Mundo Fesc
E-ISSN: 2216-0388 P- ISSN: 2216-0353
Artículo Original
Calidad de la Energía de un Autogenerador
Fotovoltaico a Pequeña Escala Conectado a la Red:
Caso de Estudio
Power Quality of a Small-Scale Photovoltaic on Grid Ge-
nerator: Case Study
Recibido: 22 de julio de 2022
Aprobado: 28 de noviembre de 2022
Forma de citar: L.D. Pabón Fernández, O.J. Suarez, L.F. Gonzalez Archila “Calidad de la Energía de un
Autogenerador Fotovoltaico a Pequeña Escala Conectado a la Red: Caso de Estudio”, Mundo Fesc, vol
13, no. 26, pp. 131-151, 2022
Luis David Pabón Fernández*
Magíster en Controles Industriales
davidpabon@unipamplona.edu.co
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia.
Oscar J. Suarez
Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica
oscar.suarez@unipamplona.edu.co
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia.
Luis Felipe Gonzalez Archila
Ingeniero Eléctrico
luis.gonzalez2@unipamplona.edu.co
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia.
*Autor para correspondencia:
davidpabon@unipamplona.edu.co
Calidad de la
Energía de un
Autogenerador
Fotovoltaico a
Pequeña Escala
Conectado a la
Red: Caso de
Estudio
Resumen
Este artículo muestra un estudio de calidad de la energía
realizado sobre un auto generador, basado en energía
solar fotovoltaico de pequeña escala, ubicado en la región
andina de Colombia, específicamente en el municipio de
Pamplona, Norte de Santander. El estudio se realiza con el
analizador de redes Fluke 434-II debidamente calibrado,
el cual permitió obtener los datos en el punto común
de acoplamiento entre la instalación eléctrica existente
del edificio y el generador fotovoltaico. De esta manera
se realiza el análisis de calidad de la energía siguiendo
estándares internacionales como la norma IEEE 1159 e IEEE
519; de igual manera se analizaron los datos de consumo
de energía activa y reactiva donde se presentaron y
clasificaron 99 eventos, tales como armónicos de tensión,
sobretensiones, hundimientos, entre otros. Finalmente
se plantean recomendaciones como posibles soluciones
a los fenómenos electromagnéticos de calidad de la
energía y eventos de consumos de potencia encontrados.
Palabras clave: Autogenerador a pequeña
escala,
calidad de la energía, fenómenos
electromagnéticos
potencia activa potencia
reactiva, sistema fotovoltaico on grid.
Power Quality
of a Small-Scale
Photovoltaic on
Grid Generator:
Case Study
Abstract
This paper shows the power quality analysis of a small-
scale self-generator based on photovoltaic solar energy,
located in the Andean and mountainous region of
Colombia, specifically in the municipality of Pamplona
in the department of Norte de Santander. The study was
carried out with the Fluke 434-II power quality analyzer
which allowed data to be obtained at the common coupling
point between the existing electrical installation of the
building and the photovoltaic generator. and perform the
power quality analysis following international standards
such as IEEE 1159 and IEEE 519; likewise, active and reactive
energy consumption data were analyzed where 99 events
were presented and classified, such as voltage harmonics,
surges, collapses, among others. Finally, possible solutions
to the energy quality problems and power consumption
events found are presented as recommendations.
Keywords: Active power,
photovoltaic system on grid
Power
Quality, reactive power
electromagnetic
phenomena, small-scale auto-generator.
Introducción
A medida que la tecnología avanza y el consumo energético mundial aumenta, las
energías no convencionales y las fuentes de energía renovables se convierten en el nuevo
horizonte para la generación de electricidad, pues la transición energética hacia las
fuentes limpias es una necesidad impuesta por la problemática medioambiental causada
por las energías basadas en combustibles fósiles[1],[2].
En este contexto, dentro de las energías alternativas, la fotovoltaica, geotérmica, eólica
y biomasa se presentan como las opciones más utilizadas en el mundo, debido a la
disponibilidad de los recursos naturales renovables en las diferentes regiones; desde
esta perspectiva el sol y la generación fotovoltaica toma un papel predominante a causa
de su disponibilidad en casi la totalidad de las regiones y al gran avance tecnológico
desarrollado en las últimas décadas [3].
En Colombia, el parque de generación eléctrica se ha fundamentado los combustibles de
origen fósil, como el gas y el carbón, al igual que en el uso de centrales hidroeléctricas,
que constituyen la mayor parte del parque de generación eléctrica [4]. En este contexto
las energías no convencionales se convierten en una necesidad prioritaria promovida
por el requerimiento global de la sustitución de los combustibles fósiles. Debido a esto, el
gobierno colombiano promueve el uso de las energías no convencionales, de tal manera
que este tipo de sistemas ya se encuentran normado a través de la ley 1715 del año 2014,
que define los incentivos y los lineamientos generales para que las fuentes alternativas
se puedan conectar al sistema interconectado nacional (SIN) [5].
En cuanto a lo técnico y comercial, la Comisión Regulatoria de Energía y Gas (CREG) por
asignación de la ley 1715, se ha encargado de establecer procedimientos y parámetros
a seguir por las empresas electrificadoras, para que las de energías alternativas puedan
ser conectados al sistema de distribución local (SLD) y al SIN [6].
La claridad en la norma y la motivación de los incentivos ha permitido el auge de estos
proyectos en el territorio nacional, como se observa en los informes de la Unidad De
Planeación Minero-Energética (UPME) [7]. Este auge de proyectos involucra una gran
incógnita referente al comportamiento de la de los sistemas eléctricos y la calidad de la
energía en los usuarios, en los cuales la generación distribuida y la autogeneración hacen
presencia [8], [9], [10], es por esto y con el ánimo de aportar conocimiento en la solución
de esta incógnita que el presente artículo muestra los resultados de un estudio de calidad
de la energía de un sistema fotovoltaico conectado a la red, real y en operación.
El estudio midió las variables eléctricas con el analizador de calidad de la energía
Fluke 434-II y con base en estándares de calidad de la energía, especialmente la
IEEE 1159 [11] y la IEEE 519 [12], que establecen las características de los fenómenos
electromagnéticos; adicionalmente se evaluó la presencia de fenómenos indeseados
en el punto de acoplamiento común del sistema (PCC) y se analizaron los datos de
consumo de potencia activa y reactiva con el fin de establecer anomalías presentes y proponer posibles soluciones tanto para los fenómenos electromagnéticos como para
las anomalías de consumo de potencias.
aLuis David Pabón Fernández, Oscar J. Suarez, Luis Felipe Gonzalez
Archila
B. Evaluación de calidad de la energía
Dentro de los requerimientos técnicos para conectar sistemas fotovoltaicos al SDL o el
SIN, es indispensable el cumplimiento de normas técnicas, actualmente se exige por
parte de los operadores de red que los inversores cumplan con los estándares IEEE 1547
[13] y UL 1741 [14].
Los inversores, que son los elementos principales en la conexión a red, integran también
protecciones en cuanto a modo isla, variaciones de frecuencia y operación de voltaje
anormal, cumpliendo así otros estándares como la EN50081 parte 1, EN50082 parte 1,
CSA STD.C22.2 No.107.1, EN61000-3-2 EN62109, y DIN VDE 0126.
Con respecto a las posibles perturbaciones que puedan generarse en el dominio de la
frecuencia, los inversores cumplen estándares de compatibilidad electromagnética y de
conexión a la red: EN50081 parte 1, EN50082 parte 1, CSA STD.C22.2 No.107.1, EN61000-
3-2, EN62109.UL, STD.1741, DIN VDE 0126, IEEE STD.1547 y 1547.A. Los cuales garantizan
la operación adecuada, el seguimiento de la frecuencia fundamental y la baja emisión de
armónicos. Esto significa que desde el punto de vista normativo los sistemas conectados
a la red cuentan con un mínimo de condiciones técnicas para operar de una forma segura
frente a diferentes escenarios de la red, sin embargo, es necesario verificar en operación
las posibles interacciones que puedan aparecer. Para llevar a cabo el presente estudio
de calidad de la energía se tomaron los conceptos y características establecidas en los
estándares IEEE 519, IEEE 1159, EN50160 [15], IEC 61000-3-2 [16], IEC 61000-2-4 [17], del
ámbito internacional, y la NTC 5001[18] en el ámbito nacional.
Los fenómenos electromagnéticos que se tuvieron en cuenta para este estudio
se caracterizan en el estándar IEEE 1159 [12], en el cual se clasifica los fenómenos
electromagnéticos según la Tabla I.
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Conectado a la Red: Caso de Estudio
aLuis David Pabón Fernández, Oscar J. Suarez, Luis Felipe Gonzalez
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Para la distorsión armónica, el estándar IEEE 519 [12] presenta una actualización de los
límites de la distorsión de voltaje, según lo indicado en la Tabla II, donde se muestran
los límites según el nivel de tensión en el punto común de acoplamiento.
Calidad de la Energía de un Autogenerador Fotovoltaico a Pequeña Escala
Conectado a la Red: Caso de Estudio
I. Localización
El auto generador a pequeña escala se encuentra ubicado en la ciudad de Pamplona, en
el punto con coordenadas 7°23’15.5”N 72°38’57.8”W.
II. Parámetros eléctricos del sistema
El sistema fotovoltaico consta de 38 paneles policristalinos de la marca POWEST, cada
uno con una capacidad de 320 W. Estos paneles operan a su máxima potencia con una
corriente de 8.64 A y 37 V de voltaje, mientras que la corriente de cortocircuito se registra
a 9.189 A y el voltaje en circuito abierto alcanza los 46 V.
Los paneles están organizados en dos cadenas de 19 unidades cada una, las cuales se
conectan a un inversor de la marca ABB. Este puede operar a dos frecuencias, 50 o 60
Hz, y tiene una potencia pico de 11000W en una conexión trifásica de 400 VAC. Cada
MPPT del inversor opera en un rango de voltaje de 200 a 850 VDC. El sistema también
incluye un transformador de 10KVA que reduce el voltaje de salida del inversor de 400
VAC a 208 VAC, que es el voltaje operativo del sistema.
El sistema de transmisión nacional de Colombia funciona a una frecuencia nominal de
60 Hz [21], por lo que se debe garantizar que el sistema fotovoltaico se sincronice de
forma perfecta de tal manera que no se pueda causar daños, cumpliendo los parámetros
establecidos en la resolución CREG 025 de 1995 [21], para tal medida, el sistema cuenta
con un sistema operativo el cual al detectar una anomalidad en la frecuencia, iniciará la
suspensión de inyección a la red. De igual forma el sistema cuenta con un esquema de
protecciones que permite el aislamiento de los paneles fotovoltaicos y el inversor frente
a fallas de cortocircuito.
Los elementos principales del sistema fotovoltaico utilizados en el desarrollo del presente
artículo se muestran en la Figura 1.
aLuis David Pabón Fernández, Oscar J. Suarez, Luis Felipe Gonzalez
Archila
III. Equipos de medición
Como equipo de medida se hizo uso del analizador de redes Fluke 434-II.
IV. Toma de datos
La toma de datos se realizó en el PCC, que es el punto en el cual el sistema se conecta
a la red, estas mediciones en el sistema fotovoltaico se llevaron a cabo durante tres
semanas consecutivas.
D. Resultados
En la Tabla III se detallan los distintos eventos registrados por el analizador siguiendo la
lo establecido en la norma IEEE 1159 [11].
Durante el tiempo de realización de las mediciones se obtuvo un registro total de 99
eventos a continuación se muestran los resultados.
I. Frecuencia
La Figura 2 muestra el perfil de frecuencia de funcionamiento del autogenerador, el cual
se mantiene en los límites establecidos por la normatividad, por lo que no se registran
eventos de desconexión por variaciones de frecuencia de la red.
II. Interrupciones
En cuanto a este fenómeno de calidad de la energía se registraron 4 interrupciones. La
Tabla IV relaciona los datos de fecha, hora, duración y fase en que se produjeron.
Como se puede observar, las interrupciones presentadas son caracterizadas por su
naturaleza instantáneas y monofásica.
III. Armónicos de tensión
Como muestra del registro de la distorsión armónica de tensión, la Figura 3 presenta los
valores promedio de los armónicos registrados durante la primera semana, resaltando la
presencia del armónico 5 con un 2,05 % de la fundamental y llegando a un valor máximo
de 7,87%. La Figura 4 muestra la misma información para la segunda semana, donde el
armónico 5 tiene un porcentaje de 1,92 % de la fundamental y un valor máximo de 6,44%.
Al evaluar los datos obtenidos durante la medición, con respecto a la Tabla II, se logra
concluir que el sistema se encuentra en los límites establecidos por la norma durante su
funcionamiento, debido a que el sobrepaso de los límites se da por muy corto tiempo,
estando el percentil 99 de la distribución de datos por debajo de los límites establecidos
para el THD y el aporte individual armónico.
IV. Armónicos de corriente
La Figura 5 presenta una muestra del contenido armónico de las ondas de corriente
inyectadas, como se puede ver el contenido es muy bajo, por lo que no hay excursiones
por fuera de los límites permitidos, ni el THD ni el aporte individual de cada armónico
superan el 5%.
V. Elevaciones de tensión Swell
En la Tabla V se muestran los tres eventos presentados dentro de esta categoría. Las
elevaciones registradas están en el orden de los milisegundos, por lo que entran en
la categoría de instantáneas, al ser elevaciones de muy corto tiempo no tienen gran
influencia como perturbaciones del sistema
En la Tabla VI se relacionan los eventos presentados en esta categoría, se muestra la
fecha, hora, duración, magnitud y fase en la que se produjeron. Como se puede observar
la mayoría son instantáneos presentando duraciones del orden de los milisegundos.
VII. Bajos voltajes Under voltages
La Tabla VII relaciona los bajos voltajes registrados, se muestra al igual que en la anterior
tabla, la fecha, hora, magnitud y fase en la que se produjeron.
Los eventos registrados, en su mayoría son monofásicos y tienes duraciones que superan
los 10 minutos, sin embargo, no son tan pronunciados en magnitud dándose solo un
único registro inferior al 0,85 pu.
VIII. Fliker
En las Figuras 6 se muestran los valores del PLT en la línea A en diferentes intervalos.
El estándar IEEE 519 [12] establece para el PLT un máximo de uno, este valor en la
medición está en un rango de 0.125 a 0.075, cumpliendo lo establecido con este estándar
y otros [20].
IX. Transitorios
En cuanto a los fenómenos transitorios, se registraron un total de 8 eventos, los cuales se
relacionan en la Tabla VIII. En la mayor parte los eventos sucedieron en las primeras horas
del día, cuando el generador fotovoltaico comienza a captar los rayos de sol, presentando
una excepción del día 23 de mayo de 2022 que se presentó un transitorio en las horas de
la tarde.
En la anterior tabla la duración no se muestra, y esto se da porque el equipo utilizado
no tiene la capacidad para evaluar las características en magnitud de los fenómenos
transitorios. De igual forma, con el analizador de red se midieron los consumos de potencia
activa, reactiva, al igual que el factor de potencia y las energías activas y reactivas.
X. Potencia activa
La Figura 7 presenta los perfiles de potencia activa registrados durante seis días como
una muestra de esta medición, claramente se ve que la inyección de energía da inicio
aproximadamente a las 5:30 am y permanece hasta las 5:15 pm, cuando se presenta
una reducción significativa y aproximadamente a las 6:20 pm el sistema deja de inyectar
energía por completo.
Los perfiles de potencia activa diarios presentan caídas abruptas y repetitivas debido a las
variaciones rápidas de la irradiancia, debido a las condiciones climáticas y nubosidades
presentes sobre los paneles.
XI. Potencia reactiva
La Figura 8 presenta los perfiles de consumo de potencia reactiva del sistema fotovoltaico,
dos eventos aparecen repetitivamente diariamente, entre las 5:20 y 6:15 am y entre las
5:20 y 6:20 pm, momentos en los cuales el sistema hace variaciones entre consumó
e inyección de reactivos, en los demás instantes de tiempo diurnos el sistema aporta
reactivos a la red, aunque es un aporte muy bajo. En las noches el sistema no aporta
ni consume ningún tipo de potencia. En dos días en específico se presentan eventos
atípicos en las horas de la tarde, en los cuales el sistema demanda reactivos de la red.
XII. Potencia aparente
En la Figura 9 se presenta una muestra de los perfiles diarios de potencia aparente, estos
perfiles tienen un comportamiento muy similar a los de la potencia activa, debido a que
el aporte o consumo de energía reactiva no es considerable, por lo que la mayor parte de
la potencia aparente será activa presentando el mismo comportamiento.
