Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 05-05-2024, Aprobado tras revisión: 11-06-2024
Forma sugerida de citación: Vásquez, W. (2024). “Evaluación del Factor de Potencia en Usuarios con Equipos de Generación para
Autoabastecimiento”. Revista Técnica “energía”. No. 21, Issue I, Pp. 77-83
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v21.n1.2024.655
© 2024 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Esta publicación está bajo una licencia internacional Creative Commons Reconocimiento –
No Comercial 4.0
Power Factor Assessment in Users with Power Generation Equipment for
Self-Consumption
Evaluación del Factor de Potencia en Usuarios con Equipos de Generación
para Autoabastecimiento
W. A. Vásquez1
0000-0002-9591-3755
1Agencia de Regulación y Control de Energía y Recursos Naturales No Renovables, Quito, Ecuador
E-mail: wilson.vasquez@controlrecursosyenergia.gob.ec
Abstract
One of the most recent and important changes in power
distribution systems is self-consumption, activity in
which one or several users install equipment (typically
solar panels) to generate their own electricity and, in
some cases, inject surplus energy into the grid. These
users require a bidirectional meter, which does not
register the active energy of all the load, making
difficult the assessment of its power factor. This paper
presents a methodology to assess the power factor in
users with power generation equipment for self-
consumption. The methodology details the
measurement equipment needed, the steps to calculate
the load’s average power factor, and, for some cases, the
penalization method. The results indicate that the
proposed methodology isolates correctly the power
generation effect from the power factor calculation, and
this, in turn, avoids incorrect penalties.
Resumen
Uno de los cambios más recientes e importantes en las
redes de distribución de energía eléctrica es el
autoabastecimiento, actividad en la que uno o varios
usuarios instalan equipos (usualmente panales
fotovoltaicos e inversores) para generar su propia
energía eléctrica, autoabastecerse y, en algunos casos,
inyectar excedentes de energía a la red. Estos usuarios
requieren de un medidor bidireccional, el cual no
registra la energía activa de toda la carga, haciendo
difícil la evaluación de su factor de potencia. Este
artículo presenta una metodología para la evaluación del
factor de potencia en un usuarios con
autoabastecimiento. La metodología detalla los equipos
de medición necesarios, los pasos para calcular el factor
de potencia medio mensual de la carga, y, para los casos
necesarios, el método de penalización por bajo factor de
potencia. Los resultados muestran que, la metodología
propuesta aísla correctamente el efecto de la generación
del cálculo del factor de potencia, y esto, a su vez, evita
penalizaciones incorrectas.
Index terms— Distributed generation, power factor,
power distribution networks, self-consumption.
Palabras clave— Autoabastecimiento, factor de
potencia, generación distribuida, redes de distribución.
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años, las redes de distribución de
energía eléctrica han cambiado significativamente
debido, entre otros aspectos, a la incorporación de
generación distribuida. Equipos de generación eléctrica
que aprovechan la energía solar, eólica, o hidráulica se
pueden conectar en redes de distribución de medio y bajo
voltaje. Algunos beneficios de la generación distribuida
son: reducción de pérdidas de energía, mejora de los
perfiles de voltaje y de la confiabilidad de las redes de
distribución, etc.
El autoabastecimiento (también conocido como
autoconsumo) es un tipo de generación distribuida, en la
que los equipos generación se encuentran ubicados cerca
del usuario (consumo) [1]. Muchos países, incluyendo
Alemania, Bélgica, México, y España, han promovido el
autoabastecimiento en los últimos años, permitiendo que
usuarios residenciales, comerciales, industriales y otros
instalen y operen equipos de generación en sus inmuebles
[2]. Los límites de la potencia nominal de los equipos de
generación para autoabastecimiento varían entre países.
Por ejemplo, en Chile el límite es de 300 kW [3], mientras
que en Ecuador el límite es de 2 MW [4].
Uno de los incentivos para promover el
autoabastecimiento es el uso del esquema conocido como
medición neta (net metering). La medición neta consiste
en registrar mensualmente, usando un medidor
bidireccional, la energía tomada de la red de distribución
y la energía inyectada a la red de distribución, para luego
calcular el valor neto; la energía inyectada a la red es
reconocida al mismo precio de la energía que provee una
empresa distribuidora [5].
El uso de un medidor bidireccional puede generar
inconvenientes para la evaluación del factor de potencia
en usuarios con equipos para autoabastecimiento. Los
autores de [6] indican que, el factor de potencia de un
usuario se degrada debido a que el medidor bidireccional
registra la disminución de la potencia activa tomada de la
red de distribución, lo cual distorsiona el cálculo del
factor de potencia de la carga. Esta situación puede
producir penalizaciones económicas de las empresas
distribuidoras a sus usuarios si el factor de potencia es
menor que el límite establecido, por ejemplo 0,92
(inductivo) [7].
Para solucionar el problema descrito anteriormente,
existen dos alternativas que han sido investigadas
previamente: corrección del factor de potencia y cálculo
del factor de potencia de la carga (aislando el efecto de la
generación). Los autores de [8] y [9] proponen que se
corrija el factor de potencia en el punto de entrega
mediante la generación de potencia reactiva, a través de
bancos de capacitores o de los equipos para
1
El Reglamento a la Ley Orgánica del Servicio Público de Energía Eléctrica
define al punto de entrega como la frontera de conexión entre las instalaciones de
propiedad de la distribuidora y las instalaciones de propiedad de un usuario o
autoabastecimiento. En [10], se propone un algoritmo
para controlar la producción de los inversores de un
sistema solar fotovoltaico, y así mantener el factor de
potencia en el punto de entrega constante.
Por otra parte, para calcular el factor de potencia de
la carga, los autores de [6] proponen instalar un medidor
unidireccional a la salida de un sistema solar
fotovoltaico, para junto con los registros de la energía
activa del medidor bidireccional calcular la energía
activa total consumida.
En lugar de instalar un medidor unidireccional a la
salida del sistema solar fotovoltaico, los autores de [8]
utilizaron los registros de energía de los inversores para
calcular el factor de potencia de la carga. En [11],
solamente se menciona que, para la evaluación del factor
de potencia de la carga, usuarios con equipos de
generación para autoabastecimiento deben instalar
equipos de medición que permitan aislar el efecto de la
generación.
A pesar de que en [6], [8] y [11] se presentan algunas
consideraciones para la evaluación del factor de potencia
de la carga de un usuario con equipos de generación para
autoabastecimiento, estos trabajos no presentan un
procedimiento detallado que pueda ser aplicado cuando
un usuario disponga de varios equipos (subsistemas) de
generación.
Este artículo propone una metodología para la
evaluación del factor de potencia en usuarios con equipos
de generación para autoabastecimiento. La metodología
detalla los equipos de medición necesarios, los pasos para
calcular el factor de potencia medio mensual de la carga,
y, para los casos necesarios, los pasos para determinar la
penalización por bajo factor de potencia.
El presente artículo está organizado de la siguiente
manera. En la Sección 2, se describe detalladamente la
metodología propuesta, y se incluye un diagrama de
flujo, el cual contiene todos los pasos para la evaluación
del factor de potencia. En la Sección 3, se describen los
casos de estudio, y se presentan los resultados y el
análisis. Finalmente, la Sección 4 presenta las
conclusiones y recomendaciones.
2. METODOLOGÍA PROPUESTA
En muchos países, regulaciones exigen a algunos
usuarios tradicionales (usuarios sin equipos de
generación para autoabastecimiento) el cumplimiento de
un factor de potencia mínimo en el punto de entrega
1
[7],
[12]. Es decir, las regulaciones evalúan el factor de
potencia de la carga del usuario, lo cual permite
determinar si éste está consumiendo energía
eficientemente de la red de distribución.
usuario final.
Vásquez / Evaluación del factor de potencia en usuarios con equipos de generación para autoabastecimiento
Con base a lo anterior, la metodología propuesta en
este artículo considera que, la evaluación del factor de
potencia en un usuario con equipos de generación para
autoabastecimiento se la debe realizar considerando sólo
su carga—aislando el efecto de la generación.
La metodología propuesta la evaluación del factor de
potencia considera que, un usuario regulado tiene
equipos de generación para autoabastecimiento, total o
parcial. Los equipos pueden estar ubicados en diferentes
partes dentro del inmueble en donde se ubica el usuario
regulado, y pueden aprovechar diferentes recursos
energéticos primarios.
La Fig. 1 muestra el diagrama de la conexión de un
usuario regulado con equipos de generación para
autoabastecimiento; el usuario se conecta a la red de
distribución de medio voltaje. En el diagrama se puede
observar el transformador reductor, las cargas, los
equipos de generación para autoabastecimiento (con
tecnología solar fotovoltaica y eólica), el medidor
bidireccional ubicado en el punto de entrega (medio
voltaje), y los medidores unidireccionales ubicados a la
salida de los equipos (subsistemas) de generación.
Figura 1: Diagrama de la conexión de un usuario regulado con
equipos de generación para autoabastecimiento. El usuario se
conecta en medio voltaje y tiene un medidor bidireccional en el
punto de entrega.
Cada medidor registra parámetros específicos. El
medidor bidireccional registra los siguientes parámetros:
las energías activa y reactiva tomadas de la red de
distribución, y la energía activa inyectada a la red de
distribución. Los medidores unidireccionales registran la
producción de energía activa de cada subsistema de
generación.
La Fig. 2 muestra el diagrama de flujo de la
metodología propuesta, la cual se detalla a continuación:
• Paso 1: Recopilar los registros de energía activa y
reactiva del medidor bidireccional y de los
medidores unidireccionales de los subsistemas de
generación para el mes de análisis. Los registros
deben ser tomados en intervalos de 15 minutos
(intervalo de tiempo usado en países como Chile
[12] e Irlanda [13]).
• Paso 2: Calcular, en cada intervalo, la energía
activa consumida por toda la carga (
)
usando la siguiente expresión:
(1)
donde
es la energía activa tomada de la red
de distribución en un intervalo de 15 minutos,
,
, y
es la energía activa de los
subsistemas de generación en un intervalo de 15
minutos, y
es la energía activa inyectada a
la red en un intervalo de 15 minutos.
• Paso 3: Calcular, en cada intervalo, la energía
reactiva consumida por toda la carga usando la
siguiente expresión:
(2)
donde
es la energía reactiva tomada de la
red de distribución en un intervalo de 15 minutos.
• Paso 4: Calcular, en cada intervalo, el factor de
potencia instantáneo () de toda la carga
usando la siguiente expresión [12]:
(3)
• Paso 5: Calcular el factor de potencia medio
mensual () [12]:
(4)
donde n es el número de intervalos de 15 minutos
en el mes de análisis.
• Paso 6: Comparar el factor de potencia medio
mensual con el factor de potencia mínimo,
establecido por el ente regulador.
• Paso 7: Si el factor de potencia medio mensual es
menor que el factor de potencia mínimo, calcular
la penalización del usuario. La penalización por
bajo factor de potencia, , se calcula usando
las siguientes expresiones [7]:
(5)
(6)
(7)
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
donde es el factor de penalización y es la
factura por servicio público de energía eléctrica inicial.
Figura 2: Diagrama de la metodología para la evaluación del
factor de potencia en usuarios con equipos de generación para
autoabastecimiento
Existen otros métodos para determinar si un usuario
tradicional (sin equipos de generación para
autoabastecimiento) debe ser penalizado por bajo factor
de potencia. En [14], se calcula el factor de potencia cada
10 minutos, y el usuario no es penalizado si el 95% de los
valores calculados están en el rango de 0,9 a 1,0. Este
método también podría ser implementado en la
metodología propuesta; sin embargo, el método de
penalización descrito en el Paso 7 debe ser revisado, pues
éste usa un único valor de factor de potencia.
Por otra parte, es importante mencionar que, un
usuario regulado puede optar por no inyectar excedentes
de energía eléctrica a la red de distribución. En este caso,
el usuario solo requiere instalar un medidor
unidireccional en el punto de entrega, como se muestra
en la Fig. 3.
Para evaluar el factor de potencia de usuarios que no
inyectan excedentes de energía eléctrica, no se considera
la variable
en la ecuación (1).
Figura 3: Diagrama de la conexión de un usuario regulado con
equipos de generación para autoabastecimiento sin inyección de
excedentes de energía eléctrica. El usuario se conecta en medio
voltaje, y tiene un medidor unidireccional en el punto de entrega
3. CASOS DE ESTUDIO Y RESULTADOS
Para evaluar la metodología propuesta, se proponen tres
casos de estudio, los cuales se describen a continuación.
El Caso 1 considera un usuario tradicional, es decir, sin
equipos de generación para autoabastecimiento y con un
medidor unidireccional en el punto de entrega de medio
voltaje. El perfil de carga horaria en por unidad para este
usuario fue tomado de [15], el cual multiplicado por un
valor de 250 kW (demanda máxima de potencia activa) y
un valor de 100 kVAr (demanda máxima de potencia
reactiva). Todos los cálculos se realizaron usando el
programa computacional MATLAB.
Para la evaluación del factor de potencia de este usuario,
se utilizó datos de energía activa y reactiva tomados en
intervalos de una hora, debido a que no se tuve acceso a
datos en intervalos de 15 minutos, como se menciona en
el paso 1 de la metodología propuesta. La Fig. 4 muestra
los datos de energía activa y reactiva de un usuario
tradicional para un periodo de una semana (168 horas).
Figura 4: Energía activa y reactiva de un usuario regulado sin
equipos de generación para autoabastecimiento
El Caso 2 considera un usuario con equipos de
generación para autoabastecimiento con tecnología solar
fotovoltaica, con un medidor bidireccional en el punto de
entrega de medio voltaje, y con un medidor
Vásquez / Evaluación del factor de potencia en usuarios con equipos de generación para autoabastecimiento
unidireccional a la salida de cada subsistema de
generación. Se consideró que el sistema solar
fotovoltaico genera electricidad desde las 6am hasta las
6pm. La Fig. 5 muestra los datos de energía activa
generada y tomada de la red, y los datos de energía
reactiva tomada de la red. Además, la Fig. 5 muestra la
energía activa de la carga calculada utilizando (1).
Figura 5: Energía activa y reactiva de un usuario regulado con
equipos de generación para autoabastecimiento con tecnología
solar fotovoltaica
Se puede ver en la Fig. 5 que, la energía reactiva tomada
de la red es la misma que la mostrada en la Fig. 4; esto
debido a que, los equipos de generación solar
fotovoltaica no producen ni consumen energía reactiva.
El Caso 3 considera lo descrito en el Caso 2 e incluye un
subsistema de generación con tecnología eólica con su
respectivo medidor unidireccional, como se muestra en
la Fig. 1. El aerogenerador tiene un generador de
inducción doblemente alimentado (DFIG, por sus
nombre en inglés), el cual consume energía reactiva de la
red para su operación [16]. La Fig. 6 muestra los datos de
energía activa generada y tomada de la red, y los datos
de energía reactiva tomada de la red; además, la figura
muestra la energía activa de la carga calculada utilizando
(1).
Figura 6: Energía activa y reactiva de un usuario regulado con
equipos de generación para autoabastecimiento con tecnología
solar fotovoltaica y eólica
Se puede ver en la Fig. 6 que, la energía reactiva tomada
de la red aumenta; esto debido a la operación del
aerogenerador. Además, se puede ver que, la energía
activa generada también aumenta debido al aporte del
aerogenerador.
Se calculó el factor de potencia medio mensual utilizando
la metodología propuesta para un periodo de un año (12
meses). La Tabla 1 muestra los valores del factor de
potencia medio mensual para los Casos 1-3. Para el Caso
1 (usuario sin equipos de generación para
autoabastecimiento) se puede ver que, el factor de
potencia medio mensual permanece casi constante y es
igual o ligeramente mayor que el límite establecido: 0,92
(inductivo).
Tabla 1: Factor de potencia medio mensual para los Casos 1-3
utilizando la metodología propuesta
Mes
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Enero
0,921
0,921
0,903
Febrero
0,920
0,920
0,903
Marzo
0,920
0,920
0,902
Abril
0,920
0,920
0,903
Mayo
0,922
0,922
0,904
Junio
0,922
0,922
0,905
Julio
0,921
0,921
0,904
Agosto
0,921
0,921
0,904
Septiembre
0,920
0,920
0,903
Octubre
0,920
0,920
0,903
Noviembre
0,922
0,922
0,904
Diciembre
0,922
0,922
0,904
Para el Caso 2 (usuario con equipos de generación para
autoabastecimiento con tecnología solar fotovoltaica) se
puede ver que, los valores del factor de potencia medio
mensual coinciden con los del Caso 1; lo cual indica que
la metodología propuesta permite aislar correctamente el
efecto de la generación.
Finalmente, para el Caso 3 (usuario con equipos de
generación para autoabastecimiento con tecnología solar
fotovoltaica y eólica) se puede ver que, en todos los
meses, el factor de potencia es menor que el límite
establecido. Este resultado ocurre debido al mayor
consumo de energía reactiva, y por lo cual, la empresa
distribuidora debería calcular la penalización por bajo
factor de potencia y exigir al usuario acciones
correctivas.
Para el cálculo de la penalización por bajo factor de
potencia, se requiere conocer la factura por servicio
público de energía eléctrica en USD del mes
correspondiente, como se indica en (5). En Ecuador, la
factura de un usuario depende de la cantidad de energía
eléctrica consumida, el tipo de tarifa, y de otros rubros.
Para el usuario considerado en los casos de estudio, se
asumió que su factura inicial del mes de enero es de USD
10.000,00. Por lo tanto, la factura final por servicio
público de energía eléctrica para el Caso 3 (Tabla 1) es
de USD 10.200,00 (la misma que incluye la penalización
por bajo factor de potencia de USD 200,00).
Edición No. 21, Issue I, Julio 2024
Por otra parte, se calculó el factor de potencia medio
mensual para los Casos 1 y 2 utilizando únicamente los
registros de energía activa y reactiva del medidor
bidireccional. La Tabla 2 muestra los resultados. En
ambos casos, el factor de potencia está por debajo del
límite establecido, lo cual produciría penalizaciones al
usuario e incrementos en su factura: USD 10.359,95 para
el Caso 2 y USD 10.771,93 para el Caso 3.
Sin embargo, estas penalizaciones serían incorrectas, ya
que como se mostró en la Tabla 1, el factor de potencia
de la carga para el Caso 2 es igual o mayor que el límite
establecido; y para el Caso 3, la penalización incrementa
la factura sólo a USD 10.200,00.
Tabla 2: Factor de potencia medio mensual para los Casos 1 y 2
utilizando sólo los registros del medidor bidireccional
Mes
Caso 2
Caso 3
Enero
0,889
0,855
Febrero
0,889
0,854
Marzo
0,888
0,853
Abril
0,888
0,854
Mayo
0,889
0,854
Junio
0,890
0,855
Julio
0,889
0,855
Agosto
0,890
0,855
Septiembre
0,888
0,854
Octubre
0,888
0,854
Noviembre
0,890
0,856
Diciembre
0,890
0,856
Una alternativa a la evaluación del factor de potencia de
la carga es el pago por el consumo excesivo de energía
reactiva. Como se indica en [17], un usuario es
penalizado cuando su consumo de energía reactiva es
superior al cincuenta por ciento (50%) de la energía
activa (kWh) que le es entregada en cada periodo horario.
Esta alternativa no requiere la instalación de medidores
unidireccionales a la salida de los subsistemas de
generación, pues sólo requiere los registros de consumo
de energía reactiva del medidor bidireccional. Sin
embargo, en países como Ecuador, el pago por consumo
excesivo de energía reactiva implicaría cambios
regulatorios significativos—para la determinación del
costo de transporte de energía reactiva.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Este artículo propone una metodología para la
evaluación del factor de potencia en usuarios con equipos
de generación para autoabastecimiento. La metodología
detalla los equipos de medición necesarios, los pasos para
calcular el factor de potencia medio mensual de la carga,
y, para los casos necesarios, el método de penalización
por bajo factor de potencia. Para evaluar el desempeño de
la metodología, se consideró un usuario conectado a la
red de distribución de medio voltaje y varios subsistemas
de generación, con tecnología solar fotovoltaica y eólica.
Los resultados indicaron que, la metodología propuesta
aísla el efecto de la generación en el cálculo del factor de
potencia, y esto, a su vez, evita penalizaciones
incorrectas por bajo factor de potencia. Además, los
resultados indicaron que, si se calcula el factor de
potencia empleando sólo los registros del medidor
bidireccional, se pueden producir penalizaciones
incorrectas por bajo factor de potencia.
A medida que el autoabastecimiento se incremente en las
redes de distribución, las empresas distribuidoras tendrán
problemas para evaluar el factor de potencia de usuarios
con registro de energía reactiva. Con base a lo anterior,
contar con una metodología que aísle el efecto de la
generación en el cálculo del factor de potencia será muy
beneficioso, tanto para las empresas distribuidoras como
para sus usuarios. A pesar de que la cantidad de datos que
deben ser procesados por las empresas distribuidoras
aumenta, esto ayudará a evitar penalizaciones
incorrectas.
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W. Vásquez y J. Játiva, «Modelación, Simulación
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Matlab,» Revista Técnica "energía", vol. 11, p.
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[17]
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https://gestornormativo.creg.gov.co/gestor/entorn
o/docs/resolucion_creg_0015_2018.htm. [Último
acceso: 30 04 2024].
Wilson A. Vásquez. - Recibió el
título de Ingeniero Eléctrico de la
Escuela Politécnica Nacional
(Ecuador) en 2014, y los títulos de
MSc in Electrical Power Systems
with Advanced Research y PhD de
la Universidad de Birmingham
(Reino Unido) en 2017 y 2022,
respectivamente. Actualmente, trabaja en la Agencia de
Regulación y Control de Energía y Recursos Naturales
No Renovables. Sus campos de investigación están
relacionados con la Generación Distribuida,
Mantenimiento, y Confiabilidad de Sistemas Eléctricos
de Potencia.
