Previsión a corto plazo de la generación de energía fotovoltaica

Resumen

Este artículo presenta un método para la previsión a corto plazo de la generación fotovoltaica (PV). El método propuesto entra dentro de la categoría de métodos físicos y se basa en pronósticos meteorológicos numéricos. La previsión se logró utilizando un modelo de fuente fotovoltaica en el software OpenDSS. Los resultados calculados se compararon con las mediciones reales tomadas en microinstalaciones fotovoltaicas operativas. Además, el artículo explora cómo se pueden utilizar filtros armónicos activos (AHF) en sistemas fotovoltaicos para mejorar la calidad de la energía, reducir la distorsión armónica y garantizar un funcionamiento estable de la red.

W artykule zaproponowano metodÄ krótkoterminowego prognozowania generacji fotowoltaicznej (PV). Metoda ta należy do grupy fizycznych metod i opiera siÄ na prognozach pogody numerycznej. Do wyznaczenia prognozy generacji wykorzystano model źródÅa PV w oprogramowaniu OpenDSS. Wyniki obliczeÅ porównano z wynikami pomiarów z funkcjonujÄcych mikroinstalacji PV. Dodatkowo, artykuÅ analizuje zastosowanie aktywnych filtrów harmonicznych (AHF) w systemach PV w celu poprawy jakoÅci energii, redukcji znieksztaÅceÅ harmonicznych i stabilizacji dziaÅania sieci.

Palabras clave: fuente fotovoltaica, prosumidor, previsión de generación, método físico, previsión meteorológica numérica, filtros armónicos activos, OpenDSS

Introducción

La creciente penetración de fuentes de energía renovables, en particular las microinstalaciones fotovoltaicas de proconsumo, está cambiando significativamente las condiciones operativas de las redes eléctricas. Los operadores de sistemas de distribución se enfrentan a desafíos crecientes, como sobretensiones más allá de los límites permisibles, flujo inverso de energía desde la red de baja tensión (BT) a la red de media tensión (MT), aumento de la asimetría de tensión y elementos de red sobrecargados. Estos problemas son más pronunciados en áreas con una alta concentración de microinstalaciones fotovoltaicas. La integración de grandes cantidades de energía solar en la red de BT, sin la mitigación adecuada, aumenta el riesgo de exceder los límites operativos normales de la red. Además, cuanto mayor sea la capacidad fotovoltaica, mayor será el impacto sobre los prosumidores durante los períodos de máxima producción solar, lo que provocará aumentos de voltaje y apagados de los inversores, lo que afectará negativamente a la producción de energía. La figura 1 proporciona un ejemplo visual de este hecho.

Además de la modernización de la red, que puede ser costosa y requerir mucho tiempo, aumentar el consumo de energía local durante la generación fotovoltaica puede ayudar a mitigar estos problemas. Esto se puede lograr mediante el almacenamiento de energía y la programación adecuada del consumo de energía de los electrodomésticos. La previsión de la generación fotovoltaica es crucial para optimizar este proceso.

Sin embargo, la integración de los sistemas fotovoltaicos en la red también presenta otro desafío: la distorsión armónica. A medida que las instalaciones fotovoltaicas crecen en tamaño y número, los niveles de armónicos en la red tienden a aumentar, especialmente en los inversores que no siempre funcionan en condiciones ideales. La distorsión armónica puede reducir la eficiencia de los sistemas eléctricos y provocar mal funcionamiento de los equipos. En este contexto, los filtros activos de armónicos (AHF) pueden desempeñar un papel fundamental en la mitigación de los armónicos introducidos por los sistemas fotovoltaicos, garantizando una red eléctrica más estable y eficiente.

Filtros activos de armónicos en la industria fotovoltaica

En los sistemas fotovoltaicos, la integración de inversores es esencial para convertir la energía CC generada por los paneles solares en energía CA para compatibilidad con la red. Sin embargo, los inversores pueden introducir una distorsión armónica significativa, especialmente en condiciones de irradiancia fluctuantes, como en días nublados. Los armónicos en el sistema eléctrico pueden provocar una transferencia de energía ineficiente, mayores pérdidas, sobrecalentamiento de los equipos e incluso fallas prematuras de los componentes eléctricos.

Los filtros armónicos activos (AHF) son una solución eficaz para gestionar estos problemas. Los AHF monitorean continuamente el contenido armónico de la red e inyectan corrientes de compensación para cancelar los armónicos dañinos. Al hacerlo, los AHF no solo mejoran la calidad de la energía al reducir la distorsión armónica total (THD), sino que también ayudan a optimizar el rendimiento de la instalación fotovoltaica. Los beneficios de utilizar AHF en sistemas fotovoltaicos incluyen:

1. Calidad de energía mejorada: Los AHF ayudan a mantener la calidad de la energía en niveles aceptables, asegurando que el sistema fotovoltaico funcione de manera eficiente, incluso durante períodos de alta generación de armónicos. Esto es particularmente importante para los prosumidores, ya que una mejor calidad de la energía reduce la probabilidad de daños al equipo e ineficiencias del sistema.
2. Cumplimiento de los estándares IEEE 519: Muchas redes eléctricas se rigen por estándares como IEEE 519, que establecen límites a la distorsión armónica. Los AHF permiten que los sistemas fotovoltaicos cumplan con estos estándares, lo que garantiza una integración fluida de la red y evita sanciones por incumplimiento.
3. Vida útil mejorada del equipo: al mitigar los armónicos, los AHF protegen los componentes eléctricos sensibles del calor excesivo y el desgaste causado por formas de onda distorsionadas. Esto extiende la vida útil de equipos como transformadores y capacitores.
4. Eficiencia energética: la reducción de la distorsión armónica minimiza las pérdidas de energía en el sistema, lo que conduce a una mejor eficiencia general de la instalación fotovoltaica. Esto, a su vez, maximiza el rendimiento energético de los paneles fotovoltaicos y reduce las pérdidas en la transmisión.
5. Operación estable de la red: Al filtrar activamente los armónicos, los AHF ayudan a prevenir fluctuaciones de voltaje e inestabilidad en la red, especialmente durante períodos de alta generación fotovoltaica. Esto es crucial para mantener un suministro de energía estable en redes con una alta proporción de fuentes de energía renovables.

Modelo de una fuente fotovoltaica

El modelo de fuente fotovoltaica en OpenDSS se utiliza para simular la producción de energía en función de la irradiancia y la temperatura. La potencia activa y reactiva de salida del inversor se calcula teniendo en cuenta la eficiencia del inversor y las condiciones ambientales.

Este modelo se validó utilizando datos de una instalación fotovoltaica en la Universidad Tecnológica de Silesia y se puede ampliar para incluir la integración AHF para compensación de armónicos en tiempo real.

Validación del modelo de fuente fotovoltaica

El modelo de fuente fotovoltaica se probó con datos reales y los resultados mostraron una alta precisión de estimación (Figuras 10 y 11). Este modelo también se puede adaptar para incorporar sistemas AHF, asegurando que los niveles armónicos permanezcan dentro de límites aceptables, mejorando aún más la precisión de las predicciones de rendimiento y la confiabilidad del sistema.

Previsiones meteorológicas numéricas y previsiones de generación fotovoltaica

Se utilizaron pronósticos meteorológicos numéricos de dos plataformas para generar pronósticos de generación fotovoltaica a corto plazo. Estos pronósticos se compararon con mediciones reales para evaluar la precisión.

Previsión de generación fotovoltaica para instalaciones de proconsumidores

Se aplicó el mismo método a las instalaciones fotovoltaicas de proconsumidores en diferentes ubicaciones, con pronósticos generados para cada una. Los resultados demuestran la precisión del método de pronóstico y las posibles mejoras en el rendimiento del sistema cuando se combina con sistemas AHF

Conclusiones

Este artículo presentó un método para el pronóstico a corto plazo de la generación fotovoltaica utilizando pronósticos meteorológicos numéricos, validados mediante comparación con datos del mundo real. Además, destacó el papel fundamental de los filtros de armónicos activos en la mejora del rendimiento y la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos. Los AHF ofrecen ventajas significativas para reducir la distorsión armónica, cumplir con los estándares de la red y extender la vida útil de los componentes eléctricos, lo que los convierte en una herramienta indispensable en la integración de la energía renovable en las redes eléctricas modernas. Al garantizar una mejor calidad de la energía, los AHF también contribuyen a un uso más eficiente de la energía, permitiendo que los sistemas fotovoltaicos funcionen a su máximo potencial y minimizando las interrupciones en la red.