Impactos en la calidad de la energía en una microrred típica

I. INTRODUCCIÓN

Una pequeña entidad de red eléctrica conocida como Microgrid proporciona un suministro de energía seguro y confiable a las cargas críticas de las comunidades. También proporciona un suministro de energía sostenible y autónomo a comunidades en áreas remotas donde no hay acceso o instalación para el sistema eléctrico de la red principal. MG debería ser capaz de funcionar en modo conectado o fuera de la red.

MG incorpora varias fuentes de DG como; RE, unidades de energía convencionales y varios tipos de opciones de almacenamiento de energía. DG en MG proporciona varios beneficios tales como; bajas emisiones de carbono del suministro de energía, mejora de la eficiencia y confiabilidad del suministro de energía, reducción de las pérdidas de energía en la red de distribución y aplaza la mejora de las instalaciones de infraestructura de la red de distribución, etc. A pesar de los beneficios, la DG también crea varios problemas de PQ como; variación del flujo de energía que causa desviaciones de voltaje y frecuencia, desequilibrio de voltaje y corriente, factor de potencia deficiente, distorsiones armónicas, fluctuaciones de voltaje, caídas/aumentos de voltaje, etc. en la red de distribución de MG.

El análisis de PQ de MG es esencial para cuantificar el nivel de problemas de PQ, con el fin de desarrollar un modelo de MG real con condiciones de PQ mejoradas a través de medidas de control óptimas. Los investigadores llevaron a cabo varios estudios y análisis sobre los problemas de calidad de energía en la red eléctrica de MG en diversas condiciones. El análisis de THD se realizó mediante simulación en una red de distribución de bajo voltaje integrada fotovoltaica (PV) típica en diversas condiciones. Los niveles de voltaje y corriente THD se encontraron altos en las siguientes condiciones; penetración de energía fotovoltaica en un nivel más alto, alimentador del extremo lejano, carga baja y la carga opera con un factor de potencia líder.

Los problemas de calidad de energía se analizaron en un sistema de energía de MG típico en varios niveles de penetraciones de energía renovable y condiciones climáticas a través de la simulación del software Matlab. El nivel de emisiones de PQ fue alto, del 66,6%, y del 99,9% de penetración de ER en comparación con el nivel del 33,3%. El análisis THD se realizó integrando PV con carga lineal y no lineal. A un mayor nivel de penetración fotovoltaica con carga lineal, la THD se encontró alta. Con un 10% de penetración fotovoltaica con carga no lineal (con respecto a la carga lineal), la THD fue de alrededor del 4%, mientras que con un 15% de penetración fotovoltaica con carga no lineal, el nivel de THD se encontró por encima del límite estándar, alrededor del 5,06%. Además del análisis THD, se aplicaron tres índices PQ para evaluar el nivel de distorsión de potencia, distorsión de forma de onda y desequilibrio en la red del sistema. De manera similar, en [8], analizado por encima del 50% de la penetración fotovoltaica, el nivel de THD de voltaje excede el nivel estándar, también encontró que la reducción del voltaje THD en el peor nodo cuando penetra más subestaciones fotovoltaicas cercanas, así como con más bucles en una red altamente mallada.

En este estudio, además del análisis THD, se utilizan otros factores PQ como; La variación de potencia, la variación de voltaje y el nivel de voltaje de desequilibrio también se han analizado en un modelo típico de sistema de energía MG mediante simulación de software. El desarrollo del modelo MG y el análisis de impacto se han llevado a cabo en el entorno de software PSS-Sincal. Los resultados de este estudio ayudarán a desarrollar un modelo MG real con condiciones de PQ mejoradas para las comunidades en el futuro. La sección II define los detalles del modelo MG y los tipos de análisis, la sección III explica los resultados del análisis y la discusión, y la conclusión de este estudio y el trabajo de investigación futuro se dan en la sección IV.

II. MODELO MG

A. Modelo de sistema de energía MG

B. Análisis de flujo de energía

C. Análisis armónico

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En esta sección, los resultados generales de la simulación se muestran en la Tabla 4 y en la Tabla. 5 se analizan en detalle.

A. Variación de potencia

La perturbación solar debida al efecto de las nubes puede considerarse como una de las principales razones de la intermitencia energética en la producción fotovoltaica. La intermitencia de la energía fotovoltaica se puede considerar en diferentes escalas de tiempo como; en el nivel "segundo" causa parpadeo de voltaje y en el nivel "minuto" afecta la regulación de la reserva de generación de energía en el sistema eléctrico [14]. Para este análisis se ha considerado una perturbación solar típica para cada fotovoltaica (100 KW) con una capacidad instalada total de alrededor de 1 MW, conectada al nodo de bus N7 de BT (415 V). Durante este período de perturbación solar de 11 horas a 11:40 horas, cada variación de potencia de salida fotovoltaica se observó desde un mínimo de 0 KW hasta un máximo de 73 KW, como se muestra en la Figura 4.

De acuerdo con el perfil de carga diario, en la Figura 5 se muestra un flujo de potencia activa y reactiva de las fuentes de suministro (red/generador diésel). Debido a este efecto acumulativo de la variación de potencia de las diez unidades fotovoltaicas, la variación correspondiente del flujo de energía de la fuente de suministro de la red y la unidad generadora diésel se observaron durante el modo de operación dentro y fuera de la red. Como se muestra en la Figura 6, se observó una variación de potencia desde un mínimo de 850 KW hasta un máximo de 1600 KW en el lado de la red, así como desde el generador diésel. Esta importante variación de energía crea una situación de necesidad urgente de reserva de generación de energía y regulación desde la fuente de la red durante el modo de operación de MG en red. De manera similar, la variación de la potencia de salida de la energía solar fotovoltaica crea una situación de aumento y disminución frecuente del requerimiento de energía del generador diesel, lo que conducirá a un aumento en el efecto de desgaste de los componentes de la unidad de energía convencional, el costo de mantenimiento y, por lo tanto, reducirá la eficiencia de generador diésel.

TABLA I. RESULTADOS DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA Y TENSIÓN

TABLA II. RESULTADOS DE THD Y NIVEL DE TENSIÓN DE DESEQUILIBRIO

FIGURA I. VARIACIÓN DE LA POTENCIA DE SALIDA FV

FIGURA II. VARIACIÓN DEL FLUJO DE POTENCIA (GRID / DG)

FIGURA III. VARIACIÓN DE POTENCIA (GRID / DG)

B. Variación de voltaje

La variación de la potencia activa de salida perturba el flujo de potencia reactiva provocando una variación local en el nivel de voltaje en el nodo de bus LV N7. Durante la perturbación solar, se observó una pequeña variación de voltaje en el nodo de bus N7 de BT desde un mínimo de 97,8 % hasta un máximo de 98,1 % como se muestra en la Figura 7.

FIGURA IX. VARIACIÓN DE TENSIÓN EN EL NODO BUS BT N7

Sin embargo, en caso de integración fotovoltaica de gran nivel en una red débil o en carga máxima con condiciones de bajo voltaje, esta variación de voltaje puede alcanzar un nivel significativo y puede afectar cualquier carga sensible conectada a ese nodo de bus en particular.

C. Distorsión armónica

La tensión y la corriente THD en la red MG se analizaron con 30%, 50%, 70% y 100% de penetración fotovoltaica en referencia a la carga lineal total conectada en el nodo de bus de BT N7, la carga no lineal en el nodo de bus de BT N9 y carga compuesta (lineal no lineal) en el nodo de bus BT N10 respectivamente. Según el estándar AS4777-2005 [15], el THD de corriente del inversor hasta el orden armónico 50 debe ser inferior al 5% y los niveles de compatibilidad del THD de voltaje según AS/NZS 61000 [16] deben ser de alrededor del 8%.

Tanto el nivel de THD de corriente como de voltaje excede el límite estándar para una penetración fotovoltaica del 100% en el nodo de bus LV N7, como se muestra en la Figura 8. Para el 70% del nivel de penetración fotovoltaica, el valor de THD de voltaje estaba dentro del límite estándar, mientras que el valor de THD actual excede el límite estándar. Tanto el nivel de THD de corriente como el de voltaje estaban muy por debajo del límite estándar para el 50% y el 30% del nivel de penetración fotovoltaica. De los resultados anteriores, está claro que la THD de corriente y voltaje aumenta a medida que aumenta el nivel de penetración fotovoltaica. Esto se debe al efecto acumulativo de la inyección de corriente armónica de los inversores fotovoltaicos durante un nivel más alto de generación fotovoltaica con referencia a la corriente de carga completa de la carga lineal en el nodo de bus N7.

Según los resultados de THD en el nodo de bus N9 que se muestran en la Figura 9, los valores actuales de THD para todos los niveles de penetración fotovoltaica fueron significativamente altos en comparación con el nodo de bus N7 y también se encontraron por encima del límite estándar. En el 100% del nivel de penetración fotovoltaica, la THD de tensión se observó justo por encima del límite estándar (8,1%) y dentro del límite estándar para otros niveles de penetración. Esto se debe al efecto de únicamente la carga no lineal (equipos de clase A y clase D) conectada al nodo de bus N9.

Los resultados de THD en el nodo de bus N10, como se muestra en la Figura 10, indicaron claramente que los valores actuales de THD eran altos y estaban por encima del límite estándar para todos los niveles de penetración fotovoltaica (100 %, 70 %, 50 % y 30 %) excepto el 20 %. Se encontró que los valores de tensión THD estaban por debajo del límite estándar para todos los demás niveles de penetración excepto el 100%. Los valores de THD de tensión y corriente en el nodo de bus N9 eran bajos en comparación con sus homólogos en el nodo de bus N10. Esto se debe al efecto de la carga compuesta donde las cargas lineales y no lineales se distribuyen en proporción igual (50%) en el nodo de bus N10. En este estudio no se tuvo en cuenta el filtro de armónicos (pasivo o activo) en la red MG. Para este estudio de análisis de THD solo se consideraron los datos armónicos de corriente típicos para cada inversor fotovoltaico y carga no lineal.

Con base en los resultados de la Figura 8, Figura 9 y Figura 10, está claro que la THD alcanza un nivel significativo en caso de un mayor nivel de penetración fotovoltaica y una cantidad de carga no lineal presente en la red MG. Así de alto. El nivel de THD puede causar pérdidas de energía, sobrecalentamiento de conductores, transformadores, bancos de capacitores, motores o generadores y corriente excesiva en la línea neutra, etc. [11] en la red MG.

D. Desequilibrio de voltaje

En este estudio, se estimó el nivel de voltaje de desequilibrio con una distribución desigual típica de cargas monofásicas y generadores fotovoltaicos monofásicos en el nodo de bus de baja tensión N8. Según la norma AS/NZS 61000.2 [16], el nivel de compatibilidad del límite de tensión de desequilibrio en la red de BT debe ser inferior al 3%. En el nodo de bus N8, la energía solar fotovoltaica monofásica y las cargas monofásicas se distribuyeron en cada fase de la siguiente manera; Carga solar fotovoltaica de 10 KW y 300 KVA en fase A, carga de 100 KW PV y 100 KVA en fase B, carga de 200 KW PV y 10 KVA en fase C respectivamente. De acuerdo con el perfil de carga diario típico, el nivel de voltaje de cada fase en el nodo de bus N8 se muestra en la Figura 11. Según el perfil de voltaje diario, se observó que durante el período de carga máxima (12:30 hrs), la diferencia de nivel de voltaje entre las fases y A y fase-B, C fue mayor en comparación con la del período de baja demanda (05:30 hrs). Como se muestra en la Figura 12, el nivel de voltaje en la fase A era bajo, alrededor del 96,2 % (399 V), mientras que en la fase C era alrededor del 99,4 % (413 V). A través de este análisis, se estimó el nivel de voltaje de desequilibrio en el nodo de bus N8 y se encontró dentro del límite estándar AS/NZS 61000.2 [16] de alrededor del 1,48%. Sin embargo, este valor puede variar según la condición de carga según el perfil de voltaje que se muestra en la Figura 11 y también puede aumentar aún más por encima del límite estándar en el caso de cualquier red de distribución de BT grande con un nivel de impedancia desigual, una distribución desigual de cargas monofásicas y PV. generación en la red de BT, etc. Este voltaje de desequilibrio excesivo puede tener un impacto significativo en la reducción de potencia del motor de inducción con aumento de calentamiento y pérdidas, aumento del estrés térmico para los componentes electrónicos del variador de velocidad (VSD) con la adición de corriente armónica triple, etc. [12].

IV. CONCLUSIÓN

Este estudio destaca los problemas críticos de calidad de la energía (PQ) en los sistemas de microrredes (MG), incluidas las variaciones de energía y voltaje, la distorsión armónica total (THD) y el desequilibrio de voltaje, causados ​​principalmente por la integración de fuentes de energía renovable (RE). , convertidores de electrónica de potencia (PE) y cargas no lineales. Los resultados de la simulación revelan que los niveles más altos de penetración fotovoltaica aumentan significativamente la THD y el desequilibrio de voltaje, lo que puede afectar negativamente la eficiencia y confiabilidad de los sistemas MG. Las fluctuaciones de energía debido a la naturaleza intermitente de la energía solar fotovoltaica requieren una mejor regulación, mientras que el desequilibrio de voltaje causado por la distribución desigual de la carga afecta a los equipos sensibles y aumenta las ineficiencias operativas.

Con un enfoque en la integración Filtro armónico activo,Las soluciones PQ avanzadas de YT Electric permiten a los operadores de MG enfrentar los desafíos de los sistemas energéticos modernos, garantizando un suministro de energía confiable, eficiente y sostenible. Los esfuerzos futuros pueden integrar tecnologías de almacenamiento de energía y optimizar las estrategias de control para mejorar aún más la PQ y garantizar el funcionamiento perfecto de los MG en diversos escenarios. YT Electric se erige como un socio confiable para habilitar sistemas energéticos más inteligentes y resilientes.