Análisis de flujos de potencia

En esta sección se realizará una revisión de los diferentes componentes

para el análisis de un Sistema Eléctrico de Potencia.
Unidad 01: Análisis de flujos de potencia.
Elemento de Competencia Contenido Programático
Reconocer las variables incidentes en el análisis de flujo de carga 1.1. Esquema de operación de sistemas eléctricos
para sistemas eléctricos de potencia proponiendo soluciones para 1.2. Criterios para el control y operación de sistemas eléctricos.
mejorar la operación en estado estacionario. 1.3. Operación en estado estable de sistemas de potencia
Indicadores de desempeño 1.4. Compensación de reactivos.
1.5. Análisis de flujos de carga.
 Identifica las variables características de un sistema de potencia
en estado estacionario.
 Modela sistemas eléctricos de potencia en estado estacionario
aplicando herramientas de simulación.
 Propone soluciones a problemas de compensación que afectan la
operación en estado estable.
 Evalúa los rangos de operación permisibles en un sistema de
potencia proponiendo recomendaciones y mejoras a los casos
presentados.
Sector eléctrico y Sistema Eléctrico de Potencia (SEP)
Agentes del SEP

Comercializació
Transmisión
• Si/No Convencional. • Circuitos. n
• Si/No Renovable. • Subestaciones
• Si/No Limpia. • Líneas largas y cortas. reductoras. • Clientes Si/No
• Subestaciones de • Postes. regulados .
potencia, elevadoras y • Clientes residenciales,
reductoras. comerciales,
• Torres. industriales y públicos.
• Compensaciones.
Generación Distribución
Generación en Colombia
• ¿Cómo afectaran las energías renovables a
la capacidad efectiva?
• ¿Existen problemas asociados a la
instalación?
• La generación distribuida, ¿Problema o
solución?

Confiabilidad en el sistema
Tipos de conexión
Radiales
• Pocos elementos constructivos, menor costo y fácil construcción.
• Poco confiable, una falla desconecta a todos los elementos.

Enmallado
• Capacidad de transporte, mejora la confiabilidad.
• Costoso, análisis detallado, equipos redundantes
Normatividad Colombiana
• NTC 1340: Tensiones y frecuencias nominales en sistemas de energía eléctrica en redes de
servicio publico.
• Articulo 12: Clasificación de los niveles de tensión.
• Extra alta tensión (EAT): Tensiones superiores a los 230 kV.
• Alta tensión (AT): Tensiones del orden de [57.5 kV, 230kV].
• Media tensión (MT): Tensiones del orden de (1 kV, 57.5 kV).
• Baja tensión (BT): Tensiones del orden de [25 V, 1000 V].
• Muy baja tensión (MBT): Tensiones menores a los 25 V.
Toda instalación eléctrica objeto del RETIE, debe asociarse a uno de los anteriores niveles. Si en la
instalación existen circuitos en los que se utilicen distintas tensiones, el conjunto del sistema se clasificará,
en el grupo correspondiente al valor de la tensión nominal mas elevada.
Tipos de redes
 Sistema de Transmisión Nacional -STN
 Sistema de Transmisión Regional - STR
 Sistema de Distribución Local - SDL
 Sistema Interconectado Nacional – SIN

Resolución CREG - 082 de 2002

Conducción y entrega de energía eléctrica a los centros de
consumo. Niveles de Tensión
Nivel IV: 57.5 kV ≤ Tensión nominal < 220 kV
Nivel III: 30 kV ≤ Tensión nominal < 57.5 kV
Nivel II: 1 kV ≤ Tensión nominal < 30 kV
Nivel I: Tensión nominal < 1 kV
Consumo de energía – En el departamento del Atlántico
100%

Estrato % de Subsidio o de Contribución

80% Estrato 1 Subsidio del 60%
Estrato 2 Subsidio del 50%
60% Estrato 3 Subsidio del 15%
Estrato 4 No recibe subsidio, ni contribuye.
40% Estrato 5 Paga una contribución del 20%
Estrato 6 Paga una contribución del 20%

20% Institucional No recibe subsidio, ni contribuye.

Comercial Paga una contribución del 20%

0%
Paga una contribución del 20%
-05 -04 -03 -02 -01 -12 -11 -10 -09 -08 -07 -06 -05 -04 -03 -02 -01 Industrial
0 20 020 020 020 020 019 019 019 019 019 019 019 019 019 019 019 019 Existen excepciones.
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Strata 1 Strata 2 Strata 3 Strata 4 Strata 5

Strata 6 Industry Commercial Institutional
Problemas en los SEP
• Daños en equipos por malas conexiones.
• Diseños mal ejecutados.
• Maniobras no adecuadas.
• Sobrecargas.
• Mantenimientos no adecuados.
• Sabotajes, Animales dentro de las instalaciones.
• Caídas bruscas de tensión, fallas.
Estudios en los SEP
Flujos de cargas. Mejoras para los SEP
 Tecnología basada en la electrónica de
potencia.
Contingencias.
 Mejoramiento de técnicas de predicción y
Estudios Off-Line detección de fallas.
Análisis de estabilidad.  Mejora de modelamiento para la operación
Retos para los SEP
Capacidad de transferencia
de potencia.  Expansión de la red.
SEP
 Construcción de líneas de AT y EAT.
Software de Análisis de
sistemas.  Desarrollo de redes inteligentes para cubrir
la demanda.
Estudios On-Line Simulaciones en tiempo real.  Uso de los suelos (POT).
 Servidumbres.
Análisis de calidad de  Regulaciones más estrictas.
potencia
Gestión del Riesgo
Riesgo: Posibilidad de que se produzca un contratiempo o
una desgracia, de que alguien o algo sufra perjuicio o daño. Analizar

Para la fiabilidad del sistema eléctrico, el riesgo es la

probabilidad de que un evento operativo reduzca la fiabilidad
de la interconexión al punto y que las consecuencias son
inaceptables.
¿Qué diferencia la confiabilidad y fiabilidad? Recuperar Acciones Reducir

Manejar
Criterios para el control y operación
En cada etapas se efectúa un análisis de
Largo plazo
estado:
 Estacionario
 Transitorio
 Dinámico. Mediano Plazo
Para el análisis de estado estacionario se En función de la carga
utiliza el programa de flujo de cargas
convencional y el programa de flujo de Corto Plazo
cargas óptimo.

Muy Corto Plazo

Criterios para el control y operación del SEP
Criterio Estabilidad de Estado Estacionario: Un SEP es
estable en estado estacionario para una condición de
operación, si después de un pequeño disturbio, alcanza una Normatividad y
condición de operación de estado estacionario semejante a la reglamentación
condición existente antes del disturbio. Regulación de tensión

Criterio Estabilidad Transitoria: Un SEP es transitoriamente Control de variables

estable si para una condición de operación de estado estable y Regulación de
para un disturbio en particular alcanza una condición de frecuencia
operación aceptable de estado estable, después del disturbio.
Operación de un SEP
Criterio N-1: ante la ocurrencia de una falla o desconexión Estado normal
de un elemento del sistema, sus efectos no se propaguen a
otras instalaciones del sistema, provocando desconexiones en
cascada. Definición de estado Estado de prevención

Contingencia Simple: es un evento en el cual se presenta la

salida de un elemento del sistema, para evaluar el grado de Seguimiento y control
Estado de emergencia
seguridad del SEP. de cargabilidad
Criterios generales
• En estado estacionario las tensiones en las barras de 115 kV, 110 kV y 220 kV, 230 kV no deben ser inferiores al 90% ni
superiores al 110% del valor nominal. Para la red de 500 kV el voltaje mínimo permitido es del 90% y el máximo es del
105% del valor nominal.
• La máxima transferencia por las líneas se considera como:
• El mínimo valor entre el límite térmico de los conductores.
• La máxima capacidad de los transformadores de corriente.
• El límite de transmisión por regulación de voltaje.
• El límite por estabilidad transitoria y dinámica.
• La cargabilidad de los transformadores se mide por su capacidad de corriente nominal, para tener en cuenta las
variaciones de voltaje de operación con respecto al nominal del equipo.
• En el Largo y Mediano Plazo no se permiten sobrecargas permanentes.
• En el Corto y muy Corto Plazo se pueden fijar límites de sobrecarga de acuerdo a la duración de la misma sin sobrepasar
las temperaturas máximas permisibles de los equipos y sin disminuir la vida útil de los mismos.
• Para los transformadores, el método empleado para determinar la máxima sobrecarga se basa en el cálculo de la
temperatura hora a hora del aceite y de los devanados del transformador como una función de su carga horaria. No se
debe perder vida útil del equipo en su ciclo de carga, de acuerdo al Documento de Parámetros Técnicos del SIN.
Criterios generales
• La sobrecarga de transformadores, se consideran como operación normal. Fuera de ellos el sistema se considera que está
en estado de alerta o de emergencia.
• En las barras principales del sistema de transmisión la tensión transitoria no debe estar por debajo de 0.8 p.u. durante
más de 500 ms (mili-segundo).
• Las corrientes e impedancias vistas por los relés vecinos, deben ser tales que no ocasionen la salida de elementos
adicionales, lo cual originaría una serie de eventos en cascada.
• En las máquinas, los ángulos del rotor deben oscilar de forma coherente y amortiguada con respecto a una referencia. En
el caso de resultar redes aisladas después de un evento, en cada red se escogerá una referencia, que generalmente es la
planta de mayor capacidad.
• Bajo una falla trifásica a tierra en uno de los circuitos del sistema de transmisión, en cercanía a la subestación con mayor
nivel de cortocircuito, la cual es aclarada con tiempo de protección principal y asumiendo salida permanente del
elemento en falla, el sistema debe conservar la estabilidad.
Compensación de reactivos en líneas de transmisión
La máxima explotación de la red esta dada por la regulación de tensión en el SEP; ya que suele significar una
perdida de potencial en los receptores, aunque, no siempre es así, ya que en la red nos podemos encontrar con
dos casos:
1. Una caída de tensión muy elevada y positiva es generalmente debida a un exceso en la demanda y puede
provocar daños en los equipos o paros de maquinas.
2. En líneas muy largas, en las que el efecto de capacidad es importante (Efecto Ferranti), puede generarse una
caída de tensión negativa, es decir, la tensión al final de puede elevarse y puede ser muy peligrosa.
Variables a considerar en la compensación de reactivos
Restricciones del sistema
• Características del sistema. Voltaje inadecuado

Tamaño del sistema Fusible quemado

• Demanda, capacidad del sistema.
Ferrorresonancia
Cantidad de reactivos a compensar
• Es necesario disminuir la reactiva Armónicos
Posibles
Cantidad de compensadores fallas Falla térmica
• Inversión - Operación –Mantenimiento

Puntos de operación Fallas dieléctricas

• Donde están las cargas
Fallas en aislamiento
Puntos de inyección
• Donde ubicaran los compensadores Fallas por estrés interno y externo
Modelamiento del sistema
• ¿Es el mejor diseño?
Compensación de reactivos
Control de Nivel de Tensión (AVR)

Métodos para la regulación sin Regulación con relación de Transformación

compensar la carga en transformadores y Autotrafos

Compensación mediante condensadores

colocados en la línea
Método para la regulación de tensión
de una línea de transmisión Compensación en Paralelo con capacitores

Compensadores Síncronos
Métodos para la regulación
compensando la carga.
Compensación en Paralelo con bobinas

Compensadores estáticos de potencia

reactiva

FACTS (Sistemas de transmisión flexible de corriente alterna): TCSC, SSSC, TSSC, SVC, ESTATCOM, UPFC, IPFC, TCPAR.
Investigar
1. Historia del sistema eléctrico colombiano.
2. Como se considera una barra de un SEP, ¿Finita o Infinita?
3. ¿Qué es Scada?
4. ¿Cuáles son las excepciones en la contribución para el sector industrial?
5. ¿Qué contempla el plan de expansión para el sistema de transmisión?
6. El funcionamiento de un autotransformador.
7. Investigar los sistemas FACTS:
1. Definir cada uno.
2. Identificar como es la conexión al sistema.
3. Realizar un cuadro comparativo de ventajas y desventajas
Regulación de voltaje
•   define como la elevación el voltaje en el extremo de recepción,
Se
expresada como porcentaje del voltaje a plena carga, cuando se
desconecta la carga total a un factor de potencia especificado.

Donde:

Para una línea corta:

Métodos para la regulación sin compensar la carga

• Se puede regular tensión en el extremo receptor de una

línea mediante el control de tensión en el origen, es decir
Control de Nivel de Tensión
en la generación, Es poco eficaz, sobre todo en sistemas
(AVR)
complejos, solo se puede en sistemas radiales y en antenas
y depende mucho de la demanda.

• Opción frecuentemente empleada, ya que permite además

Regulación con relación de
de regular el nivel de tensión, controlar los flujos de
Transformación en
potencia activa, reactiva, aparente y la intensidad que
transformadores y Autotrafos
circula por la línea.
Compensación mediante condensadores colocados en la línea
•   las líneas introducen efectos inductivos importantes que provocan un aumento de la impedancia de las líneas con la
Como
consiguiente caída de tensión, la inclusión de baterías condensadoras en serie con la línea reduce la reactancia de la línea
total, lo que permite mejorar la caída de tensión y permite tener un mejor flujo de potencia activa.

La formulación esta dada por:

XL: reactancia de la Línea
XC: reactancia capacitiva.
En la formula la diferencia hace menor el denominador y la potencia activa mejora
Desventajas:
 Solo se debe usar para líneas muy largas, pero las salidas de carga pueden causar un perturbación tan grande que puede
ocasionar esfuerzos de resonancia que pueden romper los ejes de los generadores, sobre todo en centrales nucleares o
térmicas.
Compensación en Paralelo con capacitores
• 
Existen instalaciones que disponen de factores inductivos, por lo que la potencia reactiva de compensación
debe ser capacitiva.
Hay muchas formas dentro de las fabricas y en las redes de distribución.
Compensación en Paralelo con bobinas
•   líneas muy largas, funcionado en vacío o con poca demanda, puede producirse el efecto Ferranti, este
En
efecto es fundamentalmente debido a la capacidad, que puede producirse en líneas en líneas largas.
Esta conexión tiene como objetivo evitar la elevación peligrosa de tensión y se colocan en paralelo con la
carga.
Compensadores Síncronos
•   compensador síncrono no es mas que un motor trabajando en vacío, es decir sin carga mecánica acoplada a
Un
su eje, mediante el control de su excitatriz es posible que el compensador se comporte como una carga
capacitiva o como una carga inductiva.

V= La tensión de fase-neutro en bornes del compensadores.

E = La f.e.m. interna.
= La reactancia síncrona.
I = La intensidad por fase del estator.

Importante:
 Al sobreexcitar se genera potencia reactiva capacitiva V<E
 Al subexcitar se genera potencia Inductiva, V>E
Compensadores estáticos de potencia reactiva
La electrónica de potencia también esta presente en la regulación de la energía reactiva, Uno de los métodos
mas empleados consiste en el compensador estático, este dispositivo esta basado en el control electrónico de
potencia reactiva y pueden pasar de inductiva a capacitivo o viceversa.
El principio de funcionamiento es con tiristores que pueden trabajar como interruptores y dejan pasar corriente
mediante un control en el momento indicado, compensado la carga solo cuanto se detecta que tipo de energía
se necesita
Análisis de Flujo de Carga
Para analizar flujos de potencia se deben modelar las redes y equipos en unifilares y son de gran importancia
porque aseguran la expansión de los sistemas de potencia y se debe lograr interpretar la magnitud y el ángulo
de fase del voltaje en cada barra y las potencias real y reactiva que fluye en cada línea.
Además, permite analizar en régimen permanente y comprobar a partir de su resultado, si el estado de
funcionamiento del sistema corresponde al estado normal de funcionamiento.
Modelos de los Generadores
Se consideran como fuentes de potencia fija. La potencia es suministrada al nodo de manera constante de
acuerdo al tipo de generador.
• Modelo de inyección de potencia: En este modelo se tiene en cuenta la potencia real P, la potencia reactiva
Q y se suministra el valor de tensión y corriente. Este modelo es muy utilizado para flujos de potencia y
estabilidad de tensión.
• Modelo Thevenin: en este modelo se tiene en cuenta la tensión E interna del generador y la impedancia Z.
Varios tipos de impedancia pueden ser representados para análisis dinámicos.
• Modelo Norton: este modelo considera la corriente inyectada y la impedancia en paralelo. Este modelo se
puede utilizar para cálculo de cortocircuito.
Modelos de Cargas
•• Modelo
  de impedancia constante, , conformado por los elementos R, L, C conectados a la red de potencia.
• Modelo de corriente constante, , al cual se le define la corriente constante, a un factor de potencia
constante, con independencia de la tensión.
• Potencia constante, , al cual se le define Potencia Activa P y Potencia reactiva Q, independiente de la
tensión y corriente.
• Modelos mixtos: los cuales son utilizados para la representación de la carga ante variaciones de impedancia,
tensión, corriente, frecuencia. Estos permiten hacer una representación más detallada de la carga, pero son
más difíciles de manejar ante un estudio de muchos nodos
Ejercicio de flujo de carga
•   el sistema de la figura los valores expresados en por unidad tienen una potencia base de 100 MVA y tensión
En
de base de 100 kV. En los nodos 3 y 4 se han colocado baterías de condensadores para compensación de
potencia reactiva y la impedancia de todas las líneas de interconexión entre los nudos es, en valores por
unidad, de y la admitancia en paralelo es . Determinar:

Elemento P.U.
1
2
1
1
1
-0,3j
-0,4j
Preguntas
•   Determinar la matriz de admitancia
1.
0,99-9,75j -0,33+3,3j -0,33+3,3j -0,33+3,3j
-0,33+3,3j 0,99-9,75j -0,33+3,3j -0,33+3,3j
-0,33+3,3j -0,33+3,3j 0,66-3,17j 0
-0,33+3,3j -0,33+3,3j 0 0,66-4j

2. Determinar la potencia de pérdidas del sistema en las condiciones del apartado b) si la solución al flujo de
potencias proporciona los siguientes valores: