Estudio del comportamiento de un sistema híbrido de almacenamiento para mitigación de hundimientos de tensión en red de media tensión

Abstract

En este trabajo se presenta el estudio de un sistema de almacenamiento de energía conectado en serie mediante un Dynamic Voltage Restorer (DVR) en una red de distribución, con el fin de mitigar hundimientos de tensión. El proyecto se desarrolló en tres etapas principales: primero, el modelado detallado de la red de distribución (subestación AT/MT, transformadores de potencia y circuitos primarios) y de diferentes configuraciones de sistemas de almacenamiento basados en baterías, supercapacitores y esquemas híbridos; segundo, la evaluación técnica de la efectividad de dichos sistemas frente a eventos de tensión sag, considerando la energía requerida y la respuesta dinámica de cada tecnología; y tercero, el análisis económico que incluyó la estimación de la inversión inicial, los costos de operación y la determinación del número de ciclos equivalentes a partir de un modelo lineal de degradación. Los resultados obtenidos mostraron que el sistema compuesto únicamente por supercapacitores es el más competitivo, debido a su rápida respuesta, su bajo nivel de degradación frente a ciclos de carga y descarga, y a que no requiere sobredimensionamiento, lo cual lo hace aproximadamente siete veces más económico que las configuraciones que incluyen baterías. Estos últimos sistemas, aunque menos eficientes en términos de costo–beneficio para la mitigación exclusiva de hundimientos de tensión, presentan potencial de aplicación en escenarios complementarios como la compensación de fluctuaciones de tensión asociadas a la integración de energías renovables o la reducción de distorsión armónica en redes de media tensión. En conclusión, este estudio demuestra que la selección adecuada de la tecnología de almacenamiento depende no solo de la severidad y frecuencia de los eventos a mitigar, sino también de la proyección de costos y vida útil del sistema. Los resultados obtenidos permiten establecer criterios técnicos y económicos que facilitan la toma de decisiones en la implementación de sistemas de almacenamiento para la mitigación de hundimientos de tensión, contribuyendo a una mayor confiabilidad y eficiencia en la operación de la red eléctrica (Texto tomado de la fuente).

This work presents the modeling and analysis of a hybrid energy storage system, composed of batteries and supercapacitors, connected in series with the distribution network through a Dynamic Voltage Restorer (DVR). The main objective is to evaluate the effectiveness of these systems in mitigating voltage sag events, which represent one of the most critical power quality disturbances in distribution grids. The modeling includes a medium-voltage distribution system (34.5 kV bus, transformer, and primary feeders), as well as the proposed storage systems, analyzing their behavior during different types of sag events (single-phase, two-phase, and three-phase). Based on historical event records, the probability of occurrence of each type of sag was estimated, allowing the calculation of the number of equivalent operation cycles for each storage technology. To estimate the lifetime of the devices, a linear degradation model was applied, where each operation cycle is considered to contribute equally to the reduction of useful life. An economic analysis was conducted to determine the initial investment and operating costs of different configurations, comparing their cost-effectiveness in terms of mitigated events and storage lifetime. The results show that the system composed exclusively of supercapacitors offers the best cost–benefit ratio, given its lower acquisition cost and lack of restrictions in high-power peak injection, while battery-based and hybrid systems, although technically effective, are oversized and result in higher investment costs. In conclusion, this study demonstrates that the appropriate selection of storage technology depends not only on the severity and frequency of the events to be mitigated, but also on the projected costs and lifetime of the system. The results obtained establish technical and economic criteria that support decision-making in the implementation of storage systems for voltage sag mitigation, contributing to greater reliability and efficiency in the operation of the power grid.