¿Cómo suprime el filtro de potencia activa los armónicos en plantas fotovoltaicas?

Fuentes de armónicas en sistemas fotovoltaicos

Los sistemas de energía solar tienden a generar armónicos principalmente debido a la electrónica de potencia no lineal presente en inversores y convertidores DC-DC. Estos componentes alteran la forma de las corrientes eléctricas al convertir la energía de una forma a otra. Los transformadores que funcionan cerca de sus límites de saturación magnética también contribuyen a este problema, al igual que las cargas desequilibradas en los sistemas trifásicos. Al analizar investigaciones recientes de principios de 2024 sobre el origen de estas frecuencias no deseadas en instalaciones de energía verde, la mayoría de los estudios señalan que las interfaces de electrónica de potencia son responsables de aproximadamente el 72 por ciento de todos los problemas armónicos observados en instalaciones fotovoltaicas contemporáneas hoy en día.

Cómo la conmutación del inversor genera corrientes armónicas

Cuando los inversores conmutan utilizando la modulación por ancho de pulso (PWM), tienden a generar esas molestas corrientes armónicas. La mayoría de los inversores operan dentro de un rango de aproximadamente 2 a 20 kilohercios para sus operaciones de conmutación. Lo que sucede aquí es bastante sencillo en realidad: obtenemos todo tipo de ondulaciones de corriente de alta frecuencia, además de grupos característicos de armónicos que se forman justo alrededor de múltiplos de la frecuencia base de conmutación. Observa lo que ocurre cuando alguien opera un inversor de 4 kHz junto con una red eléctrica estándar de 50 Hz. De repente, aparecen armónicos dominantes en puntos como 4 kHz más o menos cualquier múltiplo siguiente de 50 Hz. Si nadie instala filtros adecuados para manejar este desorden, esas corrientes no deseadas siguen fluyendo de regreso hacia el sistema eléctrico principal. ¿El resultado? Una calidad de voltaje más pobre en general y desgaste innecesario de todos los demás dispositivos conectados a esa misma red.

Impacto de la Alta Penetración de PV en los Niveles Armónicos de la Red

A medida que la penetración de PV supera el 30 % en las redes de distribución, la distorsión armónica acumulada se intensifica debido a:

• Interacción de fase : El conmutado sincronizado del inversor amplifica frecuencias armónicas específicas
• Impedancia de la red : Una mayor impedancia a frecuencias armónicas incrementa la distorsión de voltaje
• Riesgos de resonancia : La interacción entre la capacitancia del inversor y la inductancia de la red puede crear picos resonantes

Estudios de campo han registrado picos transitorios de THD superiores al 30 % durante cambios rápidos en la irradiación, muy por encima del límite de THD de voltaje del 5 % establecido por IEEE 519-2022. Estas condiciones aumentan las pérdidas en los transformadores en un 15–20 % y elevan la temperatura de los conductores en 8–12 °C, acelerando la degradación del aislamiento y reduciendo la vida útil del equipo.

Cómo los filtros activos de potencia mitigan las armónicas en tiempo real

Limitaciones de los filtros pasivos en entornos fotovoltaicos dinámicos

Los filtros armónicos pasivos no son adecuados para los sistemas fotovoltaicos modernos debido a sus características de sintonización fija. No pueden adaptarse a los espectros armónicos cambiantes causados por la irradiancia variable o la dinámica de la carga. Las desventajas principales incluyen:

• Incapacidad para responder a las variaciones armónicas inducidas por nubes
• Riesgo de resonancia con inversores conectados a la red, observado en el 63 % de las instalaciones fotovoltaicas
• costos anuales de mantenimiento un 74 % más altos en comparación con soluciones activas (EPRI 2022)

Estas limitaciones reducen la fiabilidad y eficiencia en entornos donde los perfiles armónicos fluctúan durante el día.

Principio de funcionamiento del filtro activo de potencia: Inyección en tiempo real de corriente armónica

Los filtros activos de potencia (FAP) utilizan inversores basados en IGBT y procesadores digitales de señal (DSP) para detectar y neutralizar armónicos en menos de 2 milisegundos. Tal como se describe en las Directrices técnicas IEEE 519-2022 , el proceso implica:

1. Muestreo de la corriente de la red a una frecuencia de 20–100 kHz para capturar el contenido armónico
2. Cálculo de corrientes armónicas en contrafase en tiempo real
3. Inyección de corrientes de compensación mediante conmutación de alta frecuencia (10–20 kHz)

Esta respuesta dinámica permite a los filtros activos de potencia mantener la distorsión armónica total (THD) por debajo del 5 %, incluso con una alta penetración de energía fotovoltaica (>80 %) y perfiles de generación cambiantes rápidamente.

Colocación óptima del filtro activo de potencia en el punto de acoplamiento común (PCC)

La instalación de filtros activos de potencia en el punto de acoplamiento común (PCC) maximiza la eficacia de mitigación de armónicos al abordar tanto las distorsiones generadas por inversores como las perturbaciones de la red aguas arriba. Esta colocación estratégica resulta en:

• reducción del THD entre un 8 % y un 12 % mayor que en configuraciones en el lado de la carga
• Corrección simultánea de parpadeo de voltaje y desequilibrio de fases
• capacidad requerida del filtro un 32 % menor mediante compensación centralizada

Al mitigar los armónicos en el punto de interfaz, los filtros activos de potencia instalados en el PCC protegen los equipos aguas abajo y garantizan el cumplimiento en todo el sistema.

Estrategias avanzadas de control para filtros activos de potencia derivados en sistemas fotovoltaicos

Teoría de la Potencia Reactiva Instantánea (p-q) en el Control de Filtros Activos de Potencia

La teoría PQ constituye la base para el funcionamiento de los Filtros Activos de Potencia en Paralelo (SAPF) a la hora de detectar componentes armónicos y reactivos en cargas eléctricas. Lo que ocurre aquí es bastante interesante: las corrientes trifásicas se convierten en componentes ortogonales denominados p (potencia activa) y q (potencia reactiva), alineados con lo que sucede en el lado de la red. Este enfoque acierta aproximadamente 9 de cada 10 veces al identificar componentes armónicos dentro de la señal. Una vez determinadas estas señales de referencia, indican al inversor del SAPF exactamente qué debe cancelarse, especialmente aquellas molestas armónicas de quinto y séptimo orden que tienden a aparecer frecuentemente en redes alimentadas por paneles solares, según investigaciones publicadas en Nature Energy el año pasado.

Mejora de la Estabilidad mediante la Regulación del Voltaje del Enlace de Corriente Continua

Mantener un voltaje estable en el enlace de corriente continua (DC-link) es muy importante para obtener un rendimiento consistente de los filtros activos de potencia en paralelo (SAPF). El sistema normalmente utiliza lo que se conoce como un controlador proporcional-integral para mantener el equilibrio. Este dispositivo gestiona el voltaje del condensador de corriente continua mediante ajustes en la cantidad de potencia activa que fluye entre el equipo y la red eléctrica. Las pruebas muestran que este enfoque reduce el rizado de voltaje en aproximadamente un 60 por ciento en comparación con sistemas sin regulación. ¿Qué significa esto en la práctica? Ayuda a mantener una compensación armónica adecuada incluso cuando surgen problemas como sombreado parcial o cambios bruscos en la intensidad de la luz solar. Estos tipos de problemas ocurren frecuentemente en grandes parques solares, por lo que un buen control de voltaje es absolutamente esencial para un funcionamiento fluido.

Tendencias emergentes: Control adaptativo y basado en inteligencia artificial en filtros activos de potencia en paralelo

Los últimos modelos SAPF ahora combinan redes neuronales artificiales con técnicas de control predictivo basado en modelos para predecir el comportamiento armónico según salidas anteriores de paneles solares e información de la red. Lo que distingue a estos sistemas inteligentes es su capacidad de reaccionar un 30 por ciento más rápido que los métodos tradicionales, cambiando automáticamente las frecuencias de conmutación entre 10 y 20 kHz para un mejor ajuste de rendimiento. Pruebas en condiciones reales han demostrado que cuando la inteligencia artificial interviene en el funcionamiento del SAPF, la distorsión armónica total se mantiene consistentemente por debajo del 3 %, lo cual realmente supera las estrictas normas establecidas por IEEE 519-2022 en todo tipo de escenarios operativos, según investigaciones recientes sobre sistemas de control publicadas por IEEE.

Técnicas complementarias de reducción de armónicos para mejorar el rendimiento del APF

Soluciones de prefiltrado: inversores multipulsos y filtros LCL

Los inversores multipulso reducen la generación de armónicos directamente en la fuente mediante el uso de devanados de transformador desfasados. Pueden eliminar entre un 40 y hasta un 60 por ciento los molestos armónicos 5º y aproximadamente el 7º en comparación con los diseños convencionales de 6 pulsos. Añada en la actualidad un filtro LCL al sistema y observe lo que sucede a continuación. Estos filtros suprimen eficazmente todo el ruido de conmutación de alta frecuencia por encima del umbral de aproximadamente 2 kHz. Juntos, alivian considerablemente la carga para cualquier filtro activo de potencia (APF) que venga después en el sistema. Para profesionales que trabajan en instalaciones solares, esta estrategia de filtrado escalonado facilita mucho el cumplimiento de las exigentes normas IEEE 519 2022. Algunos estudios de IntechOpen respaldan este enfoque, mostrando mejoras que van desde aproximadamente un 15 % hasta un 30 % en las tasas de cumplimiento.

Enfoques híbridos: Combinación de transformadores en zig-zag con filtros activos de potencia

El transformador en zigzag realiza un trabajo bastante bueno al abordar esos molestos armónicos de secuencia cero conocidos como triplens (piense en los órdenes 3º, 9º, 15º). Estos pequeños problemáticos son los que causan problemas con conductores neutros sobrecargados en sistemas fotovoltaicos trifásicos. Combine estos transformadores con filtros activos de potencia y estamos hablando de una reducción de alrededor del 90 por ciento en armónicos de baja frecuencia por debajo de 1 kHz según diversas pruebas de conexión a la red. Lo que hace tan interesante esta combinación es que en realidad permite a los ingenieros dimensionar sus AFP aproximadamente a la mitad, a veces incluso más que eso. Y AFP más pequeñas significan grandes ahorros en costos de equipo inicial, además de que los gastos de mantenimiento continuo también disminuyen.

Integración de Firmware de Inversores Inteligentes para Supresión Proactiva de Armónicos

La última generación de inversores formadores de red ha comenzado a utilizar algoritmos predictivos para suprimir armónicos, ajustando sus estrategias de modulación en menos de cinco milisegundos. Estos dispositivos inteligentes se comunican con filtros activos de potencia mediante los estándares IEC 61850, lo que les permite corregir problemas de forma de onda justo donde comienzan, en lugar de permitir que los problemas se acumulen aguas abajo. Las pruebas en condiciones reales muestran un fenómeno interesante cuando los sistemas funcionan juntos de esta manera. La distorsión armónica total desciende por debajo del 3 por ciento incluso cuando los niveles de luz solar cambian repentinamente, lo cual es bastante impresionante considerando lo sensibles que pueden ser las instalaciones solares. Además, hay otro beneficio digno de mención: el filtro activo de potencia se enciende y apaga un 40 % menos frecuentemente que antes. Esto significa una vida útil más larga del equipo y una eficiencia general mejorada para todo el sistema eléctrico.

Evaluación del Rendimiento y Valor Económico de los Filtros Activos de Potencia en Plantas Fotovoltaicas

Medición de la Efectividad: Estudios de Caso sobre Cumplimiento con IEEE 519-2022 y Reducción de THD

Las instalaciones fotovoltaicas necesitan filtros activos de potencia para cumplir con las normas IEEE 519-2022, que establecen un límite del 5 % en la distorsión armónica total de voltaje en los puntos de conexión. Cuando entran en funcionamiento real, estos FAP suelen reducir los niveles de DHT desde aproximadamente el 12 % hasta apenas un 2 o 3 % en la mayoría de las instalaciones solares comerciales. Esto ayuda a evitar que los equipos se sobrecalienten y detiene esas molestas distorsiones de forma de onda que pueden dañar los sistemas con el tiempo. Al analizar lo ocurrido en 2023, cuando investigadores examinaron siete granjas solares a gran escala, notaron algo interesante: tras instalar los FAP, el cumplimiento de los códigos de red aumentó drásticamente, pasando de poco más de la mitad (alrededor del 58 %) a un cumplimiento casi perfecto del 96 %. Las personas que estudian problemas de calidad de energía señalan regularmente otro beneficio adicional: estos filtros siguen funcionando bastante bien incluso cuando el sistema no opera a plena capacidad, a veces tan bajo como el 30 %, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones solares, donde la producción de energía varía naturalmente durante el día.

Rendimiento a Largo Plazo en Campo: Filtro Activo de Potencia en una Instalación Solar Alemana

Una planta fotovoltaica de 34 megavatios en funcionamiento en Alemania mostró un rendimiento impresionante de su sistema de filtro activo de potencia durante un período de poco menos de cuatro años y medio. La distorsión armónica total se mantuvo consistentemente por debajo del 3,8%, incluso cuando la producción de la planta varió drásticamente entre el 22% y el 98% de su capacidad. Lo notable de este logro es que el sistema de control inteligente redujo los reemplazos del banco de condensadores en aproximadamente tres cuartas partes en comparación con los métodos pasivos tradicionales. En cuanto a las estadísticas de disponibilidad, el FAP mantuvo un funcionamiento del asombroso 98,6%, superando lo que logran la mayoría de los filtros pasivos en condiciones climáticas comparables (normalmente entre el 91% y el 94%). Los equipos de mantenimiento también informaron que necesitaron intervenir alrededor de un 40% menos frecuentemente que con los enfoques anteriores basados en reactores, lo que representa un ahorro significativo de costos a largo plazo.

Análisis Costo-Beneficio: Equilibrar la Inversión Inicial con los Ahorros por Penalizaciones de Red

Los FAP definitivamente tienen un precio inicial más alto, generalmente alrededor de un 25 a 35 por ciento más que los filtros pasivos comunes. Pero aquí está el detalle: permiten ahorrar a las instalaciones entre dieciocho mil y cuarenta y cinco mil dólares cada año en penalizaciones de red provocadas por problemas de armónicos. Tomemos, por ejemplo, una instalación típica de 20 megavatios; los ahorros cubren el costo adicional en poco menos de cuatro años. Muchas empresas ahora están combinando FAP con sus filtros LCL actuales. Este enfoque híbrido reduce los gastos de mitigación en aproximadamente diecinueve centavos por vatio pico, en comparación con implementar únicamente sistemas pasivos. Además, los reguladores han comenzado a tratar a los FAP como activos reales de capital que pueden depreciarse durante siete a doce años. Esto los hace financieramente atractivos en comparación con las soluciones tradicionales, que tardan quince años completos en amortizarse. Las cuentas simplemente resultan más favorables para la mayoría de operaciones que buscan ahorros a largo plazo.

Preguntas frecuentes

¿Qué causa los armónicos en los sistemas fotovoltaicos?

Las armónicas en los sistemas fotovoltaicos son causadas principalmente por la electrónica de potencia no lineal presente en inversores y convertidores DC-DC. Otras fuentes incluyen transformadores cercanos a sus límites de saturación magnética y cargas desequilibradas en sistemas trifásicos.

¿Cómo generan los inversores corrientes armónicas?

Los inversores que utilizan modulación por ancho de pulso (PWM) generan corrientes armónicas durante el conmutado, creando rizados de alta frecuencia y grupos de armónicos alrededor de múltiplos de la frecuencia básica de conmutado.

¿Cuál es el impacto de una alta penetración fotovoltaica en las armónicas de la red?

A medida que aumenta la penetración fotovoltaica, la distorsión armónica se intensifica debido a las interacciones de fase, la impedancia de la red y los riesgos de resonancia, lo que provoca mayores pérdidas en los transformadores y un aumento de la temperatura en los conductores.

¿Cómo ayudan los filtros activos de potencia a mitigar las armónicas?

Los Filtros Activos de Potencia (FAP) detectan y neutralizan las armónicas mediante inversores basados en IGBT y DSP, reduciendo la distorsión armónica total por debajo del 5 %, incluso con una alta penetración solar.

¿Cuál es la ventaja de instalar filtros activos de potencia en el punto de acoplamiento común?

Instalar filtros activos de potencia en el PCC aborda tanto las distorsiones generadas por los inversores como las perturbaciones de la red, lo que resulta en una mayor reducción de la THD y la corrección simultánea del parpadeo de voltaje.