Calidad de energía en sistemas de generación renovable

Con la creciente expansión de las fuentes renovables de generación, la calidad de la energía suministrada a los distintos usuarios se convierte en una preocupación para las empresas suministradoras y para el administrador de la red, toda vez que este tipo de fuentes suelen ser intermitentes y emplea electrónica de potencia, factores que modifican el comportamiento de la carga y originan distorsiones de distintos tipos que afectan el desempeño de la red

Por Sebastián Martínez Balderas

El concepto de compatibilidad entre la fuente y la carga no es nuevo. Desde el inicio, las compañías suministradoras tienen la obligación de entregar el voltaje y la frecuencia de alimentación con un rango de variación mínimo, por ejemplo, Comisión Federal de Electricidad (CFE): Voltaje Vn ± 10 %; Frecuencia 60 Hz, ± 1 %.

Visto de esta manera, el concepto de calidad de energía se entiende como aquel suministro de energía eléctrica de alta calidad, cuyas características de voltaje, frecuencia, ruido, distorsión y conexión a tierra están dentro de los rangos aceptables de CFE, los generadores o la compañía suministradora. Asimismo, se considera como la ausencia de interrupciones, sobretensiones, deformaciones producidas por armónicas y variaciones de voltaje RMS en la red.

Existen dos maneras para identificar dónde comienzan los problemas de la calidad de la energía. Primero, por la ubicación de la fuente, la cual puede ser interna debido al usuario, a la generación o a un sistema de autoabastecimiento; externa, proveniente de la compañía suministradora o la CFE; en tal caso, el objetivo será definir responsabilidades y obligaciones.

En segundo lugar, es posible identificar el problema de la calidad de la energía por la naturaleza de las perturbaciones. Entre éstas pueden encontrarse las sobretensiones, conexión o desconexión de carga, falla del sistema o carga no lineal (ver Tabla 1). El objetivo en este caso específico, es entender el problema de ofrecer la solución técnica adecuada.

En la práctica, las instalaciones eléctricas pueden presentar una serie de disturbios o perturbaciones que alteran la calidad de la tensión (energía):

1. Variaciones de frecuencia
2. Variaciones de la amplitud de la tensión
3. Sobretensiones
4. Desbalance entre las fases
5. Deformaciones en tensión y corriente (armónicas)

Conceptos básicos
El factor de potencia se define como la relación de la potencia activa P con la potencia aparente S. 

Este concepto se refiere a la proporción de potencia que se transforma en trabajo útil (P) de la potencia total (S) requerida por la carga. Bajo condiciones de voltajes y corrientes senoidales el factor de potencia es:

Por otro lado, la corriente no lineal consumida por las cargas electrónicas es realmente una componente fundamental (60 Hertz), más muchos otros componentes que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental:

Estos múltiplos enteros de la fundamental son corrientes de alta frecuencia que se conocen como distorsiones armónicas y que causan los problemas. De manera reducida, algunos de los efectos negativos más significativos de las armónicas son los siguientes:

Térmicos

• Pérdidas adicionales en conductores (efecto Joule)
• Pérdidas adicionales en núcleos (máquinas y transformadores)

Degradación del aislamiento

• Cables
• Capacitores

Operaciones anormales y fallas de equipos

• Torques pulsantes en máquinas rotatorias
• Falsas operaciones en protecciones
• Señales de referencia falsas
• Interferencia en comunicaciones
• Errores de medición
• Interferencia electromagnética en equipos de control
• Corrientes importantes en neutros

La generación distribuida
La Coalición Americana de Distribución de Energía (DPCA, por sus siglas en inglés) define a la generación distribuida como cualquier tecnología de generación a pequeña escala que proporciona electricidad en puntos más cercanos al consumidor que la generación centralizada y que se puede conectar directamente al consumidor o a la red de transporte o distribución.

La Agencia Internacional de la Energía (IEA, por sus siglas en inglés) considera como generación distribuida únicamente a la que se conecta a la red de distribución en baja tensión y la asocia con tecnologías como generadores, mini y microturbinas, celdas de combustible y energía solar fotovoltaica.

Comportamiento de la energía en un sistema eólico
La generación de energía mediante la fuerza del viento presenta ciertas variaciones en su comportamiento, las cuales pueden incidir en la estabilidad de la red y que deben considerarse con miras a mantener la calidad del suministro de la red.

Variabilidad del viento a corto plazo
La velocidad del viento está siempre fluctuando, motivo por el cual el contenido energético del viento varía continuamente. De qué magnitud sea exactamente dicha fluctuación depende tanto de las condiciones climáticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstáculos. La producción de energía de una turbina eólica variará según el viento, aunque las variaciones más rápidas serán, hasta cierto punto, compensadas por la inercia del rotor de la turbina eólica.

Variaciones diurnas (noche y día) del viento
En diversas partes del mundo, el viento sopla más fuerte durante el día que durante la noche. El gráfico de la derecha muestra, en intervalos de tres horas, cómo varía la velocidad del viento a lo largo del día en Beldringe (Dinamarca). Esta variación se debe, sobre todo, a que las diferencias de temperatura, entre la superficie del mar y la superficie terrestre, por mencionar algo, son mayores durante el día que durante la noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de dirección más rápidamente en el día que en la noche.

Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el consumo de energía resulta mayor en comparación con la noche. Muchas compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora barata).

Variación estacional en la energía eólica
En zonas templadas, los vientos de verano son generalmente más débiles que los de invierno. Por su parte, el consumo de electricidad suele ser mayor en invierno que en verano en tales regiones, entonces, en zonas frías del planeta, la calefacción eléctrica es perfecta en combinación con la energía eólica, ya que el enfriamiento de las casas varía con la velocidad del viento, de la misma forma que la producción de electricidad en los aerogeneradores varía con las velocidades delviento.

Las centrales eléctricas convencionales desaprovechan una gran cantidad de calor, así como de combustible (al menos el 60 por ciento); es decir, por cada unidad de calor útil consumido por una casa, la central eléctrica ha malgastado 1.5 unidades de calor (y de combustible). Finalmente, para completar, es preciso mencionar que las variaciones anuales en el viento no responden a patrones sencillos y son de alrededor de 10 % (en producción de energía).

Otra forma de conocer la producción anual de energía de un aerogenerador es mirar el factor de carga de una turbina en su localización particular. El factor de carga hace referencia a la producción anual de energía dividida por la producción teórica máxima, en el caso de que la máquina estuviera funcionando a su potencia nominal (máxima) durante las 8 mil 766 horas del año. Por ejemplo, si una turbina de 600 kW produce 1.5 millones de kWh al año, su factor de carga es 1.500.000; al aplicar el criterio de factor de carga se tiene: (365.25 · 24 · 600) = 1.500.000 / 5.259.600 = 0.285 = 28.5 %.

Los factores de carga pueden variar en teoría del 0 al 100, aunque en la práctica, el rango de variación va del 20 al 70 %, y muy frecuentemente están alrededor del 20 al 30 %.

La naturaleza intermitente y variable del viento puede causar problemas al sistema eléctrico, con relación al grado de calidad y confiabilidad. El sistema eléctrico debe contar, por tanto, con una reserva de generación convencional que tenga en cuenta la posibilidad de no disponer de potencia en determinados periodos. Si hipotéticamente se tuviera un pronóstico exacto del viento, el sistema no requeriría un respaldo para el parque eólico, encontrándose así un ahorro al evitar exceso de generación.

En un sistema eléctrico, la generación siempre procura equilibrar instantáneamente la demanda, para lo cual se debe coordinar la salida de potencia de una variedad de fuentes energéticas independientes, con su tensión y frecuencia correctas. Si un generador sale de servicio de manera imprevista y no hay una potencia que compense dicha pérdida, todo el sistema puede colapsar (blackout). Para evitar este desbalance, el sistema deberá contar con una reserva de potencia rotante. Las turbinas eólicas generan en forma intermitente. Si la potencia suministrada a la red por este tipo de generación es de magnitud importante, la intermitencia puede desequilibrar al sistema. Una estrategia para suavizar las fluctuaciones de potencia del parque eólico es asignar una reserva rotante de generación.

Control de la generación eólica
Las tareas asociadas con el control que debe realizarse cuando se tiene generación eólica integrada a una red son, como mínimo, las siguientes:

• Regulación: manteniendo minuto a minuto el balance generación-demanda, debido a la gran velocidad del viento
• Seguimiento de la carga: manteniendo hora a hora el balance generación-demanda
• Suministro de reactivo y control de tensión: inyección y consumo de potencia reactiva de los generadores para el control de la tensión de la red
• Reserva rotante caliente: respuesta inmediata a desviaciones de frecuencias
• Reserva complementaria: para restaurar el balance generación-demanda en 10 minutos luego de una contingencia de la generación o transmisión

Calidad de energía en generadores eólicos

• Armónicos. Los primeros equipos de turbinas eólicas usaban sistemas de conversión, como el puente de tiristores de 6 pulsos, sin filtros de corrección de armónicas, resultando, por lo tanto, armónicas de bajo orden. Hoy en día, los convertidores producen una salida con muy bajo contenido de armónicas debajo de lo recomendado por el Instituto de Energía Eléctrica y Electrónica
• Control de frecuencia. Las centrales conectadas a sistemas débiles pueden tener dificultades en mantener la frecuencia nominal. La frecuencia del sistema varía debido a que una variación repentina del viento provoca un cambio brusco en la generación de potencia activa
• Regulación de tensión. Cuando la generación eólica se encuentra en un área remota y conectada a la red a través de una línea de transmisión proyectada sólo para servir la demanda de la zona, se deben incluir controles de VAR estáticos o adaptativos.

Energía fotovoltaica conectada a la red
El acondicionamiento de la potencia eléctrica generada por el arreglo fotovoltaico (corriente directa) –indispensable para la conexión de éste a la red eléctrica convencional– se realiza mediante un inversor (corriente directa / corriente alterna), que convierte la corriente directa producida por el generador fotovoltaico a corriente alterna, en fase y a la frecuencia de la red para una conexión segura y confiable del sistema a ésta. La eficiencia de los inversores es generalmente mayor a 90 % cuando éstos operan arriba del 10 % de su potencia nominal.

En cuanto a los aspectos de seguridad y calidad de la energía producida, las compañías suministradoras del servicio eléctrico requieren de los fabricantes y usuarios de estos equipos el cumplimiento de normas y disposiciones aplicables, que garanticen que la instalación y operación del inversor y del sistema fotovoltaico en su conjunto sean seguras y no afecten adversamente la calidad de la energía.

Análisis de calidad de energía. Caso muestra
El analizador de calidad de potencia fue conectado en los secundarios de los transformadores de medida de corrientes (300 A / 60 A) y tensiones (22 kV / 110 V) de la línea en subestación y, de igual manera, después del interruptor general de la planta fotovoltaica para realizar las medidas del punto de conexión común (PCC).

Para las medidas en subestación y PCC, el equipo registró datos con un intervalo de muestreo máximo de 10 milisegundos para valores eficaces, promediando, posteriormente, los datos por minuto durante 24 horas.

Calidad de energía en sistemas fotovoltaicos
La energía solar es una fuente discontinua. La demanda existente y la producción de energía no coinciden completamente con la disponibilidad de radiación solar. Esto supone que la energía producida o capturada a la radiación solar, o bien, se consume en el momento de su producción, o bien habrá de contar con un sistema de almacenamiento que posibilite hacer uso de la energía cuando sea necesaria.

La calidad de la energía eléctrica depende principalmente de las características de la fuente y de la carga. La contaminación armónica está directamente relacionada con la calidad de la energía eléctrica. En el caso de cargas no lineales, la THD se elevaba de manera excesiva con las cargas no lineales.

La mayoría de las perturbaciones presentes en los sistemas fotovoltaicos son causadas por la conmutación de los inversores (circuitos de potencia que conectan la señal proveniente de los paneles solares con la red eléctrica), según indican las estadísticas recolectadas por las distribuidoras estadunidenses que estudian estos temas.

Entre las perturbaciones provenientes de los sistemas fotovoltaicos (puntualmente de sus inversores) podemos encontrar:

• Armónicos
• Impulsos de alta frecuencia
• Huecos de tensión, sobretensiones e interrupciones
• Variaciones de frecuencia

Factor de potencia de sistemas de generación de energía solar fotovoltaica
Las fluctuaciones de irradiación solar tienen un efecto significativo en el factor de potencia en la barra de conexión entre la red eléctrica y el sistema fotovoltaico. Además, sin un control de factor de potencia adecuado, es probable que la calidad de la energía fotovoltaica no se ajuste a las normas de generación de energía eléctrica, lo que podría dificultar su adopción.

En los sistemas aislados, la red está generada por los inversores, por lo que, en el caso de tener cargas inductivas, ésta debe tener la capacidad de entregar potencia reactiva al sistema, en tanto no se coloquen equipos de mejora del factor de potencia (bancos de condensadores).

Cuando se esté diseñando el sistema de potencia para alimentar la minirred eléctrica, es de suma importancia conocer el factor de potencia de la red de distribución, con objeto de calcular la potencia aparente de los inversores, medida en kVA. Lo anterior se debe a que, a medida que un inversor va trabajando con cosenos de pi inferiores a 1, su rendimiento decrece considerablemente.

Paralelamente a la disminución del factor de potencia, también se incrementa la distorsión armónica total, lo que empeora la calidad de la onda senoidal generada. Como muestra, la figura siguiente representa las formas de onda de la tensión y la intensidad para un factor de potencia de 0.55 y una potencia de 50 por ciento (600 W) del inversor anterior.

Importancia de corrección de FP
De lo expuesto hasta ahora se concluye que, si bien ciertos inversores fotovoltaicos son capaces de generar potencia reactiva, no es conveniente que el factor de potencia en el que trabaje baje de 0.9, no sólo por la reducción de la eficiencia, sino porque también se acorta la vida útil de la electrónica de potencia, sobre todo si el equipo está trabajando prácticamente la mayor parte de su funcionamiento por debajo de este umbral.

En caso de que sea necesario alimentar una red con factores de potencia inferiores al mencionado, se deberán evaluar posibles soluciones a través del cálculo de un banco de condensadores.

Lee el artículo completo en la revista Constructor Eléctrico, edición de noviembre 2015

Sebastián Martín Martínez Balderas
Ingeniero mecánico electricista, con maestría en Energías Renovables. Es director General de Capacitores y Electrosistemas Industriales, S.A. de C.V. (Capelins Group). Se desempeña como vicepresidente de Calidad en el XIII Consejo Directivo de la Asociación de Constructores de Obra Eléctrica de Occidente (ACOEO); asimismo, forma parte de la Comisión de Eficiencia Energética, Energía Renovable y Cambio Climático del XXII Consejo Directivo del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Electricistas de Jalisco. Además, es miembro del Consejo Directivo de la ACOMEE 2015-2017.