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INTRODUCCIÓN
La integración de nuevas tecnologías de generación es la respuesta al crecimiento de la demanda de energía. En la etapa de distribución eléctrica se integra directamente recursos de generación distribuida, que son herramientas indispensables para incrementar la seguridad y confiabilidad del servicio de energía eléctrica [1].
Sistemas de generación distribuida incluyen centrales de generación eólicas y solares. Estas constituyen una de las principales soluciones para aliviar la carga de las redes de transporte de electricidad, además permiten la inserción de nuevas cargas, y permiten a los sistemas eléctricos una operación técnica y económicamente confiable [2]. Sin embargo, estas tecnologías tienen características propias que generan un impacto negativo en la red, como lo son armónicos, problemas térmicos, fluctuaciones, intermitencias, entre otros. Estos factores pueden afectar la calidad de la energía a ser entregada al usuario final [3]. Sin descartar que, otros elementos constitutivos del sistema aportan sus propias afectaciones, como los efectos de cargas no lineales [4].
Como solución al problema descrito se han desarrollado estudios como [5], [6]. Los que proponen mejorar la calidad energética en sistemas desbalanceados. Las técnicas que se proponen son: equilibrio de carga, análisis de las corrientes del neutro, compensación de la carga de potencia reactiva y mejora en las interferencias en el sistema eléctrico de potencia. Podemos decir que existen diferentes afectaciones en el sistema de distribución eléctrica. Es por eso que, en el presente estudio se propone a analizar los perjuicios causados por los armónicos y su compensación, por medio de dispositivos como el filtro activo de potencia (AFP).
En las investigaciones [7], [8] exponen en su literatura, el uso tradicional de filtros y pasivos para reducir armónicos en serie, pero en combinación con sistemas que se integran a la red, este mecanismo tiene límites en el nivel filtrado, lo que deteriora los elementos pasivos. En [9] se destacan tecnologías de filtrado avanzado como compensadores sincrónicos, APF, inversores de múltiples niveles, acondicionadores de calidad unificados, reguladores dinámicos, y otros. Estas tecnologías podrían ser un camino para la producción de energía limpia y para reducir el impacto en la calidad energética, especificamente los armónicos de corriente y voltaje. En el paper [10], se estudian la implementación de APF para problemas de compensación de potencia, armónicos, niveles de calidad, proponiéndose como solución efectiva, siempre que se diseñe con técnicas de control y monitoreo adecuadas [11].
Las agentes encargados de la distribución deben cumplir con estándares de operación para entregar el suministro de energía eléctrica a la demanda [12], regulada por las normas internacionales de calidad de la energía IEEE 519 y ISO 61000. Esto se logra con la incorporación de filtros activos de potencia, que permiten cumplir con los estándares antes descritos. Mejorando los parámetros de calidad del voltaje, factor de potencia, disminución de pérdidas, reducción del calentamiento en conductores y transformadores, entre otros beneficios [13], [14].
Debido a los costos de los APF, en [15] se abordan los filtros activos híbridos, que consisten en filtro pasivo con un filtro activo en paralelo. La Figura 1 detalla la conexión del filtro activo de potencia híbrido al sistema de generación distribuida y su interconexión con la red de distribución. Los filtros híbridos se controlan de la siguiente manera, los armónicos de orden bajo son suprimidos por la operación del filtro activo de potencia en paralelo, mientras que los armónicos de frecuencia más alta son eliminados por el filtro pasivo [16], [17]. Este filtro híbrido es más eficiente, de menor tamaño, económico y fiable en relación con tecnologías más antiguas. En [18] se detalla que, los convertidores de potencia combinados permiten el acoplamiento de fuentes de energía renovable a la red de distribución [19].
En función a lo descrito, el trabajo propuesto abarca el diseño y la implementación de un filtro activo de potencia híbrido para mejorar el perfil de voltaje cuando se integra generación fotovoltaica. Como esquema de modulación se considera la técnica de modulación por ancho de pulso de vectores espaciales. Esta metodología funciona sobre el inversor como unidad y se basa en que un único vector, que tiene la capacidad de representar las tres fases del sistema de potencia trifásico, este vector se origina a partir de los periodos tiempos de trabajo de las fases de conmutación del inversor [20], [21].
La estructura de este trabajo se divide en diferentes apartados que se describen a continuación: en el apartado 2 se detalla el diseño de la metodología del sistema propuesto, incluyendo sistema fotovoltaico (FV), convertidor DC-DC, convertidor DC-AC y APF. El aparatado 3 establece los resultados y su análisis. Y finalmente en el apartado 4 se presentan las conclusiones del trabajo elaborado.
METODOLOGÍA
Los modelos matemáticos y estructuras de cada uno de los componentes del sistema se describen a continuación.
La célula fotovoltaica es representada en la Figura 2, la cual está compuesta por una fuente de corriente I FV conectada en paralelo con un diodo y dos resistencias 𝑹 𝒑𝒍 y 𝑹 𝒔 , las cuales representan a las pérdidas de corriente y pérdidas en los terminales de la célula fotovoltaica respectivamente [22]-[24].
En el circuito equivalente de la célula fotovoltaica obtiene que la ecuación de corriente de salida de la célula fotovoltaica como se indica en la ecuación (1). Considerando un arreglo FV con un número definido de paneles en serie 𝑵 𝒑𝒔 y paneles en paralelo 𝑵 𝒑𝒑 , las ecuaciones de corriente, voltaje y potencia a la salida del arreglo fotovoltaico quedan descritas en las ecuaciones (2), (4) y (5).
En donde 𝑰 𝒐 se describe en (3):
En la Fig. 3 se ilustra la estructura del APF, el cual está conformado principalmente por un capacitor o banco de capacitores, un convertidor de fuente de voltaje y una inductancia de enlace necesaria para la conexión en paralelo con la red eléctrica [25]. En primer lugar, se determina el valor del voltaje DC sobre el banco de capacitores. En la ecuación (14) se define el cálculo de este.
Luego es necesario calcular el valor de la inductancia de enlace, la cual permitirá la inyección de la corriente de compensación hacia el sistema por parte del APF, haciendo posible un intercambio de energía. Su modelación se describe en la ecuación expresada en la ecuación (15).
Finalmente se determina el valor del capacitor del AFP. Para este cálculo se considera como factor de diseño el máximo rizado de voltaje DC permitido [26]. El valor del capacitor se calcula mediante la ecuación (16):
Una vez dimensionado el filtro activo, se propone realizar el control del APF, basándose en el cálculo de la corriente de referencia de compensación generando un bloque de control, el cual estará encargado de determinar la corriente de referencia que el APF deberá inyectar a la red para compensar los armónicos, mismo que se conforma por dos lazos principales, un lazo principal de corriente y un lazo secundario de control del voltaje DC del convertidor del APF [27].
Para el lazo principal, se utiliza un controlador de Marco de Referencia Síncrono (SRF, por sus siglas en inglés). Con este controlador se dispondrá de un marco de referencia que gira en el plano complejo, y está sincronizado con la tensión de la red en el punto de conexión.
Para analizar los efectos de la implementación del APF en la red eléctrica, se realizará una simulación en MATLAB/SIMULINK. Los parámetros diseñados para cada componente del sistema. El Sistema de Distribución IEEE 13 barras [28] ha sido modificado para incluir cargas monofásicas; y, el nodo 634 es el punto de conexión de la generación fotovoltaica. Dicho sistema se ilustra en la Fig. 4.
Para el diseño del arreglo fotovoltaico, se consideró, una potencia pico de 100 kW de acuerdo a las cargas, determinándose el panel a simular y el número de módulos fotovoltaicos serie y paralelo necesarios para poder proporcionar dicha potencia. La implementación de un convertidor DC-DC, y su diseño fue con base a la modelación matemática descrita. En la Tabla 2, se detallan los parámetros diseñados del convertidor DC-DC. La implementación y simulación del convertidor está en la Fig. 5.
Luego se diseñó una estrategia de control basada en el algoritmo seguimiento del máximo punto de potencia (MPPT), con el propósito de generar un tren de pulsos del ciclo de trabajo, con el que se pueda controlar la conmutación del convertidor DC-DC [29].
Para integrar la generación fotovoltaica con la red eléctrica se implementó un inversor. Para el caso, se estableció conectar la generación fotovoltaica en el nodo 634 del sistema IEEE, el cual tiene un nivel de voltaje de 480V, mediante un filtro RL En la Tabla 3, se exponen los parámetros diseñados del Inversor. El diseño del APF consiste básicamente en calcular el valor de la inductancia Lf APF y el valor del capacitor CAPF. En la Tabla 4, se observan los parámetros diseñados del APF.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El caso de estudio contempla dos escenarios, los cuales se describen a continuación:
Escenario 1: Estructura de componentes Arreglo Fotovoltaico - Convertidor Elevador (DC-DC) - Inversor (DC-AC) - Conexión a Sistema de Distribución IEEE 13 barras.
Escenario 2: Estructura de componentes Arreglo Fotovoltaico - Convertidor Elevador (DC-DC) - Inversor (DC-AC) - Conexión a Sistema de Distribución IEEE 13 barras incluyendo Filtro Activo de Potencia (APF). De manera inicial, se presenta un análisis del comportamiento de cada uno de los componentes del sistema, luego se expone una comparativa entre la simulación del Escenario 1 y el Escenario 2.
El arreglo fotovoltaico diseñado considera 55 ramales en paralelo de 6 módulos fotovoltaicos conectados en serie. En la Fig. 8, se muestra la curva I-V característica de los paneles fotovoltaicos. Esta curva está marcada por dos puntos relevantes, el voltaje de circuito abierto que es aproximadamente 385.20 V y la corriente de cortocircuito que es aproximadamente 327.8 A. También se marca el punto de voltaje y corriente en donde se tiene la máxima potencia PMP.
En las Fig. 9, Fig. 10 y Fig. 11 se muestra el voltaje, la corriente y la potencia proporcionada por los paneles fotovoltaicos respectivamente, las cuales son variables a la entrada del convertidor elevador. Se puede observar claramente la efectividad del algoritmo MPPT implementado, ya que cada una de estas variables alcanza rápidamente los valores deseados, correspondientes al punto de máxima potencia PMP.
En la Fig. 12 se ilustra el voltaje que se tiene a la salida del convertidor, el cual fue diseñado en 600 V. El voltaje a la salida del convertidor, como se puede observar presenta una buena respuesta transitoria, y rápida estabilización.
La etapa de conversión de corriente continua a corriente alterna, mediante la implementación del inversor, conlleva a un voltaje deseado a la salida del inversor, que fue diseñado para tener un valor de 480 V L-L RMS. En la Fig. 13 se ilustra el voltaje en el nodo 634 del sistema IEEE de 13 barras en el que se observa que las distorsiones armónicas son imperceptibles (rizado) las cuales han sido provocadas por las conmutaciones de los elementos de la generación fotovoltaica.
En la Fig. 14 se ilustra la corriente inyectada por el inversor en el sistema de distribución en el nodo 634. Se puede indicar que no existe un grado elevado distorsión armónica, ya que el filtro, a través de la inductancia de inyección a red, ha minimizado el impacto.
En la Fig. 15, se ilustra el voltaje en los capacitores del APF, señalándose una respuesta rápida, lo cual implica que el bloque de control del APF tiene un comportamiento adecuado. En la Fig.16 se ilustra la corriente de compensación inyectada por el APF, para eliminar la componente armónica en la corriente inyectada hacia el sistema de distribución.
Mediante la comparativa de los resultados obtenidos en los Escenarios 1 y 2, se pretende determinar los beneficios de la implementación del APF, referente a la atenuación o eliminación de amónicos. La reducción del contenido armónico con la implementación del filtro puede ser observada en el cálculo del contenido armónico THD, tal cual como se ilustra en la Tabla 5 y en la Fig. 17 y Fig. 18. Tomado de la onda de voltaje del nodo 634 del sistema de distribución de 13 barras de la IEEE, cumpliendo la norma regulada por las normas internacionales de calidad de la energía IEEE 519 y ISO 61000. La implementación del APF conlleva a que la distorsión armónica se atenúe significativamente, sin embargo, durante un período leve de tiempo de aproximadamente 0.2 segundos, se muestran oscilaciones de armónicos que son resultado del estado no estabilizado de operación del sistema, el cual es más significativo que el presentado en la Fig. 17. Este efecto se genera dado que, el sistema tiene más componentes, lo que causa más armónicos y tarda un delta de tiempo adicional en estabilizarse, lo citado se muestra en la Fig. 18.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
La implementación del filtro activo de potencia (AFP), reduce efectivamente los armónicos provocados por la conmutación de los dispositivos semiconductores componentes de la generación fotovoltaica. Concretamente se obtuvo una reducción del índice de distorsión armónica (THD), el cual para la fase a paso de 7.23% a 1.42%, para la fase b de 5.62% a 0.65% y finalmente para la fase c de 4.85% a 0.44%, cumpliendo la norma regulada por las normas internacionales de calidad de la energía IEEE 519 y ISO 61000.
La estrategia de seguimiento del máximo punto de potencia (MPPT) implementado demuestra un trabajo excelente en la extracción de la máxima potencia, el cual hace posible que el arreglo fotovoltaico opere siempre en el punto de máxima potencia, aportando una potencia de aproximadamente 100 kW.
Las variables de entrada y salida del convertidor DC-DC, alcanzaron los valores establecidos en el diseño, los cuales son: voltaje del arreglo fotovoltaico - 328V, corriente del arreglo fotovoltaico - 307A, potencia del arreglo fotovoltaico - 100kW, voltaje DC a la salida del convertidor - 600V.
El control del inversor es adecuado, ya que las variables de este alcanzaran los niveles establecidos de una manera rápida. Se obtuvo a la salida el voltaje en corriente alterna diseñado, el cual fue de 480V (L-L RMS).
