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An�lisis de arm�nicos en la red el�ctrica de la Universidad T�cnica de Manab�: Impacto con sistemas fotovoltaicos conectados a red

 

Harmonic analysis in the electrical network of the Technical University of Manab�: Impact with grid-connected photovoltaic systems

 

An�lise de harm�nicos na rede el�trica da Universidade T�cnica de Manab�: Impacto com sistemas fotovoltaicos ligados � rede

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: gferrin9667@utm.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 09 de junio de 2024 *Aceptado: 25 de julio de 2024 * Publicado: �12 de agosto de 2024

 

        I.            Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

Resumen

La generaci�n solar fotovoltaica en los �ltimos a�os viene ganando terreno sobre otros tipos de fuentes de energ�a gracias a que el contexto de crisis clim�tica ha empujado a las autoridades a adoptar medidas que busquen mitigar parte de las consecuencias ambientales. Esto hace que la diversificaci�n de la matriz energ�tica sea una prioridad para la humanidad si quiere alcanzar los objetivos de sostenibilidad propuestos. Este estudio busca evidenciar la presencia de distorsi�n arm�nica en los sistemas fotovoltaicos que alimentan las facultades de Veterinaria y Agr�cola localizadas en la extensi�n de Lodana de la UTM. �Se llev� acabo el an�lisis de arm�nicos con la conexi�n ininterrumpida del analizador de red PQ Box � 100 por periodos iguales a una semana para cada inversor y se determin� que los niveles de distorsi�n arm�nica presentes en la red no violan los l�mites establecidos por las normativas y est�ndares nacionales e internacionales.

Palabras claves: Micro red; Distorsi�n Arm�nica; Disturbios El�ctricos; Generaci�n Distribuida.

 

Abstract

In recent years, photovoltaic solar generation has been gaining ground over other types of energy sources thanks to the fact that the context of the climate crisis has pushed authorities to adopt measures that seek to mitigate part of the environmental consequences. This makes the diversification of the energy matrix a priority for humanity if it wants to achieve the proposed sustainability objectives. This study seeks to demonstrate the presence of harmonic distortion in the photovoltaic systems that feed the Veterinary and Agricultural faculties located in the Lodana extension of the UTM. The harmonic analysis was carried out with the uninterrupted connection of the PQ Box � 100 network analyzer for periods equal to one week for each inverter and it was determined that the levels of harmonic distortion present in the network do not violate the limits established by national and international regulations and standards.

Keywords: Micro grid; Harmonic Distortion; Electrical Disturbances; Distributed Generation.

 

Resumo

Nos �ltimos anos, a gera��o solar fotovoltaica tem vindo a ganhar terreno em rela��o a outros tipos de fontes de energia gra�as ao facto de o contexto da crise clim�tica ter levado as autoridades a adotar medidas que procuram mitigar parte das consequ�ncias ambientais. Isto torna a diversifica��o da matriz energ�tica uma prioridade para a humanidade se quiser atingir os objetivos de sustentabilidade propostos. Este estudo procura demonstrar a presen�a de distor��o harm�nica nos sistemas fotovoltaicos que alimentam as faculdades de Veterin�ria e Agr�cola localizadas na extens�o Lodana da UTM. A an�lise harm�nica foi realizada com a liga��o ininterrupta do analisador de rede PQ Box � 100 por per�odos iguais a uma semana para cada inversor e determinou-se que os n�veis de distor��o harm�nica presentes na rede n�o violam os limites estabelecidos pela regulamenta��o e normas nacionais e internacionais .

Palavras-chave: Micro-rede; Distor��o Harm�nica; Perturba��es El�tricas; Gera��o Distribu�da.

 

Introducci�n

Presente

De acuerdo a datos proporcionados en (World Energy Transitions Outlook 2023, 2023) se evidencia que la expansi�n anual de la capacidad energ�tica mundial ha venido desarroll�ndose desde el 2002 de una manera en que la capacidad proveniente de recursos renovables igual� la capacidad instalada que depende de los recursos no renovables en el a�o 2014 con una participaci�n del 50% para ambas, y a partir de ese a�o ha superado la capacidad instalada que procede de recursos no renovables.

Para asegurar el suministro de la demanda el�ctrica, la Universidad T�cnica de Manab� apuesta por la diversificaci�n en su matriz energ�tica, impulsando propuestas sustentables aplicando conocimientos actuales en el sector el�ctrico y de alto impacto que respondan a problem�ticas locales. Entre estas se puede contar la implementaci�n de energ�a solar fotovoltaica y e�lica para alimentar determinadas cargas dentro del campus universitario a manera de Generaci�n Distribuida (GD) (Mohamed Belrzaeg et al., 2023).

La GD, especialmente a trav�s de sistemas fotovoltaicos, ha experimentado un notable crecimiento buscando la diversificaci�n de la matriz energ�tica. Sin embargo, esta integraci�n de fuentes de recursos renovables plantea nuevos desaf�os t�cnicos con la calidad del suministro el�ctrico. Uno de los aspectos cr�ticos es la presencia de arm�nicos en la red el�ctrica, que pueden surgir como consecuencia de la operaci�n de equipos electr�nicos no lineales asociados a la generaci�n distribuida como es el caso de los inversores (Zhao et al., 2022).

Un arm�nico se entiende como tensiones y/o corrientes presentes en un sistema el�ctrico a un m�ltiplo de la frecuencia fundamental que se superponen produciendo la deformaci�n de la onda original (Plata, 2006). Su presencia provoca resonancias en serie y paralelo, el sobrecalentamiento en transformadores y banco de capacitores, entre otros, afectando la calidad de la energ�a suministrada, la exactitud en la lectura de los medidores y la respuesta de los elementos de protecci�n. El contenido arm�nico est� determinado por las amplitudes de los arm�nicos y por los �ngulos de fase (Dghim et al., 2018).

Los t�rminos que cuantifican el nivel de distorsi�n arm�nico en la corriente y tensi�n es la distorsi�n arm�nica total (THD) y la distorsi�n arm�nica individual (IHD) los cuales deben ser calculados en el Punto de Conexi�n com�n (PCC) (Zare Oskouei & Mohammadi-Ivatloo, 2020).

La presencia de arm�nicos generados por los inversores solares se encuentra principalmente en la corriente (Fortes et al., 2020), donde contribuyen factores como la variaci�n estoc�stica de la irradiaci�n solar incidente causada por efecto de las nubes o las horas crepusculares del d�a, el nivel de penetraci�n (%) y la ubicaci�n del sistema PV en la red (Anu & Fernandez, 2020; Vinayagam et al., 2019).

En una micro red dom�stica individual se presenta un nivel de distorsi�n arm�nica superior y variaciones de tensi�n m�s pronunciadas cuando la instalaci�n opera en modo isla y no conectada a red (Nomm et al., 2018). Tambi�n si el PCC de un sistema con alta penetraci�n fotovoltaica se encuentra a mayor distancia del transformador (Yaghoobi et al., 2019).

En diversos estudios se proponen t�cnicas como desconectar los m�dulos fotovoltaicos con un PLC durante bajos flujos de corriente y usar filtros pasivos o activos para mantener su conexi�n a la red (Gabr & Salem, 2018; Salem et al., 2022). Adem�s, se recomienda aplicar filtros para controlar arm�nicos, como la compensaci�n del flujo magn�tico, inyecci�n arm�nica y filtros pasivos con PWM (Modulaci�n por Ancho de Pulso) para una eliminaci�n selectiva de arm�nicos, considerada una soluci�n eficiente y econ�mica (Al-duaij, 2015; Korlevska et al., 2022).

En este trabajo se propone un an�lisis arm�nico de la red el�ctrica de la Universidad T�cnica de Manab� en su extensi�n de Lodana, permitiendo comprender mejor los desaf�os asociados a la generaci�n distribuida mediante sistemas fotovoltaicos y proponer soluciones adecuadas para mejorar la calidad del suministro el�ctrico.

 

 

 

 

Materiales y m�todos

La investigaci�n se llev� a cabo mediante una revisi�n bibliogr�fica sobre los arm�nicos, su influencia en los sistemas el�ctricos de potencia y las caracter�sticas del sistema fotovoltaico sujeto a estudio.

En este estudio se utiliza el analizador de red PQ Box � 100, proporcionado por la UTM, para realizar mediciones a la salida de los inversores del sistema fotovoltaico. El analizador de red se conecta a las tres l�neas de fase, el neutro y la tierra para la medici�n de voltajes y corrientes.

Recurso solar. - En (Rodr�guez-G�mez et al., 2022) se explica el comportamiento horario del consumo en la extensi�n de la UTM en Lodana como un consumo predominantemente diurno, coincidiendo con las actividades acad�micas y los periodos de mayor incidencia de la irradiaci�n solar, que, de acuerdo a datos del Global Solar Atlas (GSA) del World Bank Group, tiene una irradiaci�n solar de 2,253 kW-h/m² por dia y 25� de temperatura promedio.

 

Procedimiento para la medici�n de arm�nicos

Las mediciones se realizaron mediante la conexi�n continua del analizador en un periodo de una semana con intervalos de medici�n de 600 segundos. El analizador de red se conect� a cada inversor en las siguientes fechas:

• Inversor 1: mi�rcoles 7 de febrero del 2024 al mi�rcoles 14 de febrero del 2024
• Inversor 2: mi�rcoles 17 de enero del 2024 al mi�rcoles 24 de enero del 2024
• Inversor 3: mi�rcoles 31 de enero del 2024 al mi�rcoles 7 de febrero del 2024

 

Caracterizaci�n del sistema fotovoltaico

Seg�n datos obtenidos de (Intriago & Vinces, 2022) las principales caracter�sticas del sistema fotovoltaico son:

Potencia instalada: 69 kW

M�dulos fotovoltaicos: 138 m�dulos TAI ENERGY 500 Wp y 96 celdas monocristalinas

Inversores: 3 inversores KSTAR 220 VAC a 32 kW

�rea: 465 m²

Inclinaci�n: 10�

Horas solares activa promedio: 4 horas

Energ�a generada al d�a: 276 kWh/d�a

P�rdidas estimadas en el sistema: 10%

Sistema de almacenamiento: Ninguno

 

Discusi�n de los resultados

Se llev� a cabo la toma de mediciones en los par�metros de tensi�n y corriente al conectar el analizador de red PQ Box-100 para cada inversor. Cada toma de datos se llev� a cabo conectando el analizador de red de manera ininterrumpida por siete d�as para cada inversor. Estos datos fueron importados y analizados mediante el software WinPQMobil que permiti� la extracci�n de graficas que reflejan la distorsi�n arm�nica presente para cada l�nea del sistema en sus valores de tensi�n y corriente.

Si se violan los niveles permitidos de distorsi�n arm�nica en los par�metros de tensi�n y corriente, podr�a presenciarse la potencia de distorsi�n (D). Debido a que esta resulta mayor que la potencia aparente sin distorsi�n, existe una reducci�n del factor de potencia y un aumento del nivel de corriente que circula en elementos de la red. Esto se explica porque se puede considerar que la potencia de distorsi�n se desplaza 90� con respecto a un eje perpendicular al plano que representa la potencia reactiva Q y potencia activa P, siendo estas perpendiculares entre si tambi�n, llevando la representaci�n vectorial a una figura tridimensional como se muestra en la Figura 1.

 

Figura 1. Triangulo de potencias con presencia de distorsi�n harm�nica

 

En motores de inducci�n se producen p�rdidas adicionales en el cobre del estator, en el n�cleo, en el rotor y en otros componentes mec�nicos. Tambi�n sobre el rotor pueden inducirse pares electromagn�ticos adicionales. Se inducir� tensiones en el rotor de las maquinas s�ncronas al girar, lo que generar� calentamiento. Y en los transformadores el �efecto piel� causa un incremento en las p�rdidas del cobre, por ende, calentamiento del equipo. Tambi�n habr� sobreesfuerzo del aislamiento y p�rdidas en el conductor por corrientes Eddy (Badea & Ștefănescu, 2020).

A continuaci�n, se muestran los datos obtenidos mediante el analizador de red PQ-box 100 para todos los inversores:

 

Figura 2. Valores de distorsi�n arm�nica en la tensi�n en porcentaje respecto a la fundamental

 

En los resultados se reflejan los valores de distorsi�n arm�nica para cada fase en porcentajes de la fundamental. los componentes arm�nicos con mayor presencia equivalen a la 3�, 5�, 7�, 9�, 11� y 13�, es decir, de orden impar. Siendo las de orden 3�, 5� y 7� las componentes con mayor presencia en cada fase y es la 5� la que alcanza mayores valores de distorsi�n arm�nica. Esto es un claro indicio de cargas no lineales presentes en el sistema.

En la fase 1 la distorsi�n arm�nica de la 5� componente alcanza el 1.44% de la fundamental mientras que alcanza 1,62% y 1,57% para la fase 2 y fase 3 respectivamente. Siendo la fase 3 donde existe una mayor distorsi�n de la onda de tensi�n.

 

Figura 3. Valores de corriente arm�nica presente para cada l�nea conectada a los inversores del sistema fotovoltaico.

 

En la Figura 3 se evidencia la inyecci�n de corrientes arm�nicas de orden 3�, 5� y 7� principalmente. Produciendo un mayor impacto las de 5to orden. Con valores que superan ligeramente el valor de 1 amperio, siendo la fase 3 por donde circula el mayor valor de corriente arm�nica individual con 1,241 amperios respectivamente.

Existe una mayor cantidad de inyecci�n de corrientes arm�nicas impares por el neutro en. Que puede deberse al tipo de conexi�n de la carga, donde en caso de una conexi�n en estrella sin neutro la corriente de tercer orden se suma al neutro, mientras se cancela en las fases. As� mismo suceder�, si la impedancia del cable neutro es mayor en comparaci�n con las fases, desviando la arm�nica de tercer orden por este. O, si es el caso de que exista un desbalance en las cargas trif�sicas, ya que esto evitar�a que las corrientes arm�nicas se cancelen completamente en el neutro, produciendo un incremento en su valor.

Entre otros factores esta la saturaci�n del transformador, que por la presencia de arm�nicos inducir� el aumento en la impedancia del neutro provocando un mayor flujo de corriente con contenido arm�nico por dicho conductor, as� como tambi�n, en el caso en que haya una conexi�n a tierra del neutro, que al crear un camino de baja impedancia contribuye a aumentar la distorsi�n en el mismo.

No podemos descartar que las corrientes arm�nicas en el neutro pueden amplificarse tambi�n si existe resonancia entre la impedancia del sistema y las capacitancias par�sitas de las cargas.

Tomando en cuenta los datos de los tres inversores, se conoce que la mayor contribuci�n a la distorsi�n arm�nica en los perfiles de tensi�n y corriente es responsabilidad de los equipos electr�nicos que com�nmente suelen usarse en estas edificaciones. En las facultades de veterinaria y agr�cola, siendo edificios en los que se distribuyen salones de clases, oficinas, bibliotecas y ba�os, se cuenta con iluminaci�n fluorescente, computadores de escritorio, PC port�tiles, impresoras, dispensadores de agua, acondicionares de aire, televisores, proyectores, equipos de telecomunicaciones, entre otros. Estos son cargas no lineales responsables de la introducci�n de distorsi�n arm�nica en la forma de onda fundamental de la corriente que circula en el sistema.

Cabe recalcar que la fase 3 en todos los inversores presentan mayor nivel de inyecci�n de corrientes arm�nicas. Esto se puede explicar conociendo la distribuci�n de las cargas, siendo una posibilidad que exista mayor cantidad de cargas no lineales en la fase 3 si la comparamos con las otras dos fases.

Adem�s, la predominancia de arm�nicas de 5a y 7�, 11� y 13a orden puede ser explicada por la penetraci�n de la generaci�n solar, las caracter�sticas del sistema fotovoltaico conectado a la red y la operaci�n de los inversores al interactuar con las cargas, y que, al ser equipos con tecnolog�a electr�nica conmutable tambi�n influye el n�mero de pulsos con los que el convertidor funciona. As� mismo, no hay que descartar la influencia de posibles fluctuaciones de voltaje y periodos transitorios en la red que contribuya a la generaci�n de distorsi�n arm�nica.

 

 

Conclusiones

En esta investigaci�n se cumpli� el objetivo propuesto con la toma de datos mediante el analizador de red PQ-box 100 para esclarecer la presencia de distorsi�n arm�nica en los par�metros el�ctricos de la red que alimenta las instalaciones pertenecientes a las facultades de veterinaria y agr�cola de la Universidad T�cnica de Manab� en el punto de interconexi�n de los tableros de distribuci�n de cada edificio, con los sistemas fotovoltaicos instalados en sus respectivas terrazas.

Aunque todos los inversores analizados muestran valores de distorsi�n arm�nica en el perfil de la tensi�n y es evidente la inyecci�n de corrientes arm�nicas triples e impares, los niveles de distorsi�n arm�nica no violan las recomendaciones estipuladas por ARCONEL, CONELEC y la IEEE.

 

Referencias

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9.      Mohamed Belrzaeg, Mohamed Abou Sif, Emad Almabsout, & Umar Ali Benisheikh. (2023). Distributed generation for Microgrid technology. International Journal of Scientific Research Updates, 6(1), 083-092. https://doi.org/10.53430/ijsru.2023.6.1.0062

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17.  Zare Oskouei, M., & Mohammadi-Ivatloo, B. (2020). Integration of Renewable Energy Sources Into the Power Grid Through PowerFactory. Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-44376-4

18.  Zhao, E., Han, Y., Lin, X., Liu, E., Yang, P., & Zalhaf, A. S. (2022). Harmonic characteristics and control strategies of grid-connected photovoltaic inverters under weak grid conditions. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 142, 108280. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2022.108280

 

 

 

 

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

 

 

 

 

 

 

 

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