Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autores
- Javier Ballestín Fuertes, Investigador, Fundación CIRCE
- Jesús Muñoz-Cruzado Alba, Investigador, Fundación CIRCE
- José Francisco Sanz Osorio, Investigador, Instituto Universitario de Investigación Mixto CIRCE (Universidad de Zaragoza – Fundación CIRCE)
Resumen
La generación renovable ha aumentado desde un 12% del total en 2000 hasta un 30% en 2020, y se espera que para el año 2050 esta suponga un 50% del total. La variabilidad de los pequeños sistemas de autoconsumo, típicamente monofásicos, conectados a la red de baja tensión, producen unos consumos desequilibrados que afectan negativamente a la eficiencia y a la estabilidad del sistema. En este artículo se propone el uso de un D-STATCOM cuatro ramas para el equilibrado de redes débiles con consumos desequilibrados. El uso de este equipo reduciría las pérdidas en la línea, y proveería al operador de red de una herramienta adicional para la gestión de sobrecargas en las líneas y de tensiones de suministro desequilibradas. En primer lugar se explica el principio de funcionamiento de este equipo y cómo se realiza su integración en una red desequilibrada. Para la validación de este sistema se ha desarrollado un prototipo de D-STATCOM de 30 kVA, que se ha probado a nivel de laboratorio de forma previa a su instalación en campo. A continuación se presentan y analizan los resultados obtenidos. Finalmente, el trabajo concluye los beneficios de la instalación del D-STATCOM propuesto en redes débiles.
Palabras clave
4-Legs D-STATCOM, Recursos Energéticos Distribuidos, Redes Desequilibradas, Baja Tensión.
Introducción
La necesidad de mitigar los efectos del cambio climático está produciendo un cambio del modelo energético a nivel mundial. Para favorecer este cambio, la Unión Europea (UE) ha promovido nuevas directivas con el objetivo de potenciar la instalación de recursos energéticos distribuidos (DER) e incrementar su nivel de penetración en el sistema energético [1]. La generación energética renovable en la UE ha aumentado desde un 12% en el año 2000 hasta más de un 30% en 2020 [2]. Esto representa un crecimiento medio anual del 1,7%. Además, las previsiones apuntan a que este crecimiento se mantendrá durante los próximos años, alcanzando la generación renovable un 50% de la producción energética mundial para el año 2050 [3].
Las líneas de distribución suponen un 95,6% de los más de un millón de kilómetros que componen la red eléctrica española [4]. Entre las redes de distribución, son las redes de baja tensión (BT) las que se ven más afectadas por el incremento en la instalación de DER. Estas redes proveen de suministro principalmente a pequeños consumidores (inferiores a 10 kW) típicamente conectados de manera monofásica. La instalación de pequeños sistemas de autoconsumo se ha incrementado rápidamente en los últimos años como una manera de reducir el coste de la factura eléctrica para usuarios residenciales y comerciales.
Los principales inconvenientes generados por este fenómeno son bien conocidos [5] y se listan a continuación:
- Fluctuaciones de tensión
- Desequilibrios entre fases
- Disminución de la eficiencia
- Flujo inverso de potencia
- Aumento de los armónicos de tensión y corriente
- Aumento de la corriente de cortocircuito
En la actualidad, varios estudios se centran en diferentes técnicas para solucionar estos problemas [6]. Los tres primeros puntos del listado anterior están directamente relacionados con una circulación de corriente no equilibrada por las fases del sistema, lo que motiva la búsqueda de soluciones a este problema. En este artículo se propone un nuevo compensador estático de distribución (D-STATCOM) para corregir el problema de los desequilibrios en redes débiles de BT.
El presente documento se encuentra estructurado en los siguientes apartados: En primer lugar, se realiza una explicación del sistema propuesto, destacando las herramientas que proporciona el equipo al operador de red (DSO). Con el objetivo de probar el funcionamiento de la solución propuesta se ha creado un prototipo del D-STATCOM, el cual se detalla en la siguiente sección. A continuación, se presentan una serie de pruebas que han permitido validar el funcionamiento del prototipo a nivel de laboratorio, de forma previa a su instalación en una red real. Finalmente se presenta una discusión de los resultados obtenidos y se recogen las conclusiones.
Proyecto PARITY
El proyecto PARITY [7] parte de la estructura actual de la red eléctrica para abordar el desarrollo de un mercado eléctrico que mejore la durabilidad y eficiencia de la red de distribución en un escenario en el que la implantación de DER supere el 50% del mix de generación.
En este proyecto se están desarrollando una serie de herramientas que posibiliten una gestión activa de la red. Entre estas herramientas se contempla el desarrollo de un D-STATCOM que permita a los DSO mejorar su capacidad de gestión de la red y aumentar la capacidad de despliegue de DER.
Los STATCOM son equipos, usados habitualmente para la regulación de tensión en la red de transporte, que no disponen de ninguna clase de almacenamiento, generación o carga, por lo que no son capaces de tener un intercambio energético neto con la red. Como se muestra en la Figura 1, los STATCOM actuales se conectan de forma trifásica a la red, pues en la red de transporte no se dispone de cable de neutro. Esto provoca que el equipo solo pueda manejar corrientes equilibradas que, unido a la condición de que la potencia neta debe ser necesariamente cero, imposibilita el intercambio de corriente activa con la red.
Por el contrario, en la red de distribución de BT sí se dispone de un neutro físico, lo que permite añadir una cuarta rama (4-Leg) al D-STATCOM conectada a este, que proporciona un camino de retorno para las corrientes desequilibradas, como se muestra en la Figura 2. La capacidad de trabajar con corrientes desequilibradas hace posible el manejo de corriente activa sin incumplir que la potencia activa neta sea nula. Para ello se extrae potencia activa de una o dos fases para inyectarla en la fase o fases restantes, manteniendo el balance de potencia igual a cero y permitiendo una redistribución de la potencia activa circulante en la red.
En este contexto, la introducción de un D-STATCOM con conexión a neutro habilitaría la realización de un control monofásico independiente de cada una de las fases mediante el retorno de la corriente resultante a través del neutro. Esta característica permitiría al D-STATCOM inyectar la corriente calculada en (1) de forma que, como muestra la Figura 3, al sumarse a la corriente que circula hacia las cargas, el desequilibrio se anule y el resultado aguas arriba del equipo fuese la circulación de tres corrientes equilibradas en las fases y una corriente de neutro nula.
De forma adicional al equilibrado de potencia activa, el D-STATCOM también permitiría la reducción de las pérdidas por medio de la compensación de potencia reactiva, así como la regulación de la tensión de cada una de las fases, mediante la inyección de reactiva de forma independiente.
4L-STATCOM
Con el objetivo de probar el funcionamiento del concepto propuesto se ha desarrollado un D-STATCOM 4 ramas con una potencia nominal de 30 kVA a una tensión de red 400 V. Se ha optado por una topología trinivel NPC tipo I basada en silicio, como la mostrada en la Figura 4. Las topologías trinivel consiguen reducir el THD a la salida del convertidor frente a las topologías binivel. En concreto, el empleo de la topología NPC tipo I junto con IGBTs de silicio consigue un compromiso entre prestaciones y costes del equipo.
Las topologías NPC requieren un equilibrado del punto medio del bus de continua (NP), para corregir estas oscilaciones se ha empleado la estrategia de modulación CBPWM con compensación del punto medio propuesta en [8]. Las principales características del D-STATCOM desarrollado se muestran en la Tabla I.
Resultados
En esta sección se presentan las pruebas realizadas sobre el D-STATCOM de forma previa a su instalación en una red real. En primer lugar se ha probado el desempeño del equipo en diferentes puntos de funcionamiento. Estos puntos se han escogido de acuerdo a los siguientes casos extremos y a casos intermedios entre los mismos:
- Regulando una corriente nula por cada una de las fases
- Inyectando la corriente reactiva máxima por las tres fases
- Consumiendo la corriente reactiva máxima por las tres fases
- Absorbiendo la potencia activa máxima por una fase e inyectándola por otra
- Absorbiendo la potencia activa máxima por una fase e inyectándola por las otras dos
La Tabla II muestra, en cada uno de los puntos establecidos, la medida del rendimiento y la tasa de distorsión armónica (THD) en la corriente del D-STATCOM. Con estos datos se ha determinado la eficiencia máxima y el THD promedio resultando un 98% y un 1,5% respectivamente. En la Figura 5 se muestran las corrientes en el D-STATCOM para el punto de operación número 6 de la Tabla II.
Durante la realización de estas pruebas se han detectado algunas características que deben ser tenidas en cuenta. En primer lugar, ante un sistema de corrientes desequilibradas típicamente se tendrá una corriente circulando por el neutro no nula. Si se descompone este sistema en sus componentes simétricas, la corriente de neutro está directamente relacionada con la corriente homopolar. La corriente de neutro puede ser en el peor de los casos tres veces superior a la corriente de cualquiera de las fases. En el caso particular de usar el STATCOM para equilibrar potencia activa, esta corriente puede ser hasta 1,7 veces la corriente de fase. Este aspecto puede solucionarse durante el diseño del equipo, dimensionando la cuarta rama para admitir la máxima corriente de neutro, o en el control del mismo, limitando la consigna de corriente para que nunca se exceda la corriente máxima.
Otro aspecto que limita los puntos de operación que se pueden alcanzar son las oscilaciones en la tensión del bus de continua [8]. Estas oscilaciones pueden ser mitigadas aumentando la capacidad del bus, o incluso eliminarse completamente utilizando técnicas de modulación dipolar [9], aunque estas técnicas aumentan el número de conmutaciones en los semiconductores, penalizando la eficiencia.
Por último, como se muestra en la Figura 5, se ha realimentado el D-STATCOM con la medida de un analizador de red ubicado a la entrada del laboratorio con el objetivo de implementar un control en bucle cerrado que permita que el consumo visto desde aguas arriba del mismo sea completamente equilibrado y con un factor de potencia igual a la unidad. Además, también ha podido comprobarse que es posible la regulación de la tensión de las instalaciones del laboratorio por medio de la inyección y consumo de potencia reactiva.
Conclusiones
El cambio de modelo energético en el cual se encuentra inmerso el sistema eléctrico actual está haciendo aflorar una serie de problemas los cuales se manifiestan particularmente en la red de baja tensión. El despliegue de DER, en una red compuesta fundamentalmente por cargas monofásicas, produce desbalanceos que afectan negativamente a la eficiencia y durabilidad de la red.
Este artículo propone utilizar un D-STATCOM de cuatro ramas para realizar el balanceo de la corriente en redes de baja tensión desequilibradas. Esto se traduce en una reducción en el índice de carga de la línea, permitiendo eliminar completamente la corriente de neutro. Por un lado, esto repercute en una disminución de las pérdidas en la línea, evitando a su vez el sobrecalentamiento de los cables. También permite evitar los desequilibrios de tensión, debidos a diferentes caídas de tensión en la línea, producidos a su vez por diferentes flujos de corriente en cada fase.
Además, este equipo permite la inyección y consumo de potencia reactiva de manera independiente por cada una de las fases. Esta característica puede ser usada para cancelar la potencia reactiva que circula por la red, disminuyendo la corriente que circula por la línea. También puede ser utilizada para la regulación de tensión de forma monofásica en redes débiles o incluso para la compensación de huecos de tensión.
A continuación, se ha desarrollado un prototipo de 4L D-STATCOM y se ha realizado su validación en laboratorio previamente a su instalación en una red real. Estas pruebas han permitido caracterizar el equipo en diferentes puntos de funcionamiento y determinar sus aspectos limitantes. Finalmente se ha verificado que el D-STATCOM es capaz de realizar el balanceado de una red y regulación de tensión.
Agradecimientos
Este trabajo se realizó en el marco del proyecto PARITY (Pro-sumer AwaRe, Transactive Markets for Valorization of Distributed flexibilITY). Este proyecto ha sido financiado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de concesión N.864319.
Referencias
- European Commission, “Europe leads the global clean energy transition: commission welcomes ambitious agreement on further renewable energy development in the EU.,” Int. Energy Agency, vol. 1, no. February, p. 718, 2018.
- D. Jones, A. Sakhel, M. Buck, and P. Graichen, “Agora Energiewende and Sandbag (2018): The European Power Sector in 2017. State of Affairs and Review of Current Developments,” Agora Energiewende and Sandbag, p. 49, 2018.
- U.S. Energy Information Administration, “Energy Information Administration,” Choice Rev. Online, vol. 44, no. 07, pp. 44-3624-44–3624, 2007.
- “Las redes eléctricas en España – FutuRed. Plataforma española de redes eléctricasFutuRed. Plataforma española de redes eléctricas.” [Online]. Available: www.futured.es/las-redes-electricas-espana/. [Accessed: 19-Aug-2020].
- A. Patil, R. Girgaonkar, and S. K. Musunuri, “Impacts of increasing photovoltaic penetration on distribution grid – Voltage rise case study,” in 2014 International Conference on Advances in Green Energy, ICAGE 2014, 2014, pp. 100–105.
- G. Fernández et al., “Photovoltaic Generation Impact Analysis in Low Voltage Distribution Grids,” Energies, vol. 13, no. 17, p. 4347, Aug. 2020.
- “Parity H2020 – Parity H2020.” [Online]. Available: https://parity-h2020.eu/. [Accessed: 20-Aug-2020].
- I. López et al., “Generalized PWM-Based Method for Multiphase Neutral-Point-Clamped Converters with Capacitor Voltage Balance Capability,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 6, pp. 4878–4890, 2017.
- I. Lopez et al., “Modulation Strategy for Multiphase Neutral-Point-Clamped Converters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 2, pp. 928–941, Feb. 2016.