3.2. Etapa 2: Impacto en la cargabilidad e infraestructura eléctrica de un circuito
3.2.1. Paso 1: Definición de los criterios para identificar los circuitos más susceptibles de conexión de los diferentes modos de transporte eléctrico
En este paso se definen los criterios para identificar los circuitos más susceptibles de conexión de los diferentes modos de transporte eléctrico.
3.2.2. Paso 2: Determinación de los escenarios y definición de los circuitos
En este paso se determinan los escenarios propuestos para el estudio, que están basado en los posibles horarios de uso de los puntos de recarga disponibles para los diferentes tipos de vehículos. Se deben Identificar los circuitos que cumplen con los escenarios para los diferentes puntos de recarga.
3.2.3. Paso 3: Determinación de la carga habitual de los circuitos y carga proyectada con los vehículos eléctricos
Las actividades asociadas a esta etapa son:
- Revisar la carga que han tenido estos circuitos, según las estadísticas de carga hora a hora.
- Identificar la cantidad de transformadores de distribución que tiene el circuito. ]]> Determinar la carga que tendrían los vehículos eléctricos en los posibles períodos de uso.
Del análisis que dio de todos los circuitos en la etapa 1, se conoce la relación "cantidad de vehículos eléctricos/trafo de distribución". Este dato se puede multiplicar por el consumo de potencia de los vehículos para determinar la carga.
3.2.4. Paso 4: Determinación de la cargabilidad de las líneas de 13,2 kV y de los trafos MT/BT
En este paso se determina la cargabilidad de las líneas de distribución de 13,2 kV y de los transformadores MT/BT de dicho circuito. La forma de la gráfica de la curva de carga, dependerá del escenario que se esté analizando.
3.3. Etapa 3: Impacto en la calidad de la energía de un circuito
En esta etapa se definen las actividades que permiten determinar si las variables de voltaje, corriente, distorsión armónica de voltaje y de corriente, así como el factor de potencia, se encuentran dentro de los valores admisibles del estándar de calidad de la energía.
3.3.1. Paso 1: Determinación de los parámetros que definen el impacto en la calidad de la energía de un circuito y sus valores admisibles
Las actividades asociadas a esta etapa son:
- Definir los parámetros que determinarán el impacto en la calidad de energía de un circuito. ]]> Determinar el nivel admisible de armónicos de corriente y tensión, originado por la conexión de las estaciones de carga a la red eléctrica.
3.3.2. Paso 2: Definición de los modelos eléctricos para los sistemas de recarga de baterías
herramienta informática, se deben definir los modelos eléctricos y electrónicos de cada uno de los componentes. Algunas de las herramientas de modelamiento son los softwares comerciales para correr flujos de carga como NEPLAN, DigSilent y Matlab. Las actividades asociadas a esta etapa son:
- Determinar el número de baterías a recargar.
- Determinar el modelo de las baterías.
- Determinar el modelo de los cargadores de baterías.
- Determinar el modelo de los componentes de la red eléctrica.
3.3.3. Paso 3: Determinación de la relación entre la corriente de cortocircuito y de carga en cada estación de recarga
]]> En este paso se determina la relación entre la corriente de cortocircuito y de carga en cada estación de recarga, para establecer si los armónicos de corriente individuales y totales se hallan dentro de los valores admisibles por la norma. Para realizar esto, se debe sacar la relación entre la corriente de cortocircuito y la corriente de carga en el punto común de acoplamiento, es decir, en el punto de conexión de la estación de recarga.3.3.4. Paso 4: Análisis de los valores de los parámetros de calidad de la energía obtenidos en los diferentes escenarios
Las actividades asociadas a esta etapa son:
- Correr la simulación de los probables escenarios de carga de los vehículos eléctricos en la herramienta de simulación.
- Obtener las curvas y gráficas para las tensiones y corrientes en el lado de alta y baja del transformador y determinar si los valores obtenidos de los parámetros de calidad de la energía se encuentran dentro de los rangos admisibles por la norma.
Para mayor información sobre el detalle de cada paso, así como sus relaciones con los pasos de las demás etapas, se sugiere consultar [6].
4. Resultados de la aplicación de la metodología en un caso de uso
A continuación se presentan algunos resultados de la aplicación de la metodología planteada, en donde se busca confirmar que cada una de las etapas, pasos y actividades sugeridas en forma genérica, son aplicables para determinar el impacto de los diferentes modos de transporte eléctrico, bajo cualquier escenario de penetración, en la infraestructura eléctrica, cargabilidad y calidad de la energía en la red de distribución de una zona y circuito determinados.
El caso de uso planteado es sobre una ciudad del Valle del Cauca, la cual tiene aproximadamente 320 mil habitantes, cuenta con más de once circuitos de distribución, repartidos en varias subestaciones y contiene más de 2000 transforma- dores de distribución. El número de vehículos particulares, así como la cantidad de taxis, buses y motos convencionales son representativos para sacar las diferentes relaciones requeridas para el análisis.
]]> Adicionalmente, hay diferentes espacios potenciales para instalar las estaciones de carga, tales como unidades residenciales, parqueaderos, centros comerciales y controles de buses, en donde es posible desarrollar el escenario de recarga en extremo superior, el cual considera la carga de los vehículos en la punta de la curva de la demanda, que normalmente corresponde a los periodos 19,20 y 21 de un día de semana.4.1. Etapa 1: Impacto en la demanda e infraestructura eléctrica de una ciudad
Para determinar el impacto en una ciudad se consideran todos los elementos que hacen parte de los análisis, tales como la información de la red de distribución, la caracterización del perfil de consumo de los clientes, la caracterización de los datos del vehículo eléctrico y la determinación de la carga total y cargabilidad de la red.
Los siguientes criterios y pasos buscan determinar la carga total de los vehículos eléctricos para los posibles escenarios de recarga simultánea en el sistema eléctrico.
Los escenarios de recarga se definen teniendo en cuenta:
- Los hábitos de uso y conducción de los vehículos convencionales. Esto determina el recorrido promedio diario (en km).
- La curva de carga diaria, en los diferentes periodos de punta, valle, horas de trabajo diurno de las personas y en horas donde las personas llegan a la casa después de su trabajo.
- El grado de penetración proyectado de los vehículos eléctricos.
- La potencia de recarga disponible actualmente para el promedio de los vehículos eléctricos existentes en el mercado. Estos son 0.5 kW, 1 kW, 3.7 kW, 7.4 kW, 50 kW y 145 kW.
- Recarga en punta. Corresponde a los periodos 19, 20 y 21.
- Recarga en valle: Corresponde a los periodos 1 al 7.
- Recarga nocturna en casa. Corresponde a los periodos 17 a 23.
- Recarga en el hogar y al llegar al trabajo. Corresponde a los periodos 7 a 12 y 17 a 23 de un día de semana promedio.
Para modelar el perfil de consumo de la ciudad del caso de análisis, se tomó como referencia una curva de carga representativa hora a hora.
Esta gráfica proporciona en valor de potencia activa, los consumos típicos de energía para consumo residencial, industrial y comercial, como se muestra en la figura 2. Se observan los picos de consumo en los periodos 10, 11 y 12 y 19, 20 y 21.
En este apartado se comenta el escenario más importante que se va a ensayar y que servirá de referencia en el apartado de resultados. Para comprender adecuadamente cada una de las situaciones del sistema que se van a ensayar, se muestra al menos una gráfica de curva agregada de todos los consumos de los vehículos (gráfico de barras a la izquierda) y otra gráfica del incremento en la curva de carga (gráfica de curvas a la derecha) debido a los vehículos eléctricos.
]]> Este escenario permitirá caracterizar la posible ocurrencia que puede darse en el sistema y la consecuencia respectiva. Para seleccionar este escenario se tuvieron en cuenta las curvas de carga que se esperan en la recarga de los vehículos. Además, se tuvieron en cuenta los siguientes datos:Tipo y cantidad de vehículos convencionales actuales:
Variables de control:
- Recorrido promedio diario: 35km.
- Potencia de recarga: 3.7kW.
- Grado de penetración de los vehículos: 20% para automóviles particulares y 100% para taxis.
- Tipo y cantidad de vehículos eléctricos proyectados, dependiendo del Grado de Penetraci ón (GDP) de cada tecnología:
- Electrolineras (puntos de recarga rápida) proyectadas:
- Energía necesaria de los vehículos eléctricos para el recorrido promedio diario:
Escenario extremo superior:Todos los vehículos recargan en punta. Esta situación permitirá delimitar para las diferentes posibilidades de recarga (concentrada y distribuida), un tope máximo de requerimientos de inversión que serán necesarios para abastecer adecuadamente al vehículo eléctrico.
Variable de control de la curva de carga:
• Instante de recarga: Periodos 19, 20 y 21 de un día promedio. ]]>
Para elaborar la curva de carga con la incursión de los vehículos eléctricos, se tuvieron en cuenta las variables anteriores y los siguientes parámetros• Potencia de recarga de los vehículos eléctricos en una hora:
• Carga total de las líneas de 13,2 kV, teniendo en cuenta los vehículos eléctricos:
Con la información anterior, la curva resultante tiene la forma de la figura 3. La forma de esta curva está determinada por la potencia de recarga seleccionada.
4.2. Etapa 2: Impacto en la demanda e infraestructura eléctrica de un circuito
Para determinar el impacto de la incursión de los vehículos eléctricos en la demanda y en la infraestructura de un circuito, se proponen los siguientes criterios que servirán para identificar los circuitos más susceptibles de conexión de los diferentes modos de transporte eléctrico.
• Circuito(s) que alimente(n) por lo menos:
- ]]>
Universidades, centros comerciales, parqueaderos públicos y de empresas
- Control de buses de servicio público
- Residencias de estrato socioeconómico 4, 5 o 6 (con o sin bloques de apartamentos)
- Gasolineras
• Circuito(s) con mayor demanda de energía.
Para definir estos criterios, primero se tuvo en cuenta los tipos de recarga posibles (1, 3.7 kW, etc.) que se pueden instalar en los puntos de recarga (residencias, centros comerciales, etc.) para las diferentes categorías de vehículos (motos, taxis, etc.). En las tablas I, II y III se muestran las matrices de relación correspondientes a cada nivel de carga (lenta, semilenta y rápida).
]]> A continuación se definen los escenarios, que se basan en los posibles horarios de uso de los puntos de recarga disponibles para los diferentes tipos de vehículos, como se muestran en las tablas IV, V y VI.
De acuerdo con esto, los circuitos que cumplen con los criterios nombrados anteriormente, son:
• Circuito 3 de la Subestación 1:
- Control de buses
- Universidad
- Gasolinera ESSO
• Circuito 5 de la Subestación 2:
- ]]>
Viviendas de Estrato 5. Este es el circuito de mayor consumo de energía, representado principalmente en casas independientes y bloques de apartamentos
- Viviendas de Estrato 3
• Circuito Industrial de la Subestación 3: Contiene tres (3) centros comerciales representativos.Para el circuito con el criterio de mayor demanda de energía, los cálculos se pueden resumir en la tabla VII.
En la tabla VIII se muestra el cálculo de la carga total de las líneas de 13.2 kV del circuito:
En la tabla IX se muestra el cálculo de la carga total de los trafos MT/BT del circuito:
Para el caso de la recarga en punta, se obtiene la gráfica mostrada en la figura 4.
]]>
4.3. Etapa 3. Impacto en la calidad de la energía de un circuito
Normalmente, los parámetros considerados para cualquier estudio de calidad de energía, se resumen:
- Distorsión armónica de tensión (THDv)
- Distorsión armónica de corriente (THDi)
- Armónicos individuales de tensión
- Armónicos individuales de corriente
- Factor de potencia (F.P)
- Tensión eficaz (VRMS)
- Corriente eficaz (IRMS) ]]>
- Modelo equivalente de la red en la subestación
- Modelo de la línea de media tensión
- Modelo del transformador MT/BT
- Modelo de los armónicos presentes en la línea de media tensión
- Modelo de las cargas domiciliarias
- Modelo de las cargas industriales
- Impedancia de la línea de 13,2 kV
- Corriente de cortocircuito en el lado de alta del transformador
- Corriente de cortocircuito en el lado de baja del transformador. Para el cálculo de la impedancia, se debe tener en cuenta que la capacidad del transformador y la tensión en el lado secundario, en cada escenario, pueden variar.
- Tipo de barraje
- Capacidad, grupo de conexión, impedancia de cortocircuito y nivel de tensión del transformador
- Frecuencia de la red ]]> Cantidad y potencia de las cargas conectadas, las cuales serán los puntos de alimentación de un automóvil eléctrico
- Cargas domiciliarias en paralelo a los puntos de recarga
- Tensión en el lado de baja del transformador
- Corriente en el lado de baja del transformador
- Tensión en el lado de alta del transformador
- Corriente en el lado de alta del transformador
- Factor de potencia del sistema
- Distorsión armónica de tensión en el lado de baja del transformador ]]> Distorsión armónica de tensión en el lado de alta del transformador
- Distorsión armónica de corriente en el lado de baja del transformador
- Distorsión armónica de corriente en el lado de alta del transformador
- 5 puntos de 500 W (para motocicletas eléctricas)
- 2 puntos de 1 kW (para automóviles particulares)
- 1 punto de 3,7 kW (para taxis) ]]> 1 punto de 7,4 kW (para automóviles y transporte de carga liviana)
- Cargas domiciliarias
- Un conjunto de apartamentos
- Una gasolinera
- Una universidad
- Un centro comercial
Para determinar el nivel admisible de armónicos de corriente y tensión, originado por la conexión de estos cargadores a la red eléctrica, se toma como referencia los límites de armónicos individuales y totales de estos dos parámetros eléctricos dados por la tabla tomada de la norma IEEE 519/92 "Requerimientos y Prácticas recomendadas para Control de armónicos en sistemas de potencia", las cuales se presentan a continuación en las tablas X y XI.
Los parámetros resultantes de las simulaciones se comparan con los límites mostrados en las tablas anteriores, para el lado de alta y baja tensión de los transformadores de distribución.
Para ejecutar las simulaciones de cada escenario de carga de los vehículos eléctricos en una herramienta informática, se deben definir los modelos eléctricos y electrónicos de cada uno de los componentes. Algunas de las herramientas de modelamiento son los softwares comerciales para correr flujos de carga como NEPLAN, DigSilent y Matlab.
Para determinar la cantidad y tipo de vehículos eléctricos que se tendrán en cuenta en cada una de las simulaciones, así como la potencia de los puntos de recarga, se recurre a la información obtenida en el apartado "4.1 Etapa 1: Impacto en la demanda e infraestructura eléctrica de una ciudad", visto anteriormente.
Adicionalmente, en el apartado "4.2 Etapa 2: Impacto en la demanda e infraestructura eléctrica de un circuito", se definieron los criterios para llevar a cabo las simulaciones objeto de este estudio. Asimismo, se definió la manera de conocer la cantidad de vehículos eléctricos que se estarían cargando por cada trafo de distribución y la capacidad nominal promedio de los transformadores en el circuito.
Para el caso de las baterías cuyo cargador tenga una potencia igual o inferior a 7.4 kW, esta se puede simular como una resistencia y el cargador como un puente universal, tal como se muestra en la figura 5.
]]> Para este modelamiento debe definirse el esquema de cada componente del circuito de distribución. Entre los más relevantes se encuentran:
Por otra parte, para determinar la relación entre la corriente de cortocircuito y de carga en cada estación de recarga, para establecer si los armónicos de corriente individuales y totales están dentro de los valores admisibles por la norma, se debe sacar la relación entre la corriente de cortocircuito y la corriente de carga en el punto común de acoplamiento, es decir, en el punto de conexión de la estación de recarga.
Con el fin de establecer dicha relación, se debe considerar la tensión nominal de la línea, la corriente de cortocircuito del barraje y el grupo de conexión del transformador. Con esta información se calculan los siguientes parámetros:
- ]]>
Impedancia de la fuente
La parametrización de cada modelo cambia dependiendo de las condiciones planteadas en los escenarios, los cuales pueden considerar casos de recarga individual o integrada simultánea de motos, automóviles particulares, taxis y autobuses eléctricos.
En cada configuración se debe conocer y determinar:
Las curvas y gráficas que se obtienen normalmente de las herramientas informáticas son:
Uno de los escenarios que se pueden desarrollar es el de conexión simultánea de cargadores de baterías para todas las potencias de recarga.
Los tipos y cantidad de puntos de recarga que se asumen como ejemplo para conectar en cada transformador, son los siguientes:
• Para el transformador de 50 kVA se conectan puntos de recarga lenta de las siguientes potencias:
• Se conecta un punto de recarga rápida de 50 kW para cada transformador de 400 kVA, ubicado en los siguientes sitios:
• Para el transformador de 2 MVA:
- ]]>
2 puntos de recarga rápida de 145 kW (para buses)
El horario de recarga simultáneo sería el de la punta de la curva de demanda, dado en los periodos 19 al 21 de un día promedio.
Después de correr la simulación de este escenario en MATLAB, se obtienen curvas para las tensiones y corrientes en el lado de alta y baja de los transformadores de distribución. Algunas de ellas se presentan a continuación.
Tensión en el lado de baja de los transformadores de 400 kVA:
En esta gráfica se puede observar una onda de tensión de magnitud 674,3 Vpeak (476,8 Vrms) y frecuencia de 60 Hz. La tensión nominal se afectó levemente.
La gráfica resultante es la siguiente:
En esta gráfica se puede observar una onda de corriente de magnitud 377,5 Apeak (266,9 Arms) y frecuencia de 60 Hz.
]]> La gráfica resultante es la mostrada en la figura 8.
Los valores obtenidos para los armónicos individuales de tensión y la distorsión armónica total(en %) se pueden observar en la tabla XII
La gráfica resultante es la mostrada en la figura 9:
Como se puede observar, la mayor componente armónica registrada es el 5˚ armónico.
Los valores obtenidos para los armónicos individuales de corriente y la distorsión armónica total(en %) se pueden observar en la tabla XIII:
Como se puede observar, la mayor componente armónica registrada es el 5˚ armónico.
]]> Para el dato de corriente fundamental y, teniendo en cuenta el cálculo de la corriente de cortocircuito del apartado anterior, en el lado de 480 V del transformador, se tiene la ecuación 1:
Con esta relación, la norma establece los siguientes valores admisibles de armónicos:
5. Conclusiones
La elaboración de unas etapas, pasos y actividades, permitieron determinar en forma ordenada y sustentable una propuesta metodológica, que podría servir de referencia para identificar el impacto de los vehículos eléctricos en las redes de distribución.
Por otra parte, en cuanto avanza el tema de los vehículos eléctricos, es importante considerar paralelamente el tema de sistemas de recarga, dadas las implicaciones que tiene en la red eléctrica que soporta dicho sistema. Es por ello que cada modalidad de carga debe considerarse y estudiarse tanto económica, como tecnológicamente.
Lo anterior implica que la penetración de un elevado número de VE, correspondiente a previsiones de largo plazo, podría dar lugar a numerosos refuerzos en la red de distribución para permitir su recarga. Por lo tanto, la adopción de una estrategia de gestión temporal de la recarga podría minimizar los refuerzos necesarios.
Es por esto que las entidades de regulación y control del sistema de distribución de energía deben considerar la inclusión de estos sistemas de recarga (cargas no lineales) y sus potenciales impactos en los armónicos. Igualmente, revisar los niveles permitidos de THD de tensión y de corriente permitidos en los sistemas de recarga de EVs, que garanticen el correcto funcionamiento de las demás cargas conectadas al punto común de conexión.
Por otro lado, las recomendaciones para minimizar el impacto en la cargabilidad, están orientadas a realizar inversiones a nivel de la línea de media tensión, mas no en los transformadores de distribución, para los escenarios de recarga en punta a 35 km y 160 km.
]]> Así como las recomendaciones para minimizar el impacto en la calidad de la energía están enfocadas a los componentes de distorsión armónica, pues la tensión y el factor de potencia, aparentemente no se ven afectados.Teniendo en cuenta lo anterior, como posibles trabajos futuros se recomienda elaborar una herramienta de modelado para evaluar el impacto de los vehículos eléctricos en la red de distribución, así como elaborar una herramienta informática que permita conocer en tiempo real, el impacto de las estaciones de carga de vehículos eléctricos en la calidad de la energía y asimismo determinar por medio de un algoritmo, la propuesta de filtros pasivos, activos e híbrido que se podrían implementar para minimizar la magnitud de los armónicos de voltaje y corriente. Asimismo, se propone definir, diseñar e implementar una estrategia de gestión de la recarga de las baterías de los vehículos eléctricos, en los períodos del día más adecuados, con el fin de minimizar los refuerzos necesarios en las redes de distribución.
Adicionalmente, cabe mencionar que se encuentran numerosos estudios que analizan el impacto y que probablemente deben tener relación con alguna o varias de las etapas propuestas de la metodología. Entre ellos se encuentran: "The impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on a residential distribution grid" [7], "Controlled electric vehicle charging for mitigating impacts on distribution assets" [8], "Impact analysis of vehicle-to-grid technology and charging strategies of electric vehicles on distribution networks A review" [9], "Assessment of the impact of plug-in electric vehicles on distribution networks" [10]. Estos estudios pueden servir como tema para un futuro trabajo de grado.
Referencias
[1] P. Frías, C. Mateo y J.I, Pérez-Arriaga, "Evaluación del impacto en la integración del coche eléctrico en las redes de distribución". LYCHNOS, volumen 6, número 1, disponible en http://www.fgcsic.es/lychnos/es es/articulos/evaluacion impacto integracion coche electrico, 2011, octubre. [ Links ]
[2] Impacto en la red eléctrica, disponible en http://web.ing.puc.cl/ power/mercados/transporteelec/pagina web transporte electrico 022.htm, S.f. [ Links ]
[3] F. García, F.J. Alonso y J.P Juárez, "Impacto del vehículo eléctrico en la red de distribución". Guía del vehículo eléctrico, capítulo 9. Fundación de la energía de la comunidad de Madrid, disponible en http://www.cleanvehicle.eu/fileadmin/downloads/Spain/Guida%20del%20vehicolo%20Electrico.pdf [ Links ]
[4] A. Rosso Mateo, Evaluación del impacto de los vehículos eléctricos en las redes de distribución. Madrid, 2010. [ Links ]
[5] J.A Caballero P. y J.C. Chinchilla G.,"Pruebas de eficiencia, desempeño y calidad de energía de cargadores AC domiciliarios de vehículos eléctricos (EVs)", en Conferencia del seminario de la Universidad Nacional de Colombia "Smart Grid on Electric Mobility", Bogotá D.C., 2014. [ Links ]
[6] J.E. Ceballos, "Propuesta metodológica para dimensionar el cambio en la infraestructura eléctrica de la red de distribución de EPSA ante la llegada del transporte eléctrico", Tesis de maestría de profundización, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali, Colombia, 2015. [ Links ]
[7] K Clement-Nyns, E Haesen - Power Systems, IEEE , 2010 - ieeexplore.ieee.org [ Links ]
[8] V Aravinthan, W Jewell - Smart Grid, IEEE Transactions on, 2015 - ieeexplore.ieee.org [ Links ]
[9] S Habib, M Kamran, U Rashid - Journal of Power Sources, 2015 - Elsevier [ Links ]
[10] LP Fernandez, TGS Román, R Cossent - Power Systems, , 2011 - ieeexplore.ieee.org, disponible en https://scholar.google.com.co/scholar?cites=1951443268686077067&as sdt=2005&sciodt=0,5&hl=es [ Links ] ]]>