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Simulación de sistemas de potencia mediante programas informáticos digitales

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La energía eléctrica se ha convertido en el tipo de energía más utilizado por la sociedad moderna. La principal función de un sistema eléctrico de potencia es generar electricidad usando fuentes de energía primarias y entregarla a los usuarios de una manera económica y segura. El transporte de la energía eléctrica se realiza a través de sistemas de transmisión, subtransmisión y distribución.

 

En un sentido general, un sistema eléctrico de potencia es un conjunto de dispositivos y equipos interconectados que transforman las fuentes de energía primaria, como petróleo, gas natural, carbón, biomasa, viento o radiación solar, en energía eléctrica, que posteriormente será transformada en otra forma de energía, por ejemplo, la mecánica. La electricidad se transmite a varios niveles de tensión (CA y CC), a través de una serie adecuada de transformadores, líneas de transporte y cables, desde los generadores hasta las cargas.

La planificación, el diseño y la operación de los sistemas de energía industrial y comercial requieren estudios de ingeniería para evaluar el rendimiento, la fiabilidad, la seguridad y la rentabilidad de los sistemas existentes y propuestos. Los estudios, debidamente concebidos y realizados, son una forma eficiente de evitar sorpresas y optimizar la selección de equipos. En la etapa de diseño, los estudios identifican y evitan posibles deficiencias en el sistema antes de que entre en funcionamiento. En los sistemas existentes, los estudios ayudan a localizar la causa de las faltas y el mal funcionamiento de los equipos, además de determinar medidas correctivas para optimizar el rendimiento del sistema. La complejidad de los sistemas de potencia modernos hace que los estudios sean difíciles, tediosos y largos de realizar manualmente. Las tareas computacionales asociadas con los estudios de sistemas de potencia se han simplificado enormemente con el uso de programas digitales de simulación. La complejidad relacionada con el sistema de potencia (complejidad en términos del tamaño del problema y de la modelización y solución matemática) requiere el uso de sofisticados programas de análisis de sistemas de potencia. Este artículo está dedicada a una breve introducción sobre la simulación de los sistemas de potencia mediante programas informáticos digitales.

Mención especial tienen las renovables. Con el auge de estas fuentes de energía y su cada vez mayor peso dentro del mix energético, cada vez se conectan a la red parques eólicos y plantas fotovoltaicas con mayor potencia nominal. Esto ha obligado a los operadores de red a desarrollar normativas de regulación y códigos de red más exigentes con el fin de garantizar la seguridad y estabilidad de la red eléctrica, donde el papel de las simulaciones se ha convertido en imprescindible.

Por una parte, las herramientas de análisis de estabilidad transitoria (RMS), como PSS®E, permiten abordar simulaciones analizando el sistema de potencia como un conjunto de ecuaciones fasoriales. Esto nos brinda la posibilidad abordad estudios de planificación y diseño, además de poder analizar la estabilidad en tensión y frecuencia del sistema ante contingencias o perturbaciones en la red.

Por otra parte, las herramientas de análisis de transitorios electromagnéticos (EMT), como PSCAD™, permiten analizar detalladamente el comportamiento y la respuesta del sistema ante distintos eventos transitorios, como sobretensiones debidas a impactos de rayo, sobretensiones transitorias, tensión transitoria de restablecimiento de interruptores, ferro resonancia o corrientes de energización de transformadores, entre otros.

En el siguiente ejemplo se muestra el modelado un parque eólico completo en PSCAD™, en el que se pueden apreciar los distintos elementos que componen el parque como el perfil de viento, la turbina eólica, el generador eléctrico y sus controles, así como el convertidor electrónico que rectifica la tensión que produce el generador y ondula a la frecuencia de la red eléctrica. Si se requiere de un mayor nivel de detalle, también se puede incorporar el modelo del transformador elevador, los cables y líneas de transporte, así como la red de distribución con diferentes cargas.