Emisións “supraharmónicas”: membros invisibles da electricidade procedente de fontes renovables

2024/05/27 Alexander Gallarreta Canteli - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako ikertzaile doktoregaia | Jon González Ramos - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako ikertzaile doktoregaia | Igor Fernández Pérez - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | Itziar Angulo Pita - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | David de la Vega Moreno - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | Amaia Arrinda Sanzberro - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak
• Ingeniaritza

Un dos principais obxectivos do Acordo Climático de París 2015, promovido pola Organización das Nacións Unidas, é lograr unha economía de neutralidade en carbono. Este acordo climático establece unha serie de obxectivos a longo prazo para todas as nacións. Entre estas medidas atópase a redución das emisións de gases de efecto invernadoiro, limitando a nivel mundial o aumento de temperatura deste século a 2 °C. A Unión Europea ha establecido no seu marco xurídico os compromisos acordados no Acordo do Clima de París, a través do Pacto Verde Europeo polo Clima de 2019 e da Lei Europea do Clima de 2021. Estes acordos establecen que as emisións de carbono en 2030 deben ser un 55% inferiores ás medidas en 1990. A electromovilidad ou e-mobilidade e a xeración distribuída de enerxías renovables serán claves para reducir a dependencia social dos combustibles fósiles.

As políticas das Nacións Unidas e da Unión Europea han comezado a incidir no día a día da poboación. Os cargadores e paneis solares de vehículos eléctricos están a instalarse de forma masiva en vivendas e rúas, conectados á rede de baixa tensión. Ademais, no futuro prevese un incremento exponencial deste tipo de dispositivos na rede de baixa tensión.

Nas últimas décadas estudouse a influencia dos cargadores e paneis solares de vehículos eléctricos na rede de baixa tensión. Estes equipos dispoñen de rectificadores e investidores para modificar as características da electricidade. Os rectificadores captan corrente alterna (sinal de potencia 50 Hz) e convértena en corrente continua. Nos cargadores de vehículos eléctricos utilízanse para transformar a electricidade da rede de baixa tensión, xa que as baterías dos vehículos eléctricos traballan en corrente continua. Pola contra, os investidores converten a corrente continua en corrente alterna. Estes dispositivos utilízanse no caso dos paneis solares, xa que a electricidade xerada polos paneis solares está en forma de corrente continua e a rede de baixa tensión traballa en corrente alterna. Nestas versións da electricidade xéranse impurezas debido ás técnicas e compoñentes electrónicos que implementan os investidores e rectificadores. Estas impurezas inxéctanse en forma de sinais ou emisións non desexadas en redes de corrente alterna de baixa tensión que se propagan na rede cun sinal de 50 Hz. A disciplina encargada do estudo destas impurezas denomínase “calidade de potencia”, derivada do termo inglés “power-quality”.

Mídese a calidade de potencia desde a creación das redes eléctricas e caracterízanse os compoñentes de frecuencia que aparecen fóra do sinal de potencia de 50 Hz. Na literatura publicáronse numerosos estudos que analizan os fenómenos de interferencia en redes de baixa tensión (menos de 2 kHz). Nas frecuencias baixas prodúcense emisións non desexadas por ser “harmónicas”. Estas son impurezas do sinal de 50 Hz e atópanse en múltiplos da frecuencia da corrente alterna (50 Hz), como 100 Hz (primeiro armónico), 150 Hz (segundo armónico), 200 Hz (terceiro armónico), etc. Con todo, as emisións non desexadas prodúcense a frecuencias superiores ao armónico 40 (2 kHz). A partir desta frecuencia, as emisións non desexadas non son harmónicas do sinal de potencia de 50 Hz, senón que dependen das frecuencias de conmutación das técnicas e compoñentes implementadas por investidores e rectificadores. As emisións non desexadas xeradas por estes equipos adoitan atoparse no rango de frecuencias comprendido entre 2 kHz e 500 kHz.

Coñécense como emisións “supraharmónicas” os compoñentes de frecuencia non desexados que poden medirse no rango de frecuencias comprendido entre 2 kHz e 500 kHz. A palabra supraharmónica (provén do inglés “supraharmonic”) utilízase para designar as emisións que se producen a frecuencias superiores a 2 kHz, debido a que o termo supraharmónico é unha combinación das palabras latín “supra” (encima) e inglés “harmonic” por encima dos armónicos. O termo supraharmónico, moi utilizado na comunidade investigadora, pode provocar unha mala comprensión do fenómeno físico das emisións non desexadas que se producen entre 2 kHz e 500 kHz. A fonte destas emisións non desexadas non está relacionada coas impurezas de corrente alterna, senón coas frecuencias de traballo dos compoñentes e técnicas de rectificadores e investidores.

Dentro do rango de frecuencias no que se producen as emisións supraharmónicas, prodúcense as transmisións das comunicacións da liña eléctrica (PLC, en inglés “power line communications”) na banda 10-490 kHz. As tecnoloxías PLC utilizan os cables das redes eléctricas como medio de comunicación. Na actualidade, as tecnoloxías PLC son os principais sistemas de comunicación de contadores “intelixentes” que miden o consumo e a xeración de electricidade en vivendas e empresas, a través dos cales se transmite a información de telemetría dos consumos de electricidade ás empresas xestoras de redes de baixa tensión. Grazas ás tecnoloxías PLC, as compañías eléctricas han desenvolvido tarifas con prezos variables ao longo do día que poden depender da demanda e oferta do mercado eléctrico.

As emisións supraharmónicas poden producir efectos non desexados ou ter un impacto negativo sobre as redes de baixa tensión e os dispositivos conectados a elas. Estas emisións non desexadas, si o seu nivel de amplitude é demasiado alto, poden pór en perigo o bo funcionamento dalgúns dispositivos. Por outra banda, relacionouse a enerxía das emisións supraharmónicas coa “tensión térmica” que sofren os aparellos, o que reduce a vida útil dos compoñentes electrónicos que implementan os equipos, o que acelera o envellecemento dos mesmos. Ademais, as comunicacións PLC transmítense en frecuencias nas que se propagan as emisións supraharmónicas, polo que as emisións non desexadas poden interferir as transmisións PLC e onducir as comunicacións que transportan información de telemetría. A pesar de que os efectos negativos descritos teñen unha pequena porcentaxe de equipos conectados á rede de baixa tensión, ao estar conectados millóns de dispositivos e contadores intelixentes á rede, é necesario tomar medidas para mitigar devanditos efectos.

Os efectos negativos derivados das emisións supraharmónicas xeraron numerosas posibilidades de investigación para o deseño de novas técnicas e/ou dispositivos que preveñan o impacto destas emisións. As investigacións levadas a cabo nos últimos anos permitiron o lanzamento de filtros comerciais que debilitan as emisións supraharmónicas xeradas polos aparellos. Ademais, os límites de amplitude dos sinais que poden inxectar os dispositivos na rede definíronse en estándar internacionais que os fabricantes de equipos deben ter en conta á hora de deseñar os dispositivos. Así mesmo, estableceuse o nivel máximo que poden alcanzar as combinacións de todas as emisións supraharmónicas que xeran todos os dispositivos na rede e que deben ser controladas polas compañías eléctricas que xestionan redes de baixa tensión. Doutra banda, publicáronse once técnicas baseadas no procesamiento do sinal para que a comunicación PLC funcione ao 100%. O obxectivo destas técnicas é eliminar os fenómenos de interferencia que producen as emisións supraharmónicas nas transmisións PLC ou, polo menos, reducir o seu impacto. Con todo, aínda se están realizando numerosos estudos sobre estas emisións desde o punto de vista metrolóxico (ciencia que estuda a precisión das medidas), relacionados coa mellora da velocidade e cobertura das comunicacións PLC.

O grupo de investigación TSR (Tratamento do Sinal e Radiocomunicaciones) da Escola de Enxeñaría de Bilbao da Universidade do País Vasco (UPV/EHU), tras estudar desde 1998 a calidade dos sinais de televisión e radio, creou fai 9 anos unha nova liña de investigación denominada “Comunicacións para redes eléctricas intelixentes”. Esta liña de investigación tiña como obxectivo orientar as posibilidades de investigación ao redor das emisións supraharmónicas e satisfacer as demandas das empresas do País Vasco.

No grupo de investigación TSR da UPV/EHU creáronse unha serie de medidores propios para caracterizar a rede eléctrica no rango de frecuencias de supraharmónicos. Entre os instrumentos xerados atópanse os medidores de emisións supraharmónicas nun rango de frecuencias comprendido entre 9 kHz e 20 MHz, entre os que se definiron as sondas de devanditos medidores e os códigos de procesamiento de medidas en tempo real. Ademais, creáronse instrumentos de medida para medir a impedancia de entrada que presenta a rede de baixa tensión no mesmo rango de frecuencias e cuantificar o enfraquecemento dos sinais de comunicacións PLC entre os dous puntos da rede. Estes aparellos proporcionan os datos necesarios para caracterizar totalmente a rede de baixa tensión. Estes datos utilizáronse para caracterizar os mecanismos de interferencia que as redes de baixa tensión xeran nas comunicacións das tecnoloxías PLC. No entanto, as interferencias nas comunicacións PLC caracterizáronse tanto por probas de laboratorio como por probas en redes de baixa tensión. Así mesmo, os datos recolleitos nas redes de baixa tensión utilizáronse para analizar a metrología das medidas mediante estudos de incerteza das técnicas implementadas polos instrumentos que miden a calidade de potencia definida en estándar internacionais e que se poden atopar no mercado.

É máis, as investigacións levadas a cabo no grupo de investigación TSR da UPV/EHU serviron para realizar achegas de gran impacto a nivel internacional de estandarización e investigación. Entre estas achegas atópase a participación no proxecto europeo EMPIR-SupraEMI, financiado por EURAMET (Asociación de Centros Nacionais de Metrología Europea), así como as achegas realizadas en diferentes grupos de traballo das organizacións IEC (Comité Electrotécnico Internacional) e CENELEC (Comisión Europea para a Normalización Electrotécnica), encargadas da creación de estándar internacionais.

En resumo, nas próximas décadas, o número de paneis solares e cargadores de vehículos eléctricos conectados ás redes de baixa tensión aumentará exponencialmente debido ás políticas de descarbonización da Organización das Nacións Unidas e da Unión Europea. Estes equipos xeran e inxectan emisións supraharmónicas en redes de baixa tensión e poden afectar negativamente ao resto de equipos. No entanto, leváronse a cabo diversos estudos de prevención e mitigación das emisións supraharmónicas ou están en marcha. As conclusións obtidas destes estudos serán de gran utilidade para garantir unha boa calidade de potencia das redes de baixa tensión cando no futuro o número de paneis solares e cargadores de vehículos eléctricos sexa considerable.

 

Agradecementos:

Este traballo foi financiado polo Goberno Vasco a través das subvencións IT1436-22, PRE_2023_2_0037 e PRE_2023_2_0162. Este traballo tamén foi financiado coa subvención PID2021-124706OB-I00, do MCIN/AEI/10.13039/501100011033 e do Fondo Europeo para o Desenvolvemento Rexional: “Unha forma de facer Europa”.

 

Bibliografía:

1. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement
2. https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
3. Alexander Gallarreta, Jon González-Ramos, Stefano Lodetti, Peter Davis, Igor Fernández, David de la Vega, Itziar Angulo, Amaia Arrinda. No proceso de revisión. “Measurement framework for the consistent and fast measurement of conducted grid emissions in the 9 500 kHz range”. Computers and Electrical Engineering.
4. Ángela Espín-Delgado, Sarah Rönnberg, Shimi Sudha Letha, Math Bollen. 2021. "Diagnosis of supraharmonics related problems based on the effects on electrical equipment". Electric Power Systems Research. 195. DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107179.
5. R. H. Anders Larsson; Math H. J. Bollen; Mats G. Wahlberg; C. Martin Lundmark; Sarah K. Rönnberg. 2010. "Measurements of High-Frequency (2–150 kHz) Distortion in Low-Voltage Networks". IEEE Transactions on Power Delivery, 25. DOI: 10.1109/TPWRD.2010.2041371.
6. Igor Fernández, Alexander Gallarreta, Jon González-Ramos, Paul Wright, David de la Vega, Itziar Angulo, Amaia Arrinda. 2023. “Measurement System of the Mean and Sub-cycle LV Grid Access Alojance from 20 kHz to 10 MHz”. IEEE Transactions on Power Delivery. 38. DOI: 10.1109/TPWRD.2023.3238647
7. Jon González-Ramos, Alexander Gallarreta, Igor Fernández, Itziar Angulo, David de la Vega, Amaia Arrinda. 2024. “Comparison of conducted emissions due to electric vehicle charging processes under isolated and on-line conditions in the 9–500 kHz frequency range”. Sustainable Energy, Grids and Networks. 36. DOI: 10.1016/j.segan.2024.101333.
8. Jon González-Ramos, Alexander Gallarreta, Itziar Angulo, Igor Fernández, Amaia Arrinda, David de la Vega. 2023. “A review on the empirical characterization of the low voltage distribution grid as a communication channel for power line communications”, Sustainable Energy, Grids and Networks. 36. DOI: 10.1016/j.segan.2023.101217.
9. Tim Slangen, Vladimir VOCCuk, SlistadoCobben. 2023. "Summation of supraharmonic currents (2–150 kHz) from EV fast charging stations", Electric Power Systems Research, 220. DOI: 10.1016/j.epsr.2023.109371.
10. Vineetha Ravindran, Selcuk Sakar, Sarah Rönnberg, Math H.J. Bollen. 2020. Characterization of the impact of PV and EV induced voltage variations on LED lamps in a low voltage installation. Electric Power Systems Research. 185. DOI: 10.1016/j.epsr.2020.106352.