Calidad de la energía eléctrica

La calidad de la energía eléctrica es el grado en que el voltaje, la frecuencia y la forma de onda de un sistema de suministro de energía se ajustan a las especificaciones establecidas. La buena calidad de la energía se puede definir como un voltaje de suministro constante que se mantiene dentro del rango prescrito, una frecuencia de CA constante cerca del valor nominal y una curva de voltaje suave (que se asemeja a una onda sinusoidal). En general, es útil considerar la calidad de la energía como la compatibilidad entre lo que sale de una toma de corriente y la carga que se enchufa a ella. El término se utiliza para describir la energía eléctrica que impulsa una carga eléctrica y la capacidad de la carga para funcionar correctamente. Sin la energía adecuada, un dispositivo (o carga) eléctrico puede funcionar mal, fallar prematuramente o no funcionar en absoluto. Hay muchas maneras en que la energía eléctrica puede ser de mala calidad, y muchas más causas de esa mala calidad de la energía.

La industria de la energía eléctrica comprende la generación de electricidad (energía de CA), la transmisión de energía eléctrica y, en última instancia, la distribución de energía eléctrica a un medidor de electricidad ubicado en las instalaciones del usuario final de la energía eléctrica. Luego, la electricidad pasa a través del sistema de cableado del usuario final hasta llegar a la carga. La complejidad del sistema para trasladar la energía eléctrica desde el punto de producción al punto de consumo, combinada con las variaciones en el clima, la generación, la demanda y otros factores, brindan muchas oportunidades para que la calidad del suministro se vea comprometida.

Si bien la "calidad de la energía" es un término conveniente para muchos, es la calidad del voltaje, más que la potencia o la corriente eléctrica, lo que en realidad describe el término. La potencia es simplemente el flujo de energía y la corriente demandada por una carga es en gran medida incontrolable.

Introducción

La calidad de la energía eléctrica puede describirse como un conjunto de valores de parámetros, tales como:

• Continuidad del servicio (si la energía eléctrica está sujeta a caídas de tensión o sobreajes por debajo o por encima de un nivel de umbral causando así apagones o marrones)
• Variación de la magnitud del voltaje (véase infra)
• Tendencias y corrientes transitorias
• Contenido armónico en las ondas para potencia AC

A menudo es útil pensar en la calidad de la energía como un problema de compatibilidad: ¿el equipo conectado a la red es compatible con los eventos en la red y la energía entregada por la red, incluidos los eventos, es compatible con el equipo que ¿está conectado? Los problemas de compatibilidad siempre tienen al menos dos soluciones: en este caso, o limpiar la energía, o hacer que el equipo sea más resistente.

La tolerancia de los equipos de procesamiento de datos a las variaciones de voltaje a menudo se caracteriza por la curva CBEMA, que proporciona la duración y magnitud de las variaciones de voltaje que pueden tolerarse.

Lo ideal es que el voltaje de CA sea suministrado por una empresa de servicios públicos como sinusoidal que tenga una amplitud y frecuencia dadas por los estándares nacionales (en el caso de la red eléctrica) o las especificaciones del sistema (en el caso de una fuente de alimentación no conectada directamente a la red eléctrica) con un Impedancia de cero ohmios en todas las frecuencias.

Desviaciones

Ninguna fuente de energía real es ideal y, por lo general, puede desviarse al menos de las siguientes maneras:

Voltaje

• Las variaciones en la tensión media cuadrada (RMS) de pico o raíz son importantes para diferentes tipos de equipos.
• Cuando el voltaje RMS supera el voltaje nominal de 10 a 80% para 0,5 ciclo a 1 minuto, el evento se llama "swell".
• Un "dip" (en inglés británico) o un "sag" (en inglés americano los dos términos son equivalentes) es la situación opuesta: el voltaje RMS está por debajo del voltaje nominal de 10 a 90% para 0,5 ciclos a 1 minuto.
• Las variaciones aleatorias o repetitivas en el voltaje RMS entre el 90 y el 110% de nominal pueden producir un fenómeno conocido como "golpeador" en equipos de iluminación. Flicker es rápido cambios visibles de nivel de luz. La definición de las características de las fluctuaciones de tensión que producen flicker de luz objetable ha sido objeto de investigación en curso.
• Abrupto, aumentos muy breves en el voltaje, llamados "spikes", "impulses", o "cirugías", generalmente causados por grandes cargas inductivas que se encienden, o más severamente por el rayo.
• "Undervoltage" ocurre cuando el voltaje nominal cae por debajo del 90% durante más de 1 minuto. El término "brownout" es una descripción adecuada para las gotas de tensión en algún lugar entre la potencia completa (luz derecha) y un apagón (sin potencia – sin luz). Proviene de la notable a la disminución significativa de las luces incandescentes regulares, durante fallas del sistema o sobrecargas, etc., cuando el poder insuficiente está disponible para lograr el brillo completo en la iluminación (normalmente) doméstica. Este término está en uso común no tiene una definición formal pero se utiliza comúnmente para describir una reducción del voltaje del sistema por parte del operador de la utilidad o del sistema para disminuir la demanda o aumentar los márgenes operativos del sistema.
• "Overvoltaje" ocurre cuando el voltaje nominal se eleva por encima del 110% por más de 1 minuto.

Frecuencia

• Variaciones en la frecuencia.
• Impedancia de baja frecuencia (cuando una carga extrae más potencia, la tensión baja).
• Impedancia de alta frecuencia no cero (cuando una carga demanda una gran cantidad de corriente, entonces de repente deja de exigirla, habrá un dip o pico en el voltaje debido a las inductancias en la línea de alimentación).
• Variaciones en la forma de onda – usualmente descritas como armónicas en frecuencias inferiores (generalmente menos de 3 kHz) y descritas como Distorsión de Modo Común o Interharmonía en frecuencias superiores.

Forma de onda

• La oscilación del voltaje y la corriente sigue idealmente la forma de una función sine o cosina, sin embargo puede alterarse debido a imperfecciones en los generadores o cargas.
• Típicamente, los generadores causan distorsiones de tensión y cargas provocan distorsiones actuales. Estas distorsiones ocurren como oscilaciones más rápidas que la frecuencia nominal, y se denominan armónicas.
• La contribución relativa de los armónicos a la distorsión de la forma ideal de onda se llama distorsión armónica total (THD).
• El bajo contenido armónico en forma de onda es ideal porque los armónicos pueden causar vibraciones, zumbidos, distorsiones de equipos y pérdidas y sobrecalentamiento en transformadores.

Cada uno de estos problemas de calidad de la energía tiene una causa diferente. Algunos problemas son el resultado de la infraestructura compartida. Por ejemplo, un fallo en la red puede provocar una caída que afectará a algunos clientes; cuanto mayor sea el nivel de la falla, mayor será el número de afectados. Un problema en el sitio de un cliente puede provocar un transitorio que afecte a todos los demás clientes del mismo subsistema. Los problemas, como los armónicos, surgen dentro de la propia instalación del cliente y pueden propagarse a la red y afectar a otros clientes. Los problemas armónicos se pueden abordar mediante una combinación de buenas prácticas de diseño y equipos de reducción bien probados.

Acondicionamiento de energía

El acondicionamiento de energía es modificar la energía para mejorar su calidad.

Se puede utilizar un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) para desconectar la alimentación principal si hay una condición transitoria (temporal) en la línea. Sin embargo, las unidades UPS más baratas generan energía de mala calidad, similar a imponer una onda cuadrada de mayor frecuencia y menor amplitud encima de la onda sinusoidal. Las unidades UPS de alta calidad utilizan una topología de doble conversión que descompone la energía CA entrante en CC, carga las baterías y luego remanufactura una onda sinusoidal de CA. Esta onda sinusoidal remanufacturada es de mayor calidad que la alimentación de CA original.

Se utiliza un regulador de voltaje dinámico (DVR) y un compensador en serie síncrono estático (SSSC) para la compensación de caídas de voltaje en serie.

Un protector contra sobretensiones o un simple capacitor o varistor pueden proteger contra la mayoría de las condiciones de sobretensión, mientras que un pararrayos protege contra picos severos.

Los filtros electrónicos pueden eliminar los armónicos.

Redes inteligentes y calidad de la energía

Los sistemas modernos utilizan sensores llamados unidades de medición fasorial (PMU) distribuidos por toda su red para monitorear la calidad de la energía y, en algunos casos, responder automáticamente a ellos. El uso de estas características de redes inteligentes de detección rápida y autorreparación automatizada de anomalías en la red promete brindar energía de mayor calidad y menos tiempo de inactividad, al mismo tiempo que respalda la energía de fuentes de energía intermitentes y generación distribuida, que, si no se controla, degradaría la calidad de la energía.

Algoritmo de compresión

Un algoritmo de compresión de la calidad de la energía es un algoritmo utilizado en el análisis de la calidad de la energía. Para brindar un servicio de energía eléctrica de alta calidad, es esencial monitorear la calidad de las señales eléctricas, también denominada calidad de energía (PQ), en diferentes ubicaciones a lo largo de una red de energía eléctrica. Las empresas de servicios eléctricos monitorean cuidadosamente y constantemente las formas de onda y las corrientes en varias ubicaciones de la red, para comprender qué conduce a eventos imprevistos, como cortes de energía y apagones. Esto es particularmente crítico en sitios donde el medio ambiente y la seguridad pública están en riesgo (instituciones como hospitales, plantas de tratamiento de aguas residuales, minas, etc.).

Desafíos

Los ingenieros utilizan muchos tipos de medidores que leen y muestran formas de onda de energía eléctrica y calculan los parámetros de las formas de onda. Miden, por ejemplo:

• corriente y voltaje RMS
• relación de fase entre ondas de una señal multifase
• factor de potencia
• frecuencia
• distorsión armónica total (THD)
• potencia activa (kW)
• potencia reactiva (kVAr)
• potencia aparente (kVA)
• energía activa (kWh)
• energía reactiva (kVArh)
• energía aparente (kVAh)
• y muchos más

Para realizar un seguimiento suficiente de los imprevistos, Ribeiro et al. Explica que no basta con mostrar estos parámetros, sino también capturar datos de forma de onda de tensión en todo momento. Esto es impracticable debido a la gran cantidad de datos involucrados, provocando lo que se conoce como “efecto botella”. Por ejemplo, a una tasa de muestreo de 32 muestras por ciclo, se recolectan 1920 muestras por segundo. Para medidores trifásicos que miden formas de onda tanto de voltaje como de corriente, los datos son entre 6 y 8 veces más. Las soluciones más prácticas desarrolladas en los últimos años almacenan datos solo cuando ocurre un evento (por ejemplo, cuando se detectan altos niveles de armónicos del sistema de energía) o, alternativamente, para almacenar el valor RMS de las señales eléctricas. Sin embargo, estos datos no siempre son suficientes para determinar la naturaleza exacta de los problemas.

Compresión de datos sin procesar

Nisenblat et al. propone la idea de un algoritmo de compresión de la calidad de la energía (similar a los métodos de compresión con pérdida) que permite a los medidores almacenar continuamente la forma de onda de una o más señales de energía, independientemente de si se produce o no un evento. de interés fue identificado. Este algoritmo denominado PQZip dota a un procesador de una memoria suficiente para almacenar la forma de onda, en condiciones normales de energía, durante un largo período de tiempo, de al menos un mes, dos meses o incluso un año. La compresión se realiza en tiempo real, a medida que se van adquiriendo las señales; calcula una decisión de compresión antes de recibir todos los datos comprimidos. Por ejemplo, si un parámetro permanece constante y otros fluctúan, la decisión de compresión retiene sólo lo que es relevante de los datos constantes y retiene todos los datos de fluctuación. Luego descompone la forma de onda de la señal de potencia de numerosos componentes, durante varios períodos de la forma de onda. Concluye el proceso comprimiendo los valores de al menos algunos de estos componentes durante diferentes períodos, por separado. Este algoritmo de compresión en tiempo real, realizado independientemente del muestreo, evita lagunas de datos y tiene una relación de compresión típica de 1000:1.

Compresión de datos agregados

Una función típica de un analizador de energía es la generación de un archivo de datos agregados durante un intervalo determinado. Por lo general, se utiliza un intervalo de 10 minutos o 1 minuto según lo especificado por los estándares IEC/IEEE PQ. Durante el funcionamiento de dicho instrumento se crean tamaños de archivo importantes. Como Kraus et al. han demostrado que la relación de compresión en dichos archivos utilizando el algoritmo de cadena Lempel-Ziv-Markov, bzip u otros algoritmos de compresión sin pérdidas similares pueden ser significativos. Al utilizar la predicción y el modelado de las series temporales almacenadas en el archivo de calidad de energía real, la eficiencia de la compresión posterior al procesamiento generalmente mejora aún más. Esta combinación de técnicas simplistas implica ahorros tanto en los procesos de almacenamiento como de adquisición de datos.

Estándares

La calidad de la electricidad suministrada está recogida en normas internacionales y sus derivadas locales, adoptadas por diferentes países:

EN50160 es el estándar europeo para la calidad de la energía, que establece los límites aceptables de distorsión para los diferentes parámetros que definen el voltaje en la alimentación de CA.

IEEE-519 es la directriz norteamericana para sistemas de energía. Se define como una "práctica recomendada" y, a diferencia de EN50160, esta directriz se refiere tanto a la distorsión de la corriente como al voltaje.

IEC 61000-4-30 es el estándar que define los métodos para monitorear la calidad de la energía. La edición 3 (2015) incluye mediciones de corriente, a diferencia de las ediciones anteriores que se relacionaban únicamente con la medición de voltaje.