Soluciones de sistema innovadoras y económicas la era de la transformación de la red energética.

La transformación de la industria energética de una estructura centralizada a un suministro de energía descentralizado está creando redes energéticas complejas con flujos de carga volátiles y direcciones de flujo de carga cambiantes. Los efectos de retroalimentación de la red deben reducirse a un nivel tolerable para evitar efectos negativos. En este contexto, los convertidores convencionales y no convencionales y la tecnología de medición de la calidad de la energía convergen para formar una «solución de sistema» innovadora y económica con vistas al futuro.
con vistas al futuro.

La transformación de la estructura de generación, transporte, distribución y consumo de las redes energéticas centroeuropeas se está acelerando, también en otras partes del mundo. Por ejemplo, en Alemania, el acuerdo de coalición del gobierno federal prevé el abandono progresivo de la generación de electricidad a partir del carbón para 2030, mientras que el abandono de la energía nuclear aún está por decidir. Además, los estados federados deben poner el 2 % del suelo a disposición de la energía eólica. Paralelamente, será obligatoria la energía solar en los tejados de los nuevos edificios comerciales.

Esto significa que las grandes centrales eléctricas que representan la producción centralizada de energía serán sustituidas gradualmente por numerosos productores descentralizados más pequeños. Éstos suelen alimentar todos los niveles de la red, desde la conexión doméstica de baja tensión hasta la red de muy alta tensión, con ayuda de componentes electrónicos de potencia. Por otra parte, cada vez más consumidores del mercado han instalado también elementos de electrónica de potencia como parte de las mejoras de la eficiencia energética. Esto da lugar a una red energética compleja con flujos de carga volátiles y direcciones de flujo de carga cambiantes. Además, la característica no lineal de los componentes electrónicos de potencia da lugar a las denominadas repercusiones de red en las redes de energía y es la principal causa de componentes de tensión y corriente de mayor frecuencia en las redes de energía.

El cambio en la retroalimentación de la red, como las tensiones/corrientes armónicas y el parpadeo, debe limitarse a un nivel tolerable para evitar perturbaciones. La estructura de productores y consumidores da lugar a numerosos puntos de transferencia y compensación, que son puntos neurálgicos para garantizar la calidad de la tensión.

El siguiente ejemplo, tomado de una medición de TenneT en la red de transporte, muestra el cambio en los niveles de armónicos individuales a lo largo de cinco años en comparación con 2017. Se compararon los cuantiles máximos del 95 % de una semana. Al primer año de esta comparación se le asignó 1 pu. La figura 1 solo muestra los órdenes armónicos con niveles de medición relevantes para la evaluación. Puede observarse que los cambios significativos en los niveles de medición pueden deberse a cambios en la red, como la nueva conexión de componentes electrónicos de potencia o un cambio en la topología de la red.

Para determinar los niveles de armónicos y el factor THD (distorsión armónica total), se necesitan dispositivos de medición de la calidad de la energía que ya registren componentes de tensión y corriente de alta frecuencia hasta el rango de los supraarmónicos (emisiones de alta frecuencia > 2 kHz). Además, estos dispositivos pueden admitir el análisis de interferencias, por ejemplo, mediante interfaces de transitorios integradas con una frecuencia de muestreo de hasta 40,96 kHz.

Además del aumento de emisores de armónicos mencionado en la introducción, toda red eléctrica tiene también resonancias paralelas y en serie que se alternan con el aumento de la frecuencia, empezando por la resonancia paralela. Los armónicos pueden excitar estos sistemas, provocando perturbaciones importantes como ruido, daños en los equipos o interacciones con los equipos electrónicos de potencia.

La experiencia práctica demuestra que los fenómenos mencionados se producen con mayor frecuencia. Esto se debe, entre otras cosas, a la modificación de la estructura de generadores y consumidores, pero también a la adición de secciones parciales de cableado.

Un comportamiento de transmisión definido de los transformadores de corriente y tensión instalados es un requisito esencial para la localización de averías y la supervisión de los valores límite. Básicamente, los dispositivos de medición de la norma PQ deben proporcionar datos a prueba de tribunales, pero también trazables. Por lo tanto, la norma de instrumentos de medida IEC 61000-4-30 para instrumentos de clase A describe completamente la agregación y precisión de los datos de medida. La precisión de las entradas de medición debe ser <0,1 %, y la de la medición de armónicos <5 %.
de la medición de armónicos <5 %.

Debe respetarse toda la cadena de medición

El vínculo entre el contador PQ y la red de energía es la conversión de las señales de corriente y tensión. A menudo se utilizan transformadores de corriente y tensión convencionales ensayados según las normas IEC 61869-2, -3, -4 o -5. El problema es que estos transformadores están diseñados y ensayados para funcionar a la frecuencia nominal. El problema es que estos transformadores están diseñados y probados para funcionar a la frecuencia nominal. Por tanto, su comportamiento de transmisión de frecuencia no permite detectar con precisión los armónicos de orden superior y los supraarmónicos. Por consiguiente, a menudo no se tiene en cuenta la dependencia de la frecuencia de la relación de transmisión.

Sin embargo, este procedimiento conlleva importantes incertidumbres, ya que las afirmaciones precisas sobre la relación de transmisión dependiente de la frecuencia sólo pueden realizarse mediante procedimientos de medición complejos y, a menudo, sólo después de que se hayan producido perturbaciones. Así pues, se plantea la cuestión de qué tecnología de dispositivos primarios puede utilizarse para realizar una medición adecuada de la tensión en un amplio espectro de frecuencias.

Aunque los transformadores de corriente, como se muestra en la figura 2, tienen una respuesta en frecuencia de banda relativamente ancha, ésta está muy limitada,
especialmente en el caso de los transformadores de tensión inductivos, debido a los puntos de resonancia naturales, por lo que no cumplen los requisitos para la medición de la calidad de la energía. Además, estos puntos de resonancia naturales se acercan más a la frecuencia de la red a medida que aumenta la tensión del sistema, por lo que la idoneidad para la medición de la calidad de la energía es más limitada (véase IEC/TR 61869-103). Por ello, se requiere un principio de medición alternativo. Los divisores de tensión capacitivos resistivos, abreviados divisores RC, son adecuados para este fin debido a su excelente respuesta en frecuencia y se utilizan sobre todo en redes de muy alta y alta tensión. La sintonización adecuada de estos componentes primarios con las magnitudes eléctricas indicadas en la figura 4 permite alcanzar una clase de precisión de 0,2 en la gama de frecuencias de 0 a 10 kHz.

Los divisores de tensión resistivo-capacitivos, abreviados divisores RC, son adecuados para este fin debido a su excelente respuesta en frecuencia y se utilizan sobre todo en redes de muy alta y alta tensión.

Si se combinan estos componentes primarios con las magnitudes de medida eléctricas indicadas en la figura 4, es posible alcanzar una clase de precisión de 0,2 en la gama de frecuencias de 0 a 10 kHz.

Mediciones de la calidad eléctrica en la red de transporte de TenneT

Por ejemplo, en el gestor de la red de transporte TenneT, cada vez más generadores y consumidores no lineales, como HVDC, STATCOM, plantas de baterías, plantas de electrólisis y parques eólicos, se conectan ya hoy a la red de extra alta tensión y lo harán cada vez más en el futuro.

Las normas técnicas VDE-AR-N 4130 para la conexión de instalaciones de clientes a la red de muy alta tensión y su funcionamiento (TAR Extra High Voltage) y las normas técnicas VDE-AR-N 4131 para la conexión de sistemas HVDC e instalaciones de generación conectadas a través de sistemas HVDC (TAR HVDC) exigen límites superiores para la inyección de componentes armónicos y componentes en el rango de frecuencias armónicas de hasta 9 kHz en el punto de conexión a la red. Además, las emisiones admisibles deben coordinarse entre los abonados y su verificación debe realizarse mediante procedimientos adecuados.

Hoy en día, esta medición en el nodo de la red con generadores y consumidores no lineales se lleva a cabo utilizando divisores RC instalados permanentemente y dispositivos de medición de la calidad de la energía inteligentes PQI-DA (o PQI-DE). La impedancia de los dos dispositivos se adapta entre sí, incluida la longitud del cable de señal medida, para obtener la mayor precisión de medición posible. Además, cada vez hay más tareas de medición temporales en la red de muy alta tensión con mayor precisión para mediciones de calidad de la energía o para registrar procesos de conmutación transitorios.

Por ejemplo:

• Determinación de armónicos de fondo para la coordinación de armónicos en la fase de planificación de proyectos con nuevas conexiones de generadores y consumidores no lineales.
• Puesta en servicio de nuevos tipos de equipos
• Investigaciones temporales en el contexto de la puesta en servicio de nuevos tramos de red

TenneT ya cuenta con dos sistemas de medición móviles en uso para este fin.

Estos sistemas de medición móviles constan de un divisor RC montado en un remolque y una superestructura única con la tecnología de medición y comunicación instalada para la conexión a la red de comunicación. Esto, en combinación con los cables de conexión premontados, permite una medición de igual calidad en comparación con el sistema de medición instalado permanentemente.

La figura 5 muestra el divisor RC móvil de PFIFFNER Messwandler en la práctica, la figura 6 muestra los dispositivos de medición PQI-DA smart y PQI-DE de A. Eberle en la red del sistema para registrar la calidad de la energía.

Los registradores de averías y analizadores de redes de calidad eléctrica PQI-DA smart y PQI-DE, instalados de forma fija, son los componentes centrales de un sistema con el que se pueden resolver todas las tareas de medición en una red de baja, media y alta y extraalta tensión.

Los analizadores pueden utilizarse como registradores de perturbaciones con una frecuencia de muestreo de hasta 40,96 kHz como instrumentos de medición de la calidad de la energía según
EN 50160 / IEC 61000-2-2/4 o como analizadores de potencia. Además de
sobre todo, los componentes son adecuados para supervisar y registrar calidades de referencia especiales o acuerdos de calidad entre el proveedor de energía y su cliente y ponerlos a disposición para su evaluación o almacenamiento.
Los modernos instrumentos de medición de la calidad de la tensión funcionan según la norma IEC 61000-4-30, Ed. 3 (Clase A). Esta norma define métodos de medición para proporcionar una base comparable al usuario.

El siguiente ejemplo de una campaña de medición con el sistema de medición móvil descrito muestra los resultados de medición de las bandas de 200 Hz en la gama de frecuencias por encima del 40º armónico hasta 9 kHz según el procedimiento de medición de la norma DIN EN 61000-4-7.

A. Eberle y PFIFFNER Messwandler, naturalmente en equipo con proveedores de energía como TenneT, reconocieron pronto los signos de los tiempos y actuaron en consecuencia. Como resultado, se ha establecido el rumbo para soluciones preparadas para el futuro.