1. Introducción La calidad de suministro

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1 1. Introducción 1.1. La calidad de suministro La calidad de suministro eléctrico es en nuestros días un tema que preocupa de forma creciente tanto a usuarios finales como a distribuidores de electricidad. No en vano, el término calidad de suministro se ha convertido en uno de los más populares dentro del mundo de la Ingeniería Eléctrica desde finales de la década de los ochenta. Dentro de este nuevo término se engloban una gran cantidad de perturbaciones electromagnéticas del sistema eléctrico que no son necesariamente nuevas y que son suficientemente conocidas por especialistas del sector. Sin embargo, actualmente se intenta considerar a todos estos fenómenos individuales en conjunto, para intentar buscar soluciones de forma sistemática a los mismos. La preocupación acerca de la calidad de suministro antes citada se basa en cuatro aspectos fundamentales: Los receptores eléctricos actuales son cada vez más sensibles a las condiciones de la tensión de alimentación. Este hecho se debe a que la mayor parte de los mismos incorporan dispositivos electrónicos, que sustituyen a los tradicionales mecanismos electromecánicos que componían a los receptores eléctricos clásicos. El incesante énfasis en la eficiencia energética de los distintos componentes del sistema eléctrico está motivando la utilización de variadores de velocidad en los accionamientos eléctricos. Este tipo de carga es no lineal, lo que conlleva la aparición de armónicos en el sistema con toda su problemática asociada. El aumento de preocupación del usuario final por los temas que conciernen a la calidad de suministro eléctrico. En este sentido, los clientes de las compañías distribuidoras están cada vez más informados acerca de fenómenos como interrupciones de suministro, huecos de tensión, transitorios, etc. y fuerzan a éstas para que mejoren las condiciones en las que se les entrega la energía. La creciente integración de sistemas está motivando que el fallo de un componente pueda provocar un fallo de la totalidad del mismo. Por otra parte, no es sencillo dar una definición clara de lo que la calidad de suministro significa, pues existen multitud de puntos de vista. Por ejemplo, las compañías distribuidoras frecuentemente definen la calidad de suministro como fiabilidad, mostrando estadísticas de suministro 99.98% fiable. Por otra

2 parte, los fabricantes de receptores eléctricos pueden definir la calidad de suministro refiriéndose a las condiciones de la tensión de alimentación que hace que sus equipos funcionen de forma adecuada. Evidentemente ambas visiones son completamente diferentes. En última instancia, la calidad de suministro es un concepto que debe ser definido por el usuario final del producto electricidad. En este sentido, cualquier problema que manifestado en tensión, intensidad o frecuencia conlleva el fallo o malfuncionamiento de los equipos del usuario final supone una merma de la calidad de suministro. La verdadera razón por la cual existe este interés por la calidad de suministro eléctrico se debe a su impacto económico tanto en consumidores finales, clientes y fabricantes de equipos. Los consumidores finales industriales presentan un mayor grado de automatización con equipos controlados de forma electrónica, los cuales son extremadamente sensibles a las condiciones de la alimentación. Pequeñas perturbaciones, como un microcorte de escasa duración, pueden provocar paradas de procesos productivos con la consiguiente repercusión económica. Por otra parte, las compañías distribuidoras necesitan cumplir con las expectativas de los clientes finales y conseguir su fidelización. Este hecho se agudiza con el proceso de liberalización de los mercados energéticos acaecido en los últimos años, en los que se establecen escenarios de competencia en la venta de electricidad al usuario final. La pérdida de mercado de una compañía en beneficio de los competidores puede tener un impacto económico importante. Por último, los fabricantes de equipos se enmarcan en sectores en los que existe una fuerte competencia, viéndose obligados a sacar al mercado equipos al menor coste posible. Introducir mejoras en los equipos para soportar cierto nivel de perturbaciones supone un incremento de coste del mismo. Como respuesta a esta creciente preocupación, las compañías distribuidoras, como responsables de la calidad del producto electricidad, están poniendo los medios adecuados a través de la creación de departamentos específicos que gestionen los problemas de calidad de suministro con el usuario final de la electricidad. Estos medios pueden ser desde reactivos, en los que la compañía responde a las quejas de los usuarios hasta activos, en los que se participa no sólo en la formación del cliente sino también en aportar servicios que ayuden a adoptar la mejor solución a los problemas de calidad de suministro. A este panorama hay que añadir en nuestros días el espectacular crecimiento de la generación distribuida en redes de distribución de energía eléctrica. Este nuevo tipo de generación se caracteriza por ser completamente diferente a lo que podría denominarse generación convencional. Tanto las potencias nominales, puntos de conexión a red como tecnologías de conversión empleadas son características diferenciales. En este sentido hay que tener presente que la inclusión masiva de este tipo de generación en las redes de distribución puede afectar sobremanera a la calidad de suministro eléctrico

3 percibida por los usuarios finales de electricidad. Este hecho se debe a los siguientes motivos principalmente: La generación distribuida en redes de distribución puede modificar en gran medida el perfil de tensiones a lo largo de los alimentadores que parten de las subestaciones. En el caso de generación distribuida basada en recursos energéticos renovables, solar y eólica, se inyecta en los nudos de conexión potencia que en ningún caso es controlable, lo cual puede afectar a las tensiones de la red de distribución. Las tecnologías de conversión energética contienen en multitud de ocasiones dispositivos basados en electrónica de potencia que pueden incidir de forma negativa en la tensión de la red. Dado que la generación distribuida puede, en casos extremos, modificar los flujos de potencia por las líneas se pueden producir funcionamientos anómalos de las protecciones Normativa de calidad de suministro Real Decreto 1955/2000 La ley 54/1997 de 27 de noviembre del Sector Eléctrico [54/1997] establece las bases del proceso de liberalización del sector eléctrico en España acaecido a partir del año A partir de esta ley se realiza un desarrollo normativo para regular las diferentes actividades del sector. En concreto, el Real Decreto 1955/2000 del 1 de diciembre por el que se regulan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica [RD 1955/2000], establece las bases del concepto de calidad de suministro en el sector eléctrico español. El análisis del concepto de calidad de suministro eléctrico en redes de distribución, dejando aparte el concepto de calidad de servicio en la red de transporte, se define en el Título VI, Capítulo II, Artículo 99. La calidad de suministro eléctrico, según esta legislación, se vertebra en tres ejes fundamentales: Continuidad de suministro, relativa al número y duración de las interrupciones. Calidad del producto, relativa a la calidad de la onda de tensión. Calidad de atención y relación con el cliente, relativa al conjunto de actuaciones de información, asesoramiento, contratación, comunicación y reclamación.

4 En particular se está interesado en cuestiones relativas a la calidad del producto entendida como la calidad de la onda de tensión. En este sentido, el RD 1955/2000 precisa que en cualquier caso se seguirán los criterios establecidos en la normativa UNE-EN así como las posibles instrucciones técnicas complementarias que sean dictadas por el Ministerio de Economía, previo informe de la Comisión Nacional de Energía. Hasta la fecha no ha sido aprobada ninguna instrucción técnica complementaria referente a calidad de suministro, por lo que en España se debe seguir exclusivamente lo contenido en la normativa UNE-EN Por otra parte, la comprobación del cumplimiento de la normativa de calidad de suministro UNE-EN50160 requiere de una serie de datos tomados en la red eléctrica a través de unos dispositivos de medida de calidad de suministro. Dichos equipos deben procesar la información de una forma establecida por otra normativa la CEI Norma UNE-EN50160 Esta norma se refiere a las condiciones que debe presentar la tensión de una red de distribución de baja o media tensión en el punto de conexión con el cliente para unas condiciones normales de explotación. En este sentido, se debe tener en cuenta que no debe aplicarse en las siguientes circunstancias: Condiciones de operación subsiguientes a una avería o a instalaciones provisionales realizadas para mantener la alimentación a clientes en caso de trabajos de construcción y/o mantenimiento de la red. No conformidad de las instalaciones que se conectan a la red eléctrica, ya sea por parte del distribuidor o de la administración, por incumplimiento de algún requisito técnico. Condiciones excepcionales en las que el distribuidor no es responsable, tales como: condiciones climáticas excepcionales, catástrofes naturales, acciones de terceros, decisiones administrativas, acciones de huelga, fuerza mayor, etc. El objetivo de la norma es establecer las características de la tensión suministrada cifrada en los siguientes parámetros: frecuencia, amplitud, forma de onda y simetría de las tensiones trifásicas. En condiciones ideales de explotación de una red trifásica, las tensiones deberían ser senoidales equilibradas, esto es, igual valor eficaz por fase y con desfases de 120 grados, y con frecuencia de 50 Hz. Sin embargo, estas características no pueden mantenerse todo el tiempo debido principalmente a que en la red existen cargas que fluctúan e introducen perturbaciones conducidas y además pueden aparecer defectos originados por causas externas. Por estos motivos, las

5 características de la tensión varían en el tiempo y en el espacio de forma aleatoria, de forma que alguno de los límites impuestos en esta norma puede ser sobrepasados de forma esporádica alguna vez. Por otra parte, algunos de los fenómenos descritos en la norma son de naturaleza totalmente imprevisible, por lo que es difícil establecer valor límite alguno que caracterice a los mismos. Las características de la tensión de alimentación en sistemas públicos de distribución deben cumplir los siguientes condicionantes: Frecuencia. La frecuencia nominal de la tensión de red debe ser 50 Hz. En condiciones normales de explotación, el valor medio de la frecuencia fundamental medida en intervalos de 10 segundos debe situarse en los valores indicados en la Tabla 1.1. Dichos valores se aplican para redes de baja y media tensión. Tipo de red Valor Tiempo 50 Hz ± 1% 99,5 % del año Interconectadas 50 +4%/-6% 100 % del año 95 % de la 50 Hz ± 2% Aisladas semana 50 ± 15 % 100 % del año Tabla 1.1 Valores permisibles de la frecuencia de la tensión de red. Amplitud de la tensión suministrada. Para las redes de baja tensión y sistema de distribución de 4 hilos, la tensión normalizada debe ser 230 voltios entre la fase y el neutro. En la red de media tensión, esta tensión debe ser igual a la tensión declarada de la red de distribución. Variaciones de la tensión suministrada. En condiciones normales de explotación, en las que quedan excluidos los huecos de tensión e interrupciones, se deben verificar los criterios recogidos en la Tabla 1.2. La interpretación de la misma, tomando como ejemplo la primera fila de dicha tabla, es como sigue: adquiriendo medidas de la tensión promediadas cada 10 minutos (promedio) en una semana (intervalo de observación), el 95% (percentil) de las mismas debe estar comprendido entre un ± 10% (variación máxima) de la tensión nominal. Es interesante indicar que estos valores pueden ser sobrepasados en líneas largas, si bien los clientes que estén afectados por esta circunstancia deben ser informados al respecto.

6 Nivel de tensión Baja Intervalo de observación Promedio Variación máxima Percentil Semana 10 minutos ± 10% 95 % 10 minutos 10 minutos +10 %/-15 % 100% Media Semana 10 minutos ± 10% 95 % Tabla 1.2 Valores permitidos de variaciones de tensión. Variaciones rápidas de la tensión. Estas variaciones están provocadas por las rápidas variaciones de las cargas de los clientes de la red de distribución. Normalmente su amplitud suele estar comprendida entre el 5% y el 10 % de la tensión nominal en el nivel de baja tensión y entre el 4% y el 6% para media tensión. La principal consecuencia de estas variaciones rápidas de tensión es la aparición del parpadeo, o flicker, de las luminarias que en determinadas circunstancias puede llegar a ser muy molesto. La medida del parpadeo se realiza a través de los índices de severidad de corta y larga duración, Pst y Plt respectivamente. Para ver la definición de dichos índices se remite al lector a [CEI808]. En cualquier caso se debe verificar que la severidad del parpadeo de larga duración cumpla lo recogido en la Tabla 1.3 tanto para redes de baja como media tensión. Intervalo de Plt máximo Percentil observación Semana 1 95 % Tabla 1.3 Valores permitidos de la severidad del parpadeo de larga duración. Huecos de tensión. La normativa no indica los valores máximos de huecos de tensión que pueden darse en la red de distribución. El motivo principal es la aleatoriedad del fenómeno, dependiente de la configuración de la red de distribución y del punto de observación. No obstante, la norma da una serie de valores indicativos de número de huecos al año y caracterización de los mismos. Sin embargo, los valores indicados son tan dispersos que resultan de poca utilidad. En este sentido, se indica que la mayor parte de los huecos tiene una tensión remanente mayor del 40% con duraciones inferiores al minuto. Por otra parte, aquellos huecos poco severos con tensiones remanentes durante el hueco entre el 85% y el 90% de la tensión son frecuentes debido a arranques en las instalaciones de los clientes.

7 Interrupciones breves de la tensión suministrada. La norma no indica valores límites de este tipo de fenómeno que afecta a la calidad de suministro eléctrico. Como valor indicativo se comenta que alrededor del 70% de las interrupciones breves tiene una duración inferior a 1 segundo. Interrupciones largas de la tensión suministrada. La norma distingue entre interrupciones accidentales y previstas, no teniendo en cuenta estas últimas para el cómputo de los índices de calidad. De nuevo, la norma no establece unos valores máximos de interrupciones largas a lo largo del año ni duración máxima permitida de las mismas. Se entiende que la duración típica de una interrupción accidental de larga duración presenta una duración de alrededor de 3 minutos. Sobretensiones temporales entre fases y tierra. Este tipo de sobretensiones se producen a la frecuencia de red. Para redes de baja tensión no se dan valores máximos permitidos, si bien se adopta 1,5 kv como valor indicativo máximo de las mismas. En el caso de redes de media tensión, la máxima sobretensión depende del tipo de puesta a tierra de la red de distribución. Las sobretensiones en redes con neutro a tierra no deben sobrepasar 1.7 veces la tensión declarada de la red. En el caso de redes con neutro resonante o aislado las sobretensiones deben ser inferiores a 2 veces la tensión declarada. Sobretensiones transitorias entre fases y tierra. Se indican tan sólo valores indicativos acerca de la amplitud de las sobretensiones que pueden aparecer en redes de baja y media tensión. Desequilibrio de la tensión suministrada. Este parámetro de la calidad de suministro se mide a partir del cociente de la secuencia inversa frente a la directa, debiendo cumplirse lo recogido en la Tabla 1.4 en redes de baja y media tensión. Intervalo de Promedio Secuencia inversa/ Percentil observación secuencia directa Semana 10 minutos 2 % 95 % Tabla 1.4 Valores máximos permitidos de desequilibrio de tensión.

8 Tensiones armónicas. Los armónicos de tensión en un intervalo de observación de una semana con promedios realizados cada 10 minutos no deben superar el 95% del tiempo los valores máximos recogidos en la Tabla 1.5 en redes de baja y media tensión. Armónicos impares Armónicos No múltiplos de 3 Múltiplos de 3 pares Orden Tensión Orden Tensión Orden Tensión Orden Tensión 5 6 % 17 2 % 3 5 % 2 2 % 7 5 % % % 4 1 % % % % % 13 3 % % % Tabla 1.5 Valores máximos permitidos de distorsión de tensión. Tensiones interarmónicas. No se indican valores máximos ni indicativos debido a la poca experiencia de la comisión que redacta la norma en este campo, quedando pendiente de posterior estudio Objetivo del trabajo Desde el punto de vista de la calidad de suministros, la aparición de armónicos de intensidad en la red, provoca que las tensiones del sistema estén distorsionadas, afectando a los receptores eléctricos. Sin embargo, hoy día no existe ninguna normativa que regule la cantidad de armónicos de intensidad que se puedan introducir en la red eléctrica. El presente trabajo trata de presentar y analizar diversas técnicas de mitigación de armónicos de intensidad, tanto en sistemas eléctricos sinusoidales como para sistemas de tensiones distorsionado con ciertos contenidos armónicos y un cierto grado de desequilibrio. Después de analizar en profundidad los diferentes aspectos de la calidad de suministros y la normativa vigente reguladora, el Capítulo 2 da una descripción tanto de las fuentes básicas de producción de distorsión armónica de corriente y sus problemas ocasionados, como posibles alternativas de solución. El Capítulo 3 y 4 se centran en una alternativa de solución concreta, respectivamente en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Además de un enfoque relativo a la mitigación de armónicos, el presente trabajo trata de validar el modelo frecuencial de los métodos propuestos para el cálculo de las intensidades de referencia.