Subtheme 3: Pushing negativity away from the present to the future: “What’s gonna happen to him when I’m gone”.

Para el análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones (ver capítulo 5), se hace la misma división inicial (entre simulación referente a la distorsión armónica y simulación referente al flujo de potencia), con el fin de estructurar ambos fenómenos de manera separada; sin embargo, ambas simulaciones deberían relacionarse en caso que la hipótesis que postula a los armónicos de alta frecuencia como posible factor influyente en el cambio de dirección del flujo de carga, sea correcta. De esta manera, se tienen dos análisis principales, el de distorsión armónica de alta frecuencia, y el de flujo de carga; un análisis que busca establecer la validez de la hipótesis mencionada, mediante el relacionamiento de un fenómeno con el otro, y, finalmente, en caso de determinarse pertinente y necesario, el modelo matemático que describa la problemática.

El análisis de distorsión armónica parte de las mediciones de THD, con las cuales es posible comparar los dispositivos entre sí, con el fin de determinar cuáles de ellos aportan más distorsión al sistema. Tomando las mediciones expuestas en las figuras 54 a 71 tenemos el siguiente cuadro comparativo:

Dispositivo

THD medido

Sistema fotovoltaico 63%

Banco de baterías 10%

Red externa 1,6%

Carga resistiva pura en AC 3,75%

Cargas con fuente (equivalente DC) 176%

Cargas no lineales digitales 68%

Tabla 10 Promedios de THD, por cada elemento del sistema. [Elaboración propia]

Los valores de la tabla 10 se determinan como el promedio de los THD medidos en cada una de las tres fases de cada dispositivo, método que resulta ser válido al tener un sistema trifásico balanceado, con lo cual se tienen valores muy similares en cada una de las fases del sistema. De estos resultados podemos determinar qué elementos resultaron ser inyectores de armónicos más relevantes. En primer lugar se tienen las cargas DC alimentadas a partir del rectificador con transformador, con ello re afirmamos la relación directa que existe entre los dispositivos no lineales y la distorsión armónica. En segundo lugar se tienen las cargas modeladas para emular fuentes de dispositivos digitales, elementos cuyo funcionamiento depende también de semiconductores, los cuales son no lineales. El tercer lugar, que resulta ser el primero para las fuentes, es el sistema fotovoltaico. Resulta lógico que sean estos tres elementos de la microrred los que presentan las distorsiones más marcadas, debido a la presencia de más dispositivos no lineales en su funcionamiento respecto a los demás componentes del sistema. La red externa y las cargas resistivas AC fueron los elementos que menos THD presentaron. El resultado obedece el comportamiento esperado según lo que se expuso en las generalidades, con lo cual se tiene un alto THD en los elementos del sistema que poseen más elementos no lineales en su funcionamiento, y muy poco en aquellos que presentan comportamientos “lineales”.

Lo siguiente en el análisis de distorsión armónica es ver qué frecuencias, de las seleccionadas en el rango establecido como objetivo del estudio, influyen de manera significativa a la distorsión. Para ello, se toman los valores obtenidos en las tablas de los anexos E y F, las cuales corresponden a los datos del escenario de estudio 1, promediando los valores porcentuales respecto a la fundamental de cada uno de ellos (ver tabla 11). Con este análisis se identifica la existencia de los armónicos de alta frecuencia dentro del funcionamiento de una microrred como la que hemos expuesto a lo largo del

95 documento, lo siguiente es determinar si esos armónicos tienen algún tipo de efecto negativo en el sistema.

Armónico Frecuencia Carga AC Carga digital Cargas DC Sistema FV Red Baterías

DC 0 0% 0,38% 0,33% 0,3% 0,07% 0,08% Fundamental 60 100% 100% 100% 100% 100% 100% 3 180 0,3% 61,125% 174,6% 2,77% 0,08% 0,4% 5 300 0,89% 20,7% 19,9% 6,55% 1,08% 2,11% 7 420 0,7% 6,1% 14,16% 0,72% 0,59% 1,38% 9 540 0,050% 6,35% 18,14% 0,59% 0,02% 0,08% 11 660 0,7% 2,91% 8,9% 6,4% 0,4% 1,04% 17 1020 0,55% 1,65% 5,8% 6,45% 0,2% 0,53% 34 2040 0% 0% 0,01% 0,03% 0% 0% 50 3000 0% 0% 0% 0,02% 0% 0% 67 4020 0,22% 0,11% 1,46% 7% 0% 1,24% 84 5040 0% 0% 0% 0,01% 0% 0% 100 6000 0% 0% 0% 0,01% 0% 0% 117 7020 0% 0,03% 0,075% 0,04% 0% 0% 134 8040 0% 0% 0% 0,01% 0% 0% 150 9000 0% 0,025% 0,02% 0,06% 0% 0% 167 10020 0% 0,016% 0,02% 0,04% 0% 0% 334 20040 0% 0,005% 0,012% 0,04% 0% 0% 500 30000 0% 0% 0,014% 0% 0% 0% 667 40020 0% 0% 0,005% 0% 0% 0% 834 50040 0% 0% 0,002% 0% 0% 0% 1000 60000 0% 0% 0% 0% 0% 0% 1167 70020 0% 0% 0% 0% 0% 0% 1334 80040 0% 0% 0% 0% 0% 0% 1500 90000 0% 0% 0% 0% 0% 0% 1667 100020 0% 0% 0% 0% 0% 0%

Tabla 11 Promedios porcentuales de magnitudes de espectro. [Elaboración propia]

De la tabla 11 podemos hacer varios análisis. El primero se desprende del comportamiento del tercer armónico de corriente en el sistema. Tiene especial relevancia en los elementos que más distorsión armónica presentan (las cargas DC que dependen de rectificación para funcionar y las cargas no lineales), sugiriendo así una relación directa entre su naturaleza no lineal y la amplificación de este armónico. En el módulo de cargas DC, este armónico alcanza a tomar un valor porcentual comparativo de 174,6%, lo cual significaría para una carga que consume 7A de corriente pico, un tercer armónico de corriente cuya amplitud sería de 12,22A pico. Un segundo análisis, (que se relaciona también con el tercer armónico), se da a la hora de examinar la diferencia entre los diferentes elementos del sistema en términos de los armónicos más influyentes. En las cargas que poseen elementos no lineales en su funcionamiento, se tiene una influencia mayor del tercer armónico, mientras que en las fuentes y en la carga resistiva pura AC se tiene una amplitud mayor en el quinto armónico. De esta manera se constata la importancia que tienen los armónicos 3, 5, 7 y 11 en la distorsión armónica cuando se habla de baja frecuencia, siendo especialmente peligroso el tercero. Ahora, para el caso de alta frecuencia, se tienen resultados que muestran relación entre los principios de funcionamiento de los equipos y el tipo de armónicos que inyectan. Para empezar, se tiene amplitud prácticamente nula en todos los equipos a partir del armónico 84

96 según los datos tomados (sin embargo sospechamos que esta nulidad se presenta desde antes), con lo cual se puede afirmar que no existe influencia por parte de los armónicos superiores a esta frecuencia (5000Hz). No obstante, sí hay un nivel considerable de amplitud en frecuencias superiores a 1KHz, para este caso de estudio, en el armónico 17 y en el armónico 67, los cuales corresponden a 1020Hz y 4020Hz respectivamente. Al observar los valores correspondientes a cada uno de los armónicos de la tabla puede notarse un decrecimiento de la amplitud de cada armónico a medida que se aumenta la frecuencia, sin embargo, este comportamiento cambia en los armónicos 3, 5, 17 y 67, lo que hace pensar que en estas frecuencias hay algún tipo de fuente que le da una amplitud mayor. Esta fuente de armónicos de alta frecuencia podrían ser los conmutadores y los puentes que componen los dispositivos de transformación de energía. En los datos del sistema fotovoltaico se observa un valor especialmente alto del 7% en el armónico 67, la explicación puede darse entendiendo que en este subsistema existe un convertidor DC-DC que depende de la conmutación de un transistor. La frecuencia de conmutación del transistor oscila, por lo general, entre 500Hz y 5000Hz, con lo que puede explicarse una frecuencia de conmutación que se equilibra en los 4000Hz, generando una componente notable a esta frecuencia.

Para el caso de estudio 2, se tienen resultados prácticamente iguales a los del caso de estudio 1. Las tablas 10 y 11 poseen datos muy similares los datos obtenidos para el caso de estudio 2 (ver anexos G y H), debido a la posición en la que se ubicó la fuente adicional (a la salida de la red eléctrica), se tuvo un efecto muy pequeño, casi imperceptible, de menos del 0,04% de diferencia. Razón por la cual se puede afirmar que el ingreso de armónicos al sistema se vuelve notable cuando la fuente de los mismos son dispositivos no lineales. Se sugiere, a partir de esta conclusión, hacer pruebas que sumen el efecto de varios sistemas no lineales, con el fin de poder amplificar los efectos que estos armónicos puedan generar en este tipo de sistemas.

El análisis del flujo de potencia arrojó resultados poco satisfactorios para la intensión del estudio. En ambos casos de estudio se tuvieron resultados similares, lo que sugiere que, a pesar de presentarse distorsión armónica, no cambia el comportamiento del flujo de potencia. No existen diferencias entre los valores de potencia o tensión de ambos casos de estudio, ni en los colores que adquieren los buses, manifestando así la independencia entre el flujo de potencia y la distorsión armónica de alta frecuencia.

Con lo que se ha dicho anteriormente se puede llegar a las siguientes conclusiones:

- Existen armónicos de alta frecuencia en las señales de corriente que circulan por la microrred.

- Los armónicos presentan menor amplitud respecto a los anteriores, de tal manera que se presenta una relación inversamente proporcional entre la frecuencia y la amplitud de los armónicos. La excepción se da en ciertos armónicos “críticos” que presentan un comportamiento diferente. En alta frecuencia se vio este comportamiento distintivo en el armónico 17 y el armónico 67.

- Los armónicos 17 y 67 presentan este comportamiento especial debido al funcionamiento de los circuitos que los originan. La prueba está en los elementos del sistema que presentan este comportamiento especial de manera más marcada. Por ejemplo, para el armónico 67, se tiene un valor excepcionalmente alto de 7% respecto a la amplitud de la fundamental en el sistema fotovoltaico, esto es debido a la frecuencia de conmutación del circuito MPPT que suele oscilar entre 500Hz y 5000Hz.

- El flujo de potencia no se ve afectado por los armónicos de alta frecuencia de manera directa.

97 - Se hace innecesario, a criterio de este estudio, realizar un modelo matemático que describa la problemática. El análisis de Fourier resulta ser un modelo suficiente para determinar la frecuencia y la amplitud de cualquier armónico, independientemente del sistema que lo origine. Así mismo, se tienen pocos armónicos de alta frecuencia que surgen como resultado de la interacción de equipos de la microrred, con lo que, basándose en la conclusión anterior, sería suficiente con determinar la frecuencia de conmutación de cada dispositivo.

6.1. Propuestas de trabajos futuros:

A pesar de haber podido modelar y simular la microrred basándose en las especificaciones reales de los equipos, se tuvieron varias limitaciones a la hora de plantear escenarios, identificar posibilidades de implementación y acceder a la información de trabajos anteriores relacionados con el tema. Debido a esto, fue limitado el trabajo al ámbito digital, llevando a cabo las simulaciones de los escenarios únicamente, con lo que queda pendiente realizar un ejercicio de confrontación de datos con mediciones reales que se lleven a cabo en escenarios con condiciones similares.

Se recomiendo usar este proyecto de investigación como punto de partida para llevar a cabo otros estudios relacionados con la temática. Se sugiere realizar el análisis del diseño y puesta a punto de la microrred real ubicada en el laboratorio de investigación. Abordar la implementación física de la misma demanda otros proyectos capaces de solucionar puntos tales como: los diseños de los controles que permitan la sincronización entre las fuentes de energía renovable con las que cuenta la microrred, y la red externa convencional; el diseño de un control para administrar la energía de las baterías en función de sus limitaciones, realizando de manera automática la carga y descarga de las mismas; en materia de distorsión, la medición (en las mismas condiciones que plantea este documento), de los armónicos, el THD y el flujo de potencia en la microrred real, permitiendo comparar los resultados de este estudio con un escenario verídico. Se sugiere re plantear el diseño de la microrred, ya que se identificaron inconsistencias de potencia que hacen depender al modelo, de manera excesiva, de la red externa, con lo que, podría sugerirse, implementar nuevas fuentes de energía, o ampliar las existentes.

Otro punto que se destaca de este estudio, y que necesita ser reforzado mediante experimentación, es la existencia del armónico 67. La hipótesis que plantea la causa del mismo en el control MPPT requiere pruebas en las que se varíen todos los demás equipos de la red que posean conmutadores de alta frecuencia dentro de su electrónica de potencia, como los inversores.

Un estudio interesante podría ser, la implementación de un sistema de comunicaciones (PLC), que permita identificar los efectos de los armónicos de alta frecuencia que se identificaron en este estudio, y en otros, con el fin de evitar la pérdida de información. De esta manera, se podría implementar un sistema de gestión interna de la microrred que funcione a través de este tipo de tecnología; identificando así la posibilidad de requerir observar con más cuidado este tipo de perturbaciones en estos sistemas.

98