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Análisis de sistemas de potencia: ¿Por qué la computación digital es más importante que los experimentos de simulación?
En el campo de la ingeniería energética, los estudios de flujo de potencia son generalmente análisis numéricos del flujo de energía eléctrica en sistemas eléctricos interconectados. Estos estudios suelen utilizar símbolos simplificados, como diagramas unifilares y sistemas por unidad, y se centran en diversos aspectos de los parámetros de potencia de CA, como voltaje, ángulo de voltaje, potencia real y potencia reactiva. Este tipo de investigación no sólo es importante cuando el sistema funciona de forma normal y estable, sino que también es una herramienta clave para planificar la futura expansión del sistema eléctrico y el funcionamiento óptimo de los sistemas existentes.
La información principal del estudio del flujo de potencia incluye la magnitud del voltaje y el ángulo de fase de cada barra colectora, y la potencia real y la potencia reactiva que fluye en cada línea.
A medida que los sistemas de energía aumentaron en complejidad, los cálculos manuales del flujo de energía se volvieron imprácticos, por lo que entre 1929 y principios de 1960 se diseñaron analizadores de datos especializados para proporcionar modelos físicos a escala de laboratorio. El papel de estos experimentos de simulación fue finalmente reemplazado por grandes computadoras digitales y sus soluciones numéricas. Hoy en día, no sólo los estudios de flujo de potencia, sino también los análisis de fallas de cortocircuito, los estudios de estabilidad (estado transitorio y estable), la dotación de unidades y los cálculos de despacho económico dependen de programas basados en computación digital. En particular, algunos programas utilizan programación lineal para encontrar el flujo de potencia óptimo y determinar las condiciones de menor costo por kilovatio-hora entregado.
Los estudios de flujo de potencia son particularmente valiosos para sistemas con múltiples centros de carga, como un complejo de refinería. No sólo analiza si la capacidad del sistema es suficiente para abastecer la carga conectada, sino que también nos ayuda a determinar cómo pueden funcionar adecuadamente los equipos para reducir pérdidas y mejorar la eficiencia. La realización de un estudio de flujo de carga puede proporcionar información y recomendaciones de optimización para el funcionamiento del sistema, con el objetivo de maximizar la producción y minimizar los costos operativos.A través de estos análisis, los cálculos del flujo de potencia son fundamentales para el funcionamiento óptimo del grupo de unidades de generación de energía.
Para el manejo de la incertidumbre, la investigación del flujo de carga se puede dividir en flujo de carga determinista y flujo de carga considerando la incertidumbre. Los flujos de carga deterministas no tienen en cuenta la incertidumbre causada por la generación de energía y el comportamiento de la carga. Si se debe tener en cuenta dicha incertidumbre, se pueden utilizar la teoría de la probabilidad, la teoría de la posibilidad, la teoría de la decisión por brecha de información, la optimización robusta y el análisis de intervalos. Múltiples métodos .
Un modelo de flujo de potencia de CA se utiliza ampliamente en el campo de la ingeniería eléctrica para analizar redes eléctricas. Constituye un sistema de ecuaciones no lineal que describe el flujo de energía a lo largo de cada línea de transmisión. Dado que el flujo de potencia es una función del cuadrado del voltaje a través de la impedancia de carga, el problema es inherentemente no lineal. Por este motivo, el análisis a menudo no es práctico para redes grandes, por lo que a menudo se utilizan modelos de flujo de potencia de CC lineales (pero menos precisos).
En aplicaciones prácticas, el análisis de sistemas de energía trifásicos a menudo se simplifica asumiendo que las tres fases están cargadas uniformemente. Además, se supone que todas las formas de onda de corriente y voltaje son sinusoidales y que no hay cambios transitorios debido a cambios de carga o generación. Bajo este supuesto, el funcionamiento del sistema es relativamente estable y puede simplificarse aún más mediante el análisis fasorial.
Otra simplificación es utilizar el sistema por unidad, que convierte todos los valores reales de voltaje, flujo de potencia e impedancia en algún valor de referencia conveniente.
El objetivo del problema de flujo de potencia es obtener información completa sobre el ángulo de voltaje y la magnitud de cada barra colectora, en función de la carga dada y las condiciones reales de generación y potencia. Cuando esta información está disponible, se puede determinar analíticamente el flujo de potencia real y reactiva en cada rama. Sin embargo, debido a la naturaleza no lineal del problema, se requieren métodos numéricos para obtener soluciones dentro de tolerancias aceptables.
El método de Newton se utiliza ampliamente para resolver las ecuaciones no lineales anteriores. Este enfoque es una técnica iterativa que comienza con una estimación inicial de todas las variables desconocidas, como la magnitud y el ángulo del voltaje del bus de carga y el ángulo de voltaje del bus de generación. Luego, se realiza la expansión de Taylor sobre las ecuaciones de equilibrio funcional y se resuelve el sistema de ecuaciones lineales resultante, lo que se repite hasta que se cumple la condición de detención y se obtiene la solución final.La ventaja de la computación digital es que puede transformar sistemas de energía complejos en modelos basados en datos, lo que nos permite no solo realizar análisis más rápido, sino también predecir problemas potenciales con mayor precisión y responder de manera oportuna. La aplicación de la tecnología digital en los sistemas de energía se ha convertido sin duda en una herramienta indispensable para los ingenieros de energía modernos. Sin embargo, a medida que la computación digital se vuelve más popular, ¿estamos perdiendo también la comprensión intuitiva y la experiencia operativa que aportan los experimentos analógicos?
