Maestría en Ingeniería Eléctrica

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Análisis de desempeño de estrategias de estimación de señales distorsionadas de tensión y corriente de la red eléctrica de BT del piso 4 del Edificio de Ingeniería Eléctrica – Condición de operación en estado estable
(Universidad Industrial de Santander, 2022-09-07) Martínez Peñaloza, Alejandra; Osma Pinto, Germán Alfonso; Ordóñez Plata, Gabriel; Duarte Gualdrón, César Antonio; Malagón Carvajal, Gabriel Alexis
Las estrategias de solución de flujos de potencia son herramientas que permiten estimar magnitudes y ángulos de fase de las señales de tensión en los nodos y corrientes en los conductores de las redes eléctricas. Con los cambios producidos por la integración de recursos energéticos distribuidos y el uso masivo de cargas no lineales en las redes de distribución, los planteamientos matemáticos de las estrategias mencionadas anteriormente han tenido adaptaciones para cumplir con las nuevas condiciones de operación de las redes eléctricas. No obstante, existe una carencia de estudios con estrategias de solución de flujos de potencia que analicen redes eléctricas de distribución teniendo en cuenta la operación de un sistema fotovoltaico, desbalance y no linealidad en las cargas, y distorsión armónica en la señal de tensión de alimentación. De igual forma, se hace necesario considerar el uso de modelos de carga que representen la no linealidad de los dispositivos y que a la vez tengan en cuenta la interacción armónica entre la señal de tensión y corriente. Por ello, el propósito de este trabajo de investigación es analizar el desempeño de estrategias de estimación de señales de tensión en nodos y corrientes en ramales de una red eléctrica de BT para la condición de operación en estado estable, considerando una tensión de alimentación desbalanceada y distorsionada y la presencia de cargas no lineales y un sistema fotovoltaico. Inicialmente, se modela la red eléctrica seleccionada y se adaptan las estrategias de solución seleccionadas a las condiciones de la red eléctrica. Seguidamente, se realizan las simulaciones de escenarios de operación en la estrategia Simulink estimando variables eléctricas, parámetros e indicadores. Por último, se estiman variables eléctricas, parámetros e indicadores aplicando las estrategias de solución adaptadas, se calculan errores de estimación y son comparados los resultados obtenidos por las estrategias.
Análisis de estabilidad de gran perturbación en un sistema de potencia sometido a cualquier tipo de falla paralelo utilizando procesamiento paralelo
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Gómez Gómez, Paola Andrea; Vargas Torres, Hermann Raúl
Las fallas en los sistemas de transmisión pueden producir inestabilidad en la operación de los generadores interconectados en el sistema de potencia, y causar pérdida parcial o total del suministro de energía eléctrica en un área. De ahí que sea relevante el análisis del fenómeno de estabilidad en las actividades de planeación, operación y coordinación de los sistemas eléctricos de potencia. Por tanto, en este trabajo de investigación se desarrolló una herramienta en MATLAB basada en HAGP denominada GTSA, que permite realizar análisis de estabilidad de ángulo de rotor de gran perturbación a un sistema de potencia sometido a fallas paralelotípicas. Como complemento, en GTSA se implementó la opción de procesamiento paralelo de MATLAB por medio de la técnica de cómputo mediante GPUs. En GTSA se consideró el modelado del sistema de potencia aplicable al análisis de estabilidad transitoria, y tres modelos del generador síncrono teniendo en cuenta diferentes sistemas de control de excitación. El sistema de ecuaciones del modelado se solucionó mediante el método de integración implícita con solución simultánea de la regla trapezoidal y el método iterativo de NewtonRaphson. El análisis de fallas se realizó aplicando los métodos de componentes simétricas, y del equivalente de Thévenin para sistemas desbalanceados. Finalmente, los resultados de GTSA se compararon y validaron con los obtenidos en PowerFactory mediante la simulación de tres sistemas de potencia: i) barra infinita, ii) dos áreas, y iii) 118 barras del IEEE. De allí se concluyó que: i) los modelos matemáticos y los métodos de solución de cada programa influyeron en las diferencias de los parámetros estudiados, ii) la falla trifásica conllevó a mayores problemas de estabilidad, seguida de la bifásica a tierra, la bifásica aislada y la monofásica a tierra, y iii) la técnica de procesamiento paralelo utilizada en GTSA no logró mejorar los tiempos de simulación
Análisis de estabilidad de gran perturbación en un sistema de potencia sometido a cualquier tipo de falla paralelo utilizando procesamiento paralelo
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Gómez Gómez, Paola Andrea; Vargas Torres, Hermann Raúl; Soto Ríos, Edison Andrés; Alzate Castaño, Ricardo
Las fallas en los sistemas de transmisión pueden producir inestabilidad en la operación de los generadores interconectados en el sistema de potencia, y causar pérdida parcial o total del suministro de energía eléctrica en un área. De ahí que sea relevante el análisis del fenómeno de estabilidad en las actividades de planeación, operación y coordinación de los sistemas eléctricos de potencia. Por tanto, en este trabajo de investigación se desarrolló una herramienta en MATLAB basada en HAGP denominada GTSA, que permite realizar análisis de estabilidad de ángulo de rotor de gran perturbación a un sistema de potencia sometido a fallas paralelo-típicas. Como complemento, en GTSA se implementó la opción de procesamiento paralelo de MATLAB por medio de la técnica de cómputo mediante GPUs. En GTSA se consideró el modelado del sistema de potencia aplicable al análisis de estabilidad transitoria, y tres modelos del generador síncrono teniendo en cuenta diferentes sistemas de control de excitación. El sistema de ecuaciones del modelado se solucionó mediante el método de integración implícita con solución simultánea de la regla trapezoidal y el método iterativo de Newton-Raphson. El análisis de fallas se realizó aplicando los métodos de componentes simétricas, y del equivalente de Thévenin para sistemas desbalanceados. Finalmente, los resultados de GTSA se compararon y validaron con los obtenidos en PowerFactory mediante la simulación de tres sistemas de potencia: i) barra infinita, ii) dos áreas, y iii) 118 barras del IEEE. De allí se concluyó que: i) los modelos matemáticos y los métodos de solución de cada programa influyeron en las diferencias de los parámetros estudiados, ii) la falla trifásica conllevó a mayores problemas de estabilidad, seguida de la bifásica a tierra, la bifásica aislada y la monofásica a tierra, y iii) la técnica de procesamiento paralelo utilizada en GTSA no logró mejorar los tiempos de simulación.
Análisis del impacto de la integración de recursos energéticos distribuidos en parámetros de la calidad de la potencia eléctrica en una red de distribución - Condición de operación en estado estable
(Universidad Industrial de Santander, 2022-09-08) Caballero Peña, Juan Diego; Osma Pinto, Germán Alfonso; Rey López, Juan Manuel; Ordóñez Plata, Gabriel
Los recursos energéticos distribuidos (RED) son actores principales en la transición energética a nivel mundial. A pesar de los beneficios ambientales, los RED son recursos intermitentes (varían su potencia consumida/generada de acuerdo al comportamiento de las variables de entrada) y usan dispositivos de electrónica de potencia que pueden afectar la calidad de la potencia eléctrica en redes de distribución. Usualmente, la literatura propone utilizar modelos y simulaciones (deterministas o probabilísticas) para estimar tales afectaciones. Sin embargo, estos estudios tienden a analizar las afectaciones causadas por uno o dos RED dentro de un intervalo de tiempo específico durante el día, con un reducido nivel de detalle en la metodología aplicada y sin tener en cuenta que el nivel de distorsión depende de las variables de entrada. Por ello, este documento presenta y aplica un enfoque de simulación probabilística y armónica para caracterizar el impacto horario de sistemas fotovoltaicos, almacenamiento con baterías y estaciones de recarga de vehículos eléctricos en una red IEEE de 34 nodos. La estimación de impactos colectivos e individuales de RED consiste en la cuantificación horaria del valor eficaz de tensión, desbalance de tensión, factor de potencia y distorsión armónica, cuyos datos son obtenidos mediante una co-simulasión entre Python y PowerFactory para 23 escenarios de simulación. Estos impactos son evaluados por medio de indicadores propuestos en la literatura y la aplicación de pruebas de hipótesis de la estadística inferencial. En general, el funcionamiento de cada RED se da en horas específicas del día, lo que facilita la identificación de los impactos individuales sobre los parámetros de la red. Los sistemas FV producen un aumento en el valor eficaz de tensión y en la distorsión armónica total. Por su parte, los vehículos eléctricos y las baterías incrementan el desbalance y el factor de potencia debido a su conexión bifásica en algunos nodos de la red.
Armónicos : método hibrido tiempo-frecuencia para el análisis de sistemas eléctricos con elementos no lineales
(Universidad Industrial de Santander, 2009) Carvajal Carreño, William; Ordonez Plata, Gabriel
En este Trabajo de Investigación se propone una metodología, implementada en un programa de computador por medio de una Interfase Gráfica con el Usuario (GUI), que permite simular redes eléctricas con elementos no lineales (principalmente convertidores de potencia), tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia. El método propuesto combina los dos tipos de análisis en una herramienta flexible, de forma que se puedan aprovechar las ventajas de cada uno de ellos, y que permita analizar sistemas lineales y no lineales en el dominio del tiempo, sistemas lineales en el dominio de la frecuencia y sistemas mixtos utilizando el método híbrido propuesto. La herramienta pretende ser un instrumento de cálculo versátil y completo que puede ser usado de una manera relativamente sencilla, para los estudios de análisis de propagación de armónicos en las redes eléctricas. Se presentan ejemplos extraídos de la bibliografía utilizada en cursos de sistemas de potencia, circuitos eléctricos y electrónica de potencia, así como sistemas de prueba para el análisis de cargas no lineales o variantes en el tiempo, creados como marco de referencia para las simulaciones de armónicos en sistemas eléctricos. Se analizan los resultados y se hacen observaciones acerca de las características de convergencia y estabilidad algorítmica del método propuesto. Dada la complejidad y carga computacional del análisis del método híbrido propuesto, se han seleccionado modelos de elementos, modelos de los componentes del sistema y algoritmos apropiados, para que la solución del problema se realice dentro de límites razonables de tiempo de simulación y consumo de recursos de la máquina de cómputo.
Caracterización de inversores multinivel tipo puente-H en cascada
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Almeida Arguello, Daniel Felipe; Mantilla Villalobos, Maria Alejandra; Petit Suarez, Johann Farith
Los inversores de potencia basados en electronica de potencia hacen parte fundamental de la conversión´ de energ´ıa y el control de sistemas de energ´ıa electrica renovables y accionamientos eléctricos. Actualmente,éstos sistemas necesitan operar bajo tensiones y potencias mas altas de salida con el fin de incrementar la ´ produccion y eficiencia en sus procesos. A su vez, es necesario que estos sistemas cumplan requerimientos ´ de calidad de potencia electrica. En este sentido, el inversor multinivel surge como una alternativa interesan- ´ te con el objetivo de cumplir las demandas establecidas. En particular, la calidad de las senales de salida del ˜ inversor multinivel dependen directamente de las estrategias de modulacion implementadas para controlar ´ la conmutacion de los dispositivos semiconductores. ´ Partiendo de lo anterior, el proposito de esta tesis consiste en comparar cuatro estrategias de modulación´ del inversor multinivel de puentes H en cascada (CHB) en terminos de la distorsión armónica proporcionada ´ por la forma de onda de la tension de salida. Espec ´ ´ıficamente, se estudian y comparan las estrategias de modulacion por desplazamiento de fase PWM (PS-PWM), modulación por desplazamiento de fase con in- ´ yeccion de tercer armónico (thPS-PWM), modulación h ´ ´ıbrida PWM (H-PWM) y modulacion por vector es- ´ pacial PWM (SVM-PWM) en terminos del análisis del espectro de la tensión de salida, Distorsión Armónica ´ Total (THD), Distorsion Armónica Total Ponderada (WTHD), Factor de Distorsión (DF) y Armónico de Or- ´ den mas Bajo (LOH). Las topolog ´ ´ıas del inversor multinivel CHB analizadas fueron el inversor monofasico ´ de cinco niveles, inversor trifasico de tres niveles e inversor trifásico de cinco niveles. ´ Los resultados fueron obtenidos a traves de simulaciones y pruebas experimentales con el soporte de ´ las herramientas MATLAB/Simulink y dSPACE, obteniendo un desempeno superior en la estrategia de ˜ modulacion h ´ ´ıbrida (H-PWM) en la calidad de forma de onda de la tension de salida con respecto a las ´ demas técnicas evaluadas.
Clasificación de eventos para monitorización no intrusiva de carga utilizando razonamiento basado en casos
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Cortes Torres, Jose David; Duarte Gualdrón, César Antonio
El consumo eléctrico en hogares y sitios de trabajo se ha incrementado. Esto puede ser eviden-ciado en el crecimiento de ciudades inteligentes, el uso de energías renovables y dispositivos tec-nológicos de última generación. Panorama que se torna necesario para el diseño de estrategias referentes a la gestión de la demanda. La monitorización intrusiva de cargas (NILM), permite me-dir el consumo eléctrico de forma centralizada para estimar la potencia individual de cada aparato conectado en un sistema eléctrico usando algoritmos matemáticos. En la actualidad, la metodolo-gía de razonamiento basado en casos (RBC) ha mostrado una solución apropiada para tareas de clasificación. Como el RBC fracciona el conocimiento de acuerdo al contexto, representa una ven-taja respecto con los métodos tradicionales. El presente trabajo de investigación describe el modelo para clasificación de cargas de tipo residencial en eventos de conexión y desconexión usando la metodología de RBC dividida en en tres etapas. La etapa de extracción de descriptores fue imple-mentada usando transformadas tiempo-frecuencia y de las definiciones de la norma IEEE1459 de 22 aparatos eléctricos de uso residencial. La etapa de clasificación está compuesta por 4 fases que dispone de 2 algoritmos por fase. La etapa de evaluación fue implementada usando la métrica de casos clasificados correctamente sobre total de casos. Los resultados fueron comparados con el método de clasificación basado en máquinas de soporte vectorial (SVM). Los hallazgos más im-portantes muestran que los 24 modelos implementados con RBC presentaron un 39.66% en pro-medio. Estos datos revelan que los modelos de RBC cuentan con un desempeño comparable con algunos métodos considerados en NILM, lo que se constituye en una metodología para la clasifi-cación de aparatos en un sistema residencial.
Competencias laborales : diseño y desarrollo de instrumentos para el proceso de evaluación por competencias del inspector de instalaciones eléctricas según lo establecido por el reglamento técnico de instalaciones eléctricas - retie
(Universidad Industrial de Santander, 2009) Cruz Bueno, Pedro Alexander; Ordonez Plata, Gabriel
Con la entrada en vigencia del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas ŒRETIEŒ, se introduce una nueva figura en el ámbito laboral colombiano: el Inspector de Instalaciones eléctricas. Este se define como la persona habilitada para realizar inspecciones a las instalaciones eléctricas. Tal condición se alcanza actualmente, con el cumplimiento de algunos requerimientos de capacitación a nivel de diplomados o con el aval de entidades acreditadas por la Superintendencia de Industria y Comercio para certificar las instalaciones eléctricas, pero aún no cuenta con personal certificado bajo el esquema de las competencias laborales para la realización de estas inspecciones. Un sistema de competencias laborales funcional, garantiza la transparencia, la confiabilidad y la validez de la evaluación del talento humano, como principios básicos que rigen un proceso de evaluación por competencias. Para alcanzar la titulación de persona habilitada o inspector de instalaciones eléctricas, el candidato deberá conseguir tal condición con la demostración de sus competencias. Para ello, es indispensable que evidencie los conocimientos, las habilidades y las destrezas en un proceso de evaluación, que lo certifique en la verificación del cumplimiento de los requisitos establecidos en el Reglamento de Instalaciones Eléctricas ŒRETIE o en la determinación de sí las instalaciones eléctricas presentan alto riesgo para la salud o vida de las personas, animales o el medio ambiente. En este trabajo se busca proponer la gestión necesaria para implementar un proceso de evaluación por competencias, con el propósito de evaluar el personal habilitado para realizar la inspección de instalaciones eléctricas bajo los lineamientos del RETIE. Se identificarán las técnicas y los instrumentos necesarios para la recolección de evidencias en la implementación futura del proceso de evaluación por competencias con propósitos de certificación del personal habilitado para los procesos de Inspección descritos por el RETIE. Este trabajo está basado en instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales, sin embargo la metodología es aplicable a las demás áreas abarcadas en el RETIE.
Competencias laborales : estructuración de funciones productivas para procesos de inspectoría de instalaciones eléctricas residencial comercial industrial de acuerdo con el reglamento técnico de instalaciones
(Universidad Industrial de Santander, 2011) Anaya Almeida, Ángel Antonio; Ordoñez Plata, Gabriel; Giraldo Picón, Wilson; Galindo Cárdenas, Jaime
Con la aprobación del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE en Colombia, se hace imperiosa la identificación laboral de un nuevo actor en el sector eléctrico colombiano: ; quien será la persona habilitada para realizar inspecciones de las instalaciones eléctricas de uso final, emitiendo un concepto de conformidad de la misma. En este sentido, este trabajo de investigación consolida la identificación de las funciones productivas que debe realizar la persona habilitada en los procesos de inspección de instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales (bajo los preceptos del enfoque del sistema de competencias laborales), para propender por el mejoramiento continuo bajo los estándares de calidad en los procesos de inspección de instalaciones eléctricas. Para cumplir con el rigor ocupacional requerido por una nueva ocupación en Colombia, se propone identificar las actividades laborales a través del soporte metodológico del análisis funcional; así como la descripción de los componentes normativos de cada actividad laboral identificada. Esta metodología facilita la identificación y caracterización de perfiles ocupacionales con la precisión y claridad requerida para desempeños laborales competentes, al consolidar como resultados insumos para los campos de normalización, formación y evaluación por competencias laborales. De igual manera, ésta metodología es aplicable a los demás tipos de instalaciones eléctricas con cobertura por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE. Así mismo, en la implantación de la metodología se construye una base de datos como herramienta para el manejo y clasificación de la información. Este soporte sistémico facilita la categorización y clasificación de las actividades laborales, el agrupamiento por afinidad ocupacional y/o laboral (para la identificación de las funciones productivas) y la modularización ocupacional requerida en la definición del perfil ocupacional profesional del inspector de instalaciones eléctricas de uso final de acuerdo con los requerimientos del RETIE.
Contribucion al dimensionamiento y gestion de energia de sistemas electricos hibridos
(Universidad Industrial de Santander, 2019) Dominguez Gomez, Ricardo Antonio; Solano Martínez, Javier Enrique; Ordoñez Plata, Gabriel
A través de este estudio se analizará la influencia de una gestión de flujo de potencias óptima en una etapa de dimensionamiento óptimo durante del proceso de diseño y planificación de un sistema eléctrico híbrido. Así, la etapa de dimensionado es desarrollada teniendo en cuenta el valor de potencias designadas para cada instante de tiempo y no con base en valores promedios de energía, lo que se acercaría más a la realidad. Se plantea una metodología de integración de etapas a través de un algoritmo, con una capa interna que desarrolle la estrategia de gestión de flujo de potencias óptimo a través de Programación Dinámica y una capa externa que desarrolla el dimensionamiento óptimo mediante una búsqueda exhaustiva. Se evalúan dos casos de estudio: Primero, un Vehículo Eléctrico Híbrido compuesto por Supercondensadores y Pilas de Combustible y segunda, una nanored eléctrica aislada compuesta por paneles Fotovoltaicos, Baterías y Generador Diésel. 1
Control centralizado para una microrred aislada basado en el aprovechamiento de recursos renovables
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Forero Ordóñez, Fabián Leonardo; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Alzate Castaño, Ricardo; Rey López, Juan Manuel; Mojica Navas, Eduardo Alirio
El presente trabajo de investigación presenta el diseño e implementación de un prototipo experimen[1]tal a nivel de laboratorio de una estrategia para la gestión de recursos energéticos en una microrred AC aislada de baja potencia, que hace uso de fuentes renovables compuestas por un sistema solar fotovoltaico, un generador de inducción auto excitado inspirando en el aprovechamiento del recurso hidráulico a baja escala y una planta a gasolina que corresponderá con la fuente de tensión de refe[1]rencia. Inicialmente, el trabajo aborda una revisión conceptual acerca del control de las unidades de generación renovables en donde se realizará una propuesta para el control del punto de potencia de las unidades renovables y se abordará el problema de reparto de potencias en un nivel conceptual a través de esquemas de control centralizado. Posteriormente, se establece una estrategia de sincro[1]nización para la implementación de una estructura jerárquica de control para gobernar la asignación de proporciones de generación, considerando una carga de alrededor de 1.5 kW correspondiente con el consumo promedio de viviendas rurales. Finalmente, se presenta la caracterización experi[1]mental individual y la operación bajo las estrategias de gestión diseñadas y propuestas validar una estrategia de gestión para la operación sobre el prototipo experimental.
Control centralizado para una microrred aislada basado en el aprovechamiento de recursos renovables
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Forero Ordoñez, Fabian Leonardo; Alzate Castaño, Ricardo; Mantilla Villalobos, María Alejandra
El presente trabajo de investigación presenta el diseño e implementación de un prototipo experimental a nivel de laboratorio de una estrategia para la gestión de recursos energéticos en una microrredAC aislada de baja potencia, que hace uso de fuentes renovables compuestas por un sistema solarfotovoltaico, un generador de inducción auto excitado inspirando en el aprovechamiento del recursohidráulico a baja escala y una planta a gasolina que corresponderá con la fuente de tensión de referencia. Inicialmente, el trabajo aborda una revisión conceptual acerca del control de las unidades degeneración renovables en donde se realizará una propuesta para el control del punto de potencia delas unidades renovables y se abordará el problema de reparto de potencias en un nivel conceptual através de esquemas de control centralizado. Posteriormente, se establece una estrategia de sincronización para la implementación de una estructura jerárquica de control para gobernar la asignaciónde proporciones de generación, considerando una carga de alrededor de 1.5 kW correspondientecon el consumo promedio de viviendas rurales. Finalmente, se presenta la caracterización experimental individual y la operación bajo las estrategias de gestión diseñadas y propuestas validar unaestrategia de gestión para la operación sobre el prototipo experimental.
Control de un transformador de estado sólido de tres etapas considerando la integración de generación distribuida
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Sanabria Calderon, Karol Francisco; Mantilla Villalobos, Maria Alejandra; Petit Suarez, Johann Farith
Esta investigaci´on parte de la necesidad de introducir el concepto del transformador de estado s´olido como punto de partida para futuros trabajos en este tema. Debido a un ascendente inter´es en energ´ıas renovables y generaci´on distribuida, se requiere que los dispositivos que hacen parte de la red el´ectrica como en este caso el transformador de distribuci´on, participen en el control de esta energ´ıa. El transformador de estado s´olido compuesto por convertidores multinivel es una respuesta a los requerimientos de conversi´on de energ´ıa, reducci´on de tama˜no con respecto a los transformadores de baja frecuencia tradicionales y el mejoramiento de la calidad de la energ´ıa. Se plantea en este trabajo de investigaci´on un dise˜no modular de un transformador de estado s´olido, basado en un convertidor multinivel de puentes H en cascada, convertidores DC-DC de doble puente activo y finalmente un convertidor trif´asico de cuatro ramas, con el fin de obtener las mismas caracter´ısticas de un transformador de distribuci´on convencional. Las salidas en DC de baja tensi´on de los convertidores DC-DC se conectan en paralelo para alimentar el convertidor de cuatro ramas. En este trabajo se establecen estrategias de control y modos de operaci´on para un transformador de estado s´olido ante la integraci´on de fuentes de generaci´on distribuida. Se contemplan tanto estrategias de control lineales, como predictivas con el fin de comparar su desempe˜no. El estudio del funcionamiento de las estrategias de control y del transformador de estado s´olido se realiza por medio de simulaciones en el software MATLAB. Adicionalmente, se presentan resultados experimentales para los convertidores DC-DC de un puente activo y de doble puente activo, controlados mediante un FPGA reconfigurable
Control flexible de corriente para sistemas fotovoltaicos con capacidad de operación ante hundimientos de tensión
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-11) Moreno Celis, Ingrid Johanna; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Rey López, Juan Manuel; Rincón Adarme, David Javier; Ordóñez Plata, Gabriel; Petit Suárez, Johann Farith
En condiciones de fallas de red, las capacidades operativas de los generadores distribuidos interconectados a la red mediante inversores, juegan un papel importante en la estabilidad y confiabilidad de los sistemas de potencia, principalmente cuando hay una alta penetración de fuentes distribuidas. De acuerdo con los requerimientos de códigos de red modernos, estos sistemas deben incluir la capacidad de soportar hundimientos de tensión (LVRT, por sus siglas en inglés), para permanecer conectados a la red y proveer servicios auxiliares. La inclusión de estas capacidades depende de la estrategia de control del inversor, la cual puede ser diseñada de acuerdo a funcionalidades, requerimientos y objetivos que quieran alcanzarse durante la falla. Para este propósito, las estrategias de control flexible utilizadas para generar la corriente de referencia del inversor son ampliamente consideradas, ya que permiten lograr distintos objetivos de control de acuerdo a los criterios del diseñador mediante la modificación de los parámetros de control. Por lo tanto, el correcto ajuste de estos parámetros es de vital importancia para lograr la operación deseada. En este contexto, este trabajo presenta el diseño de una estrategia de control flexible generalizada para proporcionar soporte a la red ante hundimientos de tensión, utilizando la máxima capacidad del inversor de potencia. La estrategia considera cuatro parámetros de control cuya variación resulta en diferentes capacidades de soporte a la red y operación. Una de las principales contribuciones de este trabajo de investigación es un algoritmo que permite estudiar la operación y comportamiento del sistema en función de la variación de los parámetros de control. De acuerdo con el análisis presentado, se puede priorizar una operación específica del inversor dentro de los límites establecidos por los códigos de red y garantizando el cumplimiento de restricciones operativas. Se presentan resultados de simulaciones realizadas en MATLAB del algoritmo propuesto, los cuales permiten analizar el comportamiento del sistema según la variación de los parámetros de control de la estrategia diseñada. Asimismo, mediante simulaciones del sistema de generación distribuida en MATLAB/Simulink se corroboró el correcto funcionamiento del inversor de potencia según los objetivos establecidos en la estrategia de control diseñada, ante la ocurrencia de hundimientos de tensión considerando diferentes casos de estudio. Por último, se realizó la implementación de la estrategia de control desarrollada en un prototipo experimental de laboratorio, y se verificó experimentalmente el funcionamiento del sistema para diferentes casos de operación seleccionados.
Dimensionado de una fuente híbrida compuesta de pilas a combustible tipo PEM y supercondensadores con conexión directa
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Jacome Garcia, Andres Mauricio; Solano Martinez, Javier Enrique
El objetivo principal de este trabajo es proponer una metodología de dimensionado para una fuente híbrida compuesta por una pila a combustible (FC) tipo membrana de intercambio protónico (PEM) y supercondensadores (SCs) con conexión directa. La metodología utiliza como insumos un perfil de potencia de referencia y hojas de datos de FC y SCs disponibles comercialmente. Se simulan todas las posibles combinaciones FC-SC suministrando la potencia de referencia. Las combinaciones son evaluadas teniendo en cuenta tres criterios: la FC no es reversible y tiene límites en la magnitud de la potencia, la dinámica de potencia suministrada por la FC no puede ser mayor a la definida y la tensión del SC nunca debe exceder la nominal por razones de seguridad. Las soluciones que no cumplan los tres criterios son descartadas. Las soluciones admisibles son comparadas mediante una función objetivo que considera el costo del hidrógeno consumido, el costo de degradación y el costo de recarga adicional de los SCs al finalizar el ciclo. La solución con el menor costo es la seleccionada. Como caso de estudio, se utiliza la metodología para dimensionar un banco de supercondensadores a ser conectado directamente con una PEMFC de 500W marca Horizon existente en el laboratorio de tracción eléctrica de la Universidad de Quebec en Trois-Rivières (UQTR), Canadá. Como perfil de referencia se utiliza un perfil a escala medido en un vehículo eléctrico híbrido real. Se considera el catálogo de supercondensadores Maxwell. Como resultado de la metodología se selecciona un banco de supercondensadores compuesto por dos módulos conectados en serie de 16V y 58F.
Dimensionamiento de microrredes considerando análisis de ciclo de vida
(Universidad Industrial de Santander, 2022-09-19) Jiménez Vargas, Iván Edgardo; Osma Pinto, Germán Alfonso; Rey López, Juan Manuel; Ordóñez Plata, Gabriel; Duarte Gualdrón, César Antonio
La degradación del medio ambiente y los ecosistemas es motivo de preocupación en todo el mundo. Para hacerles frente, se requieren acciones en todas las áreas del conocimiento que ayuden a generar condiciones para mitigar el impacto negativo que ocasionan las actividades humanas. En ese sentido, el propósito de este trabajo de investigación es incorporar una visión ambientalista en la forma que se hace el dimensionamiento de los recursos energéticos en una microrred (MG), a través de la integración de indicadores de impacto ambiental (IIA) en el problema del dimensionamiento. Con ello, se busca que la mejor combinación de recursos se determine conjuntamente desde los enfoques técnico, económico y ambiental. Inicialmente, se seleccionan indicadores de impacto ambiental según las metodologías de Análisis de Ciclo de Vida aplicables al contexto de las microrredes. Seguidamente, se integran estos indicadores en la función de objetivo del problema de optimización típica de una MG, así como la definición del conjunto de restricciones. Finalmente, la estrategia propuesta se aplica a una MG conformada por sistemas fotovoltaicos, turbinas eólicas, almacenamiento con baterías y generación diesel. Se estudia la incidencia de las consideraciones ambientales en el dimensionamiento puramente económico, a través de la comparación de este escenario con un escenario de referencia.
Dimensionamiento de un generador fotovoltaico aislado operando en condiciones de sombreados parciales para alimentar una estación de carga de bicicletas eléctricas
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Arenas Flórez, Michael; Bastidas Rodríguez, Juan David; Solano Martínez, Javier Enrique
Los generadores fotovoltaicos que suministran energía a estaciones de carga de bicicletas eléctricas suelen instalarse en ambientes urbanos y debido a la infraestructura circundante pueden estar sometidos a condiciones de sombreados parciales (SP), lo cual genera reducción en la eficiencia del sistema y en deterioro de los paneles a largo plazo. Las sombras que se proyectan en los módulos fotovoltaicos (FV) son variables a lo largo del día y el año debido al movimiento de rotación y translación de la tierra respectivamente. En esta investigación se presenta un procedimiento para el cálculo del perfil de potencia anual y la energía generada por un generador fotovoltaico (GFV) de baja potencia en conexión serie paralelo incluyendo el impacto de la variación de los SP debidas a objetos circundantes. En el procedimiento propuesto se consideran las esquinas de los submódulos del GFV y puntos clave de los objetos circundantes para determinar las horas en las cuales ocurre sombreado; además, se propone un cálculo de factores de sombreado horario y por submódulo, los cuales son una de las entradas para el modelo del GFV. Finalmente se presenta un procedimiento para el dimensionamiento de un GFV de baja potencia utilizando un modelo detallado del GFV, el cual considera el efecto de la variación de los sombreados parciales a lo largo del año. El procedimiento a su vez permite evaluar la viabilidad de instalar un GFV en una ubicación particular.
Diseño de un sistema de asistencia eléctrica para bicicletas de pedaleo asistido con frenado regenerativo
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-07) Olarte Ortiz, Óscar; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Solano Martínez, Javier Enrique; Rey López, Juan Manuel; Petit Suárez, Johann Farith
El presente trabajo de investigación presenta el diseño de un sistema de asistencia eléctrica (SAE) para bicicletas de pedaleo asistido (BPA), el cual utiliza un convertidor de potencia DC/DC controlado para el intercambio bidireccional de energía permitiendo el frenado regenerativo. El sistema de control del SAE cumple con la definición de la resolución 160 del 2 de febrero de 2017 del ministerio de transporte de Colombia -R160-2017-MTC; y además permite la selección de múltiples niveles de asistencia. En este trabajo se realiza la implementación mediante PLECS y MATLAB/Simulink, de un modelo de simulación electromecánico en representación energética macroscópica (EMR) de una BPA, a partir del cual se evalúa el convertidor DC/DC y el sistema de control mediante la variación de parámetros conocidos: la velocidad de la BPA y el torque proporcionado por el ciclista al pedalear. Asimismo, se adecuó un banco de pruebas experimentales el cual permite emular un escenario de operación de un SAE de una BPA con frenado regenerativo para un recorrido topográfico específico. Los resultados experimentales obtenidos en el banco de pruebas se compararon respecto a los de simulación del modelo electromecánico de la BPA, para el escenario de operación estudiado.
Diseño de una estrategia de mitigación de hundimientos de tensión en redes de distribución mediante sistemas fotovoltaicos
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-05) Esparza Aponte, Astrid Clarissa; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Arrieta Paternina, Mario; Blanco Solano, Jairo; Miret Tomàs, Jaume; Petit Suárez, Johann Farith
Los códigos de red han establecido nuevos requerimientos debido a la alta integración de unidades de generación distribuida para asegurar y controlar la operación de las redes de distribución. Uno de los requerimientos para la integración de estas unidades son las capacidades de Low Voltage Ride Through (LVRT), las cuales buscan que las unidades de generación distribuida brinden soporte a la red y que estas permanezcan conectadas ante condiciones de falla de corta duración. En este trabajo de investigación se realiza el diseño de una estrategia de mitigación de hundimientos de tensión en redes de distribución mediante sistemas fotovoltaicos (SFV) con capacidades que permiten cumplir con el requerimiento LVRT. La estrategia diseñada realiza un control independiente para cada fase según la variación de la amplitud de la tensión, por lo que puede ser implementada tanto para inversores trifásicos como monofásicos en SFV. El soporte de tensión logrado mediante el control propuesto depende únicamente de la potencia reactiva inyectada por el SFV a la red eléctrica, es decir, durante el hundimiento de tensión no se inyecta potencia activa, e incluso cuando el SFV no produce energía eléctrica, este podría soportar la red. Además, este trabajo analiza la operación de la red de distribución IEEE de 13 nodos considerando la inclusión de SFV trifásicos, bifásicos y monofásicos con capacidades de LVRT teniendo en cuenta el sistema de control diseñado. Los resultados permiten corroborar que la estrategia de mitigación permite realizar un soporte de tensión independiente por fase ante diferentes perturbaciones como sobrecargas y la ocurrencia de fallas simétricas y asimétricas. El presente trabajo de maestría fue desarrollado en el marco del proyecto de investigación titulado “Diseño de estrategias alternativas de operación y control para sistemas fotovoltaicos multifuncionales en redes de distribución con alta penetración de energías renovables” código 70416 adscrito al "Programa de Investigación en Tecnologías Emergentes para Microredes Eléctricas Inteligentes con Alta Penetración de Energías Renovables", contrato No. 80740-542-2020".
Diseño de una metodología para la valoración de eventos causados por fallas de red e inserción de bancos de condensadores en sistema de distribución de energía eléctrica
(Universidad Industrial de Santander, 2012) Blanco Solano, Jairo; Ordoñez Plata, Gabriel; Barrera Núñez, Víctor Augusto
El problema de la calidad de la energía se ha convertido en una temática de investigación que cobra gran interés debido principalmente a los grandes impactos económicos y técnicos en los sistemas eléctricos de distribución. Dentro de las perturbaciones eléctricas asociadas a una deficiente calidad de la energía se resaltan los huecos de tensión y los transitorios por bancos de condensadores debido a su elevada frecuencia de aparición y su notable impacto en el funcionamiento de equipos sensibles, cargas industriales y en la interrupción de procesos. Según lo anterior, se ha hecho evidente la necesidad de formular estrategias metodológicas para la caracterización, identificación y valoración de este tipo de eventos de tensión y específicamente en este trabajo de investigación se propone una metodología para valoración de los eventos causados por fallas de red e inserción de bancos de condensadores en sistemas de distribución de energía eléctrica. La metodología cuenta con módulos de segmentación de señales, de diagnóstico de causas, de extracción de información a partir de un conjunto de descriptores, de localización relativa de la causa de la perturbación y de valoración de los eventos de acuerdo a la implementación de índices, todo con el fin de facilitar la gestión de la red a partir de la información extraída con el análisis metodológico propuesto. Estos módulos utilizan técnicas de tratamiento de señales y clasificadores basados en reglas de decisión, todos implementados en la plataforma MatLab. Los resultados de esta nueva herramienta se convierten en un valor agregado al producto de la monitorización de la calidad de la energía eléctrica y de gran interés para las empresas de distribución que buscan el mejoramiento de la confiabilidad y la calidad en la prestación del servicio del producto energía eléctrica.

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