Contribución a la mejora de la eficiencia energética en sistemas trifásicos a cuatro hilos mediante la compensación selectiva de las potencias ineficientes

Esta tesis doctoral trata acerca de los sistemas de compensación activos con conexión en paralelo, utilizados para la mejora de la calidad de la potencia y de la eficiencia energética en las redes eléctricas de distribución y en las instalaciones a cuatro hilos. En la presente tesis se desarrolla un nuevo control del filtro o compensador activo de potencia con la capacidad de seleccionar las potencias ineficientes a compensar basado en el IEEE Std. 1459-2010. Algunos términos de potencia definidos en la IEEE Std. 1459-2010 presentan inconsistencias cuando se desarrollan las expresiones propuestas en la norma. Estas inconsistencias son corregidas con un nuevo procedimiento de cálculo que redefine la corriente efectiva (Ie) y el voltaje efectivo (Ve). Con los nuevos valores de Ve e Ie algunas magnitudes de la IEEE Std. 1459-2010 son recalculadas mientras que otras no se modifican. Se propone el uso de la teoría de la potencia instantánea para explicar los fenómenos que suceden en los sistemas eléctricos. Esta nueva teoría de la potencia eléctrica sirve simultáneamente para medir, cuantificar, y compensar los fenómenos de los sistemas eléctricos, inclusive puede ser usada para determinar las fuentes de distorsión armónica. Mediante el análisis de los flujos de potencia instantáneos se demuestra que la única potencia eficiente de los sistemas eléctricos es la potencia activa fundamental de secuencia positiva (P1+). En relación con el compensador activo de potencia, se deducen las corrientes que debe inyectar el compensador para la estrategia de compensación global, en la que el SAPC genera todas las corrientes ineficientes que demanda la carga Estas corrientes están basadas en la norma IEEE Std. 1459-2010 y en la nueva teoría de la potencia instantánea propuesta.Muñoz Galeano, N. (2011). Contribución a la mejora de la eficiencia energética en sistemas trifásicos a cuatro hilos mediante la compensación selectiva de las potencias ineficientes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10988Palanci

Metodología para la desagregación detallada del Lcoe de plantas fotovoltaicas a gran escala

RESUMEN: Este artículo presenta una metodología para evaluar los costos nivelados de la electricidad (Levelized Cost of Electricity) LCOE , en plantas fotovoltaicas (Photovoltaic - PV) a gran escala. Para ello se propone una desagregación detallada de los LCOE a partir de una taxonomía rigurosa que evalúa los Costos de Inversión (Investment Cost - IC )y los Gastos de Operación (Operation and Maintenance – O&M). Partiendo de la estructura de la Administración de Información Energética (Energy Information Administration – EIA) que desglosa los IC en cinco componentes, hemos añadido un nivel adicional de desagregación denominado elementos. Asimismo, una nueva estructura para desagregar los costos de O&M es presentada. La metodología es evaluada en plantas PV de 20 MW y 150 MW PV hipotéticamente ubicadas en el municipio de Uribia (Guajira Colombia). También se desarrolla un análisis de sensibilidad determinístico usando factores como el Costo Promedio Ponderado de Capital (WACC – Weighted Average Capital Cost), la energía producida, los gastos de O&M y los IC con el ánimo de facilitar las decisiones de los inversionistas.ABSTRACT: This paper presents a breakdown cost methodology to evaluate Levelized Costs of Electricity for large-scale Photovoltaic (PV) plants. The breakdown is based on a comprehensive taxonomy to evaluate Investment Costs (IC) and Operation and Maintenance (O&M) expenditures. We added an IC disaggregation level, called elements, on top of the five-component breakdown of the Energy Information Administration (EIA). In addition, a novel structure for disaggregating O&M costs is also proposed. The methodology is evaluated over a 20-MW and a 150-MW PV power plant hypothetically placed in the municipality of Uribia (Guajira Colombia). Also deterministic sensitivity analysis based on discount rate (WACC, Weighted Average Capital Cost), energy generated, O&M costs and IC is performed to aid investors in their decision

Efectos de los incentivos para energías renovables en Colombia

RESUMEN: Introducción: En este artículo se estudian los efectos potenciales de la nueva regulación para promover el desarrollo de las tecnologías renovables en Colombia. Métodos: Se estableció una metodología para incluir los efectos de los incentivos de impuestos en el cálculo de los Costos Nivelados de Energía Eléctrica (LCOE, por su sigla en inglés). Se analizaron dos incentivos: deducción de impuestos en la inversión y depreciación acelerada de activos. Resultados: Los primeros cálculos muestran hasta un 20% de reducción en los LCOE; desafortunadamente, la regulación no permite que pequeños o nuevos proyectos puedan aplicar a todos los incentivos. Por esta razón, se propusieron dos mecanismos complementarios para permitir que pequeños proyectos puedan aplicar a los incentivos. Como resultado se obtiene 30% de reducción en los LCOE para generación fotovoltaica y 15% para generación basada en biomasa forestal. Conclusiones: El factor fiscal deducido permite el cálculo directo de los LCOE ajustados y evita la elaboración de extensos flujos de caja. El alto potencial de biomasa en Colombia y los mecanismos propuestos permiten obtener LCOE menores que los precios de paridad de red en la mayoría de las zonas no interconectadas. Esto representa una gran oportunidad en Colombia, dado el gran potencial de este recurso y la posibilidad de crear nuevas oportunidades de empleo.ABSTRACT: Introduction: This paper studies the potential effects of a new regulation to promote the development of renewable energy technologies in Colombia. Methods: This work establishes a methodology to include the effects of tax incentives in the calculation of the Levelized Cost of Electricity (LCOE). Two incentives are analyzed: tax deductions on the investment and accelerated depreciation on assets. Results: The first calculation shows up to 20% reduction in the LCOE; unfortunately, the regulation restricts small or new business from applying for all incentives. For this reason, two complementary mechanisms are proposed to allow small business ventures, such as forest biomass projects, to apply for incentives. As a result, a 30% reduction in the LCOE is obtained for photovoltaics (PV) and 15% for forest biomass. Conclusions: The deducted tax factor permits the direct computation of a tax-adjusted LCOE, avoiding extensive cash flow calculations. The high potential of biomass resources in Colombia and the proposed mechanisms can push LCOE prices lower than the grid parity cost in most isolated regions. This represents a great opportunity in Colombia because of the huge amount of biomass resources and the potential to create new job opportunities

Analysis and Control of Power Electronic Converters Based on a System Zero Locations Approach

This chapter presents a procedure to design and control power electronic converters (PECs), which includes a zero-based analysis as a dynamical system response criterion for dimensioning converter passive elements. For this purpose, a nonideal boost DC-DC converter (converter considering its parasitic losses) is dynamically modeled and analyzed in steady state as an application example. The steady-state model is obtained from the average nonlinear model. The steady-state model allows deducing expressions for equilibrium conversion ratio M D and efficiency η of the system. Conditions for the converter conduction modes are analyzed. Simulations are made to see how parasitic losses affect both M D and η . Then, inductor current and capacitor voltage ripple analyses are carried out to find lower boundaries for inductor and capacitor values. The values of the boost DC-DC converter passive elements are selected taking into account both steady-state and zero-based analyses. A nonideal boost DC-DC converter and a PI-based current mode control (CMC) structure are designed to validate the proposed procedure. Finally, the boost DC-DC converter is implemented in PSIM and system operating requirements are satisfactorily verified

Computing the Global Irradiation over the Plane of Photovoltaic Arrays: A Step-by-Step Methodology

The quality of solar resource data is critical for the economic and technical assessment of solar photovoltaic (PV) installations. Understanding uncertainty and managing weather-related risk are essential for successful planning and operating of solar electricity assets. The input information available for PV designers is usually restricted to 12 monthly mean values of global horizontal irradiation (GHI) and average temperature, which characterize solar climate of locations. However, for calculating the energy production of a photovoltaic system, the global irradiation over the plane of the PV array is necessary. For this reason, this book chapter presents a methodology to appropriately determine the global irradiation over the plane of photovoltaic arrays. The methodology describes step by step the necessary equations for processing the data. Examples with numerical results are included to better show the data processing

Methodology for Sizing Hybrid Battery-Backed Power Generation Systems in Off-Grid Areas

In developing countries, rural electrification in areas with limited or no access to grid connection is one of the most challenging issues for governments. These areas are partially integrated with the electrical grid. This poor electricity distribution is mainly due to geographical inaccessibility, rugged terrains, lack of electrical infrastructure, and high required economic investment for installing large grid-connected power lines over long distances to provide electricity for regions with a low population. On the other hand, rapid depletion of fossil fuel resources on a global scale and progressive increase of energy demand and fuel price are other motives to reduce the reliance on fossil fuels. Hybrid renewable energy system (HRES) can be a suitable option for such remote areas. The objective of this chapter is to develop a methodology for sizing hybrid power generation systems (solar-diesel), battery-backed in non-interconnected zones, which minimizes the total cost and maximizes the reliability of supply using particle swarm optimization (PSO). The proposed methodology assists the sizing and designing process of an HRES for an off-grid area minimizing the cost of energy (COE) and maximizing the reliability of the system. Economic incentives offered by the Colombian government are considered in the model

Modelamiento y desarrollo de un rectificador Boost PFC sin puente

RESUMEN: Este artículo propone un modelo para rectificadores elevadores PFC (Power Factor Correction por sus siglas en inglés) sin puente para propósitos de control y basado en el análisis del promedio de pequeña señal. A partir de las leyes circuitales, cuatro modos de operación son definidos y explicados, asegurando una relación entre las variables físicas del convertidor. Basados en el modelo propuesto, dos lazos cerrados de control compuestos por controladores lineales Proporcionales e Integrales (PI) son propuestos. Algunas consideraciones de diseño para dimensionar los elementos reactivos son incluidas, de tal forma que se obtienen valores mínimos para su inductancia y capacitancia. Se presenta la implementación de un prototipo de 900 W con resultados experimentales que permite validar y reafirmar el modelo propuesto. Los resultados experimentales demuestran que el uso del convertidor PFC permite elevar el factor de potencia FP a 0,99 o más y reducir el THDi (Total Harmonic Distortion of the Current por sus siglas en Inglés) a 3,9 %, además de controlar el bus DC en la salida. Se verifica experimentalmente que el convertidor PFC desarrollado está de acuerdo con los estándares de calidad de la potencia EN 61000-3-2 (IEC 1000-3-2).ABSTRACT: This paper proposes a model of the bridgeless PFC (Power Factor Correction) boost rectifier for control purposes based on an averaged small-signal analysis. From circuital laws, four operation modes are defined and explained, ensuring a relationship of physical variables in the converter. Based on the proposed model, two-loop cascade control structures composed of Proportional-Integral (PI) lineal controllers are proposed. Design consideration for dimensioning reactive elements is included, providing minimum values for their inductance and capacitance. Implementation of a laboratory prototype of 900 W and experimental results are presented to validate and reaffirm the proposed model. Experimental results demonstrate that the use of the bridgeless PFC boost converter model allows the Power Factor (PF) to be elevated up to 0.99, to reduce the THDi (Total Harmonic Distortion of the Current) to 3.9% and to control the DC voltage level on output. Compliance of standards of power quality EN 61000-3-2 (IEC 1000-3-2) are experimentally verified

Valoración de la vulnerabilidad de sistemas de potencia ante ataques intencionales usando un algoritmo genético especializado

RESUMEN: En este artículo se presenta un algoritmo genético especializado aplicado a la solución del problema de interdicción. Este problema consiste en la interacción de un agente disruptivo que pretende maximizar el daño al sistema de potencia (medido en deslastre de carga), y el operador del sistema que implementa acciones correctivas para minimizar el deslastre de carga. Este problema, también conocido como “el problema del terrorista,” es formulado en una estructura de programación binivel y solucionado mediante un algoritmo genético. La solución identifica los corredores más vulnerables de la red en términos de un ataque terrorista, suministrando señales para futuros refuerzos de la red o vigilancia más estricta de activos críticos. El enfoque propuesto ha sido probado en tres casos de estudio: un sistema didáctico de 5 barras, un prototipo del sistema colombiano y el sistema de pruebas de confiabilidad IEEE. Los resultados muestran la robustez y aplicabilidad de la metodología propuesta.ABSTARCT: A specialized genetic algorithm applied to the solution of the electric grid interdiction problem is presented in this paper. This problem consists in the interaction of a disruptive agent who aims at maximizing damage of the power system (measured as load shed), and the system operator, who implements corrective actions to minimize system load shed. This problem, also known as “the terrorist threat problem”, is formulated in a bi-level programming structure and solved by means of a genetic algorithm. The solution identifies the most vulnerable links of the network in terms of a terrorist attack, providing signals for future reinforcement of the network or more strict surveillance of critical elements. The proposed approach has been tested on three case studies: a didactic five-bus power system, a prototype of the Colombian power system and the IEEE Reliability Test System. Results show the robustness and applicability of the proposed approach

Optimum PI/PID Controllers Tuning via an Evolutionary Algorithm

In this chapter, it is demonstrated that when using advanced evolutionary algorithms, whatever the adopted system model (SOSPD, nonminimum phase, oscillatory or nonlinear), it is possible to find optimal parameters for PID controllers satisfying simultaneously the behavior of the system and a performance index such as absolute integral error (IAE). The Multidynamics Algorithm for Global Optimization (MAGO) is used to solve the control problem with PID controllers. MAGO is an evolutionary algorithm without parameters, with statistical operators, and for the optimization, it does not need the derivatives, what makes it very effective for complex engineering problems. A selection of some representative benchmark systems is carried out, and the respectively two-degree-of-freedom (2DoF) PID controllers are tuned. A power electronic converter is adopted as a case study and based on its nonlinear dynamical model, a PI controller is tuned. In all cases, the control problem is formulated as a constrained optimization problem and solved using MAGO. The results found are outstanding

Impacto del orden fraccional sobre la respuesta en el tiempo de convertidores DC-DC con capacitores fraccionales

This paper analyses the impact of fractional orders of derivatives over the response of DC-DC converters which includes fractional capacitors and their parasitic losses for a more realistic approximation of the converter. A fractional model is proposed and is applied for a Boost DC-DC with a fractional capacitor in its DC bus. The fractional model is obtained using Kirchhoff laws and applying the conventional switching model. Then, the resulting set of fractional differential equations is in the Caputo’s sense and was solved using Wavelets method. Solutions were appropriately shown using 3D representations, varying the duty cycle and the fractional order to determine the behaviour of the fractional capacitor voltage, inductor current and output voltage. Ripples and steady state values were determined. Results show high dependence of the fractional order in the variables related to the voltage in the fractional capacitor. With respect to the current, results show that the fractional order does not significantly affect its steady state and ripple