Compensación de potencia reactiva en sistemas de distribución

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Calidad de la forma de onda en sistemas de distribución

Este capítulo resume las principales características de los sistemas de distribución y los problemas asociados a la calidad de la forma de onda. Igualmente presenta algunas tecnologías en desarrollo y su relación con las redes inteligentes.

Los sistemas modernos de energía requieren cumplir altos estándares de calidad y confiabilidad. Por tal razón, es necesario desarrollar metodologías y dispositivos que permitan mantener una forma de onda sinusoidal y una potencia instantánea constante. En particular, los sistemas de distribución son propensos a presentar problemas relacionados con la calidad de la forma de onda debido a la variedad de dispositivos no lineales conectados a este nivel. La normatividad en este aspecto varía de acuerdo al nivel de tensión. En algunos casos se puede incluso desconectar o sancionar a un usuario conectado directamente al sistema de distribución, debido al contenido de armónicos de la corriente inyectada a la red. Los límites máximos permitidos de distorsión armónica para cada nivel de tensión dependen del código de red (Power and Society, 2014).

La mayoría de los problemas relacionados con la calidad de la forma de onda de tensión y corriente, se debe principalmente al creciente uso de dispositivos electrónicos y en particular, a aquellos basados en electrónica de potencia (Singh et al., 1998).

Los convertidores basados en conmutación forzada inyectan corrientes armónicas de altas frecuencias, las cuales pueden ser fácilmente filtradas por la componente inductiva de los transformadores. Sin embargo, los convertidores de potencia basados en conmutación de línea, se comportan como cargas no lineales inyectando corrientes armónicas a la red a bajas frecuencias. Estos dispositivos de electrónica de potencia están presentes en todo tipo de equipos, desde electrodomésticos como televisores y computadores, pasando por equipos industriales como variadores de velocidad e incluso en generadores eólicos. En consecuencia, podemos afirmar que el desarrollo de la electrónica de potencia es una de las principales causantes de distorsiones en la forma de onda. No obstante, la electrónica de potencia puede ser potencialmente parte de la solución. Los convertidores basados en conmutación forzada permiten introducir corrientes armónicas controladas que contrarresten los efectos de las distorsiones de la red. Este tipo de compensación recibe el nombre de filtros activos. Sin embargo, su función va mas allá del filtrado de la corriente, permitiendo corregir el factor de potencia así como el índice de desbalance y por tanto, aumentar la eficiencia de la red eléctrica (Lee and Wu, 1998). Igualmente, pueden tener efecto sobre la curva de carga y el mercado eléctrico si son construidos con elementos con alta capacidad de almacenamiento de energía. Los filtros activos son de esta forma, un elemento importante en las redes eléctricas futuras, las cuales presentan nuevos requerimientos de flexibilidad y calidad de la energía que son exigidos bajo el paradigma de las redes inteligentes o Smart Grids.

El control de los dispositivos de compensación se realiza mediante técnicas convencionales similares a las que se utilizan en los variadores de velocidad. Sin embargo, el punto de referencia para estos controladores así como el análisis de los mismos en el contexto del sistema de distribución requieren una discusión detallada. La Teoría PQ es una de las más utilizadas para definir este punto de operación. No obstante, las técnicas de optimización matemática pueden ser igualmente utilizadas. El uso de este tipo de técnicas en el desarrollo de sistemas de compensación de potencia reactiva se ha estudiado desde mucho antes del desarrollo de la Teoría PQ (Rodriguez, 2005; Salmeron et al., 2004) destacándose el trabajo desarrollado por Fritz en (Fryze, 1932). Igualmente, conceptos de optimización matemática han sido utilizados en la definición de los diferentes términos de potencia (Willems et al., 2005; Furuhashi et al., 1990; Chang et al., 2002; Garces and Molinas, 2011; Uyyuru et al., 2009; Jeon, 2005). Este libro va más allá de estas aplicaciones y muestra una teoría unificada de compensación que utiliza la optimización matemática como herramienta fundamental. En este sentido, se utilizaránúnicamente técnicas de optimización exactas, las cuales son directamente aplicables al contexto de las redes inteligentes debido a que éstas pueden ser fácilmente implementadas en aplicaciones en tiempo real.

El problema de calidad de la energía ha sido ampliamente estudiado en la literatura especializada. Sin embargo, la penetración de fuentes de energía renovable y el uso de nuevas tecnologías de compensación producen un impacto significativo en la forma como se debe abordar el problema. Tanto los dispositivos de compensación como las fuentes de energía renovable, especialmente eólica y solar-fotovoltaica, requieren del uso de un convertidor de potencia. Este convertidor puede realizar compensación de potencia reactiva en la red si se controla adecuadamente. El uso de sistemas de comunicación es importante para desarrollar esquemas de control coordinado; sin embargo, la operación debe encontrar un balance adecuado entre control local y control centralizado. Los controles locales reducen costos y aumentan la confiabilidad del sistema mientras que los controles centralizados aumentan la eficiencia en la operación. Los dos problemas principales relacionados con la calidad de la energía a ser estudiados en este libro, son los de compensación de potencia reactiva, balance del sistema y mejoramiento de la forma de onda.

1.1 La potencia reactiva en sistemas de distribución

La potencia activa es un concepto físico fácilmente identificable en los sistemas de potencia. No sucede lo mismo con la potencia reactiva, ésta se produce debido a la transformación de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético. El primero es representado en los efectos capacitivos de la red, mientras que el segundo es representado por sus efectos inductivos. Por convención, la potencia reactiva fluye desde las capacitancias hacia las inductancias, en este proceso, se pueden presentar pérdidas a lo largo de elementos resistivos y consecuentemente, ineficiencias en el sistema.

La potencia reactiva tiene un significado más o menos claro, en sistemas de potencia monofásicos, operando en condiciones ideales de estado estacionario con corrientes y tensiones sinusoidales puras. Cuando se extiende a los sistemas trifásicos, su significado se hace un poco más difuso, ya que mientras una fase es positiva, las demás son negativas, de tal forma que, la potencia reactiva resultante de la suma de las tres fases es igual a cero. Por convención se ha definido la potencia reactiva trifásica como tres veces la potencia reactiva en cada una de las fases.

Mucho más complejo es el concepto de potencia reactiva en sistemas con distorsión armónica. Si bien, esta distorsión ocasiona sobrecorrientes que se traducen en pérdidas, éstas no surgen de la interacción entre el campo eléctrico y el campo magnético y por tanto requieren un estudio independiente que, dentro de lo posible, evite la definición de una potencia reactiva. Algunos autores han propuesto el uso de una potencia de distorsión D que junto con la potencia activa y reactiva constituye la potencia aparente, como se muestra a continuación:

Este tipo de definición es poco práctica para diseñar controladores que minimicen en tiempo real los efectos de la potencia de distorsión, ya que ésta condensa múltiples fenómenos e interacciones en la red. Una forma más detallada en donde se separan diferentes términos y se les da un significado físico a cada uno es la presentada por Czarnecki (Czarnecki, 2006). Aunque muy útil para analizar el origen de las pérdidas de potencia reactiva y la interacción de los diferentes componentes, esta teoría es también poco práctica a la hora de diseñar controladores que permitan mejorar la calidad de la energía. Una metodología que permite diseñar controladores sin definir la potencia reactiva se mostrará en el Capítulo 6.

1.2 Armónicos en sistemas eléctricos y otros problemas relacionados con la calidad de la energía

La presencia de cargas no lineales en los sistemas eléctricos provoca distorsiones armónicas en las formas de onda de tensión y corriente, las cuales afectan negativamente la operación de la red. Las distorsiones armónicas ocasionan interferencia en los sistemas de comunicación y control, interferencia en la operación de equipos electrónicos, torques pulsantes en los motores y sobre todo, aumento en las pérdidas de la red.

En los transformadores, las corrientes armónicas producen diferentes efectos adversos. Por un lado, las corrientes de Eddy aumentan significativamente debido a la distorsión armónica incrementando las pérdidas de potencia activa. De otro lado, las corrientes a frecuencias armónicas pueden saturar el núcleo del transformador aumentando el comportamiento no lineal e inyectando armónicos adicionales a la red. Finalmente, los transformadores con conexión en delta pueden llegar a sobrecargarse debido a las corrientes circulantes, en efecto, los armónicos de orden tres quedan atrapados en la delta del transformador, lo cual es benéfico para las cargas conectadas en el secundario del mismo, las cuales no ‘ven’ esta corriente. Sin embargo, la corriente queda atrapada en la delta del transformador y por tanto éste debe ser dimensionado teniendo en cuenta este aumento.

Se puede producir una amplificación de la respuesta del sistema a determinadas frecuencias de resonancia, debido a los condensadores conectados a lo largo de un alimentador primario, los cuales están calibrados para compensar potencia reactiva y no para mitigar el contenido armónico. Del mismo modo, estas frecuencias pueden entrar en resonancia con la capacitancia equivalente del modelo de línea de distribución, esta capacitancia es despreciable en las líneas aéreas, pero puede llegar a ser considerable en el caso de los cables subterráneos presentes especialmente en los centros de las ciudades.

Los elementos de protección se ven afectados por el aumento de la corriente eficaz debido a la presencia de corrientes armónicas. Algunos sistemas de protección son de carácter electrónico, por lo que pueden ser sensibles a la presencia de corrientes armónicas, produciendo falsos disparos en detrimento de la confiabilidad del usuario final. Igualmente, las corrientes circulantes por el neutro pueden ocasionar falso disparo.

Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas en el sistema de distribución, especialmente en el caso de los armónicos de orden tres. Estos armónicos producen una corriente resultante de secuencia cero que circula por el neutro de las líneas de distribución, disminuyendo significativamente la eficiencia del proceso de transmisión de potencia. Este hecho hace que el conductor de neutro requiera el mismo calibre o mayor que los conductores de fase, a pesar de que en teoría la corriente por este conductor debería ser cero.

Existen tres fuentes principales de polución armónica en sistemas de distribución: i) los elementos saturables, ii) los dispositivos de arco y, iii) los dispositivos basados en electrónica de potencia. Los dos primeros son elementos pasivos por lo que su comportamiento no lineal es resultado de las características físicas del dispositivo.

Una forma de medir el grado de polución armónica de una señal de voltaje o corriente es mediante el Índice de Distorsión Armónica Total o THD por sus siglas en inglés (Total Harmonic Distortion). Éste se define como un porcentaje de la fundamental, en el caso de la tensión toma la siguiente forma:

donde V1 es la componente fundamental de la tensión y Vh son cada una de las componentes armónicas.

La normatividad colombiana en materia de distorsión armónica está basada en el estándar IEEE 519 (Power and Society, 2014). Para los niveles de tensión del I al III el máximo THDv es de 5.0% mientras que para el nivel de tensión IV es de 2.5%. Estos límites se muestran en detalle en la Tabla 1.1. En cuanto a los usuarios directamente conectados al sistema de transmisión nacional, el máximo THDv es de 1.5%.

Tabla 1.1: Límites máximos de THD de tensión para sistemas de distribución de acuerdo a la Norma IEEE519 (Power and Society, 2014)

Los límites de distorsión de corriente se dan en porcentaje de la corriente de corto circuito Isc para cada frecuencia armónica como se muestra en la Tabla 1.2.

Tabla 1.2: Límites máximos de corriente para sistemas de distribución de acuerdo a la Norma IEEE 519 (Power and Society, 2014)

En comparación, el sistema de distribución es más propenso a sufrir problemas relacionados con altas distorsiones armónicas. Es por ello que los sistemas de compensación y filtros activos presentados en este libro están principalmente orientados a media y baja tensión.

1.3 Los sistemas de distribución

Los sistemas de distribución tienen como objetivo recibir la energía eléctrica que llega desde los grandes centros de generación a través del sistema de potencia, y distribuirla a los diferentes usuarios a niveles de tensión adecuados. La operación de estos sistemas debe realizarse bajo parámetros de eficiencia, calidad y confiabilidad. Aproximadamente el 70% de las pérdidas totales de energía se presentan a nivel de distribución y por tanto, los retos son mayores a este nivel. Igualmente, la introducción de fuentes de energía alternativa con potencias variables hacen más complejo su análisis y operación.

Los sistemas de distribución presentan características particulares que los diferencian de los sistemas de potencia, entre ellas se destacan:

•Radialidad: los sistemas de distribución son operados de forma radial evitando la necesidad de sofisticados sistemas de adquisición de datos (SCADA) y facilitando la coordinación de las protecciones que, en la mayoría de los casos, son relés de sobrecorriente. Asimismo, la topología radial reduce las corrientes de cortocircuito y la cantidad de documentación descriptiva.

•Relación R/X: a diferencia de los sistemas de potencia, las líneas de distribución presentan