REVISTA INGENIO
Kevin Alexander Ortiz Santiana | Universidad Tecnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
https://doi.org/10.29166/ingenio.v5i2.4225 pISSN 2588-0829
2022 Universidad Central del Ecuador eISSN 2697-3243
CC BY-NC 4.0 —Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional ng.revista.ingenio@uce.edu.ec
, (), -, . -
e integration of distributed generation in microgrids oers a renewable alternative to conventional
generation with improved power quality and reduced energy losses. However, microgrids also pose new
technological challenges such as the coordination of electrical protection measures against short-circuit
currents and uctuations in the bidirectional energy ow. is research measures load and generation
operating conditions to determine the best settings and overcurrent protection for microgrids. Simula-
tions were developed for four dierent cases: synchronous generator bus, wind generation bus and solar
generator bus 1 and 2, separate three-phase faults were caused in each bus to which each generator was
connected, thus obtaining the operating curve of each relay and the process of disconnecting said bar.
La integración de la generación distribuida en microrredes ofrece una alternativa renovable a la genera-
ción convencional con una calidad de energía mejorada y pérdidas de energía reducidas. Sin embargo,
las microrredes también plantean nuevos retos tecnológicos, como la coordinación de medidas de pro-
tección eléctrica ante corrientes de cortocircuito y uctuaciones en el ujo de energía bidireccional. Esta
investigación mide las condiciones de operación de la carga y generación para determinar los mejores
ajustes y protección contra sobrecorriente para microrredes. Se desarrollaron simulaciones para cuatro
casos diferentes: barra del generador sincrónico, barra de generación eólica y barra del generador solar
1 y 2, se provocaron fallas trifásicas separadas en cada barra a la que estaba conectado cada generador,
obteniendo así la curva de funcionamiento de cada relé y el proceso de desconexión de dicha barra.
1. introducción
Hoy en día, en el mercado eléctrico se escucha el con-
cepto de microrredes, el cual es una serie de generadores
de cargas y almacenamiento de energía que forman una
pequeña red, que se puede conectar a una red conven-
cional u operar en modo isla, es decir, sin conexión a la
red eléctrica.
La creciente demanda de energía eléctrica y la predis-
posición a reducir los gases de efecto invernadero que
aportan al calentamiento global exigen la integración de
fuentes de energía renovables como la eólica y la solar
a través de la generación distribuida; los usuarios ya no
son solo una carga en la red, sino que pueden aportar
Received: 7/11/2022
Accepted: 7/12/2022
Distributed generation, micro network,
island mode, protection.
Generación distribuida, microred,
modo isla, protección.
Análisis de Protecciones Eléctricas de Microgrids Modo Isla con Elevada
Penetración de Energías Renovables no Convencionales
Analysis of Electrical Protections of Island Mode Microgrids with High Penetration of
Non-Conventional Renewable Energies
70
energía a la misma, reduciendo así las pérdidas de elec-
tricidad y la contaminación [1] que se produce al generar
energía eléctrica a partir de fuentes de energía fósiles.
En el presente proyecto se realiza la simulación en el sof-
tware Power Factory DigSilent de un caso de estudio en
el cual se efectúa el análisis de ujo de carga, análisis de
cortocircuito en las barras donde se encuentran conecta-
das las fuentes de generación y una simulación dinámica
de cortocircuito en las barras previamente mencionadas,
con la nalidad de obtener criterios de protección de
sobrecorrientes y vericar el comportamiento de la fre-
cuencia del sistema frente a dichas contingencias.
1.1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1.1. ¿Qué es una microrred?
Una de las grandes ventajas de la red es que la gene-
ración se encuentra cerca de la carga, eso signica que se
optimiza las pérdidas de energía. De manera similar, si
Figura 1.
Caso de estudio
Análisis de Protecciones Eléctricas de Microgrids Modo Isla con Elevada Penetración de Energías Renovables no Convencionales
Sin embargo, debido a la imprevisibilidad de la ener-
gía renovable, el ujo bidireccional y las corrientes de cor-
tocircuito variables que exhiben las barras de generación
distribuida complican enormemente la operación y pro-
tección del sistema. Esta es la razón por la que la pro-
tección de circuitos eléctricos tradicional no funciona
correctamente [2].
Las fallas, tanto grandes como pequeñas, en el siste-
ma eléctrico, provocan importantes pérdidas económicas
que afectan directamente la calidad de vida de las perso-
nas. Por este motivo, se requiere un estudio exhaustivo de
los dispositivos de protección eléctrica. Los estudios sobre
la protección de las microrredes son de gran interés para
mejorar la conabilidad considerando el uso de energías
renovables, ya que pueden operar en islas con solo gene-
ración distribuida, pero esto implica que los componen-
tes de las microrredes necesitan un control para asegurar
los niveles de voltaje, frecuencia, potencia activa y reacti-
va en valores nominales [3].
Una microrred es una red eléctrica inteligente que ope-
ra sobre una red de distribución, o sin esta, este tipo de
sistemas contribuyen a la conabilidad y eciencia de
los servicios eléctricos en zonas remotas, además de que
ayudan a mantener un ujo activo de energía [4].
71
Ortiz K.
En la gura 1 se muestra el caso de estudio que co-
rresponde una microrred modo isla de 7 barras, posee
una topología mixta, una parte es radial y otra en anillo
(ver Figura 1).
1.1.2. Protecciones en una microrred
Varios autores [6], [7], [8] destacan qué, para implemen-
tar una estrategia de protección, es necesario considerar los
efectos de corriente de cortocircuito que tienen los distintos
generadores, dependiendo del estado de operación del siste-
ma (conectado a la red como modo o modo isla).
1.1.3. Generación distribuida
La generación distribuida se compone de fuentes de
energía renovables convencionales o no convencionales,
es la cooperación de suministrar energía a través de la
interacción con una red local o una red convencional.
El sistema ya tiene una operatividad diferente, con
múltiples barras que actúan como carga y generación, la
inyección de corriente en el sistema reduce las pérdidas
debido a la transferencia de energía, además si se inyec-
tan reactivos mejora el factor de potencia y eso ayuda a
mejorar el perl de tensión del sistema de distribución
[9] (ver Figura 2).
1.1.4. Operación de la microrred en modo isla
Esto es posible si la generación distribuida es lo su-
cientemente grande como para cubrir las demandas de
energía y las pérdidas de energía en la red [9]. Debido
a que existe un ujo diferente de energía en este modo
de operación en comparación con el modo de operación
conectado a la red, solo hay una contribución de corrien-
te de cortocircuito proporcionada por energía renovable,
lo que hace que sea mucho más complicado coordinar la
protección eléctrica de la red.
2. Método
La implementación de energía distribuida en las micro-
rredes es una oferta muy beneciosa para el mercado
eléctrico, ya que es una propuesta renovable y limpia,
pero la misma naturaleza de estas fuentes de energía,
además de la tecnología necesaria para poder utilizarlas
presenta desafíos técnicos muy grandes, entre ellos está
la protección del sistema [5], [10], [11]; para el caso de
estudio se plantea la simulación de [9], sin considerar la
red eléctrica convencional, además de añadir un peque-
ño generador síncrono en la barra 2 y una carga 1 en la
barra 1; en este estudio se aborda el análisis de curvas de
relés frente a fallas trifásicas individuales en las barras
donde se encuentran conectados generadores, además
de vericar el estado de la red con un ujo de carga y
comprobar la frecuencia mediante una simulación diná-
mica frente a las fallas anteriormente mencionadas.
2.1. DESARROLLO
2.1.1. Estudio de ujo de carga
Los criterios considerados para desarrollar el ujo de
potencia en el circuito de caso de estudio: la red podrá
abastecer las cargas, la red debe mantener continuidad
del servicio ante la existencia de falla de algún elemento
del sistema, no se aceptan sobrecargas en los elementos
de la red, el nivel de voltaje no debe exceder al 5%.
Figura 2.
Esquema de una microrred operando en modo isla
falla la red principal, la microrred puede operar en modo
isla, sin necesidad de perder el suministro de electividad
y así satisfacer la demanda [1].
Se propuso una protección de sobrecorriente con dife-
rentes curvas de operación del relé, y uno de los enfoques
principales en este estudio fue modicar este documento
para que el esquema de protección pueda generalizarse
ante diferentes escenarios de operación [5].
72
La gura 3 presenta el estado de la microrred en el mo-
mento de ejecutar el ujo de potencia a la misma (ver
Figura 3).
2.1.2. Estudio de cortocircuitos
En un sistema eléctrico, cualquier evento que interrum-
pa el ujo normal de energía se lo conoce como falla,
la más grave es la simétrica o también conocida como
falla trifásica, pero lo más común es que existan fallas
asimétricas.
El resultado de estas fallas provoca: ujos no desea-
dos de corriente, corrientes que podrían dañar equipos
y producir armónicos en la red entre los más relevantes.
El estudio de cortocircuito considera las condiciones
de falla más relevantes en la microrred que serían fallas
trifásicas en las barras donde se encuentran conectados
los generadores, es así que la tabla 1 plantea los escena-
rios de operación (ver Tabla 1).
2.1.3. Primer escenario de operación
La gura 4 muestra la falla trifásica en la barra 2, además
de la ubicación del relé que desconecta el generador que
aporta a la falla (ver Figura 4).
2.1.4. Segundo escenario de operación
La gura 5 muestra la falla trifásica en la barra 5, además
de la ubicación de los relés que desconecta al generador
de la red (ver Figura 5).
2.1.5. Tercer escenario de operación
La gura 6 muestra la falla trifásica en la barra 4, además
de la ubicación del relé que desconecta al generador de la
red (ver Figura 6).
2.1.6. Cuarto escenario de operación
La gura 7 muestra la falla trifásica en la barra 6, además
de la ubicación del relé que desconecta al generador de la
red (ver Figura 7).
2.1.7. Simulación dinámica
La gura 8 presenta eventos de cortocircuito trifásicos en
las barras donde se encuentran conectados generadores,
con la nalidad de observar algún tipo de transitorio en
la frecuencia (ver Figura 8).
Figura 3.
Flujo de potencia en la microrred
Figura 4.
Ubicación de la falla trifásica y relé de desconexión
Tabla 1.
Escenarios de operación denidos para el caso de estudio
Escenario de operación Generador 1 Generador eólico
Generador fotovoltaico 1
Generador fotovoltaico 2
1 Cortocircuito
2 Cortocircuito
3 Cortocircuito
4 Cortocircuito
Nota. Las fallas se efectúan en las barras donde se encuentran conectados los generadores.
Análisis de Protecciones Eléctricas de Microgrids Modo Isla con Elevada Penetración de Energías Renovables no Convencionales
73
Ortiz K.
3. Resultados y discusión
3.1. RESULTADO DEL ESTUDIO DE FLUJO DE CARGA
La tabla 2 muestra los voltajes en p.u. de las barras de la mi-
crorred correspondiente al caso de análisis (ver Tabla 2).
El perl de voltaje en todas las barras de la microrred
se encuentra en un margen tolerable, ya que los valores
mostrados en p.u. no sobrepasan del 4% en caídas de vol-
taje. La tabla 3 presenta la cargabilidad de los elementos
de la microrred (ver Tabla 3).
3.2 RESULTADO DEL PRIMER ESCENARIO
En la gura 9 se puede evidenciar la solución de curvas para
el generador que está conectado a la barra 2 (ver Figura 9).
El relé opera a corriente de falla con un valor de 2646,56
A con un tiempo de operación 35 ms.
3.3. RESULTADO DEL SEGUNDO ESCENARIO
En la gura 10 se puede evidenciar la solución de curvas
para el generador que está conectado a la barra 5 (ver
Figura 10).
El relé que opera en la barra 1 censa una corriente de
falla de 734,12 A con un tiempo de operación de 0,573 s,
además del relé que opera en la barra 4, censa un valor
de 1430,63 A con un tiempo de operación de 0,035 s, es
evidente notar que la corriente en la barra 4 duplica en
valor a la barra 1.
3.4. RESULTADO DEL TERCER ESCENARIO
En la gura 11 se presenta la solución de curvas para el
generador que está conectado a la barra 4 (ver Figura 11).
El único aporte hacia la falla en la barra 4 corresponde
a la barra 3, cuyo relé censa una corriente de falla de 1
827,96 A y opera en un tiempo de 0,628 s.
Figura 5.
Ubicación de la falla trifásica y relés de desconexión
Figura 7.
Ubicación de la falla trifásica y relé de desconexión
Figura 6.
Ubicación de la falla trifásica y relé de desconexión
Figura 8.
Eventos de simulación dinámica
Barra7
0,0
0,00
0,0
Barra6
0,0
0,00
0,0
Barra5
0,4
0,04
-3 4 ,6
Barra4
43,9
2,304
5,006
Barra3
1,0
0,09
-4 3 ,4
Barra2
2,4
0,22
-4 0 ,5
Barra1
1,2
0,11
-3 1 ,1
SG
~
G1
43,9
2,304
0,000
L1
~
PV2
0,0
0,000
0,000
~
PV1
0,0
0,000
0,000
G ene rador eolico
0,0
0,000
0,000
L3
Linea6_7
0 ,0
0,0
0,000
0,000
0,0
0,000
0,000
Linea 4_6
0,0
0,0
0,000
0,000
0,0
0,000
0,000
L2
Linea5_4
0 ,0
9,0
0,472
0,000
9,0
0,472
1,025
Linea 3_4
0,0
35,0
1,837
0,000
35,0
1,837
3,990
Linea 1_5
0,0
9,0
0,472
0,000
9,0
0,472
0,000
Linea2_3
0 ,0
35,0
1,837
0,000
35,0
1,837
0,000
Linea1_2
0 ,0
9,0
0,472
0,000
9,0
0,472
0,000
DIgS ILENT
74
Figura 10.
Curva de protección del segundo escenario
Figura 12.
Curva de protección del cuarto escenario
Figura 11.
Curva de protección del tercer escenario
1000 10000 100000[pri.A]
0,01
0,1
1
10
[s]
11,00 kV
Barra3\Cub _2\R_B3
I =1836,669 pri.A
0.622 s
1827.966 pri.A
0.628 s
Time-Over current Plot
Date: 11/6/2022
Annex:
DIgSILENT
Figura 13.
Frecuencia en barras de la microrred
Análisis de Protecciones Eléctricas de Microgrids Modo Isla con Elevada Penetración de Energías Renovables no Convencionales
75
Ortiz K.
3.5. RESULTADO DEL CUARTO ESCENARIO
En la gura 12 se presenta la solución de curvas para el
generador que está conectado a la barra 6. (ver Figura 12)
El relé de la barra 4, censa una corriente de falla de 2
081,56 A en un tiempo de operación de 0,545 s, la barra
7 no brinda aporte a la falla trifásica puesto que es una
barra de carga.
3.6. RESULTADO DE LA SIMULACIÓN DINÁMICA
La importancia que tiene el mantener la frecuencia de la
red dentro de una banda tolerable es de mucha impor-
tancia, es así que se ha efectuado una simulación diná-
mica en el dominio del tiempo para determinar la afec-
tación que existe en la frecuencia de la red.
La gura 13 muestra el comportamiento de la frecuencia
en las barras de la microrred (ver Figura 13).
Es notable que la frecuencia de las barras se mantie-
ne constante a pesar de que existe contingencias, todas las
barras mantienen la frecuencia nominal de 60Hz, por lo
que la gráca nos muestra una sola línea constante que se
entiende por la superposición del resto de curvas de las
barras que no se puede observar.
4. conclusiones
·
Se implementó un modelo de microrred para probar
diversas dicultades, como pequeñas corrientes de cor-
tocircuito o ujos de energía bidireccionales.
·
Para todos los escenarios de operación se desarrolló un
estudio de cortocircuito, en el cual se vericó la dife-
rencia en las magnitudes de corriente de cortocircuito
de los diferentes escenarios.
·
El nivel de cortocircuito de las microrredes está muy re-
lacionado con la tecnología del inversor que se utiliza en
ellas, ya que se trata de un limitado aporte de corriente.
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