D - Ingeniería Eléctrica

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Propuesta de digitalización de una subestación eléctrica convencional existente en Colombia

Cabrera Cruz, Luis Fabio | 2021-11-29

El concepto de una subestación digital incorpora una solución basada en la implementación del bus de estación y bus de procesos, acorde al estándar IEC 61850, lo cual plantea un reto en cómo debe ser implementada una solución de este tipo, dado que reemplaza los conexionados eléctricos que se hacían con grandes tendidos de cables de cobre por el uso de fibra óptica y redes Ethernet, implicando evidentemente un cambio de filosofía en cómo se lleva a cabo la automatización y modernización de subestaciones eléctricas y la operación de los esquemas de protecciones eléctricas para conservar la seguridad y confiabilidad de los sistemas de potencia. Por tanto, este trabajo desarrolla una propuesta de digitalización de una subestación eléctrica convencional existente tipo AIS 230kV en configuración doble barra en Colombia y determina las principales características y los aspectos tanto normativos como técnicos más importantes que deben tenerse en cuenta para el diseño de este tipo de soluciones en Colombia, además de establecer el impacto a las protecciones eléctricas, a la disponibilidad y confiabilidad de todo el sistema; de igual forma, se contribuye al uso de herramientas de simulación de redes de comunicaciones como lo es OMNET++, orientadas al análisis de sistemas de potencia en el entorno académico, que permite dar un acercamiento desde el punto de vista de la interacción de los sistemas de protecciones eléctricas con los sistemas de comunicaciones. Se investigaron sobre los aspectos técnicos, se identificaron los diferentes productos y soluciones que existen en el mercado actual para la digitalización de una subestación eléctrica y con ello se propuso y desarrolló una solución de digitalización, sobre la cual se evaluó el desempeño de las protecciones eléctricas mediante el uso de un software de simulación de sistemas de potencia mediante DIgSILENT para el análisis desde el punto de vista eléctrico y mediante el software de comunicaciones OMNET++ para el análisis desde el punto de vista de la red de comunicaciones. El impacto sobre la disponibilidad y confiabilidad del sistema se determinó mediante la comparación de los índices de disponibilidad sobre los dispositivos de medida, control y protección de la subestación convencional existente y la subestación digitalizada propuesta.

Viabilidad de una Micro-red en la isla de San Andrés, Colombia

Duque Fernández, Eduardo | 2021-09-17

San Andrés isla, en Colombia, tiene un gran potencial en energías renovables no convencionales para ser implementado en su sistema eléctrico, el cual, hasta la fecha de la presente investigación, abastece su demanda de energía eléctrica con combustibles fósiles. El presente documento evaluó la viabilidad de implementar una micro-red en la isla, incorporando paneles solares fotovoltaicos y turbinas eólicas onshore al sistema eléctrico existente, tomando como datos de entrada los consumos de los habitantes para el año 2019 reportado al IPSE.

Marco regulatorio para la incorporación de almacenamiento con baterías en centrales hidroeléctricas a lo de agua

Lopez Gonzalez, Andrea | 2021-11-09

El presente documento analiza el potencial del almacenamiento de energía en centrales Hidroeléctricas a filo de agua en Colombia, con el objetivo de brindar flexibilidad y seguridad en la operación. La metodología utilizada inicia con el análisis de la tecnología de almacenamiento de energía más adecuada para incorporar en centrales hidroeléctricas a filo de agua. Posteriormente, se identifican las aplicaciones con baterías para el híbrido: central hidroeléctrica a filo de agua y sistema de almacenamiento de energía con baterías. Luego, se realiza el análisis comparado internacional para identificar las aplicaciones de almacenamiento con baterías, los mercados eléctricos asociados y mecanismos. También se revisa la regulación y proyectos en curso del híbrido en centrales nuevas de cinco países: Chile, Alemania, Francia, Estados Unidos (Interconexión Pensilvania, Nueva Jersey, Maryland) y Australia. El resultado del estudio arroja que la tecnología de almacenamiento más adecuada para incorporar en una planta hidroeléctrica a _lo de agua es el sistema de almacenamiento de Energía con baterías. Para el mercado Colombiano actual, el potencial del híbrido: sistema de almacenamiento de energía con baterías y planta hidroeléctrica a filo de agua se concentra en las plantas despachadas centralmente, particularmente para la aplicación regulación primaria de frecuencia, regulación secundaria de frecuencia, regulación de tensión; así como para microrredes. En el escenario de mercado futuro se proyectan otras aplicaciones como inercia, arranque en negro; bajo la condición de una ampliación del mercado de servicios complementarios. Adicionalmente, se planteó un marco regulatorio que sugiere la creación de una asociación de almacenamiento de energía que une a los interesados en el almacenamiento de energía para la formulación, financiamiento y promoción de proyectos híbridos en Colombia. También plantea la definición de los posibles híbridos de almacenamiento de energía con sus respectivas aplicaciones y mecanismos de mercado. Así mismo recomienda establecer los requisitos para otorgar licencias, tanto ambientales como técnicos, entre los aspectos más relevantes.

Modelo de Micro-Red en Baja Tensión para Prosumers en Colombia

Cruz Mora, Juan Gabriel | 2021-10-05

El presente trabajo de grado se ocupa de la investigaci´on y propuesta de un modelo de micro-red para prosumers, en baja tensi´on, espec´ıficamente de tipo residencial en Colom bia, donde se analizan los aspectos t´ecnicos y de mercado inherentes al objeto de estudio. Se expone la realidad del pa´ıs en esta tem´atica, el reciente marco regulatorio que permite a los usuarios la generaci´on y comercializaci´on de excedentes de energ´ıa a base de fuentes renovables no convencionales con el operador de red pero a un nivel m´ınimo y restrictivo, como tambi´en la problem´atica cada vez m´as amplia respecto a la continuaci´on del modelo centralizado del sistema el´ectrico y la necesidad de un transici´on hacia la adopci´on e inclusi´on de energ´ıas renovables no convencionales, en este caso desde baja tensi´on, transform´andose de esta manera la red tradicional en micro-red.

Planificación energética ISO 50001 en una granja piscícola continental

Narváez Cuenca, Javier Humberto | 2021-09-09

Desarrollo de la planificación energética bajo la norma ISO 50001, en una granja piscícola continental en donde se cultiva la tilapia nilótica, en la que se caracterizó el perfil de la demanda de energía eléctrica, se evaluó el desempeño de los aireadores tipo splash existentes y se evaluó el potencial fotovoltaico.

Optimización del diseño de la turbina eólica Savonius

Torres Espinosa, Sebastian | 2021

El trabajo de grado titulado: “Optimización del diseño de la turbina eólica Savonius”, tiene como objetivo principal plantear una metodología de diseño para determinar la configuración óptima que consigue maximizar el rendimiento aerodinámico de una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius. Lo anterior, debido a que en la bibliografía especializada se identifican escasos diseños de este tipo de turbinas que contemplen la influencia conjunta de distintos parámetros geométricos en el rendimiento de la turbina, ni tampoco el uso de técnicas de optimización matemática evaluadas a gran escala. Para la consecución de este propósito, se definen en la investigación los siguientes tres procedimientos principales de la metodología de diseño: la parametrización de las simulaciones numéricas, el proceso de optimización y la estimación de la energía eléctrica suministrada por el conjunto turbina generador. Para la parametrización de las simulaciones numéricas se definen las variables que se tienen en cuenta para la solución de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento del flujo de fluidos en la turbina, desde un enfoque numérico. Como resultado de esta etapa se consiguen generar distintos modelos de turbina eólica Savonius, dependientes de cuatro parámetros geométricos de entrada, al igual, se evalúa el rendimiento aerodinámico de estas turbinas de acuerdo con las soluciones numéricas obtenidas. Por otro lado, en el proceso de optimización se presentan las herramientas para la ejecución de simulaciones a gran escala, que permitan variar los parámetros geométricos de entrada basados en técnicas estadísticas. De esta manera, con los resultados alcanzados de las soluciones numéricas, se generan superficies de respuesta continuas en las que se emplean técnicas de optimización, que tengan como objetivo encontrar la configuración apropiada de la turbina que maximice el rendimiento aerodinámico. Finalmente, en el procedimiento de la estimación de la energía eléctrica suministrada se exponen los modelos matemáticos que consiguen, a partir de una serie temporal de datos meteorológicos, estimar la energía eléctrica suministrada por el conjunto compuesto por la turbina eólica Savonius de configuración óptima y el generador eléctrico acoplado a ella. En la investigación, se evalúa e ilustra esta metodología de diseño con el fin de encontrar la turbina eólica Savonius de configuración óptima y establecer la energía eléctrica que esta podría suministrar dadas las condiciones meteorológicas de la ciudad de Bogotá D.C. Así mismo, se introduce un caso de estudio especial relacionado con las condiciones del municipio de Uribia, en el departamento de la Guajira. La metodología de diseño planteada en este documento junto con sus resultados proporciona herramientas de especial interés para que investigadores y diseñadores evalúen múltiples turbinas eólicas Savonius de acuerdo con técnicas estadística, reduciendo así los costos y los tiempos de experimentación. Sumado a esto, el proceso de optimización propuesto introduce en este tipo de estudios la implementación de la metodología de la superficie de respuesta, la cual permite encontrar la configuración con la que la turbina eólica Savonius consigue maximizar su rendimiento aerodinámico, sin tener que evaluar experimental o numéricamente todas las opciones posibles.

Efectos del Transporte Eléctrico Público sobre las redes de distribución

Niño Barrero, David Alejandro | 2021

spa: Como es de conocimiento público la emisión de gases de efecto invernadero es la causa principal del calentamiento global, este ha causado múltiples estragos de orden ambiental en todo el planeta. Se sabe por diferentes estudios que la industria que más contribuye a la emisión de estos gases es la industria del transporte. Teniendo eso en cuenta los gobiernos empezaron a idear una forma de reducir estas emisiones en la industria. Gracias a esto nació la idea de cambiar el combustible que usan los vehículos de trasporte publico del tradicional Diesel a electricidad como forma de combustible. Al tener electricidad como combustible se vuelve necesario empezar a adecuar motores eléctricos como medio de propulsión para buses públicos. Al tener esta especie de motores se puede comenzar a añadir algunas baterías dentro de los buses, las cuales después de ser cargadas podrán generan la autonomía necesaria para que estos buses no necesiten cargarse sino después de muchas horas y kilómetros. Así mismo, se conoce que el modo de carga más común es el capacitivo en donde directamente se conecta el enchufe del bus a una toma especial, esta a su vez esta conectada a la red. Este hecho en particular a despertado el interés de muchos en saber si existe efecto alguno en las redes de distribución al realizar esta conexión, dado que los cargadores vienen con una gran capacidad de potencia. Se encontró que si existen múltiples efectos, dentro de los que se destacan el aumento de carga en los alimentadores y la disminución del nivel de tensión en estos mismos. En este trabajo no solo se presentaran que otros efectos existen, sino que también como es el consumo de energía de los buses eléctricos, cuales son sus fabricantes y como se ha ido distribuyendo esta tecnología a través de todo el globo terráqueo.

Transmisión en HVDC para generación eólica

Otalora Aldana, Carlos Sneyder | 2020

Los sistemas de generación eólica, han tomado gran importancia, debido a que estos sistemas producen una energía más limpia y son una alternativa fuerte para reemplazar a las plantas de generación térmica. Estos sistemas tienen distintas configuraciones y clasificaciones, ya sea que se clasifiquen por la disposición del eje o si se clasifican por su velocidad. Uno de los grandes inconvenientes que podrían tener estos sistemas de generación, es la confiabilidad a la hora de generar energía, este problema se presenta debido a que la velocidad del viento no es constante, esto ocasiona que, en distintos instantes de tiempo, se tenga menor o mayor disponibilidad de energía. Una solución contundente es implementar un sistema de transmisión HVDC, el cual tiene grandes ventajas cuando se trata de transportar energía. La transmisión en HVDC es posible gracias a los convertidores electrónicos de potencia, los cuales cuentan con una etapa de rectificación y una etapa de inversión. Por medio de estos dispositivos se puede controlar el flujo de potencia activa y reactiva que se inyecta a la red, teniendo el control del flujo de potencia, se puede proporcionar una cantidad fija de energía solucionando el problema de confiabilidad que presentaban los aerogeneradores. En el presente documento se usa el programa DigSILENT PowerFactory para modelar un sistema de transmisión HVDC, se observa la contribución de estos sistemas a la red eléctrica y como se puede controlar el flujo de potencia que estos sistemas inyectan a la red.

Evaluación de fallas de aislamiento en transformadores de potencia utilizando Análisis de Cromatografía por Gases Disueltos (DGA)

Juris Zapata, Juan Sebastian | 2020

Los análisis por cromatografía de gases disueltos (DGA) y las pruebas de aislamiento del tipo Megger DC son realizados para diagnosticar el estado de un transformador de potencia, es por esto que se plantea el objetivo de evaluar si existe una posible relación entre ambas. Para ello se analiza una base de datos con protocolos de pruebas DGA y Megger DC utilizando la teoría de la correlación de variables al igual que las técnicas DGA actuales. Los resultados encontrados permiten afirmar que si existe una relación entre ambas pruebas bajo condiciones específicas, por lo tanto se puede estimar el estado de aislamiento DC de un transformador a partir de las pruebas DGA.

Estudio de factibilidad para implementación de sistemas fotovoltaicos y eólicos, en parques metropolitanos de Bogotá

Romero Pedraza , Eder Aleixo | 2020

Due to the indiscriminate exploitation and use of fossil fuels by human beings and the environmental problems generated as a result of this, the idea of ​​meeting energy demand through the use of alternative energy sources has been taken into account, which are a lot less degrading to the environment and to make humanity aware of the need to establish a world sustainable, in which favorable living conditions for future generations can be guaranteed. Studying the possibility of implementing technologies for the use of solar energy (solar panels) and wind energy (wind turbines) in urban public areas, specifically in parks on a metropolitan scale (large parks) in the city of Bogotá, makes it necessary to determine availability of solar and wind energy resources in the city, specify the electricity demand profiles in parks of this scale and choose the appropriate devices for the use of these energy resources. With this study, simulation models are obtained that allow integrating all the information collected, seeking to establish an optimal system architecture, capable of taking advantage of the energy resources available on site to generate electricity. The adaptation of renewable energy systems in metropolitan parks can greatly help Bogotá to advance towards sustainable energy development, which allows the city to occupy prestigious places worldwide regarding environmental issues. On the other hand, to explore the idea of ​​bringing the concept of rational and efficient use of energy closer to the daily life of human beings, through the implementation of energy capture devices in an area that represents part of the ecological structure of the city , hint the intention of wanting to use and produce electrical energy in a clean, efficient way and being consistent with the environment, which requires an energy model in which each individual, building and in this case large space, contributes to the energy consumption that society demands for its development.

Determinación de la capacidad máxima permitida de generación solar fotovoltaica en redes de distribución

Vers Silva, Carlos Daniel | 2020

El crecimiento de sistemas de generación solar fotovoltaico en Colombia incrementa la complejidad de operación de los sistemas de distribución y la probabilidad de presentarse problemas en calidad de potencia, principalmente sobretensiones o flujo inverso de potencia. En este trabajo se propone una metodología para determinar la capacidad máxima permitida de penetración de sistemas de generación PV en sistemas radiales de MT, integrando modelos probabilísticos del comportamiento de irradiancia y carga mediante GMM, modelado de la red y análisis de Monte Carlo, realizando 144000 flujos de potencia para 20 escenarios establecidos. Esta metodología se aplicó a un circuito radial de MT en Bogotá comprobando así que la tensión eléctrica y el factor de potencia son los parámetros de mayor variabilidad frente a diferentes niveles de penetración y participación PV, sin embargo, en la cabecera del circuito el efecto sobre la tensión es casi nulo, también se encontró que uno de los factores que más limitan el Hosting Capacity PV es el factor de uso de los transformadores de MT/BT.

Evaluación del esquema de coordinación de protecciones ante la inclusión de generación fotovoltaica en Bogotá

García Quijano, Andrés Felipe | 2020

El uso de energías limpias como fuentes de generación eléctrica es un tema que en el trascurso de los últimos años se ha visto como una buena alternativa por parte de los usuarios y generadores del sistema eléctrico en Colombia, más ahora que se han creado nuevas leyes que facilitan su construcción e implementación. Uno de los tipos de energía que más llama la atención es la energía solar fotovoltaica debido a que los tipos de terreno y las características de radiación que se tienen en diferentes partes del país se prestan para que su instalación sea más fácil y eficiente que otros tipos de energía. La inclusión de nuevos tipos de generación en el sistema hace que las características de este cambien, teniendo en cuenta que la ubicación de estas nuevas fuentes de potencia en la red es distribuida en diferentes puntos causando que el flujo de corriente cambie de forma drástica. Con base en lo anterior, se tienen nuevos retos para los ingenieros electricistas en diferentes campos de estudio entre los que se encuentra el de la coordinación de protecciones. Este trabajo pretende evaluar el comportamiento del esquema de protecciones actual de las redes de distribución de la ciudad de Bogotá teniendo en cuenta que, con la inclusión de fuentes basadas en energía solar fotovoltaica, se tienen cambios en las direcciones y las características de las corrientes que fluyen en la red. Estas nuevas características hacen necesario considerar nuevas variables en los estudios de protecciones eléctricas.

Rendimiento de una instalación fotovoltaica conectada a la red a más de 2500 msnm.

Quevedo Barrera, Julio César | 2020

Las fuentes de energía renovable y especialmente la energía solar fotovoltaica, han comenzado a tener relevancia en los últimos años, gracias a sus ventajas con respecto a las fuentes de energía convencionales. Sin embargo, dado que en Colombia hasta hace muy poco se ha venido implementando sistemas fotovoltaicas, cuenta con un número reducido de trabajos de investigación concernientes a la producción de energía a partir de sistemas fotovoltaicos. De la misma manera, existen pocos estudios que describen el funcionamiento y rendimiento de plantas fotovoltaicas a una altura mayor de 2500 msnm. Por esto, en este trabajo se presenta una metodología para evaluar el rendimiento de una instalación fotovoltaica conectada a la red, bajo las condiciones geográficas y climáticas de Bogotá, que se encuentra a aproximadamente 2600 msnm y a una latitud de 4,6° norte. En el estudio, se lleva a cabo un análisis del impacto que tienen las variables climáticas sobre la producción de energía eléctrica del sistema. Además, se comparan los índices de comportamiento característicos de sistemas fotovoltaicos con los encontrados en otras zonas geográficas. Así mismo, con el fin de evaluar el rendimiento de la instalación con más detalle, se proponen modelos que permiten determinar la función de variación de la temperatura de los módulos, la potencia del sistema y la eficiencia para cualquier instante, a partir de las condiciones climáticas de la instalación. El análisis de los resultados permite concluir que el índice de rendimiento final del sistema fotovoltaico, ubicado en Bogotá, es mayor que el comparado con sistemas localizados en Singapur, Francia, Corea del Sur, Irlanda, Polonia y Alemania. En consecuencia, se puede afirmar que Bogotá cuenta con un recurso solar importante y apto para la instalación de plantas solares fotovoltaicas, gracias a sus condiciones climáticas y geográficas.

Viabilidad de recarga de baterias de vehículos eléctricos mediante energía cinética constante

Monroy Laverde, Cristian Camilo | 2019-05-27

Este documento se encuentra una investigación sobre un sistema de regeneración de energía cinética constante para el aumento de la autonomía de vehículos eléctricos, que a partir de una validación de un modelo matemático que representa el comportamiento en ruta y la cantidad de potencia necesaria en las llantas para lograr su movimiento, que recurre para un análisis de las variables eléctricas del sistema de Freno regenerativo, el cual es llevado al Software Matlab® y programado con la herramienta Script. Posteriormente, se hace una adaptación para el sistema de estudio, bajo una serie de simulaciones sobre diferentes tipos de perfiles de velocidad, abarcando tanto de recorridos urbanos como de carretera y un perfil llamado Caso de Estudio, son comparados los resultados de consumo y estados de carga entre los dos sistemas de recuperación de energía para determinar la viabilidad de implementar el sistema de regeneración de energía cinética constante en un vehículo eléctrico con características similares a un Nissan Leaf, da como resultados más favorables para el sistema convencional de Freno Regenerativo, a excepción del perfil de velocidad Caso de Estudio, poniendo con una baja factibilidad para llevar a cabo pruebas medibles y su posterior implementación.

Impacto producido en la calidad de potencia de una red de distribución eléctrica residencial debido a la recarga de vehículos eléctricos

Torres Franco, Sebastian | 2019-06-06

El inminente incremento en la cantidad de vehículos eléctricos (EVs) a nivel mundial por ser una de las principales tendencias de desarrollo en el ámbito de las tecnologías sostenibles, ha sido motivo de interés por parte de los operadores de red, principalmente por los efectos de esta tecnología sobre la calidad de potencia de las redes eléctricas, es decir, sobre las características eléctricas de una red que permiten satisfacer las necesidades de los usuarios. Numerosos estudios presentan como uno de los principales puntos de afectación las redes residenciales, en las cuales los usuarios pueden conectar sus vehículos cuando estén en sus hogares. Con la finalidad de entender mejor los posibles efectos de los EVs sobre las redes eléctricas residenciales, se propuso el objetivo de evaluar desde un punto de vista normativo el impacto sobre la calidad de potencia de una red residencial eléctrica en baja tensión frente a diferentes grados de penetración de vehículos eléctricos. Para la consecución del objetivo se empleó por un lado una metodología basada principalmente en la aplicación, desarrollo y articulación de modelos matemáticos y ajustes probabilísticos con Modelos Gaussianos Mixtos elaborados a partir de mediciones experimentales, para representar el comportamiento de las variables eléctricas de los vehículos durante su recarga y el efecto que tienen sus corrientes armónicas sobre el envejecimiento de transformadores de cabecera en sistemas desbalanceados. Por otro lado, se utilizaron encuestas locales para modelar los patrones aleatorios de los usuarios de los vehículos en cuanto a su estado de carga y hora de conexión a la red. Los resultados de los modelos se combinaron para elaborar perfiles de carga que representan el comportamiento promedio de las variables eléctricas de los vehículos a lo largo de cada momento del día. Finalmente se incorporaron estos perfiles con mediciones experimentales realizadas bajo estándares normativos de la calidad de potencia de una red eléctrica en baja tensión de un conjunto residencial tomado como caso de estudio, verificando el cambio de los diferentes indicadores reglamentarios asociados a las variables de calidad de potencia frente diferentes niveles de penetración de vehículos eléctricos. Los resultados obtenidos bajo la metodología de evaluación de la norma NTC-2050 indican que el impacto promedio de los EVs puede llegar a ser bajo, y que existe una fuerte relación entre su efecto sobre la red eléctrica y el estado de carga que tuvieron al momento de su conexión. Se encontró que el impacto sobre factor de potencia llega a ser despreciable, que las corrientes armónicas de la carga de los vehículos son de un orden de magnitud que no compromete la vida operativa del transformador de cabecera, y que el principal impacto sobre la red se da en términos de la cargabilidad del transformador y el desbalance de tensión. En contraste, normativamente los indicadores asociados a la distorsión armónica de la red pueden disminuir por la metodología de evaluación. Adicionalmente se obtuvo que a pesar de que el impacto promedio es bajo, pueden existir casos críticos donde los efectos sean significativamente superiores a los esperados, especialmente para el desbalance de tensión.