Evaluación probabilística y armónica de parámetros de calidad de energía de recursos energéticos distribuidos en una red de distribución

Distributed energy resources (DERs) are leading actors in energy transition worldwide. Despite the environmental benefits, DERs are intermittent (consumption/generation power changes according to the input variables), and the use of power electronic devices affects the power quality in distribution networks. Typically, models and simulations (deterministic or probabilistic) are proposed to estimate such impacts. However, previous studies have analyzed the main effects caused by one or two DERs during a day. These studies had a reduced level of detail in the applied methodology in modeling and impact evaluation, or they did not consider that the harmonic distortion level depends on input variables. The aim of this article was to develop a probabilistic harmonic simulation approach to characterize the hourly effect of photovoltaic systems (PVS), battery energy storage systems, and electric vehicle charging stations in a 34-node IEEE test feeder. The individual and collective effect estimation of the DERs consists of the hourly quantification of the effective voltage value, voltage unbalance, power factor, and harmonic distortion, with data obtained using Python and PowerFactory co-simulation for 23 operation scenarios. These impacts were assessed through indicators proposed in the literature and hypothesis tests (inferential statistics). Each DER generally operates at a specific time, making it easy to identify the individual effects of network parameters. The PVS increased the effective voltage value and total harmonic distortion. However, electric vehicles and batteries increase the voltage unbalance and power factor due to the two-phase connection in some network nodes.Los recursos energéticos distribuidos (RED) son actores líderes en la transición energética en todo el mundo. A pesar de los beneficios ambientales, los RED son intermitentes (la energía de consumo/generación cambia según las variables de entrada), y el uso de dispositivos de electrónica de potencia afecta la calidad de la energía en las redes de distribución. Por lo general, se proponen modelos y simulaciones (deterministas o probabilísticas) para estimar dichos impactos. Sin embargo, estudios previos han analizado los principales efectos causados por uno o dos RED durante un día, con un nivel de detalle reducido en la metodología aplicada en el modelado y evaluación de impacto, o sin considerar que el nivel de distorsión armónica depende de las variables de entrada. El objetivo del presente artículo fue desarrollar un enfoque de simulación armónica probabilística para caracterizar el efecto horario de los sistemas fotovoltaicos (SFV), los sistemas de almacenamiento de energía de baterías y las estaciones de carga de vehículos eléctricos en un alimentador de prueba IEEE de 34 nodos. La estimación del efecto individual y colectivo del RED consistió en la cuantificación horaria del valor efectivo de tensión, desequilibrio de tensión, factor de potencia y distorsión armónica, con datos obtenidos mediante co-simulación Python y PowerFactory para 23 escenarios de operación. Estos impactos fueron evaluados a través de indicadores propuestos en la literatura y pruebas de hipótesis (estadística inferencial). Cada RED generalmente opera en un momento específico, lo que facilita la identificación de los efectos individuales de los parámetros de la red. El SFV aumentó el valor de voltaje efectivo y la distorsión armónica total. Sin embargo, los vehículos eléctricos y las baterías aumentan el desequilibrio de tensión y el factor de potencia debido a la conexión bifásica en algunos nodos de la red

Dimensionamiento y análisis de sensibilidad de una microrred aislada usando HOMER Pro

In recent years, the implementation and study of microgrids (MG) has increased. Their sizing depends on the input data (e.g., demand, microclimate, costs, and constraints), so that the variation of one or more of these can modify the optimal solution of the MG and its expected operation. Such variation occurs due to the economic, technological, or climatic context, so a sensitivity analysis was proposed to characterize its impact. In order to contribute to the application of sensitivity analysis in MG projects, the objective of this work was to study the impact of seven sensitivity variables (solar irradiation, wind speed, ambient temperature, minimum state of charge of the battery bank, fuel price, discount rate and inflation rate) on the sizing and economic and operational indicators of an isolated MG for residential users in a rural municipality of Colombia. The analysis was carried out using the HOMER Pro tool, and the main indicators analyzed were net present cost, energy cost, capital cost, operating cost and renewable fraction. The results allowed identifying that the most influential variables for the case study are fuel price, inflation rate, discount rate and solar irradiation; likewise, it appreciated the usefulness of HOMER Pro for this type of analysis and the convenience of the graphic representation to study the impact of the sensitivity variables. In addition, the variation of the input data influences the feasibility of results, as, for example, the net present cost decreases with increasing fuel price, ambient temperature, or inflation rate, while it increases with decreasing minimum state of charge, solar irradiance, or discount rate.En años recientes, ha incrementado la implementación y el estudio de microrredes (MR). Su dimensionamiento depende de los datos de entrada (ej., demanda, microclima, costos y restricciones), por lo que la variación de uno o más de estos pueden modificar la solución óptima de la MR y su operación esperada. Tal variación se presenta debido al contexto económico, tecnológico o climático, por lo que, se propuso hacer un análisis de sensibilidad que caracterice su impacto. Con el fin de aportar en la aplicación del análisis de sensibilidad en proyectos de MR, el objetivo de este trabajo consistió en estudiar el impacto de siete variables de sensibilidad (irradiación solar, velocidad del viento, temperatura ambiente, estado de carga mínimo del banco de baterías, precio del combustible, tasa de descuento y tasa de inflación) sobre el dimensionamiento e indicadores económicos y operativos de una MR aislada para usuarios residenciales en un municipio rural de Colombia. El análisis se realizó a partir del uso de la herramienta HOMER Pro, siendo los principales indicadores analizados: costo presente neto, costo de energía, costo de capital, costo de operación y fracción renovable. Los resultados permitieron identificar que las variables más influyentes para el caso de estudio son: precio del combustible, tasa de inflación, tasa de descuento e irradiación solar; asimismo, apreció la utilidad de HOMER Pro para este tipo de análisis y la conveniencia de la representación gráfica para estudiar el impacto de las variables de sensibilidad. En conclusión, la variación de los datos de entrada influye en la factibilidad de resultados, como por ejemplo, el costo presente neto disminuye con el aumento del precio del combustible, la temperatura ambiente o la tasa de inflación, mientras que aumenta con la reducción del estado de carga mínimo, la irradiación solar o la tasa de descuento

Análisis del desempeño de un algoritmo Backward/Forward ajustado a una red de distribución con cargas no lineales y un sistema fotovoltaico

Context: The backward/forward (BF) algorithm is a sweep-type technique that has recently been used as a strategy for the power flow analysis of ill-conditioned networks. The purpose of this study is to evaluate the performance of the BF algorithm compared to that of a computational tool such as Simulink, with both strategies adjusted to the operating conditions of a distribution network with nonlinear components (loads and photovoltaic system), unbalanced loads, and harmonic distortion in the voltage and current signals. Method: The study case is a low-voltage distribution network with a radial topology, unbalanced loads, and nonlinear components. The BF algorithm is adjusted to consider two approaches of the Norton model: a coupled admittance matrix and a decoupled admittance matrix. The latter is also used in the network model created in Simulink. The performance of the algorithm is evaluated by analyzing 18 operation scenarios defined according to the presence and use intensity of the loads and solar irradiance levels (low and high). Results: In general, the three strategies could successfully determine the waveform and RMS values of the voltage signals with errors of less than 0,8 and 1,3%, respectively. However, the performance of the strategies for the estimation of current signals and power parameters shows errors of 5-300% depending on the level of solar irradiance at which the photovoltaic system operates. Conclusions: The results show that the BF strategy can be used to analyze unbalanced power grids with increasing penetration of renewable generation and the integration of nonlinear devices, but the performance of this strategy depends on the load model applied to represent the behavior of nonlinear devices and generation systems.Contexto: El algoritmo backward/forward (BF) es una técnica de barrido que se ha utilizado recientemente como estrategia para el análisis de flujo de energía de redes mal acondicionadas. El objetivo de este estudio es evaluar el desempeño del algoritmo BF comparado con el de una herramienta computacional como Simulink, con ambas estrategias ajustadas a las condiciones de operación de una red de distribución con componentes no lineales (cargas y sistema fotovoltaico), desbalance en las cargas y distorsión armónica en tensión y corriente. Método: El caso de estudio es una red de distribución de baja tensión con topología radial, cargas desequilibradas y componentes no lineales. El algoritmo BF se ajusta para considerar dos enfoques del modelo Norton: matriz de admitancia acoplada y matriz de admitancia desacoplada. Este último también se utiliza en el modelo de red creado en Simulink. El desempeño del algoritmo se evalúa mediante el análisis de 18 escenarios de funcionamiento definidos según la presencia e intensidad de uso de las cargas y los niveles de irradiancia solar (baja y alta). Resultados: En general, las tres estrategias podrían determinar con éxito los valores de forma de onda y RMS de las señales de tensión con errores menores de 0,8 y 1,3 % respectivamente. Sin embargo, el desempeño de las estrategias para la estimación de señales de corriente y parámetros de potencia presenta errores de 5-300 % dependiendo del nivel de irradiancia solar en el cual el sistema fotovoltaico se encuentre operando. Conclusiones: Los resultados muestran que la estrategia BF se puede utilizar para analizar redes eléctricas desbalanceadas con creciente penetración de generación renovable e integración de dispositivos no lineales, pero el rendimiento de la misma depende del modelo de carga aplicado para representar el comportamiento de los dispositivos no lineales y de los sistemas de generación

Methodological tool for energy evaluation through simulation of buildings in the tropic

The interpretation of results is a barrier that prevents the use of Building Energy Simulation Tools - BEST in the process of building design. This creates special requirements of experience and knowledge in BEST users, restricting their use to expert professionals. To facilitate that users with low experience can carry out the evaluation of the energy performance of tropical buildings, it was established a methodological tool based on a benchmarking by indicators. As reference values, it was defined Resolution 0549 of 2015 (Colombia) as baseline and ASHRAE 90.1 as the reference building. This tool was applied to evaluate the energy performance of three buildings, two of university type and one residential. The results indicate that the use of this tool aids to improve quality of the results and reduce the time required for analysis.La interpretación de resultados es una barrera que impide el uso frecuente de herramientas de simulación energética -  HSE en el proceso de diseño de edificaciones. Además, crea requerimientos especiales de experiencia y conocimiento en los usuarios de las HSE, restringiendo su uso a profesionales expertos. Para facilitar en los usuarios menos experimentados la evaluación del desempeño energético de edificaciones tropicales se estableció una herramienta metodológica fundamentada en la evaluación comparativa por indicadores.  Como valores de referencia, se adoptaron la línea base de la Resolución 0549 de 2015 (Colombia) y el edificio de referencia de la ASHRAE 90.1. Dicha herramienta permitió evaluar el desempeño energético de tres edificaciones, dos de tipo universitario y una residencial. A partir del uso esta herramienta se logró mejoras en el tiempo y la calidad de los resultados

Simulation-based probabilistic-harmonic load flow for the study of DERs integration in a low-voltage distribution network

The integration of distributed energy resources (DERs) and, therefore, power electronic devices into distribution networks leads to harmonic distortion injection. However, studying harmonic distortion solely through deterministic approaches presents challenges due to the inherent random behavior of DERs. This study introduced a strategy that leverages PowerFactory's harmonic load flow tool. By combining it with Python co-simulation, probabilistic load flows can be developed. These load flows utilize current sources to represent harmonic distortion emitters with predefined harmonic spectra. The proposed strategy was implemented on a real network, where two different capacities of DERs were integrated at various locations within the network. The distributions for the total harmonic distortion of voltage ($THD_{v}$) and the total harmonic distortion of current ($THD_{i}$) were obtained 24 hours a day in nodes and lines of the network. The procedure allowed considering the uncertainty associated to the DERs integration in distribution networks in the study of harmonic distortion, which, speaking from a simulation approach, is scarce in the literature

Determinación de parámetros de métodos de matriz de admitancia acoplada y desacoplada del modelo Equivalente Norton para extractor de aire

Context: Studies carried out in low voltage networks have explored the modeling of linear single-phase loads (such as motors) and non-linear ones (such as those based on power electronics). However, induction motors exhibit non-linear characteristics between voltage and current due to the saturation of their magnetic parts. Therefore, it is necessary to study induction motors in the frequency domain with a model that allows reviewing the characteristic nonlinearity of their voltage-current interaction. Methodology: This article presents the frequency domain modeling of a single-phase induction motor used as a silent air extractor (127 V, 60 Hz, 66 W), which presents a capacitive behavior (fp = 0,93 in leading) and harmonic distortion due to a third-order component (7,0%) when fed with a pure sinusoidal voltage of 127 V. Results: This work establishes the parameters of two approaches to the Norton equivalent model (coupled and decoupled admittance matrix) which are used to estimate the distorted current signal and the values ​​of consumed active and non-active power. The results show comparisons errors of P, Q, THDi, and NRMSE indices of less than 7, 4, 14, and 3%, respectively. Conclusions: The parameters of the Norton equivalent model estimated for the single-phase induction motor allow calculating the current signal with a high degree of precision. This signal exhibits nonlinear characteristics and a capacitive behavior due to the permanent presence of a capacitor aiding the start and operation of the engine.Contexto: Estudios realizados en redes de baja tensión han explorado el modelado de cargas monofásicas lineales (como motores) y no lineales (como dispositivos basados en electrónica de potencia). No obstante, los motores de inducción presentan características no lineales entre tensión y corriente debido a la saturación de sus partes magnéticas. Por ello es necesario estudiar el motor de inducción en el dominio de la frecuencia con un modelo que permita revisar la no linealidad característica de su interacción tensión-corriente. Metodología: Este artículo presenta el modelado en el dominio de la frecuencia de un motor de inducción monofásico usado como extractor de aire silencioso (127 V, 60 Hz, 66 W), el cual presenta un comportamiento capacitivo (fp = 0,93 en adelanto) y distorsión armónica debido a una componente del tercer orden (7,0 %) al ser alimentado con una tensión sinusoidal pura de 127 V. Resultados: Este trabajo establece los parámetros de dos enfoques del modelo equivalente de Norton (matriz de admitancias acoplada y desacoplada) usados para estimar la señal de corriente distorsionada y los valores de potencia activa y no activa consumidas. Los resultados muestran errores de comparación de P, Q, índices THDi y NRMSE menores al 7, 4, 14 y 3% respectivamente. Conclusiones: Los parámetros del modelo equivalente de Norton estimados para el motor de inducción monofásico permiten calcular con un alto grado de precisión la señal de corriente, la cual presenta características no lineales y un comportamiento capacitivo por la presencia permanente de un capacitor que ayuda al arranque y funcionamiento del motor

Estrategias de predicción de consumo energético en edificaciones: una revisión

Buildings are one of the main polluting actors in the environment. Therefore, it is necessary to strengthen strategies to reduce their energy consumption, such as energy-efficient design (new buildings) and energy management (existing buildings). For this, it is essential to predict energy consumption to know the state of the building’s operation and infer the causes and effectiveness of energy-saving strategies. However, the diversity of existing energy consumption prediction techniques makes it difficult for researchers to identify, select, and apply them. Therefore, from a literature review, this article identifies prediction techniques, exposes its theoretical principles, describes the general stages of building a prediction model, recognizes evaluation metrics, identifies some of its strengths and weaknesses, and presents criteria to facilitate the selection of a prediction technique and evaluation metrics according to the characteristics of the case study. A bibliometric analysis was carried out to identify and study the most critical articles on energy demand in buildings. It is found that there is a trend in the application of machine learning techniques and that energy consumption prediction models are mainly applied to residential, commercial, and educational buildings.Los edificios son uno de los principales actores contaminantes del medio ambiente, por lo que es necesario fortalecer las estrategias para la reducción de su consumo energético, como el diseño energéticamente eficiente (edificios nuevos) y la gestión energética (edificios existentes). Para ello, es fundamental la predicción del consumo energético que permita conocer el estado de operación de la edificación e inferir sobre las causas de éste y la eficacia de las estrategias de ahorro energético. No obstante, la diversidad de técnicas de predicción del consumo energético existentes dificulta a investigadores su identificación, selección y aplicación. Por ello, a partir de una revisión de la literatura, este artículo identifica técnicas de predicción, expone sus principios teóricos, describe las etapas generales de construcción de un modelo de predicción, reconoce métricas de evaluación, identifica algunas de sus fortalezas y debilidades y presenta criterios para facilitar la selección de una técnica de predicción y métricas de evaluación según las características del caso de estudio. Se realizó un análisis bibliométrico como metodología para identificar y estudiar los artículos más importantes sobre demanda de energía en edificios. Se encuentra que hay tendencia en la aplicación de técnicas de aprendizaje automático y que los modelos de predicción de consumo energético son mayormente aplicados a edificaciones residenciales, comerciales y educativas

Evaluación del desempeño de microrredes: una revisión

In recent years, the penetration of renewable generation has increased significantly, improving the reliability of electrical systems and mitigating the environmental impact. This penetration has boosted the use of microgrids, motivating the in-depth study of the performance analysis of these systems. However, the amount and diversity of existing information makes it difficult to identify and comprehensively understand the technical aspects and specific metrics to evaluate the performance of microgrids. This document presents a review of studies on performance analysis of a microgrid and facilities to identify what and how to carry out it. The review encompasses two steps. First, the identification of studies in databases such as IEEE Xplore, Scopus, and SpringerLink related to performance analysis of microgrids; and second, the definition of capabilities and classification of metrics in these. In total, eight capabilities were established: generation, resilience, maintenance, communication, reconfiguration, operation, control, and protection. In addition, the review allowed the identification of 87 indicators. This collection of information could facilitate the design of the evaluation plans for the performance of microgrids.En los últimos años, la penetración de generación renovable se ha incrementado significativamente, mejorando la confiabilidad de los sistemas eléctricos y mitigando el impacto ambiental. Esta penetración ha potenciado el uso de microrredes, motivando el estudio a profundidad del desempeño de estos sistemas. No obstante, la cantidad y diversidad de información existente hace dispendioso identificar y comprender de manera integral los aspectos técnicos y las métricas específicas para evaluar el desempeño de las microrredes. Este documento presenta una revisión de estudios sobre el análisis de desempeño de una microrred y facilita identificar qué y cómo realizarlo. La revisión comprende dos etapas. Primero, la identificación de artículos en bases de datos como IEEE Xplore, Scopus y SpringerLink relacionados con el análisis del desempeño de microrredes; y segundo, la definición de capacidades y clasificación de métricas en éstas. En total, se establecieron ocho capacidades, a saber: generación, resiliencia, mantenimiento, comunicación, reconfiguración, operación, control y protección. Asimismo, la revisión permitió la identificación de 87 indicadores. Este acopio de información facilitaría el diseño de planes de evaluación del desempeño de microrredes

Performance Analysis of a Backward/Forward Algorithm Adjusted to a Distribution Network with Nonlinear Loads and a Photovoltaic System

Context: The backward/forward (BF) algorithm is a sweep-type technique that has recently been used as a strategy for the power flow analysis of ill-conditioned networks. The purpose of this study is to evaluate the performance of the BF algorithm compared to that of a computational tool such as Simulink, with both strategies adjusted to the operating conditions of a distribution network with nonlinear components (loads and photovoltaic system), unbalanced loads, and harmonic distortion in the voltage and current signals. Method: The study case is a low-voltage distribution network with a radial topology, unbalanced loads, and nonlinear components. The BF algorithm is adjusted to consider two approaches of the Norton model: a coupled admittance matrix and a decoupled admittance matrix. The latter is also used in the network model created in Simulink. The performance of the algorithm is evaluated by analyzing 18 operation scenarios defined according to the presence and use intensity of the loads and solar irradiance levels (low and high). Results: In general, the three strategies could successfully determine the waveform and RMS values of the voltage signals with errors of less than 0,8 and 1,3%, respectively. However, the performance of the strategies for the estimation of current signals and power parameters shows errors of 5-300% depending on the level of solar irradiance at which the photovoltaic system operates. Conclusions: The results show that the BF strategy can be used to analyze unbalanced power grids with increasing penetration of renewable generation and the integration of nonlinear devices, but the performance of this strategy depends on the load model applied to represent the behavior of nonlinear devices and generation systems

INSTALACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN EL EDIFICIO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

La instalación de un sistema fotovoltaico del Edificio de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Industrial de Santander, se llevó a cabo atendiendo la necesidad de una transición energética hacia sistemas de generación de energía eléctrica con fuentes no convencionales de energía renovable; por lo anterior, en la terraza superior del Edificio se cuenta con 37 paneles fotovoltaicos para una capacidad instalada total de 9,63 kW. El sistema fotovoltaico se diseñó para ser un laboratorio vivo, con lo cual, la instalación permite monitorizar los paneles FV de forma individual para investigar comportamiento térmico, interacción con horticultura y techos verdes, entre otros. Además, se contó con la instalación de medidores inteligentes en el sistema fotovoltaico, capaces de registrar y medir en tiempo real hasta 300 variables eléctricas