Introducción
Los primeros sistemas eléctricos de potencia fueron desarrollados alrededor del año 1900, muchos de ellos, por su naturaleza tienen carácter público, semiprivado y privado, ya que por razones económicas muchas veces los gobiernos no asumieron la responsabilidad de la electrificación de los países. Hoy día la cadena de valor está integrada por la Generación, Transmisión, Distribución y Comercialización de electricidad. Gran parte de los servicios privados son la generación y la distribución, no obstante, la transmisión por lo general es un monopolio natural del estado debido a la alta inversión que esta implica.
La importancia de establecer mecanismos para las tarifas por el servicio, uso de la electricidad y ante todo definir de las estructuras de los costos para cada una de las componentes del sistema eléctrico, corresponden esencialmente a las áreas financieras y de comercialización de las empresas. En algunos casos se han establecido mercados eléctricos para ofrecer una gama de posibilidades de diferentes servicios en cuanto a la oferta y demanda definidos por el mercado.
Estado actual de la cuestión del despacho de potencia reactiva
Hsu y Chen en 2000 (1), cuestionan si dentro del esquema de la prestación del servicio eléctrico queda claro la responsabilidad de la compensación de potencia reactiva, quienes deben asumir los costos, si los consumidores finales deben pagar los costos de la potencia reactiva, o por el contrario las empresas generadoras de electricidad deben asumir este rol?. Por último, se hace un análisis de casos de sistemas eléctricos sin compensación de la potencia reactiva, con sistemas compensados parcial y completamente en los nodos de interconexión valorando la mejor opción para el sistema propuesto.
Miller en 2001 (2), plantea los métodos para la asignación de los peajes en los sistemas de transmisión eléctrica de acuerdo con su uso. En esta referencia se repasan todos los sistemas de las tarifas y se propone un método de cálculo para tarifas eléctricas. Doña y Paredes (3) proponen una estructura en los precios en mercados competitivos usando para el cálculo las pérdidas de transmisión. Se basa en la teoría de los costos marginales y las otras técnicas de optimización.
Tovar et ál. en 2002 (4) proponen una metodología basada en la sensibilidad para asignar los costos de los servicios del control de tensión y la potencia reactiva en los mercados eléctricos desregulados, en ella se distribuyen los costos de la potencia reactiva y estos servicios se distribuyen con base a sensibilidades relativas relacionadas con la tensión de los nodos de la carga y la generación. Tequitlapa (5) plantea una asignación de cargos por servicios del control de tensión y las reservas reactivas para el mercado de energía. Se plantean las posibles metodologías para los análisis de costos, realiza un análisis económico de la situación y por último una metodología de análisis para la asignación de los cargos. Zhong y Bhattacharya (6) plantean una administración de la potencia reactiva en los mercados eléctricos desregulados, en ella se hace una revisión de los distintos hitos históricos acontecidos en la última década del estudio en cuestión. Se mencionan los problemas tanto de la regulación de la tensión como de la frecuencia, se exponen algunos mecanismos para las propuestas de compensación financiera dentro de los parámetros regulatorios de cada país. Laguna (7) asigna los cargos por porteo de potencia real y la reactiva en los sistemas de transmisión, en la cual se analiza el método del rastreo de la potencia reactiva y establece una asignación de los costos a través de varios modelos aplicándolo a varios mercados internacionales.
Cortez en 2003 (8) plantea un análisis para establecer los precios para la potencia reactiva en los mercados descentralizados y competitivos. En ella se estudia la problemática del cobro de las tarifas en Chile y hace un recorrido por diversos mercados mundiales para estudiar la problemática. Macías y Pérez (9) analizan la regulación de las tarifas y la liberación del sector eléctrico español. Propone algunas alternativas de regulación de las tarifas para el transporte de la energía. Dan una perspectiva del impacto de la regulación en el mercado español.
Barragán y Robles en 2006 (10) propone el costo por el soporte de la tensión de los generadores en los sistemas eléctricos con el despacho centralizado y en él se plantean soluciones para establecer costos variables para el soporte de la tensión, de esta manera se obtiene una curva de capacidad y el costo de oportunidad por colocar la potencia. Se hace la evaluación en un sistema eléctrico de 30 nodos.
Carbajo en 2007 (11) analiza el mercado español y explora los servicios de ajuste dentro del sistema eléctrico, e incluye los servicios complementarios, la regulación primaria, secundaria y terciaria, así como las implicaciones en la tensión de la red eléctrica. Oh y Thomas (12) establecen los precios de la potencia reactiva en los mercados eléctricos desregulados proponiendo nuevas oportunidades de explotación de los mercados eléctricos tanto para la venta de la potencia activa como la reactiva. Lo analiza a través de la teoría de juegos.
Valenzuela en 2008 (13) estudia los efectos económicos que conllevan la prestación de los servicios auxiliares y se analizan los diversos escenarios en diferentes mercados mundiales, así como las propuestas de bajo costo dentro de los mercados eléctricos. Adicionalmente se desarrolla el problema del control de la tensión y establece una relación para con los mercados eléctricos.
Rabiee et ál. en 2009 (14) analizan el valor de la potencia reactiva en un sistema de potencia, indican que esta no es analizada en las ecuaciones financieras. No obstante, establecen la correlación entre las potencias activas y la reactiva, por ello, se establece la necesidad que ambos rubros sean considerados en el precio.
Abinaya et ál. en 2014 (15) realiza un análisis de los costos de la potencia reactiva a partir del uso de la teoría de los costos marginales en mercados eléctricos, se explica la importancia de la potencia reactiva pues este tipo de potencia es necesario para el trasiego de potencia activa y mantener la seguridad operativa del SEP. Se hace un análisis a un sistema IEEE-14 y se propone un flujo de potencia a partir de un despacho óptimo de potencia reactiva.
Kumar y Kumar en 2015 (16) proponen la tarifa de la potencia reactiva en sistemas eléctricos de los mercados eléctricos abiertos, en este se cuantifica la potencia reactiva a partir de la curva de la capacidad del generador. Se plantean las funciones de costos marginales y se hace un desarrollo computacional a partir de una red de distribución de prueba IEEE-24 para minimizar el costo de la potencia reactiva. Los resultados son validados con otros métodos de estimación de costos, por último, se hace un análisis de los costos para potencia activa.
Teoría
Componentes de un Sistema Eléctrico
Un sistema eléctrico de potencia tiene varias componentes que constituyen las partes principales del mismo. Entre ellos están: Generación, Transmisión y Distribución. Cada una de ellas, serán parte vital a fin de garantizar el suministro eléctrico de los clientes y los usuarios de la electricidad. En la figura 1 se muestra un esquema de un sistema eléctrico.
La generación de electricidad puede darse por métodos convencionales y no convencionales, los primeros son de una manera clásica como la hidráulica, geotérmica y térmica. No obstante, debido al desarrollo de nuevas tecnologías hoy día se recurre a formas no convencionales como la energía eólica y solar, están van tomando un auge importante y su penetración hoy día es objeto de estudios en los sistemas eléctricos de potencia. La transmisión requiere de las líneas para el “transporte” de la energía a los centros de consumo y es llevada a las subestaciones donde se transforma en niveles permisibles y seguros para las personas y equipos.
Por esta razón variables como la tensión y la frecuencia son importantes en la regulación. Ambos elementos operan simultáneamente con la variable de tensión eléctrica y son fundamentales en la calidad del servicio prestado por las compañías eléctricas a los clientes de los servicios eléctricos. Por ejemplo, en Costa Rica se permite una variación de la tensión de ±5% y con respecto a la frecuencia eléctrica no puede variar en ±0.5% de acuerdo con lo establecido por el regulador de servicios públicos. (18).
Calculo del Flujo de Potencia entre líneas y otros elementos
El cálculo y análisis del flujo de potencias en la red eléctrica es uno de los aspectos más importantes de su comportamiento en régimen permanente pues consiste en determinar los flujos de potencia activa y reactiva en cada línea eléctrica del sistema y las tensiones en cada una de las barras. Existen distintos métodos para el cálculo del flujo de potencias, entre los que se pueden mencionar: Gauss, Newton-Raphson y Gauss-Seidel. (19) (20) El presente artículo se desarrolló por el método de Gauss Seidel.
Cálculo de Costos por Potencia Reactiva para bancos de capacitores y generadores sincrónicos
Para el caso del banco de capacitores, se propone la ecuación 1 para el cálculo de la potencia reactiva:
donde
Cic = Costo por entrega de potencia por medio de banco de capacitores ($/periodo)
Cmc = Costo total del módulo de banco de capacitores ($/periodo)
tu = tiempo de uso del banco de capacitores (Horas/periodo)
CapMVAr = capacidad del banco de capacitores (MVAr)
tvu = tiempo de vida útil del banco de capacitores (años)
8760: horas del año
Cmto: costo del mantenimiento ($/periodo)
i = número de barras del SEP
La principal limitante del banco de capacitores es que entregará toda la potencia para la cual está diseñado y este no tiene la capacidad de regulación de la potencia reactiva que inyecta al sistema eléctrico.
Cálculo del costo para compensador síncrono
Para el caso del compensador síncrono, se propone la ecuación 2 para calcular el costo para potencia reactiva despachada:
donde
Cim = Costo por producir Potencia Reactiva ($/periodo)
CE = Costo de Potencia Reactiva por hora ($/KVArH)
CMVAr = Costo Potencia ($/KVAr)
tu = Tiempo de utilización (Horas/periodo)
Qprod = Potencia Reactiva en función del tiempo entregada a la red (MVAr-H)
Qgen = Potencia Reactiva entregada a la red (MVAr/periodo)
Cmto: Costo del mantenimiento del periodo ($/periodo)
Cpt: Costo del peaje de transmisión ($/KVAr)
m=cantidad de líneas de transmisión del SEP
Los costos totales de la potencia reactiva debido a la inyección por los bancos de capacitores y el compensador síncrono deben ser calculados en la siguiente ecuación de costos en cada uno de los nodos del sistema eléctrico:
donde
CT: costos totales de potencia reactiva inyectada
CC: costos de potencia reactiva por bancos de capacitores
CS: costos de potencia reactiva por compensador síncrono
Ecuación de Optimización para establecer Función Objetivo
Una vez establecidos estos valores se debe plantear las variables para la función objetivo y de esta manera aplicar una técnica de optimización lineal, de acuerdo a lo indicado en el cuadro 1.
Las funciones objetivo para cada uno de los elementos son representadas por las siguientes ecuaciones:
Banco de capacitores: min AX + BY
Generador Síncrono: min CX + DY + EZ
En caso que el nodo contenga banco de capacitores y generador síncrono se analiza de la siguiente manera: AX + BY +CX + DY + EZ
En estas ecuaciones el método de optimización lineal buscará despachar el máximo de potencia reactiva al más bajo costo. Previamente en los estudios de flujos de potencia se deberán obtener los perfiles máximos y mínimos de potencia reactiva, realizar un análisis de contingencia y evaluar la peor condición para el sistema en estudio. De esta manera, se sabrán las condiciones nominales y contingencia, con la finalidad de planificar el requerimiento de bancos de capacitores, compensadores síncronos y lo necesario para mantener el sistema en condiciones de operación normal.
Resultados
El SEP de prueba a utilizar es un IEEE-14 el cual posee 14 barras, 20 líneas de transmisión, 6 generadores síncronos, 9 cargas y 3 autotransformadores de interconexión. (21) La barra 1 es la de referencia y para el estudio de flujo de potencia las barras 2,3,6 y 8 son las barras P-V (Potencia-Tensión), necesarias para la regulación de estas variables en el sistema eléctrico. De igual manera, las restantes 9 barras tipo P-Q (Potencia Activa-Potencia Reactiva), las cuales representan los centros de consumo de la red eléctrica. Para el desarrollo de la metodología, por lo tanto, se deben seguir los siguientes pasos, de acuerdo a la figura 2.
Potencia Reactiva del sistema propuesto
Se realizó un análisis de contingencias únicas donde se obtuvieron los siguientes valores de potencia reactiva a fin de valorar los requerimientos de la potencia en cada una de las barras del sistema eléctrico tal y como se muestra en el cuadro 2.
Calculo de Potencia reactiva a partir de bancos de capacitores
Se obtienen los costos al utilizar bancos de capacitores en los nodos de interconexión, el costo aproximado de los módulos de compensación se puede obtener de la metodología de la remuneración de la actividad de transmisión de Colombia (22). Tomando en consideración todos estos elementos se tiene los siguientes costos de potencia reactiva de acuerdo al cuadro 3.
Cálculo de Potencia Reactiva a partir de generadores síncronos
De acuerdo con lo planteado en la ecuación anterior, se obtienen los costos al utilizar generadores sincrónicos en los nodos de interconexión. Tomando en consideración todos estos elementos se tiene los siguientes costos de potencia reactiva conforme a los planteado en el cuadro 4.
Costos Totales para SEP propuesto
El costo total mensual de $12 869 836.2 para despachar y operar el sistema eléctrico propuesto, en las condiciones indicadas anteriormente. De esta manera una vez establecido el costo total se procederá a aplicar la optimización del SEP con el fin de cumplir el requerimiento de potencia reactiva demandada al menor costo económico.
Despacho Óptimo de la Potencia Reactiva del SEP propuesto
De acuerdo con lo planteado anteriormente, se procede a desarrollar una programación lineal para el despacho óptimo de potencia reactiva al menor costo. En ella, la función objetivo tendrá las siguientes consideraciones en la programación:
Las barras 10,11,12,13 y 14, tendrán bancos de capacitores debido a la lejanía del centro de generación de cada una de las barras indicadas anteriormente. Los bancos de capacitores recomendados serán de 20 MVAr, similares a los que se usan en el SEN. La principal limitante de estos dispositivos es que entregan la totalidad de la potencia y no dan posibilidad de regulación a diferencia de los compensadores síncrono o generadores síncronos.
En la barra 1 se tendrá conectado un generador síncrono de gran capacidad que será capaz de entregar potencia reactiva hasta 145 MVAr. La importancia de este es que debido a su condición se utiliza para regulación del SEP y el regulador de tensión se deja en modo automático para que este supla el requerimiento del sistema de potencia reactiva ante los cambios que sucedan en la red.
En la barra 2 se tendrá conectado un generador que será capaz de entregar potencia reactiva desde un rango de 50 hasta -40 MVAr. El signo negativo es que podrá consumirla en caso de requerimiento de regulación del SEP. Esta es una condición normal de operación.
En barra 3 se tendrá conectado un compensador síncrono con capacidad de entregar hasta 40 MVAr.
En la barra 6 y 8 se tendrá conectado un compensador síncrono el cual será capaz de entregar potencia reactiva desde un rango de 24 hasta -6 MVAr. El signo negativo es que podrá consumirla en caso de requerimiento de regulación del SEP. Esta es una condición normal de operación.
El requerimiento de potencia reactiva máximo es de 269.18 MVAr, este valor no puede ser inferior pues existiría el riesgo de colapso parcial o total del sistema
Análisis de Escenarios
A continuación, se hará un análisis de escenarios a fin de validar el modelo propuesto. Para ello se considerará una utilización del 60% en promedio de los bancos de capacitores, la vida útil será de 7 años, pues estos son elementos sensibles a los ciclos de trabajo que tengan a lo largo de su ciclo de utilización. Los costos calculados en los generadores sincrónicos en los nodos de interconexión 1, 2, 3, 6 y 8 se muestran a continuación, se tomaron en cuenta un tiempo de uso de 360 horas de las 720 que puede tener un mes, esto representa una utilización del 50% aproximadamente de la típica de estos elementos al mes.
De acuerdo con lo planteado anteriormente, se procede a desarrollar una programación lineal para el despacho óptimo de la potencia reactiva, la función objetivo tendrá las siguientes condiciones en la programación:
Las barras 10, 11, 12, 13 y 14 tendrán bancos de capacitores debido a la lejanía del centro de generación de cada una de las barras indicadas anteriormente. Los bancos de capacitores recomendados serán de 20 MVAr.
En la barra 1 se tendrá conectado un generador síncrono 145 MVAr.
En la barra 2 se tendrá conectado un generador que será capaz de entregar la potencia reactiva, desde un rango de 50 hasta -40 MVAr.
En la barra 3 se tendrá conectado un compensador síncrono con capacidad de entregar hasta 40 MVAr.
En la barra 6 y 8 se tendrá conectado un compensador síncrono el cual será capaz de entregar la potencia reactiva, desde un rango de 24 hasta -6 MVAr.
El requerimiento de potencia reactiva máximo es de 269.18 MVAr, este valor no puede ser inferior pues existiría el riesgo de colapso parcial o total del sistema de acuerdo al estudio de flujos de potencia.
El requerimiento de potencia reactiva para el sistema eléctrico planteado es 269.18 MVAr y un costo base inicial obtenido en el cuadro 3 de $12 869 093.50. En el escenario pesimista considera una utilización de 60 MVAr de los bancos de capacitores y un despacho mínimo de la generación en barra 1 de 72 MVAr, por esta razón el costo total obtenido en la programación lineal es $11 778 813.10, con un ahorro del 8.47%.
En escenario realista considera una utilización de 80 MVAr y un despacho máximo de la unidad de la generación en la barra 1 de 112 MVAr. Por esta razón el costo total obtenido de la programación lineal es $9 344 862.60, con un ahorro del 27.39 %.
En escenario optimista considera una utilización de 100 MVAr y un despacho máximo de la unidad de la generación en la barra 1 de 145 MVAr. Por esta razón costo total obtenido es de $8 584 718.95, con un ahorro del 33.39 %. En la siguiente grafica de resultados se puede observar el comportamiento de los escenarios planteados de acuerdo con las condiciones y requerimientos del sistema de potencia. En la figura 3 se observa el comportamiento de los escenarios ante las condiciones propuestas.
Discusión Final
Se logró desarrollar una propuesta de metodología capaz de hacer un despacho óptimo de esta potencia al menor costo. Por ello, se logró identificar los costos más importantes y relevantes, para posteriormente desarrollar una programación lineal a partir de una hoja electrónica en Microsoft Excel. Se logró proponer una metodología para el cobro de potencia reactiva y en ella, a partir de los datos del estudio de flujos de potencia, los costos de producir potencia reactiva, se plantea la función objetivo para resolver el problema de despacho económico (23). En la parte B de la investigación se establecerá un modelo para el cobro diferenciado de las tarifas y de esta manera lograr proponer costos más bajos de la electricidad.
Agradecimientos
Agradezco a la Escuela de Ciencias de la Administración y al Posgrado en Administración de Negocios de la UNED por las herramientas y conocimientos gerenciales adquiridos para realizar este proyecto de investigación.
Lista de Abreviaturas
ARESEP: Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos
MER: Mercado Eléctrico Regional
SEN: Sistema Eléctrico Nacional
SEP: Sistema Eléctrico de Potencia
KVAr: kilo Voltio Amperios reactivos
kVArH: kilo Voltio Amperios reactivos-hora
IEEE-14: Sistema Eléctrico de Potencia de prueba de 14 barras