Ubicación y dimensionamiento óptimo de PV-STATCOMs en sistemas de distribución para la compensación dinámica de potencia activa y reactiva mediante el algoritmo de búsqueda de cuervos

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2026-05-07

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Cruz Garzón, David Steven; Sánchez Celis, Harold Darío (2026). Ubicación y dimensionamiento óptimo de PV-STATCOMs en sistemas de distribución para la compensación dinámica de potencia activa y reactiva mediante el algoritmo de búsqueda de cuervos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/101432

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Resumen

The proliferation of distributed photovoltaic (PV) generation introduces significant operational challenges for distribution networks, including voltage instability and elevated technical losses. While modern PV inverters capable of static synchronous compensator (STATCOM) functionality—forming PV-STATCOM systems—offer a promising solution, their optimal integration remains a complex mixed-integer non-linear programming (MINLP) problem. This paper addresses this gap by proposing a novel hybrid evaluator–optimizer framework for the optimal daily placement and sizing of PV-STATCOM devices. The framework synergistically integrates the metaheuristic crow search algorithm (CSA) for global exploration of discrete device locations with a high-fidelity, multi-period optimal power flow (OPF) model—implemented efficiently in Julia with the Ipopt solver—for continuous operational evaluation and constraint validation. The methodology incorporates realistic 24 h load and solar irradiance profiles. Extensive validation on standard IEEE 33- and 69-bus test systems demonstrates the efficacy of the proposed approach. The results indicate substantial reductions in daily energy losses—by up to 70.4% and 72.9% for the 33- and 69-bus systems, respectively—and corresponding operational costs, outperforming recent state-of-the-art metaheuristic and convex optimization methods reported in the literature. The CSA also exhibits robust convergence and repeatability across multiple independent runs. This work contributes a computationally efficient, open-source planning tool that leverages modern optimization solvers, providing a scalable and effective strategy for enhancing the power quality and economic performance of PV-rich distribution networks.

Descripción

La proliferación de la generación fotovoltaica (PV) distribuida introduce desafíos operativos significativos para las redes de distribución, entre ellos la inestabilidad de tensión y el incremento de las pérdidas técnicas. Aunque los inversores fotovoltaicos modernos con capacidad de funcionamiento como compensadores síncronos estáticos (STATCOM), conformando sistemas PV-STATCOM, ofrecen una solución prometedora, su integración óptima sigue constituyendo un problema complejo de programación no lineal entera mixta (MINLP). Este artículo aborda esta problemática mediante la propuesta de un novedoso marco híbrido evaluador–optimizador para la ubicación y dimensionamiento óptimos diarios de dispositivos PV-STATCOM. El marco integra de manera sinérgica el algoritmo metaheurístico de búsqueda de cuervos (CSA) para la exploración global de ubicaciones discretas de los dispositivos, junto con un modelo de flujo óptimo de potencia (OPF) multiperiodo de alta fidelidad implementado eficientemente en Julia utilizando el solucionador Ipopt para la evaluación operativa continua y la validación de restricciones. La metodología incorpora perfiles realistas de carga e irradiancia solar de 24 horas. Una validación exhaustiva sobre los sistemas de prueba estándar IEEE de 33 y 69 nodos demuestra la eficacia del enfoque propuesto. Los resultados indican reducciones sustanciales en las pérdidas diarias de energía de hasta 70,4 % y 72,9 % para los sistemas de 33 y 69 nodos respectivamente, así como en los costos operativos asociados, superando métodos recientes basados en metaheurísticas y optimización convexa reportados en la literatura especializada. El CSA también exhibe una convergencia robusta y alta repetibilidad a través de múltiples ejecuciones independientes. Este trabajo aporta una herramienta de planificación computacionalmente eficiente y de código abierto que aprovecha solucionadores modernos de optimización, proporcionando una estrategia escalable y efectiva para mejorar la calidad de la energía y el desempeño económico de las redes de distribución con alta penetración fotovoltaica.

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