Resumen de New power quality challenges in smart grids: supraharmonics and rapid voltage changes
Desde las últimas décadas, las redes eléctricas han ido evolucionando muy rápidamente y, al día de hoy, no se prevé ninguna ralentización. Estos cambios han sido propulsados, por un lado, por la brusca revolución digital de las tecnologías de telecomunicación y de su implementación en muchos ámbitos, incluso en los sistemas de potencia. Por otro lado, por el radical cambio de paradigma de las redes eléctricas, que han pasado de ser sistemas centralizados con grandes centrales eléctricas conectadas en alta tensión y tradicionalmente basadas en combustibles fósiles o nucleares, a ser sistemas con cada vez más penetración de fuentes de energía renovables, a menudo de pequeño tamaño, en configuración distribuida y conectadas en baja tensión. Además, el desarrollo de la electrónica de potencia está abriendo el camino a una gestión cada vez más flexible de la energía, con nuevas interfaces tanto de las cargas como de las fuentes de energía. Como resultado de estos desarrollos, las redes eléctricas están dejando de ser meras infraestructuras y van siendo cada vez más herramientas cruciales para facilitar y soportar la transición hacia sistemas respetuosos con el medio ambiente, encaminados hacia el cumplimiento de los objetivos globales para la lucha contra el cambio climático. Por estas razones, es cada vez más común referirse a las redes eléctricas modernas como redes inteligentes o, con el termino inglés, smart grids, reflejando así sus características más avanzadas.
Sin embargo, frente a las muchas ventajas de las redes inteligentes, a lo largo de los años también han ido apareciendo algunos inconvenientes. La creciente penetración de equipos de electrónica de potencia, la implementación de cada vez más tecnologías de telecomunicación y la difusión de la generación distribuida han sido identificados como factores determinantes del impacto de las redes inteligentes sobre la calidad del suministro eléctrico. Este campo de la ingeniería eléctrica está teniendo un papel relevante en los sistemas de potencia modernos por lo que la transición hacia las redes inteligentes requerirá de un conocimiento más amplio de los factores que determinan la calidad de la energía eléctrica. Así, la evolución de las redes eléctricas conlleva un abanico de nuevos retos en cuanto a nuevos fenómenos y problemas de calidad de red, siendo la medida de éstos el primero y necesario paso a realizar para poder estudiarlos y diseñar soluciones eficaces.
En las últimas décadas, muchos trabajos de investigación se han dedicado al estudio del impacto de la evolución de las redes eléctricas sobre la calidad del suministro eléctrico y uno de los retos identificado más importante es la distorsión de la tensión en el rango de frecuencias de 2 kHz a 150 kHz. Este tipo de distorsión, cuya clasificación como problema de calidad de red es muy reciente, ha sido bautizada bajo el nombre no oficial de distorsión supra- armónica o, más facilmente, supra-armónicos, para distinguirlos de los más conocidos armónicos que se manifiestan en un rango de frecuencias inferior. El origen de los supra-armónicos fue inicialmente identificado en el campo de las telecomunicaciones, más concretamente en la tecnología PLC, en los equipos de electrónica de potencia, típicamente usados en inversores fotovoltaicos, estaciones de carga de vehículos eléctricos y en diversos dispositivos domésticos. Esto confirma que se trata de un fenómeno estrictamente relacionado con la evolución de las redes eléctricas según lo anteriormente descrito. Los efectos que este tipo de distorsión puede acarrear en la red son todavía objeto de investigación pero algunas consecuencias son claras: fallos o daños de equipos, reducción de su vida útil, interferencia con equipos PLC y ruido acústico. A estos problemas se le suma la preocupante falta de normativa en este rango de frecuencia, tanto en términos de coordinación de compatibilidad electromagnética, como de regulación y métodos de medida. Dentro de este marco, el desarrollo y la definición de un método de medida de supra- armónicos recogido en las normas internacionales representa el primer paso para poder luego abordar el resto de los problemas. En el momento en que se desarrolla esta tesis, las normas IEC de medida de calidad de red solo recogen algunas recomendaciones para medir supra-armónicos, basadas en otros métodos originariamente diseñados para otros tipos de fenómenos y basados en la Fast Fourier Transform (FFT). Sin embargo hay evidencias científicas de que este tipo de análisis es inadecuado para las características de los supra-armónicos.
La presente tesis, en la Parte II, aborda directamente el problema de la falta de un método de medida estándar para supra-armónicos. Tras la identificación de las principales características de la distorsión supra-armónica, se presenta un novedoso algoritmo de análisis basado en la técnica Wavelet Packet Decomposition (WPD), respondiendo a los criterios identificado para este rango de frecuencias. Las características del método propuesto han sido estudiadas y analizadas en detalle con el objetivo de proporcionar una estrategia óptima de medida, compatible con los requisitos y las pautas de las normas internacionales y de las practicas comunes establecidas en trabajos de investigación anteriores. Tras su implementación, el algoritmo de medida ha sido sometido a un exhaustivo proceso de caracterización, demostrando sus excelentes prestaciones bajo todas las condiciones de ensayos. Además, el método diseñado tiene una mayor robustez frente a variaciones de frecuencia de la red con respeto a otras estrategias actualmente existentes, y alta eficacia en condiciones de tensión no estacionaria y no periódica. Otra característica importante es la capacidad de preservar la información temporal de la señal, que ha permitido desarrollar un análisis híbrido tiempo- frecuencia, con grandes potencialidades para el estudio de los supra-armónicos. Adicionalmente, con el método propuesto es posible realizar simultáneamente medidas de armónicos cumpliendo con los requisitos de la norma IEC 61000- 4-7 [3] para condiciones estacionarias. Además, en condiciones fluctuantes el método propuesto proporciona resultados mucho más exactos que el método de la norma IEC 61000-4-7. Gracias a las características del análisis con wavelets, tanto los armónicos como los supra-armónicos pueden analizarse en el mismo intervalo de medida conllevando así una simplificación de los instrumentos de medida, operación que no es actualmente posible con métodos basados en FFT. Finalmente se ha discutido como el paralelismo intrínseco de los bancos de filtros del método propuesto representa una cualidad muy ventajosa a la hora de la implementación en instrumentos basados en FPGA, cada vez mas comunes en los sistemas de medida de calidad de red. Las excelentes prestaciones bajo condiciones tanto nominales como no nominales, la capacidad de proporcionar un análisis híbrido tiempo-frecuencia y el análisis simultáneo de armónicos y supra-armónicos hacen del método propuesto un excelente candidato para formar parte de los algoritmos recomendados a la hora de analizar emisiones supra-armónicas.
Mientras los supra-armónicos están principalmente relacionados con la presencia de equipos de electrónica de potencia y de nuevas tecnologías de tele- comunicación en la red, la creciente penetración de la generación distribuida tiene una consecuencia directa con un aumento de la presencia en la red de variaciones rápidas de tensión o, en inglés, Rapid Voltage Changes (RVCs). Se trata de un fenómeno relativamente nuevo, recogido recientemente en las normas de calidad de red. Desde hace pocos años, la comunidad internacional cuenta con un método de medida de RVCs comúnmente aceptado y definido en la norma IEC 61000-4-30 [1]. El principal efecto actualmente atribuido a los RVCs es la generación del efecto flicker, es decir la molestia visual para los usuarios de la red causada por las fluctuaciones de luminosidad de las lámparas. Sin embargo, la actual estrategia de medida de RVCs se ha demostrado inadecuada para analizar la relación causa-efecto de RVCs y flicker. Por un lado, el efecto flicker ha sido tradicionalmente considerado solo mediante el análisis estadístico de fluctuaciones periódicas de tensión. Los índices que caracterizan el flicker definidos en la norma IEC 61000-4-15 [2] no fueron diseñados para que pudieran ser utilizados para describir el efecto de fluctuaciones de luminosidad debidas a eventos esporádicos como los RVCs. Como consecuencia, hay una falta de correlación entre los parámetros que caracterizan los RVCs y los índices propios del flicker, lo que no permite la correcta evaluación de los efectos de los RVCs en el flicker. Por otro lado, el método para medir el flicker fue diseñado para evaluar el efecto de fluctua- ciones de tensión en una lámpara incandescente de 60 W que representaba la tecnología de iluminación dominante en los tiempos en los que la norma fue escrita. Sin embargo, hoy en día las lámparas incandescentes no solamente son una tecnología obsoleta, sino que en muchos países están prohibidas por su baja eficiencia energética. Tecnologías más modernas, como las lámparas fluorescentes y sobre todo las lámparas de LED, ya se han impuesto en el mercado. Por esta razón, el metodo de medida de flicker no representa correc- tamente el efecto que las fluctuaciones de tensión producen en las tecnologías de iluminación modernas. La combinación de estos dos elementos implica una falta de conocimiento sobre el efecto que las variaciones de tensión esporádicas como los RVCs tienen en las lámparas modernas, concretamente en los niveles de flicker y de forma más en general en la calidad del suministro eléctricos de las redes modernas.
La Parte III de la presente tesis está enfocada en este segundo reto metrológico, abordándolo desde un punto de vista experimental y llevando a cabo una extensa campaña de medidas con el objetivo de estudiar y carac- terizar el flicker producido por RVCs en la lámparas modernas. Tras haber realizado una completa revisión del estado del arte en referencia a la relación entre RVCs y flicker y a las características de los RVCs, se han generado señales con RVCs sintéticos para reproducir de manera controlada las carac- terísticas más relevantes de éstos. Posteriormente, se ha llevado a cabo una extensa campaña de medidas reales registrando en diferentes puntos en la red, identificando un gran número de RVCs, la mayoría de los cuales caracterizados por una reducción del nivel de tensión, corta duración, pequeña amplitud y forma muy diferente. Una vez obtenido un amplio conjunto de señales, tanto reales como sintéticas, mediante la utilización de un medidor de flicker basado en fotómetro se ha medido con alta precisión la luminosidad producida por un extenso conjunto de lámparas modernas sometidas a ensayos controlados con RVCs. Los resultados de este trabajo experimental han permitido describir y cuantificar la respuesta de un gran número de lámparas modernas sujetas a RVCs, identificando los parametros más relevantes y cuantificando su in- fluencia. Se ha observado como ninguna de las lámparas sometidas a ensayo ha resultado ser más sensible a los RVCs que la lámpara incandescente. Sin embargo, las respuestas de las diferentes lámparas no han sido uniformes, con gran variabilidad incluso dentro de la misma tecnología de lámpara. Además, se han registrado niveles de flicker instantáneos muy por encima del umbral de perceptibilidad en varias de las lámparas sometidas a ensayo, demostrando que existe la posibilidad que éstas generen molestia para los usuarios de la red. A partir de los resultados obtenidos, se ha formulado una propuesta para incluir una prueba adicional en el protocolo IEC de inmunidad de las lámparas [4]. La prueba está diseñada para comprobar la sensibilidad de las lámparas modernas frente a RVCs y asegurar que la molestia no sobrepasa el umbral definido por la lámpara incandescente. El protocolo de inmunidad, que actualmente solo considera fluctuaciones de tensión periódicas, podría de esta manera ser mejorado y completado incluyendo estos nuevos tipos de fluctuaciones esporádicas.
