is concluded that the optimized parameters are able to reduce by 25% the energy consumption guaranteeing a minimum production of 2200 tons of cement per day, so the model is correctly validated.

Análisis Comparativo del Potencial Energético Extraíble entre Paneles Fotovoltaicos Fijo y con Sistema de Seguimiento de un Eje Instalados en la ULEAM

Resumen: Desde hace años la energía solar viene siendo motivo de estudio para la generación eléctrica como fuente de alimentación alternativa. El objetivo principal de este proyecto es realizar un análisis comparativo de la producción de energía eléctrica entre paneles fotovoltaicos fijos y con sistemas de seguimiento en un eje. Se diseño y construyó tres módulos solares con las mismas características técnicas, pero con diferentes sistemas de seguimiento solar; los sistemas seguidores de un eje utilizaron sistemas de seguimiento por programación astronómica y seguimiento de luz por sensores LDR. Se implementaron sensores de corriente, voltaje y temperatura, así como un software encargado de obtener las curvas características del comportamiento de la producción en cada prototipo. El procesamiento de los datos, así como la gestión de señales de E/S proveniente de los diferentes componentes electrónicos asociados al funcionamiento de cada sistema, son gobernados por una placa Arduino mega unida a un módulo ethernet con la finalidad de poder observar las curvas de producción desde un sitio web, todo esto operando de manera autómata. Por tanto, determinamos que el sistema FV por programación astronómica es el más conveniente, debido a su menor consumo energético al corregir la posición del panel.

Abstract: For years, solar energy has been a subject of study for electricity generation as an alternative power source. The main objective of this project is to carry out a comparative analysis of the production of electrical energy between fixed photovoltaic panels and those with tracking systems on one axis. Three solar modules were designed and built with the same technical characteristics but different solar tracking systems; Single-axis tracking systems will use tracking systems by astronomical programming and light tracking by LDR sensors. Current, voltage and temperature sensors were implemented along with software capable of obtaining the characteristic curves of the production behavior in each prototype. The data processing, as well as the management of I/O signals coming from the different electronic components associated with the operation of each system, are governed by an Arduino mega board linked to an Ethernet module to be able to observe the curves of production from a website, all operating automatically. Therefore, we determined that the PV system by astronomical programming is the most convenient, due to its lower energy consumption when correcting the panel's position.