Localización y valoración de fuentes de distorsión armónica y/o desequilibrio en redes eléctricas

Resumen

En la actualidad, los consumos de potencia eléctrica se caracterizan por una amplia variedad de cargas en sus procesos productivos, en muchos de los casos cargas trifásicas/monofásicas constituidas por convertidores electrónicos de potencia. Por otro lado, los sistemas eléctricos están hoy día evolucionando hacia sistemas de generación descentralizados donde las unidades de generación, principalmente de energía renovable, se conectan mediante convertidores electrónicos directamente a las redes de distribución. Los consumos referidos y la generación distribuida, contribuye al crecimiento de las corrientes armónicas y desequilibradas que conllevan, entre otros, a un aumento de las pérdidas de la red, y mal funcionamiento de los equipos. Desafortunadamente, la identificación de estas fuentes de perturbación no puede lograrse por medio de medidas individuales en una sección determinada de un sistema eléctrico. La solución efectiva del problema requiere tener que conocer las medidas simultáneas de los parámetros eléctricos de calidad de todas las acometidas donde estén conectados los consumidores. En efecto, los índices empleados usualmente para valorar la calidad, principalmente la tasa de distorsión armónica, no son apropiados para evaluar la calidad de la energía eléctrica cuando está presente una fuerte distorsión, y especialmente en aquellos casos donde existen múltiples fuentes de perturbación conectadas a la red. Por otra parte, se ha demostrado que las medidas de la calidad de la energía eléctrica llevadas a cabo en una sección de medida determinada de la red, no pueden suministrar la información suficiente al menos sin recurrir a mecanismos de medida invasivos. Así, en la bibliografía se encuentran diferentes enfoques para abordar este tipo de cuestión. Estos pueden clasificarse en dos grupos: métodos de medidas en una sección localizada, y métodos de medida distribuidos multipunto (medidas efectuadas simultáneamente en diferentes secciones de la red). Los métodos basados en medidas realizadas en un punto de la red tienen como ventajas principales su bajo coste y su fácil implementación en las instalaciones, pero en algunas condiciones pueden registrar una información inexacta respecto del estado de perturbación de la red. Por otra parte, los métodos de medidas distribuidas multipunto registran una información más precisa respecto del estado de distorsión y desequilibrio del sistema de potencia completo, aunque en la práctica hasta ahora sean difíciles de realizar y requiera una instrumentación más compleja tanto desde el punto de vista de hardware como de software. Además, este enfoque exige la definición de nuevos índices y los correspondientes métodos de medidas asociados para la evaluación de los niveles de las perturbaciones periódicas en la sección de medida. Este enfoque es el que se considera que puede resolver de forma definitiva la cuestión y el que se plantea en esta tesis. En esta tesis se propone un nuevo índice basado en medidas distribuidas multipunto para la identificación de distorsión armónica y/o desequilibrio. El índice propuesto está construido a partir de términos de potencia dentro del marco del estándar IEEE 1459. El estándar presenta un modelo de descomposición de la potencia aparente en condiciones de distorsión y asimetría, sin embargo, éste carece de una evaluación práctica del desequilibrio causado por la carga. El algoritmo propuesto se define usando un nuevo método de descomposición de potencia aparente que lo separa en cuatro componentes, así el nuevo índice introduce dos novedades significativas. En primer lugar, se define en función de términos de potencia desarrollados según la misma filosofía de trabajo que el estándar IEEE 1459. Y en segundo lugar, los términos de potencias utilizados representan una evolución de los términos del estándar, ya que separan de forma más completa la distorsión y el desequilibrio. La nueva propuesta de índice se valida a partir de dos plataformas: una de simulación en el entorno de MATLAB/Simulink y otra experimental desarrollada en el laboratorio de potencia del grupo de investigación. La tesis se ha organizado de la siguiente manera: en el capítulo I se estudia el problema de la distorsión armónica y el desequilibrio en los sistemas eléctricos de potencia de forma conceptual, además se plantea una clasificación de los métodos de localización de fuentes de perturbación. En el capítulo II se realiza un estudio de los métodos basados en medidas realizadas en un único punto de la red. El capítulo III tiene un doble objetivo, por un lado se presentan los índices distribuidos multipunto más representativos recogidos en la literatura técnica, y por otro, se desarrolla la nueva propuesta de índice de medidas distribuidas para la identificación de fuente de distorsión armónica y/o desequilibrio en la red, basado en términos de potencia en el marco del estándar IEEE 1459. En el capítulo IV, con el objetivo de contrastar y validar la nueva propuesta, se realiza un análisis comparativo de los índices distribuidos multipunto a través de una plataforma experimental. Por último, en el capítulo V se presentan las conclusiones de este trabajo.