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INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la tecnología ha generado cambios sustanciales en las comunicaciones, aportando con grandes beneficios, dando lugar a requerimientos a ser atendidos en el mundo de las redes de distribución energética para hacer frente a las grandes variaciones que sufren, así como al ingreso de las demandas de los consumidores y de la generación distribuida [1]. Las redes se encuentran independientes con sus formas de construcción, por lo cual, su modificación total y parcial es mucho más complicada en función del tiempo y el costo de generación. En este caso, el uso de un compensador estático es adecuado, el mismo que permite proporcionar energía reactiva de acción rápida en redes de transmisión eléctrica de alto voltaje. En ese sentido, el compensador estático de distribución (D-STATCOM) constituye un dispositivo importante para optimizar la calidad de la energía en un sistema de distribución o transmisión [2], [3].
Cuando existe la presencia de generación distribuida en una red eléctrica, en este caso energías renovables como centrales fotovoltaicas o eólicas, estas centrales generan potencia activa, pero no pueden ser capaces de suministrar potencia reactiva a la red en todo momento, siendo un problema para mantener los niveles adecuados de voltaje cuando se presente incrementos en la demanda o en condiciones de falla. Mediante el dispositivo FACT, en este caso el D-STATCOM, es posible proporcionar potencia reactiva en tiempo real, ajustando el voltaje de la red y manteniendo los niveles de voltaje dentro de la banda permitida para operación de la red [4].
El tiempo de respuesta y la eficacia del D-STATCOM para la regulación de voltaje en condiciones dinámicas de la red de distribución con presencia de generación distribuida, está definido por los parámetros ajustados en el controlador del equipo, los cuales pueden ser determinados con varias simulaciones para un evento en análisis [5]. Los múltiples eventos de falla o incrementos de carga que puede presentarse en la operación de sistema de distribución, vuelven complejos la determinación de los parámetros de los controladores del equipo, siendo necesario el uso de técnicas avanzadas en simulación.
Para el desarrollo de este estudio, se propone una metodología para sintonizar los parámetros del D-STATCOM para eventos de falla e incrementos de carga súbita que podría experimentar la operación de una red de distribución [6], [7], para el estudio se ha seleccionado el modelo estándar IEEE de 13 nodos, mismo que corresponde a un sistema desequilibrado, cuya característica es contar con dos transformadores de distribución trifásicos, un banco de condensadores de conexión trifásica y uno monofásico. Con la ayuda del Software Digsilent Power Factory y mediante los diagramas de bloques, a través del lenguaje de programación DSL se emplea un modelo genérico de controlador para el FACT y se evalúa la eficacia del controlador ante diferentes eventos.
La determinación de los parámetros más adecuados para el controlador se puede modelar mediante una función objetivo con restricciones, la misma que puede ser resuelta con un método matemático de optimización, debido a la complejidad de las ecuaciones que estarían involucradas en el modelo, se hace necesario el uso de técnicas heurísticas. De acuerdo a la literatura, para resolver problemas matemáticos enfocados a ingeniería eléctrica, se han usado distintos métodos como: algoritmos genéticos, PSO, redes neuronales, sin embargo, motivado por los resultados en aplicaciones para sistemas de potencia, se selecciona el algoritmo de optimización heurística de mapeo de varianza media (MVMO), el mismo que ya ha sido desarrollado en software libre como es el entorno de Python y puede ser empleado para resolver problemas de optimización complejos. En ese sentido, se propone el uso de la librería MVMO.py para sintonizar el controlador del D-STATCOM [8], [9], [10].
Por último, debido a los diferentes modos de control que contiene el equipo como es: control de voltaje de bucle cerrado, control de potencia reactiva, corrección de factor potencia, entre otros, para el estudio se ha seleccionado el modo de control de voltaje para el FACT, [11], [12]. De modo que el equipo varía la inyección de potencia reactiva a la red, con el objetivo de mantener el voltaje en el punto de conexión dentro de la banda permitida por la normativa [13], para condiciones de contingencia y estado estacionario. El desarrollo del presente artículo de investigación comprende en tres partes: metodología, simulación y evaluación de resultados y conclusiones.
METODOLOGIA
Modelo de red
La investigación realizada considera un diseño cuantitativo con un enfoque descriptivo y alcance explicativo a través de la simulación de un sistema eléctrico de distribución. La metodología propuesta parte con la selección del modelo de red para el análisis, en este caso, corresponde a la red de prueba de 13 nodos de la IEEE, una vez seleccionado el sistema eléctrico, se procede a conectar un modelo genérico de D-STATCOM en la barra 632. Cabe señalar que el sistema eléctrico de 13 nodos está conformado por 1 generador, 13 líneas de transmisión y 7 cargas desbalanceado [14]. Adicionalmente, para simular la generación distribuida, se incluye en la red un generador conectado en el nodo 671, tal como se ilustra en la Fig. 1.
El tipo de DSTATCOM empleado en la simulación, corresponde a un equipo conformado por un inversor (converter CC/CA) y una barra DC, este equipo está conectado al bus del sistema de CA a través de un transformador de acoplamiento. La estructura básica del compensador síncrono estático se puede clasificar en dos tipos dependiendo del inversor, las del tipo de fuente de voltaje y fuente de corriente. En general, es más utilizada la fuente de voltaje, como se presenta en la Fig. 2.
Para implementar el modelo dinámico del DSTATCOM en el software de simulación, se emplea un modelo genérico proveniente de las bases de Power Factory de Digsilent. El control del inversor es configurado con el nombre “STATCOM-Controller”. Para la asociación del inversor, elementos de medición y el control se tiene un “Frame” que permite agrupar estos elementos con el fin de que el control actúe sobre el inversor seleccionado, los voltajes medidos y la potencia nominal actúen como entradas del controlador. El Frame asocia las corrientes de salida del controlador con el inversor para que genere la corriente necesaria y un PLL, se busca el sincronismo entre las tensiones de la barra y la generada por el inversor. Este modelo consta de dos reguladores de voltaje: el uno dedicado a controlar el voltaje en DC a través del capacitor, y otro que tiene la función de controlar el voltaje en el lado AC.El control de la corriente producida por el inversor para el control del voltaje del lado DC y AC se realiza con controladores proporcionales-integradores (bloques PI). Estos bloques PI constan de un integrador que tienen un tiempo de asentamiento determinado por los parámetros Tp y Tv, y una ganancia Kp o Kv que reduce el error cuando se logra el estado estacionario para el control de las barras DC y AC respectivamente [15]. Con el controlador en funcionamiento, sin establecer la sintonización adecuado de los parámetros se presenta soluciones no aceptables como se presenta en la Fig.3.
Planteamiento del problema de optimización
Una vez implementado el DSTATCOM en la red de distribución, con sus controladores para simulación dinámica, se presenta la necesidad de establecer un método para determinar los parámetros Tp, Tv, Kp, Kv Kd, Td, Kq, Tq que son parte de los controladores PI del dispositivo FACT. Considerando que se requiere regular voltaje en el punto de conexión, se plantea minimizar el error entre el voltaje de referencia del nodo de conexión y el voltaje de salida del D-STATCOM tanto para la componente DC como AC. En ese sentido, al considerar que el error va a estar presente por un periodo de tiempo, es necesario incluir en la formulación matemática la integral para un delta de tiempo, de esta manera el problema puede formularse, como se indica en (1).
Sujeto a las restricciones:
Donde VAC y VACref corresponden a la señal eléctrica de salida y de referencia, ωDC representa el factor de peso, T es el período de simulación, y X constituye el vector D-dimensional que contiene los valores de parámetros dinámicos sujeto a límites máximos y mínimos que pueden alcanzar en la simulación, el vector X , una vez culminado el proceso iterativo, proporciona la solución candidata. La función objetivo se define para la optimización que persigue una búsqueda multicriterio para encontrar la mejor X, la solución del problema implica reducir el error entre las señales de salida y las señales de referencia, cabe señalar que las restricciones no abarcan los limites operativos de voltaje todos los nodos y flujos en líneas de distribución, la solución se enfoca en cumplir un voltaje de referencia que está dentro de la banda permitida de operación para el punto de conexión [10] , [16]
Para encontrar la solución al problema de optimización, se propone el uso del método heurístico de mapeo media varianza MVMO, el mismo que esta desarrollado en software libre Python, en el cual, se debe ingresar la función objetivo y las restricciones lineales para el problema. Se define inicialmente los parámetros del optimizador y la ilustra inicial se genera de manera aleatoria, se ingresan los límites de restricciones lineales para ingresar por completo el problema. Debido a que es necesario ejecutar varias simulaciones RMS en Power Factory para extraer los valores de voltajes y posteriormente ingresar en el optimizador, es necesario desarrollar un script general en Python, que ejecute de manera automática este proceso, en ese sentido, se crea el script optimal_parameters_statcom.py, en donde se hace el procesamiento de los datos y la ejecución del optimizador de manera conjunta
El algoritmo del MVMO es parametrizado con una población inicial y un número definido de iteraciones, de manera que, al correr el optimizador, cuando se cumple el número de iteraciones seteado, el algoritmo se detiene y proporciona como solución óptima a los valores con el mayor fitness de Tp, Tv, Kp, Kv Kd, Td, Kq, Tq que minimizan el error entre las señales de voltaje comparadas.
Casos de simulación
Continuando con la metodología, para completar el proceso de la sintonización de los parámetros dinámicos del controlador del D-STATCOM, es necesario proponer dos tipos de eventos que pueden presentarse en una red de distribución, como es el caso de una falla en la red y un incremento de carga. Con la simulación de los eventos propuestos se obtienen los parámetros que mejor se ajustan a los eventos en mención,
En el caso de incremento de carga, se propone un escenario donde se tiene 3 incrementos de carga para el nodo No. 671, con incrementos del 100 % en potencia activa y reactiva en cada paso, para un tiempo de 4 segundos en cada periodo, con un total de 12 segundos para la simulación completa, con el objetivo de evidenciar como el dispositivo FACT mantiene el voltaje en el nodo de incidencia evitando caídas severas de voltaje que podría provocar inestabilidad de voltaje por falta de reactivos en la red.
Para el caso de contingencia en la red, se crea una falla trifásica en la mitad de la línea LOHL671-680 conectado entre los nodos No. 680 y No.671 la misma que es despejada en 200 ms (milisegundos), con el fin de evidenciar la rapidez de recuperación de voltaje que experimenta el nodo de incidencia con la actuación del dispositivo FACT.
Para resumir los procesos y subprocesos involucrados en la metodología propuesta en este articulo científico, se ha elaborado un diagrama de flujo que ilustra de manera concisa lo pasos a seguir para sintonizar los parámetros de un D-STATCOM cuando se requiera para un estudio eléctrico en una red de distribución. El diagrama de flujo en mención se describe en la Fig. 3.
SIMULACIÓN Y RESULTADOS
En el presente proyecto se abordaron dos escenarios que pueden presentarse en redes de distribución, considerando que dichos eventos generan perturbaciones en los niveles de voltaje de la red de prueba de 13 nodos IEEE. Se procede a simular y tabular los resultados obtenidos de los dos casos propuestos para la estabilidad de voltaje con presencia de generación distribuida, adicional a los casos propuestos, se simulo escenarios de operación sin considerar el dispositivo FACT.
Caso 1: Incremento de carga en la red de distribución.
En el primer caso se evalúa el rendimiento del D-STATCOM con los parámetros sintonizados, considerando 3 incrementos de carga en el nodo 671 de la red de distribución IEEE 13 nodos. Se ejecuta la simulación RMS en Power Factory Digsilent para un periodo de 20 seg, y se verifica el comportamiento dinámico del voltaje bajo el aumento de carga cada 4 segundos, como se ilustra en la Fig. 5. Se hace una comparación del comportamiento del voltaje sin y con D-STATCOM para evidenciar la respuesta dinámica del dispositivo sintonizado, enfocando el análisis en el nodo de incidencia No. 632
Figura 5: Comportamiento dinámico e inyección de reactivos con evento de incremento de carga en cascada, con y sin DSTATCOM, Nodo de incidencia 632
Una vez obtenidos los resultados, se realizó una comparación entre los valores de voltaje máximo y mínimo alcanzados en el nodo de incidencia No. 632, considerando los escenarios con y sin la acción del dispositivo FACTS (D-STATCOM). Los voltajes fueron analizados en los mismos instantes de tiempo, lo que permitió evaluar el impacto del compensador en la estabilidad del sistema. Los resultados obtenidos se presentan en las siguientes tablas.
Se evidencia que el nodo de incidencia con el aporte del D-STATCOM tiene voltajes mínimos y máximos que están dentro de la banda de 0.95 -1.05 pu, con tres oscilaciones amortiguadas estables, de esta manera se garantiza la calidad de voltaje para los incrementos de carga propuestos. Sin la presencia del dispositivo FACT, se aprecia una degradación total del voltaje llegando a un valor de 0.787 pu, el cual no es un valor correcto para la operación normal de la red.
Debido a que el aporte de reactivos por parte del D-STATCOM no solo afecta al nodo de conexión, sino también al resto de nodos de la red, se extrae de la simulación el comportamiento dinámico de todos los nodos del sistema de distribución, que se ilustra en la Fig. 6.
El perfil mostrado en la Figura 6 evidencia que la operación del D-STATCOM garantiza niveles de voltaje superiores a 0.9 p.u. en estado dinámico, incluso bajo condiciones de incremento de carga. La inyección de potencia reactiva por parte del dispositivo permite mejorar significativamente la calidad del servicio en comparación con el escenario en el que no se dispone de un dispositivo FACTS en la red. En este contexto, se observa que el D-STATCOM, correctamente sintonizado y en operación, proporciona una respuesta inmediata y efectiva para mitigar la insuficiencia de potencia reactiva causada por los aumentos en la demanda.
Una vez culminado la simulación dinámica donde se aprecia la adecuada sintonización de los parámetros del D-STATCOM, se procede analizar el perfil de voltaje en estado estacionario de la red de prueba. En este caso, se selecciona un incremento de carga del 100 % para verificar si los voltajes cumplen con la normativa de calidad, donde se extrae como limites operativos 1.05 - 0.95 pu, se hace una comparación con el caso sin dispositivo FACT, de esta manera, los voltajes por cada fase para todos los nodos de la red se presentan en la Fig. 7.
Caso 2: Falla Trifásica en una línea de distribución.
En este escenario se produce una falla trifásica en la mitad de la línea LOHL671-680 de la red de 13 nodos de la IEEE, con un tiempo de despeje de 200 ms después de haber ocurrido la falla. En el periodo que dura la falla sin la participación del D-STATCOM, se aprecia que el hueco de voltaje llega hasta un valor de 0,273 pu, mientras que con el aporte del dispositivo FACT se alcanza un valor 0,304 pu. Una vez que la falla es despejada con la apertura de la línea, el voltaje tarda aproximadamente unos 3 seg en recuperar al valor nominal en el nodo 632 sin el aporte del D-STATCOM, mientras que con la operación del FACT, la recuperación de voltaje se presenta en unos 300 ms, siendo una respuesta inmediata en la regulación de voltaje. Para que el nodo de conexión experimente una recuperación inmediata de voltaje, el D-STATCOM proporciona 1,00 MVar por fase aproximadamente. El comportamiento dinámico del voltaje se ilustra en la Fig. 8.
Figura 8: Comportamiento Dinámico del voltaje e inyección de Reactivos con evento de cortocircuito, con y sin DSTACOM, Nodo de incidencia 632
Debido a que el comportamiento dinámico del voltaje tiene pequeñas oscilaciones con la sintonización de parámetros, se registran los valores máximos y mínimos de la señal de voltaje. Simultáneamente, se capturan los valores de voltaje sin la presencia del D-STATCOM para realizar una comparación directa. Bajo estas condiciones, se obtiene los resultados que se presenta en la Tabla 3.
Además, refleja la respuesta inmediata del D-STATCOM en la recuperación de voltaje una vez despejada la falla, a los 140 ms se alcanza un valor de 1,050 pu, mientras que en condiciones sin FACT, se evidencia un valor de 0,958 pu, que es un valor aceptable para operación normal, pero es significativamente inferior al valor nominal de la barra que es de 1,050 pu en condiciones normales [13]. De igual manera al caso anterior analizado, el aporte de reactivo por el dispositivo FACT tiene influencia en el resto de los nodos de la red de distribución, por lo cual, se extrae el comportamiento dinámico en todos los nodos, lo cual se ilustra en la Fig. 9.
Considerando que en la red de distribución después del despeje de la falla se presenta un escenario de operación estable, se compara el perfil de voltaje por cada fase en estado estacionario con el caso sin considerar el D-STATCOM, se obteniendo el resultado se presenta en la Fig. 10.
Figura 10: Grafica de la respuesta del perfil de voltaje SS y CS en nodos de 13 barras de la IEEE, fase A, B, C, caso 2.
Finalmente se verifica en estado estacionario que los perfiles de voltaje considerando el dispositivo FACT, cumplen con los limites operativos de 0,95 - 1,05 pu, establecidos en la normativa para condiciones de operación normal [13]. Se evidencia que el aporte de reactivos del D-STATCOM mejora significativamente los voltajes de la red posterior a la falla.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Mediante la metodología propuesta en este artículo científico, se ha encontrado soluciones factibles para sintonizar un D-STATCOM empleando el algoritmo de optimización heurística MVMO, es decir, que el uso de la programación en Python y sumado al software de simulación Power Factory de Digsilent, se logra ajustar de manera eficiente los parámetros dinámicos de los controladores PI para dispositivos FACTS.
La sintonización del D-STATCOM para condiciones de falla en la red de prueba, fue realizado para una contingencia específica, representativa de las fallas con mayor probabilidad de ocurrencia en un sistema real, Sin embargo, para escenarios en los que se deben evaluar múltiples fallas a las que el dispositivo FACTS debe responder, sería necesario redefinir y ampliar la función objetivo. Esto permitiría incorporar todos los escenarios posibles, asegurando una respuesta óptima del dispositivo ante diversas condiciones de operación.
Mediante el ajuste de un voltaje de referencia para los componentes AC y DC en el controlador del D-STATCOM, es posible garantizar que el voltaje en el punto de conexión se mantenga dentro de los límites establecidos por la normativa para condiciones de operación normal [13]. En este contexto, el dispositivo FACTS debe suministrar la potencia reactiva necesaria hasta que el nodo de conexión alcance el voltaje de referencia. Este comportamiento está condicionado a que no se excedan los límites máximos de inyección de potencia para los cuales el dispositivo FACTS fue diseñado.
Como trabajos futuros se recomienda complementar el modelo de la función objetivo considerando los límites operacionales de voltaje en barras, flujos en líneas de distribución y transformadores. Es de suma importancia, para otros trabajos, generalizar el modelo de la función objetivo, para poder calibrar los parámetros para con eventos de falla o incrementos de demanda.
Una línea de investigación futura podría centrarse en un análisis más amplio que considere no solo la sintonización óptima del D-STATCOM, como se abordó en este artículo, sino también su ubicación y dimensionamiento óptimos dentro de la red. Este enfoque integral permitiría maximizar la eficiencia operativa del dispositivo FACTS y su impacto en la estabilidad y calidad del sistema eléctrico.
