ResumenEl nmero de plantas fotovoltaicas ha aumentado

en las redes de distribucin en los ltimos aos debido a las subvenciones de los gobiernos y la disminucin de los costes de produccin de la tecnologa fotovoltaica. Este trabajo resume las medidas de parmetros de calidad de potencia realizadas en una red de distribucin rural en dos perodos de tiempo, anterior y posterior a la conexin a la lnea de una planta fotovoltaica y adems presenta los mismos parmetros registrados en el punto de conexin comn (PCC) de la red y la instalacin fotovoltaica con el propsito de conocer cmo la impedancia de la red y el ratio de potencia inyectada a la red y demandada por la carga puede provocar cambios sobre la calidad de potencia de la red de distribucin. Ciertos valores de parmetros son comparados con los lmites marcados en los estndares internacionales. Este artculo evala la influencia de la generacin fotovoltaica en el sistema de distribucin teniendo en cuenta importantes aspectos como el flujo inverso de potencia y la distorsin armnica.

Palabras Clave Calidad de suministro, Generacin fotovoltaica, Nivel de penetracin, Punto de conexin comn.

I. INTRODUCCION L nmero de instalaciones fotovoltaicas en Espaa ha ido incrementndose de manera notable en los ltimos aos

debido al compromiso adquirido por el gobierno espaol con la Unin Europea para aumentar la presencia de la generacin de energa renovable en el parque de generacin europeo. El apoyo de la administracin junto con el rpido desarrollo y avance de la tecnologa fotovoltaica se ha traducido en una potencia total instalada en 2008 de 6090 MW en todo el mundo. Espaa fue en dicho ao el lder con un 43% de toda la potencia mundial instalada de origen fotovoltaico segn se describe en [1]. La mayora de los esfuerzos de investigacin se han encaminado hacia la mejora del rendimiento de las instalaciones fotovoltaicas en cuanto a desarrollo de componentes, topologa de convertidores y ptimo seguimiento de la radiacin solar [2]-[6]. En poco tiempo el avance de la tecnologa es evidente y los rendimientos de las instalaciones han aumentado de forma considerable. Llegados a este punto es necesario profundizar en el rendimiento de los componentes de las instalaciones; pero adems es importante conocer el impacto de dichas instalaciones sobre las redes de distribucin a las que se conectan, debido al cada vez mayor nivel de penetracin de la generacin fotovoltaica. Altos niveles de penetracin de generacin fotovoltaica conllevan

una serie de problemas potenciales que pudieran suponer una desventaja para el desarrollo de este tipo de generacin [6]. La capacidad de generacin de las instalaciones de generacin no gestionables en Espaa, no puede exceder el 20% de la potencia de cortocircuito de la red en el PCC; para mitigar los posibles efectos de las instalaciones de generacin en la red de distribucin. Obtener con exactitud un valor de la impedancia de cortocircuito de la red en el PCC previamente a la instalacin de la planta de generacin no es trivial. La impedancia de la red, que guarda relacin directa con la potencia de cortocircuito, cambia con la frecuencia y su estimacin puede ser complicada con la presencia de ms de una fuente de generacin en la red. La localizacin del punto de conexin de la instalacin fotovoltaica en la red de distribucin puede influir sobre la calidad de potencia de la red en el PCC [8] y adems la diferencia entre condiciones de produccin y carga en la lnea, puede provocar fluctuaciones en la tensin de red debidas a la inversin del flujo de potencia [9], [10]. Teniendo en cuenta todos esos factores, el presente documento muestra las medidas llevadas a cabo en una red de distribucin en dos situaciones, antes y despus de la conexin a la red de una instalacin fotovoltaica con el objetivo de evaluar la influencia de la generacin fotovoltaica en subestacin y en el PCC.

II. DESCRIPCIN DE LA PLANTA FOTOVOLTAICA Y RED DE DISTRIBUCIN.

El tamao y la potencia pico de la planta fotovoltaica, la carga y la potencia de cortocircuito de la red son parmetros importantes a tener en cuenta a la hora de evaluar cmo afecta la planta fotovoltaica a la red, todos estos parmetros se relacionan con el nivel de penetracin de la generacin fotovoltaica.

Segn [10], la mayora de los problemas detectados en pruebas experimentales ocurren en redes de distribucin rurales, debido a su alta impedancia. Teniendo esto en cuenta en el proceso de seleccin de la lnea a estudiar, se analizaron datos registrados de diferentes lneas de distribucin rurales de los aos 2005 a 2007, para elegir una de ellas con perfil de carga bajo y sin cambios notables en los diferentes aos. La lnea escogida tena similares perfiles de carga del ao 2005 al 2007 con una baja demanda durante dichos perodos Fig. 1.,

Influencia de una Instalacin Fotovoltaica Conectada a Red sobre la Calidad de Potencia

de una Red de Distribucin Pedro Gonzlez-Castrillo, Enrique Romero-Cadaval, Eva Gonzlez-Romera,

Fermn Barrero-Gonzlez, Miguel A. Guerrero-Martnez

Power Electrical and Electronic Systems (PE&ES), School of Industrial Engineering (University of Extremadura), (http://peandes.unex.es)

E

alcanzando valores ms altos en los meses de Abril a Agosto cuando la mayora de los clientes de zonas rurales desarrollan su mxima actividad. Otro requisito para la eleccin de la lnea fue que tuviera una instalacin conectada a la misma para obtener datos recogidos en las dos situaciones descritas (con y sin generacin fotovoltaica). La lnea estudiada es una lnea de distribucin rural de media tensin (20 kV) en el suroeste de Espaa con una potencia instalada aproximada de 5 MW que abastece a 115 clientes, incluyendo una pequea poblacin y numerosas explotaciones agrarias de regado. La lnea parte de un transformador de distribucin de 20 MVA de una subestacin con relacin de transformacin 66 kV/20 kV.

La planta fotovoltaica se encuentra localizada a 4 km de la subestacin y comenz su produccin en el ao 2008. La instalacin fotovoltaica tiene inversores monofsicos de 5 kW e inversores trifsicos de 20 kW y 100 kW de potencia, todos ellos equipados con transformadores de aislamiento galvnico y con las protecciones propias de los inversores utilizados en sistemas fotovoltaicos como son: contra polarizacin inversa, contra sobretensiones transitorias en la entrada y la salida, contra cortocircuitos y sobrecargas en la salida, contra fallos de asilamiento, contra sobretemperatura y anti-isla. El parque fotovoltaico se compone de 6633 mdulos fotovoltaicos de 150 W de potencia nominal asociados en 390 strings de 17 mdulos cada uno. Las agrupaciones de strings se conectan a inversores de distinta potencia, existen grupos de 15 kW, 20 kW y 100 kW constituyendo un total de 995 kW de potencia total instalada. Todos los inversores se conectan a la red a travs de transformadores 0.4 kV/20 kV, dos de ellos de 630 kVA y los otros dos de 400 kVA.

III. METODOLOGA DE MEDIDA Para realizar las medidas se instal un analizador de calidad

de potencia LEM (Topas 1000) en dos puntos de la lnea elctrica escogida: primero en subestacin para obtener datos en los dos perodos ya mencionados (con y sin generacin fotovoltaica conectada a la lnea) y realizar un anlisis comparativo de ambos y segundo en el PCC para evaluar la calidad de potencia inyectada a la red por la instalacin

fotovoltaica. Como complemento a las medidas realizadas en el PCC, se capturaron las formas de onda de las corrientes de fase y neutro de las diez agrupaciones de inversores de la planta medidas a la salida de los inversores en baja tensin antes de los transformadores elevadores ya mencionados con el objetivo de analizar de forma cualitativa como operan los distintos grupos de inversores.

Se han registrados diferentes parmetros y magnitudes elctricas como potencia activa y reactiva, factor de potencia, tasa de distorsin armnica de corriente (THDI) y tasa de distorsin armnica de tensin (THDU) y armnicos individuales de tensin y corriente. Todos los perodos de medida fueron de 24 horas en diferentes das de registro, la medida de la red sin la planta fotovoltaica fue realizada en subestacin el 26 de Febrero de 2007; la medida de la red con el sistema fotovoltaico fue realizada el 31 de Marzo de 2009, la salida de la planta fotovoltaica en el PCC fue monitorizada el 3 de Marzo de 2010 y finalmente las corrientes entregadas por los inversores se capturaron el 18 de Marzo de 2010.

El analizador de calidad de potencia fue conectado en los secundarios de los transformadores de medida de corrientes (300A/60A) y tensiones (22kV/110V) de la lnea en subestacin y de igual manera, despus del interruptor general de la planta fotovoltaica para realizar las medidas del PCC Fig. 2. El analizador Topas 1000 cuenta con 8 canales de medida para corrientes y tensiones indistintamente; se realiz la conexin a cuatro hilos con neutro y este punto neutro puesto a tierra. Para las medidas en subestacin y PCC, el equipo registr datos con un intervalo de muestreo mximo de 10 ms para valores eficaces, promediando posteriormente los datos por minuto. Para el registro de las formas de onda de las corrientes se program el analizador para capturas consecutivas de las corrientes de fase y corriente de neutro en perodos de registro de 5 segundos con un muestreo de 156 microsegundos.

I. RESULTADOS Se muestran en los siguientes subapartados los parmetros

medidos ms representativos y se comparan con los lmites establecidos en los estndares correspondientes. Se considera [11] para evaluar todos los valores medidos en subestacin tanto en 2007 (sin fotovoltaica) como en 2009 (con fotovoltaica), para los parmetros medidos en el PCC en 2010 se tienen en cuenta los valores establecidos en [12].

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Fig. 1. Perfiles de carga de la lnea en los aos 2005, 2006 y 2007.

Fig. 2. Esquema de la red de distribucin con la planta de generacin fotovoltaica. Situacin de los equipos de medida.

A. Calidad de potencia de la red medida en subestacin Potencia activa. El perfil de carga de la lnea en los ltimos aos fue bajo y plano, el valor nominal de potencia de 5 MW nunca se alcanza incluso en los meses de mayor actividad. La demanda registrada en ambos perodos (2007 y 2009) estuvo por debajo de 2 MW y la planta fotovoltaica produce 995 kW mximos en condiciones ptimas, de modo que se pueden dar casos de inversin de potencia en subestacin. En la Fig. 3. a), b); se muestra el perfil de potencia activa durante 24 horas, se observa en b) como la produccin de la planta fotovoltaica afecta al flujo de energa durante varias horas en la subestacin.

Potencia reactiva. Se produce un incremento de consumo de reactiva en el periodo con la planta fotovoltaica operativa la Fig. 3. d) en comparacin con el primer perodo Fig. 3. c). Una de las funciones del sistema de control de los inversores fotovoltaicos es no proporcionar reactiva a la frecuencia fundamental; sin embargo diversas medidas experimentales han mostrado que los filtros de los inversores no se desconectan consumiendo reactiva, incluso cuando la planta fotovoltaica no est operativa. Este hecho no justifica este consumo de reactiva que debe haberse producido por el incremento de las cargas en la red en los ltimos aos.

Factor de potencia. Se observa en Fig. 3. e), que los valores del factor de potencia son siempre superiores a 0.85 y slo toman valores inferiores cuando el perfil de carga es bajo, sin embargo los valores decrecen hasta ndices inaceptables durante la operacin de la planta fotovoltaica en Fig. 3. f). Cuando la instalacin fotovoltaica opera cerca de su valor de potencia nominal, la mayora de la potencia activa demandada por los clientes es proporcionada por la planta reduciendo la

demanda de potencia activa de la red, esto produce valores bajos del factor de potencia medidos en subestacin.

Distorsin armnica de tensiones y corrientes. La distorsin en las tensiones se debe a las corrientes que demandan las cargas no lineales, estas corrientes recorren las impedancias de la red afectando a la tensin de sus nodos. El estndar [11] limita la THDU al 8 % y tambin los armnicos individuales de tensin. En Fig. 4. c), d), g), h) se muestra que no se exceden los lmites establecidos en los estndares, de modo que en lo referente a distorsin de tensiones la influencia de la instalacin fotovoltaica es inapreciable.

La distorsin en las corrientes es debida a las formas de onda de corrientes demandadas por las cargas no lineales y adems a las corrientes inyectadas por los inversores fotovoltaicos en la red. En Fig. 4. a) se muestra la THDI, y adems se observan que los armnicos individuales de corriente en Fig. 4. e) son debidos a valores bajos de la componente fundamental de corriente, sin embargo, es reseable la presencia en subestacin del armnico 40 que pudiera ser debido a las seales de conmutacin de los inversores de la planta fotovoltaica Fig. 4. f). Los altos valores de THDI se alcanzan cuando la planta opera a su potencia nominal producindose la inversin del flujo de potencia en subestacin.

B. Calidad de potencia de la red medida en el PCC En este punto se evala la calidad de potencia inyectada en

la red, la potencia nominal de la instalacin fotovoltaica respecto a la potencia de cortocircuito de la red en el PCC es un ratio importante a la hora de analizar los valores de los diferentes parmetros medidos y su influencia en la red. Se muestra en Fig. 5. a) el perfil de potencia activa de la planta.

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Fig. 3. Medidas realizadas en subestacin durante 24 horas. Potencia activa: a) sin fotovoltaica, b) con fotovoltaica; potencia reactiva: c) sin fotovoltaica, d) con fotovoltaica; factor de potencia: e) sin fotovoltaica, f) con fotovoltaica.

Las fluctuaciones de potencia son propias de un da nublado y slo se alcanza la potencia nominal sobre las 15 horas. Se observa en Fig. 5. b) la potencia reactiva demandada por las cargas de la red. Se detectan fluctuaciones de la potencia reactiva en los momentos previos y posteriores a la actividad de la planta fotovoltaica, no observndose consumo de potencia reactiva durante la noche.

La planta fotovoltaica debe funcionar con un factor de potencia de 0.85 siempre que se sobrepase el 10% de su potencia nominal [12]. Como puede observarse en Fig.5. a), la potencia activa de la planta siempre supera el 10% de la potencia nominal (995 kW), sin embargo el factor de potencia se encuentra por debajo de 0.8 en bastantes ocasiones Fig.5 c). El perfil de tensiones se representa en Fig.5 d), los valores de las tensiones estn dentro del rango normal de funcionamiento establecidos en [12]. Normalmente las variaciones de tensiones se deben a las corrientes generadas por los inversores que pueden producir sobretensiones en el caso que la potencia de la planta fotovoltaica sea similar a la demanda por las cargas. El estndar IEEE 519-1996 establece un mximo del 3% para la distorsin de los armnicos

individuales y un mximo del 5% para la THDU. Estos lmites no se alcanzan en el punto medido (PCC) Fig.5 f), h).

Las corrientes armnicas estn relacionadas con el funcionamiento de los inversores, los fabricantes de inversores aseguran que sus equipos proporcionan una THDI

inversores de diferentes potencias y caractersticas influye sobre las formas de onda de corriente proporcionadas por dichos grupos. En la Fig. 6. se muestran las capturas de las corrientes de fase y neutro de cada uno de los grupos. En Fig. 6 d) se detectan desequilibrios entre las corrientes de fase que se manifiestan en la corriente de neutro, a su vez hay diferencias en el contenido armnicos de las corrientes proporcionadas por los grupos de inversores 9 y 10 en las Fig. 6. i) y Fig. 6. j) con respecto al resto de grupos. Este tipo de asociacin de inversores es comn encontrarla en plantas heterogneas con distintos tipos de inversores que influencian de forma evidente la calidad de las corrientes.

II. CONCLUSIONES Las medidas realizadas en la red muestran la influencia de la

generacin fotovoltaica en la calidad de potencia de la misma, la conexin de las planta fotovoltaicas provoca cambios en los parmetros de calidad registrados y tambin introduce nuevas particularidades en la gestin de la red que en el caso descrito no afectan seriamente al funcionamiento y operatividad de la red de distribucin debido al lmite establecido en [7] de no

integrar plantas de generacin no gestionable con una potencia superior al 20% de la potencia de cortocircuito de la red de distribucin en el punto de conexin. En un futuro, este ratio podra incrementarse siendo necesario encontrar soluciones que reduzcan estas particularidades en la calidad de potencia de las redes de distribucin. Estas redes siempre se han diseado para operar de forma radial teniendo en cuenta slo puntos o nodos de consumo, sin embargo actualmente es normal encontrar muchos nodos de generacin en dichas redes que pueden producir inversiones en el flujo de potencia y tambin fluctuaciones de tensin en diferentes partes de la red. Por todo ello, urge revisar y readaptar no slo las configuraciones de los dispositivos de proteccin si no tambin replantear nuevos protocolos de actuacin en la propia gestin de la red de distribucin que tengan en cuenta las nuevas particularidades introducidas por la generacin distribuida. El desarrollo de sistemas de almacenamiento y nuevos inversores avanzados que nos permitan inyectar la potencia a la red con los requerimientos y necesidades de la misma se convierten en puntos claves a afrontar en un futuro inmediato.

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g) h) Fig. 5. Medidas realizadas en PCC durante 24 horas: a) potencia activa, b) potencia reactiva, c) factor de potencia, d) perfil de tensiones, e) THDI, f) THDU, g) armnicos de corriente, h) armnicos de tensin.

REFERENCIAS [1] European Photovoltaic Industry Association publications: Global

Market Outlook for Photovoltaics Until 2014. May 2010, http://www.epia.org.

[2] Sidrach de Cardona, M., Mora Lpez, Ll: Performance analysis of a grid-connected photovoltaic system. Energy. 24, 93-102 (1999).

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[6] Eltawil, M.A., Zhao, Z.: Grid connected photovoltaic power systems: Technical and potential problems-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14, 112-129 (2010).

[7] Real Decreto 661/2007, Boletn Oficial del Estado (www.boe.es), no. 126, 22846-22886. Regulacin de la actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial.

[8] Srisaen, N., Sangswang, A.: Effects of PV grid-connected system location on a distribution system. IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, 852-855 (2006) Singapore.

[9] Negro Macdo, W., Zilles, R.: Influence of the power contribution of a grid-connected photovoltaic system and its operational particularities. Energy for Sustainable Development, 13, 202-211 (2009).

[10] Canova, A., Giaccone, L., Spertino, F., Tartaglia, M.: Electrical impact of photovoltaic plant in distributed network. IEEE Transactions on industry applications. Vol. 45, no. 1, 341-347 (2009).

[11] Caractersticas de la tensin suministrada por las redes generales de distribucin, UNE EN 50160 (2001).

[12] IEEE Std. 929-2000, IEEE Recommended practice for utility Interface of photovoltaic (PV) systems sponsored by IEEE Standards Coordinating Committee 21 on Photovoltaics, IEEE Std. 929-2000, Published by the IEEE, New York, NY, April; (2000).

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j) Fig. 6. Formas de onda de corrientes de fase y neutro de cada una de las diez agrupaciones de inversores: a) grupo 1, b) grupo 2, c) grupo 3, d) grupo 4, e) grupo 5, f) grupo 6, g) grupo 7, h) grupo 8, i) grupo 9, j) grupo 10.