en el caso de los armónicos de orden tres. Estos armónicos producen una corriente resultante de secuencia cero que circula por el neutro de las líneas de distribución, disminuyendo significativamente la eficiencia del proceso de transmisión de potencia. Este hecho hace que el conductor de neutro requiera el mismo calibre o mayor que los conductores de fase, a pesar de que en teoría la corriente por este conductor debería ser cero.
Existen tres fuentes principales de polución armónica en sistemas de distribución: i) los elementos saturables, ii) los dispositivos de arco y, iii) los dispositivos basados en electrónica de potencia. Los dos primeros son elementos pasivos por lo que su comportamiento no lineal es resultado de las características físicas del dispositivo.
Una forma de medir el grado de polución armónica de una señal de voltaje o corriente es mediante el Índice de Distorsión Armónica Total o THD por sus siglas en inglés (Total Harmonic Distortion). Éste se define como un porcentaje de la fundamental, en el caso de la tensión toma la siguiente forma:
donde V1 es la componente fundamental de la tensión y Vh son cada una de las componentes armónicas.
La normatividad colombiana en materia de distorsión armónica está basada en el estándar IEEE 519 (Power and Society, 2014). Para los niveles de tensión del I al III el máximo THDv es de 5.0% mientras que para el nivel de tensión IV es de 2.5%. Estos límites se muestran en detalle en la Tabla 1.1. En cuanto a los usuarios directamente conectados al sistema de transmisión nacional, el máximo THDv es de 1.5%.
Tabla 1.1: Límites máximos de THD de tensión para sistemas de distribución de acuerdo a la Norma IEEE519 (Power and Society, 2014)
| Voltaje | Vh | THD (%) |
| V ≤ 1 kV1 kV ≤ V ≤ 69 kV69 kV ≤ V ≤ 161 kVV ≥ 161 kVSistemas con HVDC | 5.03.01.51.01.0 | 8.05.02.51.52.0 |
Los límites de distorsión de corriente se dan en porcentaje de la corriente de corto circuito Isc para cada frecuencia armónica como se muestra en la Tabla 1.2.
Tabla 1.2: Límites máximos de corriente para sistemas de distribución de acuerdo a la Norma IEEE 519 (Power and Society, 2014)
En comparación, el sistema de distribución es más propenso a sufrir problemas relacionados con altas distorsiones armónicas. Es por ello que los sistemas de compensación y filtros activos presentados en este libro están principalmente orientados a media y baja tensión.
1.3 Los sistemas de distribución
Los sistemas de distribución tienen como objetivo recibir la energía eléctrica que llega desde los grandes centros de generación a través del sistema de potencia, y distribuirla a los diferentes usuarios a niveles de tensión adecuados. La operación de estos sistemas debe realizarse bajo parámetros de eficiencia, calidad y confiabilidad. Aproximadamente el 70% de las pérdidas totales de energía se presentan a nivel de distribución y por tanto, los retos son mayores a este nivel. Igualmente, la introducción de fuentes de energía alternativa con potencias variables hacen más complejo su análisis y operación.
Los sistemas de distribución presentan características particulares que los diferencian de los sistemas de potencia, entre ellas se destacan:
• Radialidad: los sistemas de distribución son operados de forma radial evitando la necesidad de sofisticados sistemas de adquisición de datos (SCADA) y facilitando la coordinación de las protecciones que, en la mayoría de los casos, son relés de sobrecorriente. Asimismo, la topología radial reduce las corrientes de cortocircuito y la cantidad de documentación descriptiva.
• Relación R/X: a diferencia de los sistemas de potencia, las líneas de distribución presentan valores cercanos entre la resistencia y la reactancia serie. Esta relación varía según los tipos de conductores utilizados y la disposición geométrica de los mismos. En algunos casos R y X tienen valores cercanos mientras que en otros el primero puede ser mucho mayor al segundo.
• Transposición: las líneas de distribución son de corta longitud y bajo nivel de tensión, por ello son construidas sin requerir transposición. Por tal motivo, un modelo adecuado debe realizarse en forma trifásica.
• Multiplicidad de las cargas: existe una variedad de cargas conectadas de forma trifásica o monofásica las cuales pueden ser modeladas como impedancia, corriente o potencia constante.
• Desbalance: debido a la presencia de cargas monofásicas y elementos diseñados asimétricamente, el sistema de distribución es desbalanceado. Esto implica un modelado trifásico de todos los componentes imposibilitando la utilización de equivalentes monofásicos tal y como se hace en sistemas de potencia.
• Tamaño: los sistemas de distribución presentan gran cantidad de nodos. Por ende, se requiere un adecuado manejo de la información. Asimismo, el sistema de distribución crece mucho más rápido que el sistema de transmisión y generación.
• Incertidumbre: la falta de bases de datos de manejo de carga hace más difícil el análisis a mediano y corto plazo. Adicionalmente, las cargas a nivel de distribución presentan un mayor nivel de aleatoriedad que en los sistemas de potencia.
Todas estas características hacen complejo el análisis de los sistemas de distribución, especialmente en estudios de compensación de potencia. La incertidumbre natural de la demanda se ve agravada con la variabilidad de la generación característica de las fuentes de energía renovable. Todas estas características afectan los estudios en sistemas de distribución y en particular, aquellos relacionados con la calidad de la forma de onda (i.e., armónicos). Por ejemplo, un capacitor ubicado con el fin de compensar potencia reactiva puede ser sintonizado de tal forma que resulte en un factor de potencia para una generación y demanda nominal. No obstante, debido a la alta variabilidad de la demanda o la generación distribuida, este compensador puede operar a factores de potencia no unitarios en la mayor parte del tiempo e incluso puede generar resonancias con la red.
1.4 Redes de distribución inteligente
Una red inteligente puede ser definida como una red eléctrica que utiliza diversas tecnologías para monitorear, controlar y gestionar de forma inteligente, el transporte de energía eléctrica desde los centros de generación hasta los usuarios finales. La principal novedad con respecto a los sistemas de potencia convencionales radica en el uso de tecnologías que permitan hacer el sistema más autónomo e inteligente.
El concepto de red inteligente es difuso ya que una red eléctrica convencional cuenta con elementos de control, optimización y automatización que pueden se considerados inteligentes. Sin embargo, gran parte de la operación de estos sistemas siguen siendo realizados de forma manual, confiando en la experiencia y experticia
