¿Pueden los filtros de potencia activos (APF) y los generadores de Var estáticos (SVG) proporcionar soluciones importantes para el mercado de estaciones/pilas de carga para vehículos eléctricos en rápido crecimiento?

¿Pueden los filtros de potencia activos (APF) y los generadores de Var estáticos (SVG) proporcionar soluciones importantes para el mercado de estaciones/pilas de carga para vehículos eléctricos en rápido crecimiento?

Con el aumento global de la propiedad de vehículos eléctricos, los problemas de calidad de la energía en la infraestructura de carga se han vuelto cada vez más evidentes. Al ser cargas no lineales, los cargadores de vehículos eléctricos generan contaminación armónica y fluctuaciones de potencia reactiva durante su funcionamiento, lo que provoca distorsión de la tensión de la red, sobrecalentamiento de los equipos y una menor eficiencia energética. En casos graves, esto puede provocar fallos en la operación de los dispositivos de protección eléctrica. Filtros de potencia activos (APF) y Generadores de variables estáticas (SVG) Como dispositivos de mitigación dinámica, no solo abordan eficazmente estos problemas, sino que también pueden reducir los costos operativos generales mediante una integración técnica innovadora. Este análisis examina sistemáticamente el valor fundamental de estas dos tecnologías en las instalaciones de carga desde sus principios técnicos, soluciones de aplicación y perspectivas económicas.

1. Problemas de calidad de la energía causados por los cargadores de vehículos eléctricos

Los cargadores de vehículos eléctricos (en especial los cargadores integrados en pilas de CA) suelen adoptar topologías de rectificador trifásico no controlado, cuyas características no lineales provocan una grave distorsión de la forma de onda de la corriente. Los datos de pruebas muestran que una sola pila de CA de 7 kW a plena carga puede generar entre un 25 % y un 35 % de distorsión armónica total de la corriente (THDi), con armónicos 5.º, 7.º y 11.º dominantes. Cuando varias pilas funcionan simultáneamente, la superposición de corrientes armónicas puede sobrecalentar los devanados de los transformadores de distribución, acelerar el envejecimiento del aislamiento e incluso provocar incendios eléctricos.

Al mismo tiempo, el control de fase en los cargadores genera fluctuaciones del factor de potencia (FP) entre 0,6 y 0,8, muy por debajo del estándar de la red de >0,9. Por ejemplo, las mediciones de una estación de 10 pilas muestran un FP promedio de 0,72 sin compensación, lo que significa que aproximadamente el 30 % de la potencia aparente corresponde a componentes reactivos. Esto aumenta las pérdidas de línea y provoca caídas de tensión. Fundamentalmente, las corrientes armónicas que pasan por los medidores de energía tradicionales (diseñados para ondas fundamentales) resultan en una subfacturación del consumo energético real de entre un 5 % y un 15 %, lo que reduce directamente los ingresos del operador.

Tabla: Problemas típicos de calidad de la energía en las estaciones de carga

2. Soluciones de filtros de potencia activos

Para la mitigación de armónicos, los APF integrados se han vuelto cruciales. Los diseños avanzados integran convertidores de puente H directamente en las topologías de cargadores, logrando la eliminación localizada de armónicos mediante la conexión en paralelo posterior al medidor. Un prototipo de 7 kW desarrollado por la Universidad Tecnológica de Anhui emplea control resonante proporcional de doble cero, lo que reduce la THDi de la red a <3% con una precisión de compensación >95% para armónicos por debajo del orden 30.

Los APF modulares de puente H ofrecen ventajas significativas: un 50 % menos de requisito de voltaje del bus de CC (650 V CC), una reducción del 40 % en la ondulación de la corriente de salida y una reducción de aproximadamente el 25 % en las pérdidas de conmutación. Su implementación en una estación de carga de autobuses (20 pilas de CC de 120 kW) mostró una reducción de la THDi del 29,7 % al 2,1 %, lo que permitió evitar multas por un ahorro de 17 000 $ al año.

Los avances en algoritmos de control mejoran la respuesta dinámica. La Transformada de Fourier de Ventana Deslizante Discreta (DSFT) detecta armónicos en un intervalo de 1 ms, mientras que el control compuesto repetitivo con PI logra una respuesta transitoria de <10 ms, crucial para los perfiles de carga de vehículos eléctricos con cambios graduales.

3. Soluciones de generador de Var estático

Los SVG regulan la corriente capacitiva/inductiva mediante inversores de fuente de tensión, respondiendo 100 veces más rápido (<5 ms) que los bancos de condensadores. En el sistema coordinado de Hunan Electric Power, los cargadores gestionan la corrección del factor de potencia (rango de ±0,95), mientras que los SVG proporcionan soporte reactivo dinámico durante los transitorios de tensión.

El modelo central de optimización multiobjetivo minimiza el coste de configuración y la desviación de tensión, limitado por el estado de carga inicial y las características de la batería. Las simulaciones muestran que los SVG restauran la tensión a ±2 % nominal en 0,2 s durante caídas de tensión del 8 %. El dimensionamiento optimizado de los SVG reduce la capacidad requerida en un 35 % (p. ej., 1,2 Mvar frente a 2 Mvar para 30 pilas).

Tabla: Economía de la configuración SVG

4. Sistemas híbridos e innovaciones

Investigación de vanguardia integra funcionalidades APF/SVG. El Instituto Sreenidhi de India propone un APF híbrido (HAPF) de tres niveles que combina supresión de armónicos y compensación reactiva, alimentado por buses de CC renovables. Su algoritmo híbrido Jaya-Grey Wolf (GWJA) reduce el tiempo de estabilización de voltaje en un 50% y mantiene una THDi <4% bajo fluctuaciones fotovoltaicas.

Los inversores de tres niveles tipo T se perfilan como una tendencia clave, reduciendo a la mitad la tensión de conmutación, algo especialmente vital para la carga ultrarrápida de 800 V. Las pruebas en sistemas de 350 kW muestran una eficiencia del 98,2 %, un 2,5 % superior a la de los diseños de dos niveles.

5. Análisis tecnoeconómico

A pesar de los costos iniciales más elevados ($20-40/kW), APF/SVG ofrece un retorno de la inversión atractivo:

• Eliminación de pérdidas por facturación armónica: ahorra aproximadamente $120 al año por cada pila de CA de 7 kW
• Reducción de fallos de comunicación: costes de mantenimiento reducidos un 60%
• Reembolsos de incentivos de PF: reembolso del 0,5 % en la factura de electricidad para PF > 0,95
• Mayor vida útil del equipo: la vida útil del transformador aumenta de 3 a 5 años

Para estaciones grandes (30 pilotes de 120 kW + SVG de 1,2 Mvar):

• Multas de PF evitadas: ahorros de aproximadamente $3000 al mes
• Costos de transformadores más bajos: reducción del 35 % ($50 000 ahorrados) mediante la reducción de tamaño
• Estabilidad de voltaje mejorada: 90% menos interrupciones de carga

6. Recomendaciones de aplicación

• Pilotes de CA distribuidos (residenciales/comerciales): APF integrado para pilotes de 7 a 22 kW
• Estaciones centralizadas (estaciones de autobuses/autopistas): "SVG + APF agrupado" con SVG dimensionado al 30%-40% de la carga total
• Centrales integradas de energías renovables: HAPF de tres niveles con optimización GWJA

7. Tendencias futuras

Los dispositivos de banda ancha (SiC/GaN) permitirán una mayor frecuencia (>50 kHz) y un APF/SVG más pequeño (reducción de tamaño del 40 %), ideal para sitios con limitaciones de espacio. Los algoritmos de aprendizaje por refuerzo profundo predecirán tendencias armónicas con una precisión de compensación del 99 %.

Los nuevos estándares (por ejemplo, la Especificación técnica de China de 2023 para la gestión de la calidad de la energía) exigen THDi ≤ 5 % y PF ≥ 0,95, lo que crea una demanda no negociable de soluciones APF/SVG.