Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería
2020
Estudio de la perturbación armónica ocasionada por la conexión Estudio de la perturbación armónica ocasionada por la conexión
de vehículos eléctricos con tecnología V2G en un sistema de de vehículos eléctricos con tecnología V2G en un sistema de
distribución distribución
Andrés Felipe Barrera Pérez Universidad de La Salle, Bogotá
Carlos Felipe León Perilla Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Barrera Pérez, A. F., & León Perilla, C. F. (2020). Estudio de la perturbación armónica ocasionada por la conexión de vehículos eléctricos con tecnología V2G en un sistema de distribución. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/578
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1
ESTUDIO DE LA PERTURBACIÓN ARMÓNICA OCASIONADA POR LA CONEXIÓN
DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CON TECNOLOGÍA V2G EN UN SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN
Andrés Felipe Barrera Perez
Carlos Felipe Leon Perilla
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C.
2020
2
ESTUDIO DE LA PERTURBACIÓN ARMÓNICA OCASIONADA POR LA CONEXIÓN
DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CON TECNOLOGÍA V2G EN UN SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN
Andrés Felipe Barrera Pérez
Carlos Felipe Leon Perilla
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Electricista
Director:
M. Sc. Luis Hernando Correa Salazar.
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C.
2020
3
Nota de Aceptación:
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
Firma Director: M. Sc Luis H. Correa
_______________________________
Firma del jurado
_______________________________
Firma del jurado
Bogotá D.C.; Día____ Mes _____ Año _____
4
Carlos Felipe Leon Perilla
A mi familia y amigos
Andrés Felipe Barrera Perez
A las personas importantes en mi vida
5
AGRADECIMIENTOS
Son muchas las personas que han contribuido al desarrollo de este trabajo. En primer lugar, quiero
agradecer a Andrés Felipe Barrera, compañero, colega y amigo, quien me apoyo de forma personal
y académica para realizar este trabajo.
También, quiero agradecer el apoyo de toda mi familia, especialmente el de mi abuela, quien
estuvo dándome ánimo durante todos mis estudios profesionales. Gracias a los esfuerzos de mis
padres y mi tía, pues es debido a ellos que tengo el privilegio de culminar mis estudios y desarrollar
mi proyecto de vida.
Finalmente, quiero agradecer a la Universidad de La Salle y a todos los docentes que guiaron mi
proceso académico durante estos años de aprendizaje.
Carlos Felipe Leon Perilla
Este proyecto es el resultado de un extenso e intenso periodo formativo de cinco años en La
Universidad de La Salle. Quiero agradecer, en primer lugar, a mi madre y a mi hermano, por su
apoyo y acompañamiento constante durante mi formación profesional.
En segundo lugar, quiero agradecer a mi compañero, colega y amigo Carlos Leon. Gracias por la
ayuda, paciencia y dedicación requerida para terminar nuestro proyecto de grado.
En tercer lugar, agradezco la contribución de nuestro Director de Proyecto de Grado, el Ingeniero
Luis H. Correa, quien estuvo disponible para resolver nuestras dudas e inquietudes en el transcurso
de la investigación, e igualmente al Semillero de Investigación en Calidad de Potencia (SICAL).
Finalmente, quiero agradecer a nuestros docentes del Programa de Ingeniería Eléctrica, por
acompañarnos y transmitirnos su conocimiento durante nuestro proceso académico.
Andrés Felipe Barrera Pérez
6
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN .................................................................................................................................... 15
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 16
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................................... 18
1.1. Descripción del problema. ................................................................................................. 18
1.2. Formulación del problema. ............................................................................................... 18
2. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 19
2.1. Objetivo General. ............................................................................................................... 19
2.2. Objetivos Específicos. ........................................................................................................ 19
3. MARCO TEÓRICO................................................................................................................ 20
3.1. Vehículos Eléctricos........................................................................................................... 20
3.2. Vehículos Eléctricos Enchufables. ..................................................................................... 20
3.3. Vehículos eléctricos con tecnología V2G. ......................................................................... 20
3.4. Carga de Vehículos Eléctricos........................................................................................... 21
3.5. Impacto de los vehículos eléctricos. .................................................................................. 21
3.6. Armónico. ........................................................................................................................... 22
3.7. Inter-armónico. .................................................................................................................. 22
3.8. Distorsión armónica. ......................................................................................................... 22
3.9. Corrientes armónicas......................................................................................................... 23
3.10. Distorsión armónica total. ............................................................................................. 23
3.11. Distorsión total de la demanda. ..................................................................................... 24
3.12. Punto de Acople Común ................................................................................................. 24
3.13. Regulación de tensión. ................................................................................................... 24
3.14. Hora pico de demanda. .................................................................................................. 25
3.15. Ubicación óptima de estaciones de carga de vehículos eléctricos. ............................... 25
4. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 26
4.1. Modelo de carga para un sistema con tecnología V2G. .................................................... 26
4.2. Modelado de inyección de energía neta V2G en la red. .................................................... 26
4.3. Impacto armónico del vehículo eléctrico hibrido enchufable en un sistema de distribución
eléctrico......................................................................................................................................... 28
4.4. Estrategia de control para suprimir las corrientes armónicas en la conexión a la red del
cargador V2G. .............................................................................................................................. 30
7
4.5. Modelo de optimización para la ubicación adecuada de una infraestructura de carga de
vehículos eléctricos. ...................................................................................................................... 31
5. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 32
5.1. Funcionamiento y normativa establecida a nivel internacional para la movilidad
eléctrica......................................................................................................................................... 32
5.2. Diseño del sistema de prueba. ........................................................................................... 33
5.2.1. Diseño del sistema de distribución. ............................................................................... 34
5.2.2. Nivel de tensión de los circuitos. .................................................................................... 34
5.2.3. Calibre de los conductores. ............................................................................................ 34
5.2.4. Clasificación de las redes de distribución de acuerdo con el tipo de carga. ................ 35
5.2.5. Cargas residenciales. ..................................................................................................... 36
5.2.6. Selección del transformador. ......................................................................................... 37
5.3. Sistema de prueba en ATPdraw. ........................................................................................ 39
5.3.1. Mediciones de tensión y corriente en el sistema de prueba. .......................................... 40
5.4. Vehículos eléctricos en el sistema de prueba. ................................................................... 41
5.4.1. Nissan Leaf. .................................................................................................................... 42
5.4.1.1. Modo carga y descarga. ............................................................................................. 42
5.4.2. Toyota Prius. .................................................................................................................. 43
5.4.2.1. Modo carga y descarga. ............................................................................................. 43
5.4.3. Chevrolet Volt. ............................................................................................................... 44
5.4.3.1. Modo carga y descarga. ............................................................................................. 44
5.5. Vehículos eléctricos en ATPdraw. ..................................................................................... 45
5.6. Escenarios planteados. ...................................................................................................... 45
5.6.1. Ubicación de los vehículos en el sistema. ...................................................................... 47
5.7. Análisis de la información. ................................................................................................ 48
5.8. Límites de distorsión armónica establecidos. .................................................................... 50
5.8.1. IEEE 519-2014. .............................................................................................................. 50
5.8.2. IEC. ................................................................................................................................ 51
6. RESULTADOS ....................................................................................................................... 53
6.1. Escenario con 30 % de penetración de tecnología V2G. .................................................. 53
6.1.1. Carga de los vehículos eléctricos. ................................................................................. 53
6.1.1.1. Mediciones de tensión y corriente. ............................................................................. 53
6.1.1.2. Distorsión armónica total e individual. ...................................................................... 54
8
6.1.2. Descarga de los vehículos eléctricos. ............................................................................ 55
6.1.2.1. Mediciones de tensión y corriente. ............................................................................. 56
6.1.2.2. Distorsión armónica total e individual. ...................................................................... 57
6.1.3. Evaluación de los parámetros a partir de la normativa IEEE. ..................................... 58
6.2. Escenario con 50% de penetración. .................................................................................. 60
6.2.1. Carga de los vehículos eléctricos. ................................................................................. 60
6.2.1.1. Mediciones de tensión y corriente. ............................................................................. 60
6.2.1.2. Distorsión armónica total e individual. ...................................................................... 61
6.2.2. Descarga de los vehículos eléctricos. ............................................................................ 63
6.2.2.1. Mediciones de tensión y corriente. ............................................................................. 63
6.2.2.2. Distorsión armónica total e individual. ...................................................................... 64
6.2.3. Evaluación de los parámetros a partir de la normativa IEEE. ..................................... 66
6.3. Pérdidas en el sistema. ...................................................................................................... 67
7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ........................................................................ 68
7.1. Conclusiones generales. .................................................................................................... 68
7.2. Recomendaciones. .............................................................................................................. 69
7.3. Trabajos Futuros. .............................................................................................................. 69
7. BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................... 71
ANEXO .......................................................................................................................................... 73
A. Sistema de Prueba ................................................................................................................. 73
A.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-1i. ............. 73
A.2. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i. ..................................................................... 73
A.3. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i. ..................................................................... 73
A.4. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i. ..................................................................... 74
A.5. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i. ..................................................................... 74
A.6. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i. ..................................................................... 74
A.7. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i. ..................................................................... 75
B. Señales de los vehículos eléctricos. ....................................................................................... 75
B.1. Nissan Leaf. ....................................................................................................................... 75
B.1.1. Modo Carga. ................................................................................................................... 75
B.1.2. Modo Descarga............................................................................................................... 76
B.2. Toyota Prius. ...................................................................................................................... 77
9
B.2.1. Modo Carga. ................................................................................................................... 77
B.2.2. Modo Descarga............................................................................................................... 77
B.3. Chevrolet Volt. ................................................................................................................... 78
B.3.1. Modo Carga. ................................................................................................................... 78
B.3.2. Modo Descarga............................................................................................................... 79
C. Sistema de Prueba-30% de penetración en modo carga. ...................................................... 80
C.1. Nodo 1................................................................................................................................ 80
C.1.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-i1. .......... 80
C.1.2. Análisis de Fourier en señales de tensión. ..................................................................... 80
C.1.3. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 81
C.2. Nodo 12.............................................................................................................................. 83
C.2.1. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i. .................................................................. 83
C.2.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 83
C.3. Nodo 14.............................................................................................................................. 84
C.3.1. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i. .................................................................. 84
C.3.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 84
C.4. Nodo 15.............................................................................................................................. 85
C.4.1. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i. .................................................................. 85
C.4.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 85
C.5. Nodo 27.............................................................................................................................. 86
C.5.1. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i. .................................................................. 86
C.5.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 86
C.6 Nodo 30............................................................................................................................... 88
C.6.1. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i. .................................................................. 88
C.6.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 88
C.7 Nodo 31............................................................................................................................... 89
C.7.1. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i. .................................................................. 89
C.7.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 89
D. Sistema de Prueba-30% de penetración en modo descarga. ................................................ 90
D.1. Nodo 1. .............................................................................................................................. 90
D.1.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-1i. .......... 91
D.1.2. Análisis de Fourier en señales de tensión. ..................................................................... 91
10
D.1.3. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 92
D.2. Nodo 12. ............................................................................................................................ 94
D.2.1. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i. ................................................................. 94
D.2.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 94
D.3. Nodo 14. ............................................................................................................................ 95
D.3.1. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i. ................................................................. 95
D.3.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 95
D.4. Nodo 15. ............................................................................................................................ 96
D.4.1. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i. ................................................................. 96
D.4.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 96
D.5. Nodo 27. ............................................................................................................................ 97
D.5.1. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i. ................................................................. 97
D.5.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 97
D.6 Nodo 30. ............................................................................................................................. 99
D.6.1. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i. ................................................................. 99
D.6.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. .................................................................. 99
D.7 Nodo 31. ........................................................................................................................... 100
D.7.1. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i. ............................................................... 100
D.7.2. Análisis de Fourier en señales de corriente. ................................................................ 100
E. Distorsión Armónica Individual. ......................................................................................... 101
E.1. Carga 30%. ...................................................................................................................... 101
E.2. Descarga 30%.................................................................................................................. 103
E.3. Carga 50%. ...................................................................................................................... 105
E.4. Descarga 50%.................................................................................................................. 106
F. Consumo de los vehículos eléctricos en el sistema de prueba. ........................................... 108
F.1. Escenario de carga con penetración del 30%. ................................................................ 108
F.2. Escenario de carga con penetración de 50%. ................................................................. 108
G. Corriente de cortocircuito. .................................................................................................. 109
G.1. Carga 30%. ..................................................................................................................... 109
G.2. Descarga 30%. ................................................................................................................ 109
G.3. Carga 50%. ..................................................................................................................... 110
G.4. Descarga 50%. ................................................................................................................ 110
11
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Normativa Internacional para vehículos eléctricos. ...................................................... 32
Tabla 2. Resistencia en CA y Reactancia Inductiva para cables de cobre de baja tensión. ........ 35
Tabla 3. Promedio de consumo de usuarios residenciales de estrato 4 y 5 en Bogotá, año 2015.
....................................................................................................................................................... 36
Tabla 4. Parametrización de las cargas residenciales de estratos 4 y 5. ..................................... 36
Tabla 5. Dimensionamiento de transformadores para estrato 5. ................................................. 38
Tabla 6. Magnitud de las señales de tensión y corriente en el sistema de prueba sin penetración
de vehículos eléctricos. ................................................................................................................. 40
Tabla 7. Capacidad de corriente permisible a 90°C para conductores aislados. ........................ 41
Tabla 8. Características de carga de Nissan Leaf a un nivel de tensión de 120 V. ..................... 42
Tabla 9. Espectro armónico en modo carga y descarga del Nissan Leaf a un nivel de tensión de
120 V. ............................................................................................................................................ 43
Tabla 10. Características de carga de Toyota Prius a un nivel de tensión de 120 V................... 43
Tabla 11. Espectro armónico en modo carga y descarga del Toyota Prius a un nivel de tensión
de 120 V. ....................................................................................................................................... 44
Tabla 12. Características de carga de Chevrolet Volt a un nivel de tensión de 120 V. ............... 44
Tabla 13. Espectro armónico en modo carga y descarga del Chevy Volt a un nivel de tensión de
120 V. ............................................................................................................................................ 45
Tabla 14. Ubicación de vehículos eléctricos de acuerdo con el nivel de penetración del
escenario. ...................................................................................................................................... 48
Tabla 15. Límite de distorsión armónica para niveles de tensión inferiores a 1,0 kV. ................ 50
Tabla 16. Límite de distorsión armónica para corriente para sistemas en el rango de tensión de
120 V a 69 kV. ............................................................................................................................... 51
Tabla 17. Límite de distorsión armónica para corriente en sistemas de baja tensión. ................ 52
Tabla 18. Límite de distorsión armónica para tensiones inferiores a 1 kV. ................................. 52
Tabla 19. Escenario 1. Penetración de 30% en modo carga. Caída de tensión y magnitud de
corriente en el sistema de prueba. ................................................................................................ 53
Tabla 20. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1 .................................................... 54
Tabla 21. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 27. ................................................. 55
Tabla 22. Escenario 2. Penetración de 30% en modo descarga. Caída de tensión y magnitud de
corriente en el sistema de prueba. ................................................................................................ 56
Tabla 23. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1 .................................................... 57
Tabla 24. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 27. ................................................. 58
Tabla 25. Evaluación THD de tensión-30% de penetración. ....................................................... 58
Tabla 26. Evaluación THD de corriente-30% de penetración. .................................................... 59
Tabla 27. Escenario 3. Penetración de 50% en modo carga. Caída de tensión y magnitud de
corriente en el sistema de prueba. ................................................................................................ 60
Tabla 28. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1 .................................................... 61
Tabla 29. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 27. ................................................. 62
12
Tabla 30. Escenario 4. Penetración de 50% en modo descarga. Caída de tensión y magnitud de
corriente en el sistema de prueba. ................................................................................................ 63
Tabla 31. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 1 .................................................... 64
Tabla 32. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 27. ................................................. 65
Tabla 33. Evaluación THD de tensión-50% de penetración. ....................................................... 66
Tabla 34. Evaluación THD de corriente-50% de penetración. .................................................... 66
Tabla 35. Evaluación de pérdidas en el sistema de prueba. ........................................................ 67
13
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de estacionamiento. Recuperado de Chukwu, U.C.
& Mahajan, S.M. (2017). Modeling of V2G net energy injection into the grid. ........................... 27
Figura 2. Modelo del PHEV en el análisis armónico. Recuperado de Aljanad, A. & Mohamed,
A. (2016). Harmonic impact of plug-in hybrid electric vehicle on electric distribution system... 28
Figura 3. Alimentador de prueba IEEE de 37 nodos. Recuperado de Aljanad, A. & Mohamed, A.
(2016). Harmonic impact of plug-in hybrid electric vehicle on electric distribution system. ...... 29
Figura 4. Sistema de prueba propuesto. ...................................................................................... 39
Figura 5. Sistema de prueba-Penetración de vehículos de 30% en modo carga. ....................... 46
Figura 6. Sistema de prueba-Penetración de vehículos de 50% en modo carga. ....................... 47
Figura 7. Diagrama de bloques-Análisis de distorsión armónica. ............................................. 49
14
NOMENCLATURA
𝑉2𝐺: Vehicle to Grid
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
IEC: International Electrotechnical Commission
𝐶𝐶: Corriente Continua
𝐶𝐴: Corriente Alterna
𝑇𝐻𝐷: Distorsión Armónica Total
𝑇𝐻𝐷𝑖: Distorsión Armónica Total de Corriente
𝐼1: Corriente Fundamental Medida
𝐼𝑛: Componentes Armónicos de Corriente {2,3,4, … , 𝑛}
𝑇𝐷𝐷: Distorsión Total de la Demanda
𝐼𝑀𝐴𝑋: Máxima Corriente de Carga
𝑃𝐻𝐸𝑉: Vehículo Eléctrico Hibrido Enchufable
𝐸𝑉: Vehículo Eléctrico
15
RESUMEN
La ciencia y la tecnología se encuentran en constante cambio y progresan encaminados a
generar un desarrollo económico, social y ambiental, entre otros; sin embargo, los avances
presentan desventajas inherentes a la incompatibilidad de los sistemas ya existentes con la nueva
tecnología que se puede incorporar, por esta razón, es imprescindible generar ideas innovadoras
para solucionar o mitigar los efectos de estas incompatibilidades. Los vehículos eléctricos y el
efecto ocasionado por su carga en los sistemas de potencia son un ejemplo de ello.
El desarrollo del estudio está encaminado a evaluar las afectaciones producidas en un
sistema de prueba, específicamente, el impacto de las corrientes armónicas en la forma de onda
que entrega la red eléctrica cuando se presenta la conexión simultanea de vehículos eléctricos con
tecnología V2G. Por otra parte, se presentan las ventajas que brinda la tecnología en términos
operativos durante el modo de descarga, debido a que, la energía almacenada en los vehículos
permite suplir una importante cantidad de la demanda de energía del sistema.
16
INTRODUCCIÓN
La UPME expidió en el año 2016 un mapa de ruta para el desarrollo de redes inteligentes
en Colombia. En (BID, 2016) se presenta la movilidad eléctrica como uno de los cuatro pilares
fundamentales para el establecimiento de las redes inteligentes en las ciudades del país y,
específicamente, la tecnología V2G es planteada como un objetivo a largo plazo en la integración
de la movilidad eléctrica a los sistemas de potencia.
Los vehículos eléctricos representan una oportunidad para mejorar la eficiencia energética,
debido a que se presenta la sustitución de vehículos basados en combustibles fósiles. Sin embargo,
la electrificación del transporte representa un importante desafío para las redes eléctricas a
mediano y largo plazo, debido a que se debe suplir la demanda requerida por la nueva tecnología
(BID, 2016).
Un nivel de funcionalidad más avanzado es la tecnología V2G, que implica que el vehículo
es capaz no solo de cargar su batería cuando se conecta a la red eléctrica, sino también de descargar
a la misma la energía existente en su batería (BID, 2016). Es decir, el objetivo de la tecnología es
el intercambio de potencia entre los vehículos y el sistema de potencia, permitiendo una economía
nueva y atractiva (Chukwu & Mahajan, 2011).
Por otra parte, es importante resaltar que los vehículos eléctricos representan un
inconveniente para los operadores del sistema, debido a que su conexión a la red ocasiona
problemas relacionados a calidad de potencia. Cuando los vehículos eléctricos están provistos con
la tecnología V2G, los convertidores de CA-CC son necesarios para el control de la corriente
proveniente de la red, y es inevitable introducir armónicos a la red. Para garantizar la calidad de la
energía de la red y el funcionamiento seguro, exigen restricciones estrictas para el contenido
armónico inyectado al sistema de distribución. (Gao, Dong, Gao, & Cui, 2018)
17
Por consiguiente, este proyecto presenta una evaluación de la distorsión armónica
ocasionada por la introducción de vehículos eléctricos con tecnología V2G en un sistema de
prueba. Para ello, es importante identificar la normatividad presente en diferentes países a nivel
internacional y analizar los estudios realizados para cuantificar el efecto ocasionado por la
conexión de vehículos con tecnología V2G. En segundo lugar, se identifican los criterios técnicos
utilizados por Enel para el diseño de un sistema de distribución para representar el funcionamiento
típico en el sistema de prueba y se modela el comportamiento de los vehículos eléctricos con
tecnología V2G. Finalmente, se evalúan los resultados obtenidos del sistema de prueba de acuerdo
con normativas internacionales para evidenciar el impacto que se puede ocasionar en un sistema
de distribución.
Las secciones presentadas en este trabajo se dividen de la siguiente forma: en la sección 1
se realiza la definición del problema a desarrollar, la sección 2 muestra los objetivos propuestos
para abarcar el problema, la sección 3 contiene el marco teórico con todos los conceptos necesarios
para entender la temática a desarrollar, la sección 4 presenta el estado del arte, la sección 5 describe
la metodología realizada para evaluar la distorsión armónica ocasionada por la introducción de
vehículos con tecnología V2G, para la sección 6, se muestran los resultados obtenidos del sistema
de prueba en ATPdraw. Finalmente, en la sección 7, se presentan las conclusiones del estudio
realizado y las recomendaciones para futuros trabajos.
18
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
1.1. Descripción del problema.
La conexión de vehículos eléctricos a la red mediante el uso de la tecnología V2G permite
el flujo bidireccional de potencia y permite a los usuarios de vehículos eléctricos participar en el
mercado energético, mediante el suministro de energía eléctrica a la red durante horas pico de
demanda. La energía entregada por los vehículos eléctricos con tecnología V2G incrementa la
confiabilidad en el suministro de energía eléctrica; sin embargo, la introducción masiva de las
cargas tiene implicaciones en la calidad de potencia de la red de distribución.
Precisamente, la distorsión armónica es uno de los impactos ocasionados por la
introducción de vehículos eléctricos, debido a que la tecnología requiere de diferentes elementos
de electrónica de potencia para su alimentación. Por lo tanto, se debe cuantificar el efecto
ocasionado en los puntos de acople común, todo con la finalidad de adoptar soluciones técnicas y
operativas en el marco de estándares internacionales.
1.2. Formulación del problema.
¿Cuál es el aporte de distorsión armónica a la red de distribución ante la introducción de
estaciones de carga de vehículos eléctricos con tecnología V2G?
19
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General.
Evaluar el aporte de distorsión armónica a la red de distribución ante la introducción masiva
de estaciones de carga de vehículos eléctricos con tecnología V2G mediante un modelo de prueba
en ATPdraw.
2.2. Objetivos Específicos.
• Identificar las características de funcionamiento de estaciones de carga con
tecnología V2G en el contexto global.
• Modelar un sistema de prueba para evaluar la distorsión armónica en la red
distribución, aportada por los vehículos eléctricos con tecnología V2G.
• Analizar la información adquirida en contraposición a los estándares
internacionales IEEE e IEC.
20
3. MARCO TEÓRICO
En esta sección se presentarán los conceptos asociados a la distorsión armónica ocasionada
por los vehículos eléctricos y lo referente a los índices usados para su cuantificación.
3.1.Vehículos Eléctricos.
Son vehículos propulsados por un motor eléctrico con una corriente proveniente de una
batería de almacenamiento de energía, o desde otros dispositivos de almacenamiento portable
(recargable usando una fuente de energía como un servicio público de electricidad), la cual es
fabricada principalmente para el uso en vías públicas, caminos o carreteras. (García, 2017)
3.2.Vehículos Eléctricos Enchufables.
En (García, 2017) los PHEV se presentan como vehículos que vienen equipados un motor
de combustión interno y un motor eléctrico accionado por la electricidad almacenada en las
baterías de tracción. Los vehículos eléctricos enchufables generalmente tienen paquetes de batería
grandes que pueden ser cargados mediante la conexión a la red.
3.3.Vehículos eléctricos con tecnología V2G.
En (Gao, Dong, Gao & Cui, 2018) se define la tecnología V2G como el sistema que permite
a los vehículos eléctricos intercambiar potencia e información con la red inteligente en tiempo real.
Los vehículos eléctricos con tecnología V2G pueden proveer servicios como compensación del
pico de demanda, regulación de frecuencia, compensación de energía reactiva, y reserva rodante,
entre otras. La carga bidireccional es una interfaz física importante entre los vehículos eléctricos
y la red inteligente.
21
El cargador V2G tiene las funciones de cargar y alimentar la red, por lo tanto, funciona en
un amplio rango de potencia cuando proporciona servicios a la misma, por lo que el contenido
armónico del cargador V2G tiene restricciones estrictas.
3.4. Carga de Vehículos Eléctricos.
En (García, 2017) se define la carga de vehículos eléctricos de acuerdo con la potencia de
carga. La carga se clasifica en tres niveles principales: carga lenta, rápida y ultra rápida.
• Carga lenta (Monofásica): Representa el método de carga usado en el hogar y el
más conveniente y económico, pero también es el más lento. Generalmente en
Europa, la potencia de carga alcanza los 3.7 kW, que corresponden a 230 V y 16 A.
• Carga rápida: Utiliza una conexión trifásica en lugar de la monofásica, empleada
en la carga lenta y, por lo tanto, permite una mayor capacidad de carga y un tiempo
más corto. La potencia máxima nuevamente es variable dependiendo en gran
medida del sistema de distribución del país, pero normalmente toma valores entre
10-20 kW.
• Carga ultrarrápida: Puede suministrar potencias de carga de hasta 50 kW o incluso
más. Como resultado, puede permitir en un vehículo una carga completa en minutos
en lugar de horas. La gran potencia de carga requiere el uso de un cargador externo
dedicado para acomodar el cargador y enfriar adecuadamente el equipo.
3.5. Impacto de los vehículos eléctricos.
Según (García, 2017), los vehículos eléctricos enchufables representan un inconveniente
para los operadores del sistema de distribución, debido a las cargas no lineales en el sistema de
22
potencia; lo que produce impactos negativos en la calidad de la señal, como pérdidas en el sistema,
sobrecalentamiento de transformadores, inyección de armónicos de corriente, etc., siendo este
último uno de los aspectos críticos a analizar debido a los grandes problemas técnicos producidos.
La integración de vehículos eléctricos enchufables en los sistemas de distribución requiere
la adopción de medidas correctivas como el reforzamiento de las redes y manejo de estrategias de
carga. Del mismo modo, los factores con una mayor influencia en los impactos causados en redes
de distribución de baja tensión son generados por los patrones de comportamiento de los
conductores de los vehículos: las características de los patrones de carga, el tiempo de carga y los
niveles de penetración.
3.6. Armónico.
Un componente de mayor orden que una de las series de Fourier de una cantidad periódica.
Por ejemplo, en un sistema de 60 Hz, el armónico de orden tres, conocido como el “Tercer
armónico”, es 180 Hz. (IEEE, 2014)
3.7. Inter-armónico.
Un componente de frecuencia de una cantidad periódica que no es un múltiplo entero de la
frecuencia a la que opera el sistema. (IEEE, 2014)
3.8.Distorsión armónica.
La distorsión armónica en las ondas de tensión y corriente son un problema relacionado a
la calidad de potencia. El fenómeno se presenta cuando se utilizan cargadores sin la aplicación de
filtros y medios adecuados. La distorsión armónica puede aumentar el riesgo de resonancias en
paralelo y en serie, el sobrecalentamiento en los bancos de condensadores y los transformadores,
23
la sobre corriente por el neutro y el funcionamiento inadecuado de dispositivos de protección.
(Farhoodnea, Mohamed, Shareef & Zayandehroodi, 2013).
Por otra parte, en (Aljanad & Mohamed, 2016) se describen otros inconvenientes generados
por la distorsión armónica en los sistemas de distribución. Entre las fallas se encuentra el aumento
de pérdidas, la reducción de la eficiencia, aumento de temperatura y fallas prematuras de
aislamiento y bobinado
3.9. Corrientes armónicas.
Se producen principalmente por el efecto de la electrónica de potencia, la cual es requerida
cada vez más para equipos con tecnología de generación no convencional. Los armónicos generan
una superposición de ondas sinusoidales con frecuencias múltiplos de la frecuencia de la red,
alterando la forma de onda que se entrega al usuario. En consecuencia, la tensión sufre cambios
que dependen de la distorsión de la corriente, lo que produce sobrecalentamiento de conductores
y transformadores, caída de tensión, afectación en la calidad del suministro, incremento de
pérdidas; entre otros, sin mencionar las pérdidas económicas que acarrea. (García-Villalobos &
Zamora, 2014)
3.10. Distorsión armónica total.
La distorsión armónica total (THD) es un índice usado para cuantificar la proporción de
armónicos en las ondas de corriente y tensión. Se define como la relación de la media cuadrática
del contenido armónico, considerando los componentes hasta el orden 50 y excluyendo
específicamente los inter-armónicos, expresada como un porcentaje de la fundamental. (IEEE,
2014)
24
𝑇𝐻𝐷𝑖 =√𝐼2
2 + 𝐼32 + 𝐼4
2 + ⋯ + 𝐼𝑛2
𝐼1∗ 100% (1)
3.11. Distorsión total de la demanda.
La distorsión total de la demanda es la relación del contenido armónico, considerando los
componentes hasta el orden 50 y excluyendo específicamente los inter-armónicos, expresada como
un porcentaje de la corriente de demanda máxima. (IEEE, 2014) Sin embargo, el TDD se puede
representar en función del THD mediante la corriente fundamental medida y la máxima corriente
de carga, como se presenta en (2).
𝑇𝐷𝐷 = 𝑇𝐻𝐷 ∗𝐼1
𝐼𝑀𝐴𝑋. (2)
3.12. Punto de Acople Común
Se define como el nodo del sistema de potencia público que se encuentra a menor distancia
de una carga en particular, además en este punto otras cargas están o podrían estar conectadas. Es
importante resaltar que el punto de acople común es un nodo ubicado aguas arriba de la instalación
considerada. (IEEE, 2014)
3.13. Regulación de tensión.
Se refiere a la caída de tensión debido a la impedancia serie de los conductores, la cual se
opone al paso de la corriente eléctrica. El límite de regulación de tensión para circuitos secundarios
de Codensa es 3%. (Codensa, 2018).
25
Uno de los problemas relacionados a los vehículos eléctricos son los desbalances de
tensión, que se presentan por el método de carga monofásica, por lo tanto, se requieren técnicas
apropiadas de carga para evitar sobrecargas en el sistema (García, 2017).
3.14. Hora pico de demanda.
La tecnología V2G permite el flujo de potencia bidireccional entre el sistema eléctrico y
las baterías de los vehículos, permitiendo la comercialización de energía por parte de los mismos
usuarios y estableciendo un panorama favorable al desarrollo, aceptación e inmersión de esta
tecnología (García, 2017).
En diferentes países, cuando el precio del kWh aumenta es un escenario ideal para vender
energía a la red. Por el contrario, en las horas de baja demanda, el precio del kWh disminuye, y se
presenta un escenario ideal para realizar la carga de los vehículos eléctricos.
3.15. Ubicación óptima de estaciones de carga de vehículos eléctricos.
En la actualidad se han utilizados diferentes métodos para mitigar el impacto de la conexión
de los vehículos eléctricos a la red, como las técnicas heurísticas de optimización. El algoritmo de
búsqueda cuántico binario es una técnica heurística de optimización, la cual establece las
condiciones para estimar la ubicación óptima de los puestos de carga de vehículos eléctricos en la
red. Por esta razón, el algoritmo de búsqueda cuántico binario ofrece la mayor parte de las
condiciones necesarias para ser aplicada en las grandes ciudades o en sistemas de potencia robustos
(Aljanad, Mohamed, Shareef & Khatib, 2018)
26
4. ESTADO DEL ARTE
En esta sección, se presenta el resultado de la investigación realizada para identificar el
estado de la tecnología V2G en la actualidad y la afectación ocasionada en los sistemas de potencia.
Principalmente, se identifica el funcionamiento de la tecnología V2G, los modelos utilizados para
evaluar su comportamiento en sistemas de prueba, beneficios e inconvenientes observados en los
sistemas de potencia y las consideraciones técnicas adoptadas ante la introducción masiva de la
tecnología V2G.
4.1. Modelo de carga para un sistema con tecnología V2G.
En (Chukwu & Mahajan, 2011) investigan la capacidad de carga y descarga de un
estacionamiento con tecnología V2G y posteriormente exploran el potencial de servicio de la
estación en el mercado energético a partir de la curva de la demanda y los costos de operación
típicos.
La introducción de clientes con tecnología V2G en un estacionamiento es modelada
esencialmente como un proceso de almacenamiento y entrega de energía a la red atendido por los
servidores. Por lo tanto, la instalación permitirá ayudar a equilibrar las cargas mediante el “llenado
del valle” (carga por la noche, cuando la demanda es baja) y el “corte de picos” (enviando energía
a la red, cuando la demanda es alta).
Los datos indican que es improductivo utilizar la tecnología V2G en el mercado energético
simulado como una reserva rodante; sin embargo, en el análisis se encuentra aplicación para los
picos de carga de operación.
4.2. Modelado de inyección de energía neta V2G en la red.
27
El documento de (Chukwu & Mahajan, 2017) propone un estacionamiento conectado a la
red, que permita la carga de los vehículos eléctricos con la red eléctrica y enviar electricidad a la
red cuando se descarga. En la figura 1 se presenta el sistema de estacionamiento V2G propuesto
por los autores.
Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de estacionamiento. Recuperado de
Chukwu, U.C. & Mahajan, S.M. (2017). Modeling of V2G net energy injection into the grid.
(Chukwu & Mahajan, 2017) indican en sus resultados.
“Los resultados indican que la V2G no tiene aplicaciones prometedoras para las
operaciones de carga base (esto es esperado ya que la V2G no puede proporcionar el
mínimo nivel de demanda de una red eléctrica durante 24 horas) (…) Los resultados
también muestran que la V2G promete un atractivo técnico para los servicios auxiliares
de carga máxima y regulación, pero no para operaciones de reserva giratoria ( esto es
esperado debido a la limitada disponibilidad de la V2G y la volatilidad de los usuarios de
la V2G). Varios investigadores creen que la naturaleza estocástica de la llegada y salida
de la V2G en los estacionamientos debido al variado patrón de comportamiento de los
clientes es una limitación sería a la promesa de la V2G para aplicaciones de red” (p.440)
28
4.3. Impacto armónico del vehículo eléctrico hibrido enchufable en un sistema de
distribución eléctrico.
(Aljanad & Mohamed, 2016) describen el problema de la introducción masiva de
vehículos eléctricos enchufables en los sistemas de potencia.
“Los PHEV que se inyectan aleatoriamente en un sistema de distribución introducirían
muchos desafíos e impactos en el sistema. La conexión y desconexión incontrolada de
PHEV en un sistema de distribución de energía incrementará las distorsiones armónicas
de tensión y corriente (…) La conexión a gran escala de PHEV causará incertidumbre en
la operación del sistema de potencia. Algunos estudios han mostrado que sin ningún tipo
de mitigación la carga de PHEV incurre en la red eléctrica con cargas adicionales que
resultan en incrementos de la carga agregada durante las horas pico de demanda, y, por
lo tanto, impacta la confiabilidad general de la red” (p.1)
En el estudio se evalúa el impacto de los PHEV mediante la conexión del modelo de la
figura 2 en un sistema de distribución residencial.
Figura 2. Modelo del PHEV en el análisis armónico. Recuperado de Aljanad, A. & Mohamed, A.
(2016). Harmonic impact of plug-in hybrid electric vehicle on electric distribution system.
29
Sobre el modelo de la fuente armónica de corriente inyectada mencionan.
“Para el análisis armónico se considera el método de inyección de corriente, la carga del
PHEV es modelada como un circuito equivalente de Norton donde la fuente de corriente
representa las corrientes armónicas inyectadas por la porción no lineal de la carga. (…)
La fuente de corriente se establece con el valor de la corriente fundamental multiplicada
por el valor definido en el objeto “espectro” asociado con la carga para la frecuencia que
se esté resolviendo” (p.3)
El sistema de distribución de prueba utilizado es IEEE37 (ver figura 3), la tensión de la
subestación del sistema estudiado es de 4,8 kV y la tensión de la red residencial es 220 V. En el
documento se evalúan tres escenarios: penetración de vehículos eléctricos de 30 %, 50% y 80 %
en el sistema; el nivel de penetración de los vehículos eléctricos aumenta gradualmente en el
sistema de 30% al 80% durante las horas pico de carga residencial. Los parámetros medidos son
el perfil de la tensión, pérdidas del sistema y THD en las señales de corriente.
Figura 3. Alimentador de prueba IEEE de 37 nodos. Recuperado de Aljanad, A. & Mohamed, A.
(2016). Harmonic impact of plug-in hybrid electric vehicle on electric distribution system.
30
Los resultados obtenidos de perfil de tensión evidencian valores aceptados entre 0,95 y
1,05 en por unidad para el escenario con 30 % de penetración; sin embargo, en el escenario con 80
% de penetración no cumple con los valores aceptados. Por otra parte, los resultados obtenidos
para observar el comportamiento del THD indican.
“Considerando los límites armónicos especificados en el estándar IEEE de armónicos, el
efecto del THDi durante el tiempo de menor actividad de carga es aceptable cuando el
nivel de penetración de los PHEV es 50 %. Sin embargo, por encima del nivel de
penetración del 50 %, los valores del THDi exceden el límite armónico de la norma IEEE.
La figura 13 muestra un aumenta significativo de THDi que alcanza 15 % y 25 % cuando
las penetraciones de PHEV son 50 % y 80 % respectivamente. El resultado muestra que
la penetración máxima de PHEV que se adaptaría es del 30 %, en la que por encima de
ese valor se inyectarían distorsiones armónicas inaceptables en el sistema” (p.6)
4.4. Estrategia de control para suprimir las corrientes armónicas en la conexión a la
red del cargador V2G.
En (Gao, Dong, Gao & Cui, 2018) se utiliza un diagrama de bloques funcional para
representar el comportamiento de un sistema V2G. El parámetro utilizado para las mediciones es
el THD y se observa un aumento en el índice cuando se reduce la potencia en el proceso de carga.
El contenido armónico de la corriente de la red es significativo, por lo tanto, se propone en
el documento una estrategia de control compuesta. El método de muestreo WC basado en el filtro
LCL, presentado en el documento, permite reducir el THD de la corriente del lado de la red.
Específicamente, la estrategia de control compuesta disminuye el contenido armónico en la red
31
ante la conexión de un sistema de carga V2G, en comparación con otros métodos de control
tradicionales.
4.5. Modelo de optimización para la ubicación adecuada de una infraestructura de
carga de vehículos eléctricos.
En (Yi & Bauer, 2016) se establece un criterio fundamental para la ubicación de estaciones
de carga: el límite de la infraestructura de energía eléctrica. El segundo criterio para ubicar la
infraestructura de carga son las consideraciones de los usuarios de los vehículos eléctricos, por
ejemplo, los patrones de conducción y las ubicaciones de parqueaderos más comunes.
Finalmente, evalúan la importancia de ubicar la infraestructura de estaciones de carga para
futuras ciudades sostenibles:
“Con el fin de acelerar la electrificación del transporte para futuros sistemas de transporte
sostenibles, se ha introducido un marco de colocación de infraestructura de carga de
energía óptima. Se proponen dos requisitos objetivos principales: maximizar el número de
hogares accesibles bajo una restricción energética y minimizar el consumo general de
energía de transporte para las acciones de carga. Los resultados muestran que los modelos
introducidos son prometedores para proporcionar buenas estrategias para la colocación
de la estación de carga.” (p.242)
32
5. METODOLOGÍA
En esta sección, se describe el funcionamiento de las estaciones de carga de vehículos con
tecnología V2G en diferentes países y, las consideraciones empleadas para modelar un sistema de
prueba en ATPdraw para evaluar la distorsión armónica aportada por un vehículo eléctrico con
tecnología V2G. Posteriormente, se presenta la información obtenida del sistema de prueba y se
analizan los datos mediante normas internacionales.
5.1. Funcionamiento y normativa establecida a nivel internacional para la movilidad
eléctrica.
En (Leon & Barrera, 2018) se presenta un análisis de la reglamentación internacional para
vehículos eléctricos en el mercado y se identifican dos sistemas normativos relevantes, ISO
(International Organization for Standardization) e IEC (International Electrotechnical
Commission). En la tabla 1 se presenta la información presentada en (Leon & Barrera, 2018) con
respecto a las normativas establecidas en los países con mayor nivel de masificación de vehículos
eléctricos.
Tabla 1. Normativa Internacional para vehículos eléctricos.
País Norma y Proyectos
Alemania
Plan nacional de desarrollo de la movilidad eléctrica: Presupuesto de 1.200 millones de euros
para la compra de vehículos eléctricos, y 300 millones como aporte a la infraestructura de
recarga y a investigación de los mismo.
Directiva 2014/94 UE: Implementación de una infraestructura de carga para los combustibles
alternos. Estipula la meta para el año 2020 de puntos de carga.
Italia
Directiva 2014/94 UE: En el país se acoge la directiva establecida por el parlamento europeo y
del consejo.
Proyecto e-Mobility: Circulación de 100 coches eléctricos. El proyecto delega a Enel para el
desarrollo, implementación y funcionamiento de la infraestructura de carga.
33
España
UNE-EN 13444-1 de 2002: Medición de las emisiones de vehículos híbridos-eléctricos.
UNE-EN 62196-1 de 2004: Aplicada a los elementos necesarios para la conexión de los
vehículos.
UNE-EN 62576 de 2010: Vehículos eléctricos destinados a circular por vía pública y camiones
eléctricos industriales.
Plan MOVEA de 2016: Regula las ayudas a los vehículos impulsados por electricidad y para la
instalación de puntos de recarga públicos.
Noruega La participación de vehículos eléctricos en el mercado noruego es la más grande del mundo. A
partir del organismo Trasnova se brinda un apoyo financiero a las instalaciones de recarga.
Francia
Decreto N° 2014-1672: Incentivos para la adquisición de vehículos no contaminantes.
Fondo local de transporte sostenible: Financiamiento para reemplazar la flota de transporte
publico entre 2012-105.
Reino
Unido
Plan de suministro eléctrico para Londres: Se establece la instalación de 25.000 puntos de carga,
distribuidos entre calles, aparcamientos y ubicaciones privadas.
Source London: Siemens fue contratado para la construcción de una red de puntos de recarga
públicos en Londres, con un aproximado de 1.300 puntos de recarga.
Nota. Recuperado de Normativa y Regulación: Penetración de tecnología de generación PV y masificación de carga
de vehículos eléctricos. (2018) Bogotá, La Salle (No publicado).
La información de la tabla 1 permite evidenciar las iniciativas propuestas en el sector
transporte para promover la movilidad eléctrica y el desarrollo de la infraestructura requerida para
la carga de esa. Del mismo modo, se presenta un fuerte desarrollo en cuanto a los incentivos para
los usuarios de la tecnología.
Precisamente en términos de normas internacionales, el estándar ISO-15118 es el
encargado de establecer normas para la inminente introducción de vehículos eléctricos en los
sistemas de potencia. El estándar busca garantizar la seguridad de los usuarios, por tal razón,
establece normas aplicadas a la infraestructura de puntos de carga y descarga de vehículos
eléctricos, así como condiciones seguras para la conexión de V2G.
5.2. Diseño del sistema de prueba.
34
El sistema de distribución de prueba IEEE de 37 nodos es modificado e implementado en
ATPdraw. La tensión del sistema estudiado es 11,5 kV y la tensión de la red residencial es 120 V.
5.2.1. Diseño del sistema de distribución.
El sistema de distribución de prueba es diseñado para representar el funcionamiento de un
sistema de distribución típico en Bogotá, por lo tanto, se consideran detalles técnicos explicados
en la sección 5.2.2.
5.2.2. Nivel de tensión de los circuitos.
En Colombia existen diferentes niveles de tensión establecidos para circuitos primarios y
secundarios. Específicamente, para los circuitos secundarios (Codensa, 2011) establece. “Los
circuitos secundarios aéreos de B.T. son trifásicos tetrafilares, con cable cuadruplex de aluminio
aislado, y neutro mensajero en ACSR o AAAC. (…) La tensión nominal de las redes secundarias
es 208 / 120 V.” (p.2)
Por otra parte, los circuitos primarios se diseñan a diferentes niveles de tensión. En
(Castaño ,2014) se menciona. “Se establece como tensión nominal para el diseño 13,2/7,62 kV,
configuración estrella con neutro solido a tierra. En Bogotá existe actualmente un sistema que
opera a 11,4 kV, (ya se está cambiando a 13,2 kV en todo el país).” (p.8)
5.2.3. Calibre de los conductores.
Los conductores utilizados para circuitos secundarios son los cables desnudos o aislados y
en calibres 4/0, 2/0, 1/0 y 2 AWG. Estos circuitos son de 3 y 4 hilos, con neutro puesto a tierra.
(Castaño, 2004)
35
El calibre del conductor seleccionado para el sistema de prueba es 4/0 y 2/0 AWG con
Conduit de PVC. Con base en el boletín técnico de Centelsa del año 2005 se obtienen los
parámetros eléctricos para el sistema de distribución, ver tabla 2.
Tabla 2. Resistencia en CA y Reactancia Inductiva para cables de cobre de baja tensión.
Calibre
[AWG/kcmil]
Resistencia a corriente alterna
[/km]
Reactancia inductiva
[/km]
Conduit de
PVC
Conduit de
Aluminio
Conduit de PVC o
Aluminio
2/0 0,328 0,328 0,141
3/0 0,253 0,269 0,138
4/0 0,203 0,219 0,135
Nota. Recuperado de Retie: Regulación de tensión en instalaciones eléctricas. CENTELSA, Boletín Técnico, (2005).
5.2.4. Clasificación de las redes de distribución de acuerdo con el tipo de carga.
Un criterio para la clasificar las redes de distribución es la finalidad a la cual el usuario
destina la energía eléctrica. Las redes se clasifican de acuerdo con las siguientes cargas:
residenciales, comerciales, industriales, de alumbrado público y mixtas. (Castaño, 2004)
En el sistema de prueba en ATPdraw se busca representar el funcionamiento de una red de
distribución residencial de la ciudad de Bogotá. Específicamente, las redes de distribución para
cargas residenciales comprenden básicamente los edificios de apartamentos, condominios,
urbanizaciones, multifamiliares, etc. Estas cargas se caracterizan por ser eminentemente resistivas
(alumbrado y calefacción) y aparatos electrodomésticos de pequeñas características reactivas.
(Castaño, 2004).
36
5.2.5. Cargas residenciales.
En (Gutierrez & Olaya, 2016) se identifica el promedio de consumo de energía eléctrica
para usuarios residenciales por estratos sociales. Sin embargo, el sistema de prueba es modelado
con usuarios residenciales de estrato 4 y 5, por lo tanto, se identifica únicamente en la tabla 3 el
consumo de los estratos mencionados anteriormente.
Tabla 3. Promedio de consumo de usuarios residenciales de estrato 4 y 5 en Bogotá, año 2015.
Estrato Número de
suscriptores
Promedio de
Consumo Mensual
[kWh]
Promedio de
Consumo Diario
[kWh]
Promedio de
Consumo [kWh]
4 272.199 139,21 4,64 0,19
5 91.993 306,15 6,87 0,28
Nota. Recuperado de Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico sin baterías conectado a una red de distribución
secundaria. J. Gutiérrez, O. Olaya, Tabla B4 (2016).
La información obtenida de (Gutierrez & Olaya, 2016) permite obtener los parámetros para
representar el consumo de usuarios residenciales de estrato 4 y 5 mediante una impedancia RL. En
la tabla 4 se presentan los parámetros de la carga determinados para el modelo, específicamente,
en el sistema de prueba se busca conectar 19 cargas residenciales.
Tabla 4. Parametrización de las cargas residenciales de estratos 4 y 5.
Estrato 4 Estrato 5
Parámetro Monofásico Monofásico Trifásico
Potencia [kW] 4,64 6,87 2,29
Factor de Potencia 0,9 0,9 0,9
Tensión [V] 208 208 208
Corriente [A] 30,38 44,98 15
Impedancia [] 5,59 3,77 11,32
Ángulo [°] 25,84 25,84 25,84
Resistencia [] 5,03 3,40 10,19
Reactancia Inductiva [mH] 6,76 4,31 12,92
Potencia Aparente [kVA] 5,15 7,63 2,55
37
Nota. Elaboración propia.
Las cargas residenciales conectadas al sistema tienen la siguiente distribución: nueve
cargas de estrato 4, nueve cargas de estrato 5 y una carga trifásica de estrato 5. La selección de las
cargas debe considerar la capacidad nominal del transformador, por lo tanto, se consideran los
cálculos presentados en la siguiente sección 5.2.6.
5.2.6. Selección del transformador.
En los sistemas de distribución se utilizan los transformadores trifásicos con los siguientes
valores de potencia: 30, 45, 75, 112,5 y 150 kVA. (Castaño, 2004). Precisamente para la selección
del transformador se debe cumplir con la norma establecida por Codensa, 2010), la cual establece
la metodología para el dimensionamiento de transformadores de distribución y redes de uso de
baja tensión para el sector residencial.
En primer lugar, se debe realizar un análisis de carga máxima para el sector residencial con
el fin de seleccionar el transformador requerido para suplir la demanda. El número de clientes fue
establecido en la sección 5.2.5. y se utiliza la ecuación (3) para determinar la carga necesaria para
cada uno de los usuarios.
𝑘𝑉𝐴
𝑐𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒=
𝑘𝑉𝐴𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑢𝑛𝑒𝑠 + 𝑘𝑉𝐴𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (3)
El sistema de prueba no contiene cargas especiales, por lo tanto, el valor de las cargas
especiales es igual a 0. Por otra parte, se establece la carga aproximada para servicios comunes de
122,73 kVA para la disposición de usuarios.
38
Utilizando la ecuación (3) se encuentra el valor de 6,46 kVA por cliente y se procede a
identificar en la tabla de dimensionamiento del transformador según estrato socioeconómico la
capacidad nominal del transformador necesaria para suplir la demanda exigida por los usuarios.
En este caso, se identifica el valor de 6,5 kVA en cumplimiento con la norma y se selecciona el
valor nominal de 150 kVA para el transformador del sistema de prueba, ver tabla 5.
Tabla 5. Dimensionamiento de transformadores para estrato 5.
Carga Servicios Comunes
Transformadores [kVA]
6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
15 2 2 2 2 2 2 2
30 4 4 4 4 4 3 3
45 6 6 6 6 6 6 6
75 10 10 10 10 9 9 9
112,5 16 16 16 15 15 15 15
150 22 22 22 21 21 21 20
225 29 28 28 27 27 27 26
300 33 33 32 32 31 31 30
400 60 59 58 57 56 56 55
500 73 72 71 70 69 68 67
630 95 94 92 91 89 88 87
750 113 111 110 108 107 105 104
Nota. Recuperado de Carga máxima para el sector residencial. Codensa, Anexo I, Dimensionamiento del
transformador para estrato 5 (Act. 2010).
La tabla seleccionada para el dimensionamiento del transformador es seleccionada para
obtener un sistema bajo el escenario crítico; es decir, donde las cargas de estrato cuatro puedan
consumir la misma potencia de las cargas de estrato cinco.
El valor nominal del transformador de 150 kVA permite suministrar 6,5 kVA/Cliente para
un circuito de 21 cargas residenciales, un número inferior al número de usuarios conectados al
sistema de prueba. Por lo tanto, según (Codensa, 2010) se realizó una adecuada selección del
transformador para los requerimientos iniciales.
39
5.3. Sistema de prueba en ATPdraw.
El sistema de prueba planteado cumple con todos los parámetros exigidos por Codensa
para el diseño de una red de distribución y las cargas residenciales son representadas en el sistema
con los valores presentados en la Tabla 4, ver figura 4. Cabe resaltar que el sistema propuesto
presenta un escenario conservador y determinístico, en el cual la carga máxima de los usuarios es
alimentada.
Figura 4. Sistema de prueba propuesto.
Las cargas residenciales de diferentes estratos se pueden identificar mediante la etiqueta,
la cual representa el estrato y el número del usuario respectivamente, ver figura 4. Por otra parte,
40
en el sistema de prueba se identifica la conexión de la impedancia de corto circuito, obtenida
mediante los parámetros del operador del sistema.
Finalmente, los medidores de tensión y corriente son conectados para la medición y el
análisis de la distorsión armónica total a causa de la conexión de vehículos eléctricos con
tecnología V2G.
5.3.1. Mediciones de tensión y corriente en el sistema de prueba.
Los medidores ubicados en los nodos 1, 12, 14, 15, 27, 30 y 31, y en las ramas 1-1i, 12-
12i, 14-14i, 15-15i, 27-27i, 30-30i y 31-31i, permiten obtener las señales de tensión y corriente en
el sistema de prueba, ver tabla 6. En el anexo A.1. se presenta el comportamiento de las señales de
tensión y corriente en ATPdraw en el sistema de prueba.
Las mediciones realizadas en el sistema indican que la caída de tensión en los nodos
mencionados anteriormente es inferior al 3%, cumpliendo con los requerimientos de Codensa para
regulación de tensión.
Tabla 6. Magnitud de las señales de tensión y corriente en el sistema de prueba sin penetración de vehículos eléctricos.
Tensión nodo 1 = 120,09 V Corriente ramal 1-1i= 235,70 A
Tensión [V] Corriente [A]
Nodo A B C A B C Rama
12 118,48 118,48 118,18 0,00 0,00 29,64 12-12i
14 118,18 118,33 118,48 29,64 0,00 0,00 14-14i
15 118,33 118,18 118,48 0,00 29,64 0,00 15-15i
27 117,36 117,36 117,36 44,05 44,05 44,05 27-27i
30 116,92 116,69 116,91 0,00 43,80 0,00 30-30i
31 116,69 116,92 116,69 43,80 0,00 43,80 31-31i
Nota. Elaboración propia.
41
Es importante evaluar si la capacidad de corriente del conductor es adecuada para el sistema
de prueba de acuerdo con la información de la tabla 6. La capacidad de corriente de los conductores
debe ser el valor especificado en las tablas de capacidad de corriente en la Norma Técnica
Colombiana 2050, por lo tanto, es una restricción importante para el diseño del sistema.
En la tabla 310-16 de (C.E. Colombiano, 2002) se establece la capacidad de corriente
permisible para conductores aislados de acuerdo con la temperatura nominal del conductor. La
temperatura de operación de los cables utilizados en las redes de distribución es de 90°C (Codensa,
2015), por lo tanto, la información de la capacidad de corriente permisible a una temperatura de
90°C se presenta en la tabla 7
Tabla 7. Capacidad de corriente permisible a 90°C para conductores aislados.
Calibre Capacidad de Corriente Permisible [A]
2/0 195
3/0 225
4/0 260
Nota. Recuperado de NTC 2050. Código Eléctrico Colombiano, Tabla 310-16 (2002).
El valor de la corriente en la rama que conecta el nodo 1 con el transformador supera la
capacidad de corriente del conductor de calibre 2/0, por lo tanto, es necesario seleccionar un
conductor de calibre 4/0 para el sistema de prueba. El cambio en el calibre del conductor representa
un cambio en la impedancia del sistema de prueba.
5.4. Vehículos eléctricos en el sistema de prueba.
En el sistema de prueba se busca evaluar la distorsión armónica ocasionada por la carga y
descarga de diferentes vehículos eléctricos en el modo de carga lenta. En (C. Veloso, 2017) se
42
establece la carga lenta como el método utilizado en los hogares; es decir, la carga del vehículo se
realiza bajo un nivel de tensión residencial, la potencia requerida es baja en comparación a otros
métodos y el tiempo para la carga completa es mayor.
La carga de un vehículo eléctrico puede ser representada como una fuente de corriente
constante, como se presenta en la figura 2. (Aljanad & Mohamed, 2016) Por otra parte, la demanda
de potencia es representada mediante una resistencia en paralelo a la fuente de corriente, en este
caso obtenida mediante la demanda de corriente del vehículo. Del mismo modo, la descarga de un
vehículo eléctrico a la red es representada en el estudio como una fuente de corriente con contenido
armónico, en este caso, la corriente entregada por cada vehículo es obtenida mediante el parámetro
de la energía disponible.
A continuación, se presentan las características de carga y el espectro armónico relacionado
a los vehículos eléctricos seleccionados para la evaluación de la distorsión armónica en el sistema
de prueba.
5.4.1. Nissan Leaf.
En (Shareef, Islam, & Mohamed, 2016) se establecen las características de carga de
diferentes vehículos eléctricos, entre ellos se encuentran el vehículo Nissan Leaf, ver tabla 8.
Tabla 8. Características de carga de Nissan Leaf a un nivel de tensión de 120 V.
Tamaño de la batería
[kWh]
Energía disponible
[kWh]
Demanda
[kW]
Tiempo de Carga
[h]
24 19,2 1,8 11
Nota. Recuperado de A review of the stage-of-the-art charging technologies, placement methodologies, and impacts
of electric vehicles. H. Shareef, M. Islam, A. Mohamed, Tabla 2 (2016).
5.4.1.1. Modo carga y descarga.
43
En (Maitra, 2012) se identifica el espectro armónico especifico del vehículo eléctrico en
modo carga y se identifica el THD para corriente, la información se presenta en la tabla 9. Del
mismo modo, se identifica el espectro armónico especifico del vehículo en modo descarga a partir
de la información presentada en la tabla 8.
Tabla 9. Espectro armónico en modo carga y descarga del Nissan Leaf a un nivel de tensión de 120 V.
Frecuencia [Hz] 60 180 300 420 540 660 780 900 1.020
Carga Magnitud [A] 11,72 0,931 0,093 0,115 0,131 0,130 0,131 0,127 0,107
Descarga Magnitud [A] 10,28 0,817 0,0816 0,101 0,115 0,114 0,115 0,111 0,094
Nota. Elaboración propia.
5.4.2. Toyota Prius.
En (Shareef, Islam, & Mohamed, 2016) se establecen las características de carga del Toyota
Prius, la información del vehículo se presentada en la tabla 10.
Tabla 10. Características de carga de Toyota Prius a un nivel de tensión de 120 V.
Tamaño de la batería
[kWh]
Energía disponible
[kWh]
Demanda
[kW]
Tiempo de Carga
[h]
5.2 4.1 1,8 3
Nota. Recuperado de A review of the stage-of-the-art charging technologies, placement methodologies, and impacts
of electric vehicles. H. Shareef, M. Islam, A. Mohamed, Tabla 2 (2016).
5.4.2.1. Modo carga y descarga.
En (Maitra, 2012) se identifica el espectro armónico especifico del Toyota Prius en modo
carga y se identifica el THD para corriente, la información se presenta en la tabla 11. Del mismo
44
modo, se identifica el espectro armónico especifico del vehículo en modo descarga a partir de la
información presentada en la tabla 10.
Tabla 11. Espectro armónico en modo carga y descarga del Toyota Prius a un nivel de tensión de 120 V.
Frecuencia [Hz] 60 180 300 420 540 660 780 900 1.020
Carga Magnitud [A] 11,789 0,078 0,089 0,056 0,046 0,047 0,037 0,027 0,03
Descarga Magnitud [A] 8,053 0,053 0,061 0,038 0,0314 0,032 0,025 0,018 0,0205
Nota. Elaboración propia.
5.4.3. Chevrolet Volt.
En (Shareef, Islam, & Mohamed, 2016) se establecen las características de carga de del
vehículo Chevrolet Volt, la información se presenta en la tabla 12.
Tabla 12. Características de carga de Chevrolet Volt a un nivel de tensión de 120 V.
Tamaño de la batería
[kWh]
Energía disponible
[kWh]
Demanda
[kW]
Tiempo de Carga
[h]
17,1 13,7 1,4 10
Nota. Recuperado de A review of the stage-of-the-art charging technologies, placement methodologies, and impacts
of electric vehicles. H. Shareef, M. Islam, A. Mohamed, Tabla 2 (2016).
5.4.3.1. Modo carga y descarga.
En (Maitra, 2012) se identifica el espectro armónico especifico del Chevrolet Volt en modo
carga y se identifica el THD para corriente, la información se presenta en la tabla 13. Del mismo
modo, se identifica el espectro armónico especifico del vehículo en modo descarga a partir de la
información presentada en la tabla 12.
45
Tabla 13. Espectro armónico en modo carga y descarga del Chevy Volt a un nivel de tensión de 120 V.
Frecuencia [Hz] 60 180 300 420 540 660 780 900 1.020
Carga Magnitud [A] 11,69 0,708 0,413 0,255 0,181 0,122 0,106 0,071 0,055
Descarga Magnitud [A] 8,073 0,488 0,285 0,176 0,125 0,084 0,073 0,049 0,038
Nota. Elaboración propia.
5.5. Vehículos eléctricos en ATPdraw.
Las corrientes armónicas introducidas por cada vehículo son implementadas mediante el
modelo “HFS Source” de ATPdraw, en el cual se especifica el orden del armónico y la amplitud
de la componente, en amperios (A).
Del mismo modo, el modelo de “HFS Source” requiere el valor del ángulo asociado a cada
orden de armónico. El valor se asigna de acuerdo con el ángulo de la corriente a la cual se va a
conectar el vehículo eléctrico, debido a que se debe asegurar el sincronismo con el sistema de
potencia, cabe resaltar que cuando no se considera el ángulo especifico de la fase, se puede
representar una señal con un espectro armónico completamente diferente.
5.6. Escenarios planteados.
El análisis considera dos escenarios de estudio de acuerdo con el nivel de penetración de
los vehículos eléctricos en el sistema de prueba: 30 % y 50 % de penetración. El nivel de
penetración de 30 % representa un escenario realista en cuanto a la incursión de vehículos
eléctricos en el sistema (figura 5), y el nivel de penetración de 50 % representa un escenario con
una introducción importante de vehículos eléctricos en el sistema, aunque exista una baja
posibilidad de presentarse en la realidad de la ciudad de Bogotá (figura 6).
46
En las figuras 5 y 6 se presenta la introducción de vehículos eléctricos en el sistema de
prueba, en este caso se presentan en modo carga.
Figura 5. Sistema de prueba-Penetración de vehículos de 30% en modo carga.
47
Figura 6. Sistema de prueba-Penetración de vehículos de 50% en modo carga.
5.6.1. Ubicación de los vehículos en el sistema.
Los escenarios planteados para evaluar la distorsión armónica son conservadores y
determinísticos, debido a que, los vehículos eléctricos son conectados simultáneamente en el
sistema, de esta manera se presenta un modelo con carga máxima conectada y se puede analizar la
capacidad del sistema ante la conexión de la tecnología V2G. Es importante aclarar la baja
probabilidad de presentar el escenario propuesto en la realidad, debido a que no se considera el
comportamiento real de los usuarios de vehículos eléctricos.
48
La disposición de los vehículos en el sistema se realiza para conservar el balance de las
cargas residenciales del sistema, ver tabla 14. Sin embargo, en el modelo se presentará un
desbalance en la magnitud de la corriente ante la presencia de diferentes tipos de vehículos.
Tabla 14. Ubicación de vehículos eléctricos de acuerdo con el nivel de penetración del escenario.
Vehículo Eléctrico Conectado
Nodo Fase Penetración de 30% Penetración de 50%
12 C Chevrolet Volt Chevrolet Volt
14 A Toyota Prius Toyota Prius
15 B Nissan Leaf Nissan Leaf
25 C - Nissan Leaf
26 A - Chevrolet Volt
26 B - Toyota Prius
27 C Chevrolet Volt Chevrolet Volt
30 B Toyota Prius Toyota Prius
31 A Nissan Leaf Nissan Leaf
Nota. Elaboración propia.
5.7. Análisis de la información.
Con el fin de evaluar el índice de distorsión armónica en las señales de tensión y corriente
del sistema de prueba se procede a evaluar la información obtenida en la aplicación GTPPLOT de
ATPdraw.
La información de las señales de tensión y corriente es exportada adecuadamente a la
aplicación GTPPLOT; sin embargo, durante la evaluación de los índices de distorsión se evidencia
la presencia de inter-armónicos y armónicos de orden par. La inclusión de estos armónicos en el
cálculo del índice de distorsión armónica provoca un error en la medición, debido a que se busca
evaluar la distorsión armónica de los armónicos característicos; es decir, los impares, por lo tanto,
la información obtenida de la aplicación GTPPLOT no es considerada para el estudio.
49
Debido al error observado en las mediciones se procede a exportar la información a Matlab
para su evaluación y posterior análisis. Precisamente, la información es exportada a la aplicación
Simulink de Matlab, donde se implementa el sistema que se presenta en la figura 7.
Figura 7. Diagrama de bloques-Análisis de distorsión armónica.
Las variables exportadas desde el espacio de trabajo de Matlab representan las señales
exportadas desde ATPdraw y mediante el bloque ‘Power Gui’ se puede acceder a la herramienta
de análisis FFT. En la herramienta mencionada anteriormente se puede modificar la ventana de
tiempo en la cual se va a analizar la señal, de este modo se elimina la presencia de inter-armónicos
y armónicos de orden par en los resultados finales.
En la ventana de análisis FFT se puede obtener el parámetro del índice de distorsión total
e individual de la señal. Del mismo modo, la información se puede visualizar en modo de lista o
de gráfica.
50
5.8. Límites de distorsión armónica establecidos.
5.8.1. IEEE 519-2014.
Los límites establecidos se utilizan específicamente en los puntos de acople común. El
análisis se realiza en este punto debido a que la cantidad de distorsión armónica de tensión
suministrada a los usuarios es función de los agregados de la corriente armónica que producen las
cargas de los usuarios y las características de impedancia de la carga. (IEEE, 2014)
La responsabilidad en el control de los armónicos es compartida entre los operadores del
sistema y los usuarios, por lo tanto, se recomiendan limites armónicos tanto para voltajes y
corrientes. (IEEE, 2014) En la tabla 15 y 16 se presentan los límites de distorsión de tensión y de
corriente de acuerdo con la normativa.
Tabla 15. Límite de distorsión armónica para niveles de tensión inferiores a 1,0 kV.
Distorsión Individual
[%]
Distorsión armónica total
[%]
5.0 8.0
Nota. Recuperado de 519-2014-IEEE Recommended Practices and Requeriments for Harmonic Control in Electric
Power Systems. IEEE Standars Association, Tabla 1 (2014).
El parámetro IL representa el promedio de la corriente de demanda máxima y se establece
en el punto de acople común, en el caso de estudio es igual al valor de la corriente demandada,
debido a que se evalúa un escenario determinístico. Por otra parte, el parámetro de la corriente de
corto circuito (ISC) se calcula en el punto de acople común y finalmente se procede a seleccionar
los parámetros de la fila correspondiente en la tabla 15.
51
Tabla 16. Límite de distorsión armónica para corriente para sistemas en el rango de tensión de 120 V a 69 kV.
𝑰𝑺𝑪𝑰𝑳
⁄ 3 h 11 11 h 17 TDD
20<50 7,0 3,5 8,0
50<100 10,0 4,5 12,0
100<1.000 12,0 5,5 15,0
Nota. Recuperado de 519-2014-IEEE Recommended Practices and Requeriments for Harmonic Control in Electric
Power Systems. IEEE Standars Association, Tabla 2 (2014).
La información de los limites individuales de distorsión se presenta desde el orden del
armónico 3 hasta el 17, dado que, el espectro armónico de los vehículos eléctricos utilizados en el
estudio se encuentra en las frecuencias relacionadas.
Por otra parte, la normativa establece el TDD para evaluar la distorsión total en las señales
de corriente. En los escenarios contemplados el valor del TDD corresponde al valor del THD,
debido a que la relación entre la corriente fundamental y la corriente máxima es igual a 1 en (2).
Esta situación se presenta ante el comportamiento invariante de la corriente de carga en los
modelos.
5.8.2. IEC.
El reporte técnico IEC/TR 61000-3-14 provee una guía para determinar los requerimientos
técnicos ante la conexión de instalaciones generadoras de armónicos y/o inter-armónicos a un
sistema de potencia de baja tensión.
En la tabla 17 se presentan los límites de distorsión armónica individual para corriente en
sistemas de potencia de baja tensión, por otra parte, en la tabla 18 se presentan los límites
52
establecidos de distorsión armónica total e individual para la tensión obtenidos de (Bhattacharyya,
Cobben, Ribeiro, & Kling, 2012).
Tabla 17. Límite de distorsión armónica para corriente en sistemas de baja tensión.
Orden armónico n 3 5 7 9 11 13 15 17
Límite [%] 4 5 5 1 3 3 2,2 1,7
Nota. Recuperado de Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 3-14. IEC, T. 61000-3-14, Ed 1,0 (2011).
Tabla 18. Límite de distorsión armónica para tensiones inferiores a 1 kV.
Orden armónico n 3 5 7 9 11 13 15 17
Límite [%] 5 6 5 1,5 3,5 3 0,4 2
Nota. Recuperado de Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 3-14. IEC, T. 61000-3-14, Ed 1,0 (2011).
La norma establecida por la IEC en términos de contenido armónico no es considerada para
el estudio, debido a, que la norma colombiana RETIE, toma como referencia la norma
internacional IEEE para la evaluación de contenido armónico.
53
6. RESULTADOS
En esta sección se presentan los resultados obtenidos del sistema de prueba bajo los
escenarios planteados en la sección 5.6.
6.1. Escenario con 30 % de penetración de tecnología V2G.
6.1.1. Carga de los vehículos eléctricos.
6.1.1.1. Mediciones de tensión y corriente.
Las mediciones mencionadas en la sección 5.3.1 se realizan nuevamente en el escenario
propuesto, ver tabla 19. En el anexo C se presenta el comportamiento de las señales de tensión y
corriente mediante el uso de ATPdraw y Simulink.
Tabla 19. Escenario 1. Penetración de 30% en modo carga. Caída de tensión y magnitud de corriente en el sistema de prueba.
Caso 1: 6 vehículos de 19 usuarios
Regulación de tensión [%] Corriente [A]
Nodo A B C A B C Rama
1 0 0 0 253,36 253,29 254,74 1-1i
12 1,51 1,5 1,85 0 0 40,46 12-12i
14 1,84 1,66 1,52 39,9 0 0 14-14i
15 1,67 1,82 1,52 0 39,58 0 15-15i
27 2,43 2,43 2,44 43,98 43,98 54,43 27-27i
30 2,88 3,1 2,81 0 53,62 0 30-30i
31 3,1 2,87 2,99 53,12 0 43,73 31-31i
Nota. Elaboración propia.
En la tabla 19 se puede observar un incumplimiento de los límites establecidos por Codensa
para regulación de tensión en los nodos 30 y 31, resaltados de manera diferencial en la tabla. Este
fenómeno es ocasionado por la conexión de los vehículos en el sistema, específicamente, en los
54
nodos donde se encuentran conectados los vehículos se presenta la mayor caída de tensión, ver
tabla 14.
La conexión de carga adicional representa un aumento de la corriente demandada desde el
transformador en un 7,47%, esta situación puede ocasionar que la corriente demandada supere la
capacidad nominal de los conductores utilizados en el sistema. En el anexo F.1. se presenta el
consumo de los vehículos eléctricos con tecnología V2G.
Además, se observa un desbalance en las corrientes demandadas por fase en los ramales
donde se encuentran conectados los vehículos eléctricos. A modo de ejemplo, en el ramal 27-27i
se evidencia dicho desbalance ante la conexión del Chevrolet Volt en la fase C, ver tabla 19.
6.1.1.2. Distorsión armónica total e individual.
Las mediciones realizadas para identificar la distorsión armónica individual indican que no
se presenta una afectación considerable en las señales de tensión en el nodo 1, sin embargo, en las
señales de corriente se evidencia presencia armónica, ver tabla 20.
En el anexo C.1 se presenta el espectro armónico de la tensión en el nodo 1 relacionado a
cada fase. Se puede inferir que la señal de tensión contiene señales armónicas de baja magnitud en
comparación a la fundamental, por lo tanto, se consideran despreciables en el estudio.
Tabla 20. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,38 0 0,39 0 0,54 0
5 0,07 0 0,07 0 0,32 0
7 0,07 0 0,07 0 0,2 0
9 0,07 0 0,07 0 0,14 0
11 0,07 0 0,07 0 0,09 0
13 0,06 0 0,06 0 0,08 0
15 0,06 0 0,06 0 0,05 0
17 0,05 0 0,05 0 0,04 0
Fundamental 254 A 120,09 V 254 A 120,09 V 254,1 A 120,09 V
55
THD [%] 0,42 0 0,42 0 0,69 0
Nota. Elaboración propia.
En segundo lugar, se presenta en la tabla 21 la distorsión armónica en uno de los puntos de
acople común. En este caso, se observa un mayor índice de distorsión armónica total e individual
de corriente en la fase donde se encuentra conectado el vehículo eléctrico.
Por otra parte, se evidencia distorsión armónica en la señal de tensión donde no se
encuentra conectado ningún vehículo eléctrico. La situación se presenta ante la inyección de
corrientes armónicas en otros puntos de acople común del sistema, ver tabla 21.
Tabla 21. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 27.
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,01 0,02 0,01 0,01 1,3 0,02
5 0 0 0 0,01 0,76 0,02
7 0 0,01 0 0,01 0,47 0,02
9 0 0,01 0 0,01 0,33 0,01
11 0 0,01 0 0,01 0,22 0,01
13 0 0,01 0 0,01 0,19 0,01
15 0 0,01 0 0,01 0,13 0,01
17 0 0,01 0 0,01 0,1 0,01
Fundamental 43,98 A 117,2 V 43,98 A 117,2 V 54 A 117,2 V
THD [%] 0,02 0,04 0,01 0,02 1,64 0,04
Nota. Elaboración propia.
El comportamiento descrito anteriormente se presenta en cada uno de los nodos y ramas
del sistema donde se encuentran conectados los vehículos. La información de la distorsión
armónica individual se presenta en el anexo E.1.
6.1.2. Descarga de los vehículos eléctricos.
56
6.1.2.1. Mediciones de tensión y corriente.
Las mediciones mencionadas en la sección 5.3.1 se realizan nuevamente en el escenario
propuesto, ver tabla 22. En el anexo D se presenta el comportamiento de las señales de tensión y
corriente mediante el uso de ATPdraw y Simulink.
Tabla 22. Escenario 2. Penetración de 30% en modo descarga. Caída de tensión y magnitud de corriente en el sistema de prueba.
Caso 2: 6 vehículos de 19 usuarios
Regulación de tensión [%] Corriente [A]
Nodo A B C A B C Rama
1 0 0 0 218,45 217,39 220,47 1-1i
12 1,17 1,14 1,37 0 0 21,96 12-12i
14 1,36 1,22 1,19 21,90 0 0 14-14i
15 1,27 1,30 1,19 0 18,92 0 15-15i
27 2,10 2,12 2,14 44,13 44,12 36,39 27-27i
30 2,39 2,58 2,50 0 36,04 0 30-30i
31 2,53 2,42 2,69 34,57 0 43,86 31-31i
Nota. Elaboración propia.
En la tabla 22 se puede observar una reducción en la corriente de demanda y en la
regulación de tensión, en comparación a los datos obtenidos del sistema de prueba sin vehículos
eléctricos. Del mismo modo, se cumplen los límites establecidos por Codensa para regulación de
tensión.
La introducción de vehículos eléctricos como fuentes distribuidas de energía permite
mejorar la estabilidad, reducir la cargabilidad del transformador y disminuir las pérdidas en el
sistema.
Además, se observa un desbalance en las corrientes demandadas por fase en los ramales
donde se encuentran conectados los vehículos eléctricos. Por ejemplo, en el ramal 27-27i se
evidencia dicho desbalance ante la conexión del Chevrolet Volt en la fase C, ver tabla 22.
57
6.1.2.2. Distorsión armónica total e individual.
Las mediciones realizadas para identificar la distorsión armónica total e individual indican
que se presenta una afectación considerable en las señales de corriente en la rama 1-1i, ver tabla
23.
En el anexo D.1. se presenta el espectro armónico presente en la señal de tensión del nodo
1. En la gráfica se puede identificar la presencia de señales armónicas de baja magnitud en
comparación a la fundamental, por tal razón, se consideran despreciables para el estudio.
Tabla 23. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,39 0 0,39 0 0,44 0
5 0,06 0 0,06 0 0,25 0
7 0,06 0 0,06 0 0,16 0
9 0,07 0 0,07 0 0,11 0
11 0,07 0 0,07 0 0,08 0
13 0,06 0 0,06 0 0,07 0
15 0,06 0 0,06 0 0,04 0
17 0,05 0 0,05 0 0,03 0
Fundamental 218,1 A 120,09 V 218,1 A 120,09 V 220,2 A 120,09 V
THD [%] 0,42 0 0,42 0 0,55 0
Nota. Elaboración propia.
En segundo lugar, se presenta en la tabla 24 la distorsión armónica en uno de los puntos de
acople común donde se conecta el vehículo en modo descarga. En este caso, se observa un mayor
índice de distorsión armónica total e individual en comparación al modo carga, ver tabla 21.
Del mismo modo, se evidencia distorsión armónica en la señal de tensión donde no se
encuentra conectado ningún vehículo eléctrico.
58
Tabla 24. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 27.
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,01 0,02 0 0,01 1,34 0,02
5 0 0,01 0,01 0 0,78 0,01
7 0 0,01 0 0 0,48 0,01
9 0 0,01 0 0 0,34 0,01
11 0 0,01 0 0 0,23 0,01
13 0 0,01 0 0,01 0,2 0,01
15 0 0,01 0 0,01 0,13 0,01
17 0 0,01 0 0,01 0,1 0
Fundamental 44,13 A 117,6 V 44,12 A 117,5 V 36,22 A 117,5 V
THD (%) 0,01 0,03 0,01 0,01 1,69 0,03
Nota. Elaboración propia.
El comportamiento descrito anteriormente se presenta en cada uno de los nodos y ramas
del sistema donde se encuentran conectados los vehículos. La información de la distorsión
armónica individual se presenta en el anexo E.2.
Cabe resaltar que el comportamiento observado en la figura 13 de (Gao, Dong, Gao & Cui,
2018) se observa en las señales de tensión y corriente, especialmente, en los nodos y ramas más
lejanas al transformador.
6.1.3. Evaluación de los parámetros a partir de la normativa IEEE.
En la tabla 25 se presentan los índices de distorsión armónica total para los escenarios de
carga y descarga. Cabe resaltar, que el límite establecido por la IEEE para la distorsión de tensión
no es superado en ningún escenario. En la tabla 15 se establece el límite en 8% de distorsión
armónica total.
Tabla 25. Evaluación THD de tensión-30% de penetración.
59
Carga Descarga
Nodo A B C A B C
1 0 0 0 0 0 0
12 0,02 0,04 0,06 0,01 0,03 0,04
14 0,02 0,05 0,04 0,02 0,04 0,03
15 0,02 0,06 0,04 0,02 0,05 0,03
27 0,04 0,02 0,04 0,03 0,01 0,03
30 0,05 0,02 0,04 0,05 0,02 0,03
31 0,06 0,02 0,04 0,05 0,02 0,03
Nota. Elaboración propia.
En el anexo G.1 y G.2 se encuentra el cálculo del parámetro requerido por la IEEE para
evaluar la distorsión armónica en las señales de corriente. En la tabla 26 se presenta la distorsión
armónica total en las ramas de corriente evaluadas, además se presenta el límite asignado mediante
el parámetro requerido por la IEEE.
En la tabla mencionada anteriormente se evidencia el cumplimiento del límite de distorsión
armónica total de corriente para cada una de las ramas evaluadas.
Tabla 26. Evaluación THD de corriente-30% de penetración.
Carga Descarga
Rama A B C Limite THD
[%] A B C
Limite THD
[%]
1-1i 0,42 0,42 0,69 20 0,42 0,42 0,55 20
12-12i - - 2,21 12 - - 2,82 15
14-14i 0,38 - - 15 0,48 - - 15
15-15i - 2,43 - 15 - 4,37 - 15
27-27i 0,02 0,01 1,64 15 0,01 0,01 1,69 15
30-30i - 0,28 - 12 - 0,29 - 12
31-31i 1,8 - 0,02 12 2,52 - 0,01 15
Nota. Elaboración propia.
La tendencia de los datos indica una mayor distorsión armónica total de corriente en las
ramas para el escenario de descarga. Este comportamiento es presentado en (Wu, Chen, Guan,
60
Ding, & Yin, 2017), donde se evalúa el comportamiento del THD de un sistema V2G durante el
transcurso del día.
Por otra parte, el índice de distorsión armónica individual presentado en las tablas 20, 21,
23 y 24, y en los anexos E.1 y E.2 para cada una de las ramas es analizado mediante los límites de
distorsión individual de corriente establecidos en la tabla 19. Los limites son establecidos mediante
la información del anexo G.1 y G.2, donde se describe el parámetro requerido por la IEEE.
El análisis de los índices de distorsión armónica individual indica que no se supera ningún
límite bajo el escenario de 30% de penetración.
6.2. Escenario con 50% de penetración.
6.2.1. Carga de los vehículos eléctricos.
6.2.1.1. Mediciones de tensión y corriente.
Las mediciones mencionadas en la sección 5.3.1 se realizan nuevamente en el escenario
propuesto, ver tabla 27. El comportamiento de las señales de tensión y corriente en el escenario de
50% es similar al comportamiento registrado en el escenario con penetración de 30%, sin embargo,
se observa una mayor caída de tensión.
Tabla 27. Escenario 3. Penetración de 50% en modo carga. Caída de tensión y magnitud de corriente en el sistema de prueba.
Caso 3: 9 vehículos de 19 usuarios
Caída de tensión ∆V [%] Corriente [A]
Nodo A B C A B C Rama
1 0 0 0 262,12 263,03 265,3 1-1i
12 1,53 1,88 1,65 0 0 40,44 12-12i
14 1,86 1,68 1,55 39,89 0 0 14-14i
15 1,7 1,85 1,55 0 39,56 0 15-15i
27 2,51 2,52 2,56 43,94 43,94 54,74 27-27i
30 2,96 3,2 2,92 0 53,56 0 30-30i
31 3,18 2,96 3,11 53,06 0 43,68 31-31i
61
Nota. Elaboración propia.
En la tabla 27 se puede observar el incumplimiento de los límites establecidos por Codensa
para regulación de tensión en los nodos 30 y 31, resaltados de manera diferencial en la tabla. En
comparación al escenario con una penetración de 30%, se evidencia un caso con peores
condiciones, debido a que, la regulación de tensión aumenta y se presenta otra fase crítica en el
nodo 31.
En el escenario se presenta un incremento en la corriente demandada de 12,55% en
comparación al sistema de prueba, evidenciando un caso con mayores implicaciones en la
capacidad nominal del conductor. Por otra parte, el desbalance entre las corrientes de los ramales
a causa de los vehículos es superior al escenario con penetración de 30%. En el anexo F.2. se
presenta el consumo de los vehículos eléctricos con tecnología V2G.
6.2.1.2. Distorsión armónica total e individual.
Las mediciones realizadas indican que no se presenta una afectación importante en las
señales de tensión del nodo 1, sin embargo, la distorsión armónica en la señal de corriente aumenta
en comparación al escenario con penetración de 30%, ver tabla 28.
El aumento de la distorsiona armónica en la señal de corriente en el ramal 1-1i se presenta
ante la conexión de nuevos vehículos al sistema, específicamente, se observa un aumento en las
fases A y C. Por otra parte, en la fase B no se presenta un incremento significativo, debido a que
se conecta el vehículo con menor distorsión armónica, el Toyota Prius.
Tabla 28. Distorsión armónica total e individual (%). Nodo 1
Armónico Fase A Fase B Fase C
62
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,63 0 0,4 0 0,87 0
5 0,22 0 0,1 0 0,34 0
7 0,16 0 0,08 0 0,23 0
9 0,13 0 0,08 0 0,18 0
11 0,11 0 0,08 0 0,14 0
13 0,1 0 0,08 0 0,13 0
15 0,08 0 0,07 0 0,1 0
17 0,07 0 0,06 0 0,08 0
Fundamental 263,7 A 120,09 V 263,8 A 120,09 V 263,8 A 120,09 V
THD [%] 0,72 0 0,45 0 1 0
Nota. Elaboración propia.
Por otra parte, se evalúa nuevamente el comportamiento de la distorsión armónica en el
nodo 27, en este caso, se evidencia una mayor afectación en la distorsión armónica total e
individual en comparación al escenario con penetración de 30%, ver tabla 29.
La situación se presenta ante la inyección de nuevas fuentes de corrientes armónicas en
otros puntos de acople común, ver tabla 14. Específicamente, se evidencia un aumento en la
distorsión individual y total de la onda de tensión en las fases A y C, por otra parte, la distorsión
armónica en corriente aumenta a pesar de tener el mismo vehículo conectado.
Tabla 29. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 27.
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,02 0,04 0,01 0,01 1,7 0,04
5 0,01 0,01 0 0,01 0,16 0,02
7 0 0,02 0 0,01 0,21 0,02
9 0 0,02 0 0,01 0,24 0,02
11 0 0,02 0 0,01 0,24 0,02
13 0 0,02 0 0,01 0,24 0,02
15 0 0,02 0 0,01 0,24 0,02
17 0 0,02 0 0,01 0,2 0,02
Fundamental 43,94 A 117,07 V 43,94 A 117,06 V 54,74 A 117,02 V
63
THD (%) 0,02 0,06 0,01 0,02 1,79 0,06
Nota. Elaboración propia.
El comportamiento se replica en cada uno de los nodos y ramas del sistema donde se
encuentran conectados los vehículos. La información de la distorsión armónica individual se
presenta en el anexo E.3.
6.2.2. Descarga de los vehículos eléctricos.
6.2.2.1. Mediciones de tensión y corriente.
Las mediciones mencionadas en la sección 5.3.1 se realizan nuevamente en el escenario
propuesto, ver tabla 30. El comportamiento de las señales de tensión y corriente en el escenario de
50% es similar al comportamiento registrado en el escenario con penetración de 30%, sin embargo,
se observa una menor caída de tensión.
Tabla 30. Escenario 4. Penetración de 50% en modo descarga. Caída de tensión y magnitud de corriente en el sistema de prueba.
Caso 4: 9 vehículos de 19 usuarios
Caída de tensión ∆V [%] Corriente [A]
Nodo A B C A B C Rama
1 0 0 0 211,3 209,7 218,94 1-1i
12 1,15 1,11 1,53 0 0 29,81 12-12i
14 1,33 1,19 1,28 21,90 0 0 14-14i
15 1,24 1,27 1,28 0 18,93 0 15-15i
27 2,01 2,04 2,07 44,16 44,15 36,42 27-27i
30 2,3 2,5 2,44 0 36,08 0 30-30i
31 2,44 2,35 2,63 34,61 0 43,9 31-31i
Nota. Elaboración propia.
64
En la tabla 30 se puede identificar el cumplimiento de los límites establecidos por Enel, en
este caso, el porcentaje es menor en comparación con el escenario sin vehículos y con penetración
de 30%. Evidenciando la importancia de utilizar la tecnología V2G ante inconvenientes de caída
de tensión en usuarios residenciales.
En el escenario se presenta una reducción importante en la corriente demandada, en este
caso de 7,65 % en comparación al escenario sin vehículos. Por otra parte, se evidencia nuevamente
un desbalance entre las corrientes medidas a causa de la conexión monofásica de los vehículos.
6.2.2.2. Distorsión armónica total e individual.
Las mediciones realizadas indican que no se presenta una afectación importante en las
señales de tensión del nodo 1, sin embargo, la distorsión armónica en la señal de corriente aumenta
en comparación al escenario con penetración de 30%, ver tabla 31.
El aumento de la distorsión armónica en la señal de corriente en el ramal 1-1i se presenta
ante la conexión de nuevos vehículos al sistema en modo descarga, específicamente, en las fases
A y C. Por otra parte, en la fase B no se presenta un incremento significativo.
Tabla 31. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 1
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,63 0 0,43 0 0,58 0
5 0,2 0 0,09 0 0,16 0
7 0,15 0 0,08 0 0,12 0
9 0,13 0 0,08 0 0,11 0
11 0,11 0 0,08 0 0,09 0
13 0,1 0 0,08 0 0,08 0
15 0,08 0 0,07 0 0,07 0
17 0,07 0 0,06 0 0,06 0
Fundamental 211,3 A 120,09 V 209,7 A 120,09 V 218,94 A 120,09 V
THD [%] 0,71 0 0,48 0 0,65 0
Nota. Elaboración propia.
65
Por otra parte, se evalúa nuevamente el comportamiento de la distorsión armónica en el
nodo 27, en este caso, se evidencia una mayor presencia de distorsión armónica total e individual
en comparación al escenario con penetración de 30% en modo descarga, ver tabla 32.
La situación se presenta ante la inyección de nuevas fuentes de corrientes armónicas en
otros puntos de acople común, ver tabla 14. Específicamente, se evidencia un aumento en la
distorsión individual y total de la onda de tensión, por otra parte, la distorsión armónica en corriente
no varía en comparación al escenario de 30% en modo descarga. La distorsión armónica en
corriente no varía, debido a que, se realiza la conexión de las nuevas fuentes aguas arriba del punto
de acople común 27.
Tabla 32. Distorsión armónica total e individual [%]-Nodo 27.
Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Corriente Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100 100
3 0,02 0,03 0,01 0,01 1,33 0,03
5 0 0,01 0 0 0,78 0,01
7 0 0,01 0 0 0,48 0,01
9 0 0,01 0 0,01 0,34 0,01
11 0 0,01 0 0,01 0,23 0,01
13 0 0,01 0 0,01 0,2 0,01
15 0 0,02 0 0,01 0,13 0,01
17 0 0,01 0 0,01 0,1 0,01
Fundamental 44,165 A 117,67 V 44,155 A 117,64 V 36,424 A 117,6 V
THD (%) 0,02 0,05 0,01 0,02 1,69 0,04
Nota. Elaboración propia.
El comportamiento se replica en cada uno de los nodos y ramas del sistema donde se
encuentran conectados los vehículos. La información de la distorsión armónica individual se
presenta en el anexo E.4.
66
6.2.3. Evaluación de los parámetros a partir de la normativa IEEE.
En la tabla 33 se presentan los índices de distorsión armónica total para los escenarios de
carga y descarga ante una penetración de 50% en el sistema. Cabe resaltar, que el límite establecido
por la IEEE para la distorsión de tensión no es superado en ningún escenario. El límite de THD
para el nivel de tensión es igual a 8%, debido a que no varía de acuerdo con los escenarios de 30%
de penetración.
Tabla 33. Evaluación THD de tensión-50% de penetración.
Carga Descarga
Nodo A B C A B C
1 0 0 0 0 0 0
12 0,03 0,04 0,07 0,02 0,03 0,01
14 0,03 0,05 0,05 0,02 0,04 0,01
15 0,03 0,06 0,05 0,02 0,05 0,01
27 0,06 0,02 0,06 0,05 0,02 0,04
30 0,07 0,03 0,06 0,06 0,02 0,04
31 0,08 0,03 0,06 0,07 0,02 0,04
Nota. Elaboración propia.
En el anexo G.3 y G.4 se encuentra el cálculo del parámetro requerido por la IEEE para
evaluar la distorsión armónica en las señales de corriente. En la tabla 34 se presenta la distorsión
armónica total en las ramas de corriente evaluadas, además se presenta el límite asignado mediante
el parámetro requerido por la IEEE. En la tabla mencionada anteriormente se evidencia el
cumplimiento del límite de distorsión armónica total de corriente para cada una de las ramas
evaluadas.
Tabla 34. Evaluación THD de corriente-50% de penetración.
Carga Descarga
Rama A B C Limite THD
[%] A B C
Limite THD
[%]
1-1i 0,72 0,45 1 20 0,71 0,48 0,65 20
12-12i - - 2,21 12 - - 0,01 15
67
14-14i 0,38 - - 12 2,79 - - 15
15-15i - 2,43 - 12 - 4,37 - 15
27-27i 0,02 0,01 1,79 12 0,02 0,01 1,69 15
30-30i - 0,28 - 8 - 0,29 - 12
31-31i 1,79 - 0,03 8 2,51 - 0,02 15
Nota. Elaboración propia.
6.3. Pérdidas en el sistema.
Con el fin de verificar los problemas operativos del sistema, se realiza el cálculo de las
pérdidas en los conductores del sistema prueba para los escenarios de 30% en estado de carga,
descarga y sin la conexión de vehículos eléctricos. En la tabla 35 se presenta las pérdidas en cada
uno de los escenarios mencionados y las variaciones que presentan.
Se evidencia en el escenario de carga de vehículos un aumento de 17,57% en las pérdidas,
debido a que la corriente a la que se encuentra sometidos los conductores aumenta. Por otra parte,
en el escenario de descarga las pérdidas disminuyen un 14% a causa del suministro de corriente
de los vehículos, en consecuencia, se evidencia en el sistema un mejorado perfil de tensión y una
reducción importante de la corriente de la subestación.
Tabla 35. Evaluación de pérdidas en el sistema de prueba.
Sin Vehículos Carga Descarga
Pérdidas totales [kW] 1,00 1,17 0,86
Pérdidas diarias [kWh] 23,95 28,15 20,59
Pérdidas anuales [MWh] 8,74 10,28 7,51
Variación [%] - 17,57 -14,03
68
7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
7.1. Conclusiones generales.
Este trabajo presentó la evaluación de la distorsión armónica ocasionada por la
introducción de vehículos eléctricos con tecnología V2G en un sistema de prueba. Para el estudio
fue necesario considerar los criterios técnicos adoptados por Enel para el diseño de sistemas de
distribución, de esta manera, se logra representar el funcionamiento de un sistema de potencia
típico de Bogotá en el modelo de prueba. Obtenido el modelo de prueba y los parámetros
característicos de los vehículos eléctricos, se procede a representar la introducción de tres
vehículos en modo de carga y descarga para evidenciar la afectación armónica en las señales de
tensión y corriente.
Por medio de las pruebas realizadas, se evidencia un escenario favorable para la
introducción de vehículos eléctricos con tecnología V2G en términos de calidad de potencia,
debido a que se cumple con los requerimientos de la normativa IEEE 519 de 2014 para distorsión
total e individual en señales de tensión y corriente. La situación expuesta anteriormente es obtenida
a causa de la utilización de técnicas de filtrado en los sistemas de los vehículos, las cuales cada
vez son más sofisticadas, como se presenta en la sección 4.4. Del mismo modo, se evidencia que
los valores del factor K encontrados en el estudio no implican un reemplazo de los transformadores
del sistema de distribución por un elemento de fabricación especial.
Por otra parte, es importante mencionar los problemas operativos evidenciados en el
sistema de prueba ante la penetración de vehículos eléctricos con tecnología V2G. En primer lugar,
se evidencia el aumento de pérdidas y el incumplimiento de los límites de regulación de tensión
en el escenario donde se encuentran los vehículos en modo de carga, un inconveniente para los
69
operadores del sistema, como se presenta en la sección 3.9. y en la sección 4.3. Sin embargo, en el
escenario donde se encuentran los vehículos en modo descarga se evidencia una reducción de las
pérdidas y una menor caída de tensión, evidenciando los beneficios de usar la tecnología para los
picos de carga de operación y para servicios de regulación, como se presenta en la sección 4.2.
7.2. Recomendaciones.
El análisis se realizó sobre un modelo de prueba, por tal razón, se recomienda evaluar la
distorsión armónica en un sistema de distribución real, con el fin de comprobar la veracidad de los
resultados obtenidos en el estudio.
En el caso de que la limitación de las corrientes armónicas no provoque resultados
aceptables de distorsión de niveles de tensión, los operadores del sistema deben tomar medidas
para modificar las características del sistema para que los niveles de distorsión de voltaje sean
aceptables. (IEEE)
7.3. Trabajos Futuros.
Como trabajo posterior se propone realizar el análisis de distorsión armónica en un modelo
estocástico, en el cual se pueda simular el comportamiento real de la demanda de energía y la
conexión aleatoria de vehículos eléctricos por parte de los usuarios finales, como se realiza en
(Chukwu & Mahajan, 2011). Por otra parte, se sugiere realizar dicho análisis con otro método de
carga para los vehículos eléctricos, de esta manera, se puede evidenciar la carga requerida y sus
implicaciones en la operación del sistema.
En segundo lugar, se propone evaluar el funcionamiento de diferentes soluciones
propuestas a nivel internacional para evitar los impactos ocasionados ante la introducción masiva
70
de vehículos eléctricos a los sistemas de distribución. En (Aljanad, Mohamed, Shareef & Khatib,
2018) se establece un algoritmo para determinar la ubicación óptima de los puestos de carga en la
red, de esta manera, se considera el potencial de los vehículos como fuente alternativa a la red y
se evita superar los límites establecidos por la IEEE en temas de regulación de tensión. Por otra
parte, en (Yi & Bauer, 2016) se establecen criterios para la ubicación de estaciones de carga: límite
de la infraestructura de energía eléctrica, patrones de conducción y ubicaciones de parqueaderos
más comunes.
71
7. BIBLIOGRAFÍA.
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Bhattacharyya, S., Cobben, S., Ribeiro, P., & Kling, W. (2012). Harmonic emission limits and responsibilities at a
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72
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charging station and harmonic analysis on grid. In 2017 IEEE Innovative Smart Grid Technologies-Asia
(ISGT-Asia) (pp. 1-6). IEEE.
73
ANEXO
A. Sistema de Prueba
A.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-1i.
A.2. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i.
A.3. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i.
74
A.4. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i.
A.5. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i.
A.6. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i.
75
A.7. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i.
B. Señales de los vehículos eléctricos.
B.1. Nissan Leaf.
B.1.1. Modo Carga.
76
B.1.2. Modo Descarga.
77
B.2. Toyota Prius.
B.2.1. Modo Carga.
B.2.2. Modo Descarga.
78
B.3. Chevrolet Volt.
B.3.1. Modo Carga.
79
B.3.2. Modo Descarga.
80
C. Sistema de Prueba-30% de penetración en modo carga.
C.1. Nodo 1.
C.1.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-i1.
C.1.2. Análisis de Fourier en señales de tensión.
Fase A.
Fase B.
81
Fase C.
C.1.3. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A
82
Fase B
Fase C
83
C.2. Nodo 12.
C.2.1. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i.
C.2.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase C.
84
C.3. Nodo 14.
C.3.1. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i.
C.3.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
85
C.4. Nodo 15.
C.4.1. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i.
C.4.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase B.
86
C.5. Nodo 27.
C.5.1. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i.
C.5.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
87
Fase B.
Fase C.
88
C.6 Nodo 30.
C.6.1. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i.
C.6.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase B.
89
C.7 Nodo 31.
C.7.1. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i.
C.7.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
90
Fase C.
D. Sistema de Prueba-30% de penetración en modo descarga.
D.1. Nodo 1.
91
D.1.1. Mediciones de tensión en el nodo 1 y mediciones de corriente en el ramal 1-1i.
D.1.2. Análisis de Fourier en señales de tensión.
Fase A.
Fase B.
92
Fase C.
D.1.3. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A
93
Fase B
Fase C
94
D.2. Nodo 12.
D.2.1. Mediciones de corriente en el ramal 12-12i.
D.2.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase C.
95
D.3. Nodo 14.
D.3.1. Mediciones de corriente en el ramal 14-14i.
D.3.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
96
D.4. Nodo 15.
D.4.1. Mediciones de corriente en el ramal 15-15i.
D.4.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase B.
97
D.5. Nodo 27.
D.5.1. Mediciones de corriente en el ramal 27-27i.
D.5.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
98
Fase B.
Fase C.
99
D.6 Nodo 30.
D.6.1. Mediciones de corriente en el ramal 30-30i.
D.6.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase B.
100
D.7 Nodo 31.
D.7.1. Mediciones de corriente en el ramal 31-31i.
D.7.2. Análisis de Fourier en señales de corriente.
Fase A.
101
Fase C.
E. Distorsión Armónica Individual.
E.1. Carga 30%.
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 12
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 0,02 1,75 0,03
102
5 0 0 1,02 0,03
7 0 0,01 0,63 0,02
9 0,01 0,01 0,45 0,02
11 0,01 0,01 0,3 0,02
13 0,01 0,01 0,26 0,02
15 0,01 0,01 0,18 0,01
17 0,01 0,01 0,14 0,01
Fundamental 118,3 V 118,3 V 39,92 A 117,9 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 14
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,19 0,01 0,03 0,02
5 0,22 0,01 0,01 0,02
7 0,14 0,01 0,01 0,02
9 0,11 0,01 0,01 0,01
11 0,12 0,01 0,01 0,01
13 0,09 0,01 0,02 0,01
15 0,07 0,01 0,02 0,01
17 0,07 0,01 0,02 0,01
Fundamental 40,01 A 117,9 V 118,1 V 118,3 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 15
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 2,3 0,04 0,02
5 0 0,23 0,01 0,02
7 0,01 0,28 0,01 0,02
9 0,01 0,32 0,01 0,01
11 0,01 0,32 0,02 0,01
13 0,01 0,32 0,02 0,01
15 0,01 0,31 0,02 0,01
17 0,01 0,26 0,02 0,01
Fundamental 118,1 V 39,95 A 117,9 V 118,3 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 30
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,03 0,14 0,01 0,02
103
5 0,01 0,16 0,01 0,02
7 0,01 0,1 0,01 0,02
9 0,01 0,08 0,01 0,01
11 0,02 0,09 0,01 0,01
13 0,02 0,07 0,01 0,01
15 0,02 0,05 0,01 0,01
17 0,02 0,05 0,01 0,01
Fundamental 116,6 V 53,64 A 116,4 V 116,7 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 31
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100
3 1,71 0,04 0,01 0,01 0,02
5 0,17 0,01 0,01 0,01 0,02
7 0,21 0,01 0,01 0 0,02
9 0,24 0,01 0,01 0 0,01
11 0,24 0,02 0,01 0 0,01
13 0,24 0,02 0,01 0 0,01
15 0,23 0,02 0,01 0 0,01
17 0,2 0,02 0,01 0 0,01
Fundamental 53,58 A 116,4 V 116,6 V 43,73 A 116,5 V
E.2. Descarga 30%.
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 12
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 0,02 2,2 0,03
5 0 0,01 1,3 0,03
7 0 0,01 0,8 0,02
9 0 0,01 0,57 0,02
11 0,01 0,01 0,38 0,02
13 0,01 0,01 0,33 0,02
15 0,01 0,01 0,22 0,01
17 0,01 0,01 0,17 0,01
Fundamental 118,7 V 118,7 V 21,8 A 118,4 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 14
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Tensión
104
1 100 100 100 100
3 0,24 0,01 0,03 0,02
5 0,28 0 0,01 0,01
7 0,17 0 0,01 0,01
9 0,14 0 0,01 0,01
11 0,15 0,01 0,01 0,01
13 0,11 0,01 0,01 0,01
15 0,08 0,01 0,02 0,01
17 0,09 0,01 0,01 0,01
Fundamental 21,82 A 118,5 V 118,6 V 118,7 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 15
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 4,14 0,03 0,02
5 0 0,41 0,01 0,01
7 0 0,51 0,01 0,01
9 0 0,58 0,01 0,01
11 0,01 0,58 0,01 0,01
13 0,01 0,58 0,02 0,01
15 0,01 0,56 0,02 0,01
17 0,01 0,48 0,02 0,01
Fundamental 118,6 V 39,95 A 118,5 V 118,7 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 30
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,03 0,14 0,01 0,02
5 0,01 0,17 0 0,01
7 0,01 0,1 0 0,01
9 0,01 0,09 0,01 0,01
11 0,01 0,09 0,01 0,01
13 0,02 0,07 0,01 0,01
15 0,02 0,05 0,01 0,01
17 0,02 0,06 0,01 0,01
Fundamental 117,2 V 36,04 A 116,4 V 117,1 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 31
Orden de Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100
3 2,38 0,04 0,01 0,01 0,02
105
5 0,23 0,01 0 0,01 0,01
7 0,29 0,01 0 0 0,01
9 0,34 0,01 0 0 0,01
11 0,33 0,02 0,01 0 0,01
13 0,34 0,02 0,01 0 0,01
15 0,33 0,02 0,01 0 0,01
17 0,27 0,02 0,01 0 0,01
Fundamental 33,84 A 117,1 V 116,6 V 43,86 A 116,9 V
E.3. Carga 50%.
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 12
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 0,02 1,75 0,04
5 0,01 0,01 102 0,03
7 0,01 0,01 0,63 0,02
9 0,01 0,01 0,45 0,02
11 0,01 0,01 0,3 0,02
13 0,01 0,01 0,26 0,02
15 0,01 0,01 0,17 0,01
17 0,01 0,01 0,14 0,01
Fundamental 118,25 V 117,83 V 40,445 A 118,11 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 14
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,19 0,01 0,03 0,03
5 0,22 0,01 0,01 0,02
7 0,14 0,01 0,01 0,02
9 0,11 0,01 0,01 0,02
11 0,11 0,01 0,01 0,01
13 0,09 0,01 0,01 0,02
15 0,07 0,01 0,02 0,01
17 0,07 0,01 0,01 0,01
Fundamental 39,89 A 117,86 V 118,07 V 118,23 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 15
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
106
1 100 100 100 100
3 0,01 2,3 0,04 0,03
5 0,01 0,23 0,01 0,02
7 0,01 0,28 0,01 0,02
9 0,01 0,32 0,01 0,02
11 0,01 0,32 0,02 0,01
13 0,01 0,32 0,02 0,01
15 0,01 0,31 0,02 0,01
17 0,01 0,26 0,02 0,01
Fundamental 118,05 V 39,95 A 117,87 V 118,23 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 30
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,05 0,14 0,01 0,04
5 0,02 0,16 0,01 0,02
7 0,02 0,1 0,01 0,02
9 0,02 0,08 0,01 0,02
11 0,02 0,08 0,01 0,02
13 0,02 0,07 0,01 0,02
15 0,02 0,05 0,01 0,02
17 0,02 0,05 0,01 0,02
Fundamental 116,54 V 53,56 A 116,26 V 116,58 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 31
Orden de Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100
3 1,7 0,05 0,01 0,02 0,04
5 0,16 0,02 0,01 0,01 0,02
7 0,21 0,02 0,01 0,01 0,02
9 0,24 0,02 0,01 0 0,02
11 0,24 0,02 0,01 0 0,02
13 0,24 0,03 0,01 0 0,02
15 0,23 0,03 0,01 0 0,02
17 0,2 0,03 0,01 0 0,02
Fundamental 33,84 A 116,27 V 116,53 V 43,68 A 116,36 V
E.4. Descarga 50%.
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 12
107
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 0,02 0,01 0,01
5 0,03 0 1 0
7 0,01 0,01 0 0
9 0,01 0,01 0 0
11 0,01 0,01 0 0
13 0,01 0,01 0 0
15 0,01 0,01 0 0
17 0,01 0,01 0 0
Fundamental 118,71 V 118,76 V 29,81 A 118,25 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 14
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,24 0,01 0,03 0,01
5 2,76 0,01 0 0
7 0,17 0,01 0,01 0
9 0,14 0,01 0,01 0
11 0,14 0,01 0,01 0
13 0,11 0,01 0,01 0
15 0,08 0,01 0,02 0
17 0,09 0,01 0,02 0
Fundamental 21,90 A 118,49 V 118,66 V 118,55 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 15
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
1 100 100 100 100
3 0,01 4,13 0,03 0,01
5 0,01 0,41 0,01 0
7 0,01 0,51 0,01 0
9 0,01 0,58 0,01 0
11 0,01 0,58 0,01 0
13 0,01 0,58 0,02 0
15 0,01 0,56 0,02 0
17 0,01 0,47 0,02 0
Fundamental 118,6 V 18,93 A 118,56 V 118,55 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 30
Orden de
Armónico
Fase A Fase B Fase C
Tensión Corriente Tensión Tensión
108
1 100 100 100 100
3 0,03 0,14 0,01 0,03
5 0,01 0,17 0,01 0,01
7 0,01 0,1 0,01 0,01
9 0,02 0,09 0,01 0,01
11 0,02 0,09 0,01 0,01
13 0,02 0,07 0,01 0,01
15 0,02 0,05 0,01 0,01
17 0,02 0,06 0,01 0,01
Fundamental 117,33 V 36,08 A 117,09 V 117,16 V
Distorsión armónica individual [%] - Nodo 31
Orden de Armónico Fase A Fase B Fase C
Corriente Tensión Tensión Corriente Tensión
1 100 100 100 100 100
3 2,38 0,04 0,01 0,01 0,03
5 0,23 0,01 0,01 0,01 0,01
7 0,29 0,01 0,01 0 0,01
9 0,33 0,01 0,01 0 0,01
11 0,33 0,02 0,01 0 0,01
13 0,33 0,02 0,01 0 0,01
15 0,32 0,02 0,01 0 0,01
17 0,27 0,02 0,01 0 0,01
Fundamental 34,61 A 117,16 V 117,27 V 43,9 A 116,93 V
F. Consumo de los vehículos eléctricos en el sistema de prueba.
F.1. Escenario de carga con penetración del 30%.
Caso 1: 6 vehículos de 19 usuarios
Corriente [A] Demanda VEs [%]
Rama A B C A B C
1-1i 253,36 253,29 253,79 6,97 6,94 7,13
12-12i 0 0 40,46 0 0 26,74
14-14i 39,90 0 0 25,71 0 0
15-15i 0 39,58 0 0 25,11 0
27-27i 43,98 43,98 54,43 0 0 19,08
30-30i 0 53,62 0 0 18,32 0
31-31i 53,12 0 43,73 17,55 0 0
F.2. Escenario de carga con penetración de 50%.
109
Caso 3: 9 vehículos de 19 usuarios Corriente [A]
Rama A B C A B C
1-1i 262,12 263,03 265,3 10,08 10,39 11,16
12-12i 0 0 40,45 0 0 26,71
14-14i 39,89 0 0 25,69 0 0
15-15i 0 39,56 0 0 25,08 0
27-27i 43,94 43,94 54,74 0 0 19,53
30-30i 0 53,56 0 0 18,22 0
31-31i 53,06 0 43,68 17,45 0 0
G. Corriente de cortocircuito.
G.1. Carga 30%.
Corriente de corto circuito y máxima corriente demandada en los puntos de
acople común analizados.
Nodo Estrato Corriente de corto
circuito [A]
Corriente de carga
[A] 𝐼𝑆𝐶
𝐼𝐿⁄
1 - 12570000 254,74 49344,429
12C 4 4044,51 40,46 99,96
14ª 4 4046,77 39,9 101,42
15B 4 4046,77 39,58 102,24
27C 5 6691,07 54,43 122,92
30B 5 3601,15 53,62 67,16
31ª 5 3603,13 53,12 67,83
G.2. Descarga 30%.
Corriente de corto circuito y máxima corriente demandada en los puntos de
acople común analizados.
Nodo Estrato Corriente de corto
circuito [A]
Corriente de carga
[A] 𝐼𝑆𝐶
𝐼𝐿⁄
1 - 12570000 220,47 57014,56
12C 4 4047,3 21,96 184,29
14ª 4 4048,7 22,24 182,00
15B 4 4048,9 18,92 214,03
27C 5 6691,0 36,39 183,86
30B 5 3603,2 36,52 98,66
31ª 5 3605,3 34,57 104,27
110
G.3. Carga 50%.
Corriente de corto circuito y máxima corriente demandada en los puntos de
acople común analizados.
Nodo Estrato Corriente de corto
circuito [A]
Corriente de carga
[A] 𝐼𝑆𝐶
𝐼𝐿⁄
1 - 12573419,67 263,8 47662,7
12C 4 2859,4 40,44 70,7
14ª 4 2860,9 39,89 71,73
15B 4 2861 39,56 72,31
27C 5 4734,1 54,74 86,48
30B 5 2546,1 53,56 47,54
31ª 5 2547,4 53,06 48,01
G.4. Descarga 50%.
Corriente de corto circuito y máxima corriente demandada en los puntos de
acople común analizados.
Nodo Estrato Corriente de corto
circuito [A]
Corriente de carga
[A] 𝐼𝑆𝐶
𝐼𝐿⁄
1 - 12573398,67 218,94 57428,51
12C 4 4046,3 29,81 135,75
14A 4 4054,4 22,25 182,20
15B 4 4056,8 18,92 214,36
27C 5 6696,3 36,42 183,84
30B 5 3610,9 36,56 98,78
31A 5 3608,1 34,41 104,86
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