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Armónicos y resonancia en parques solares

Armónicos de los inversores de un parque solar, resonancias de la red colectora, cómo se miden y qué límites aplican en Colombia.

Por Shadai García, CEO e ingeniero de protecciones de Tiza Group.

redMT/BTPCCPQanalizador clase Areactor de desintoníabanco~~Mvariador~=filtro activoel variador inyecta 5.º y 7.º armónicosbanco sin reactor: resonancia cerca del 5.ºreactor y filtro: bajo los límitestensión en el PCC casi sinusoidalcorriente del variadorbarrido Z(h)hr ≈ √(Scc/Qc)barrido Z(h)tensión en el PCCantesdespuésIh en el PCClímite IEEE 519571113orden hEstudioMedición clase AModelo Z(h)Límites en el PCCSolución© tizagrp.comredMT/BTPCCPQanalizador clase Areactor de desintoníabanco~~Mvariador~=filtro activoel variador inyecta 5.º y 7.º armónicosbanco sin reactor: resonancia cerca del 5.ºreactor y filtro: bajo los límitestensión en el PCC casi sinusoidalcorriente del variadorbarrido Z(h)hr ≈ √(Scc/Qc)barrido Z(h)tensión en el PCCantesdespuésIh en el PCClímite IEEE 519571113orden hEstudioMedición clase AModelo Z(h)Límites en el PCCSolución© tizagrp.com
Estudio de armónicos: espectro, resonancia y solución en el PCC. Ubicación en el sistema y principio de funcionamiento. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

Los inversores de un parque solar emiten poca distorsión de baja frecuencia, pero sí componentes ligadas a su frecuencia de conmutación y a su control. El problema típico del parque no es la emisión sola, sino la resonancia: la capacitancia de los cables de la red colectora y de los compensadores, junto con la inductancia de transformadores y red, crea frecuencias donde la impedancia se dispara y un armónico pequeño, propio o de la red, se amplifica. Se evalúa con barridos de frecuencia y mediciones clase A, frente a IEEE 519 y a la regulación colombiana de calidad.

Por qué los armónicos de un parque son un caso aparte

El estudio de armónicos de una planta industrial suele girar alrededor de cargas no lineales grandes, como variadores y rectificadores. Un parque solar es distinto: su fuente de armónicos, el inversor, emite poco en orden bajo, pero la planta tiene una red colectora de media tensión extensa, muy capacitiva, conectada a la red por transformadores. Este tema es una de las piezas de la guía de ingeniería y diseño de parques solares. Esa combinación crea resonancias que pueden convertir una emisión pequeña en un problema de calidad de potencia, de calentamiento o de disparos.

Qué emiten los inversores

Un inversor conectado a la red sintetiza la corriente de salida con conmutación de semiconductores, modulada por ancho de pulso, y la filtra antes de entregarla. Su emisión tiene tres componentes:

  • Armónicos de orden bajo (5, 7, 11, 13…). Son pequeños en inversores modernos, pero dependen del control y de la distorsión que ya trae la tensión de la red.
  • Componentes alrededor de la frecuencia de conmutación y sus múltiplos, que el filtro de salida atenúa. Con muchos inversores iguales en paralelo pueden sumarse o compensarse según su sincronismo.
  • Interarmónicos ligados al seguimiento del punto de máxima potencia y a la regulación interna.

El fabricante declara la distorsión de corriente en condiciones de ensayo. Conectado a una red real, el inversor interactúa con la impedancia que ve, y su comportamiento puede cambiar.

De dónde sale la resonancia

En la frecuencia de un armónico, la planta y la red forman un circuito de inductancias y capacitancias:

ElementoAporteComentario
Cables de la red colectoraCapacitanciaCrece con la longitud total de cable en servicio
Filtros de salida de los inversoresCapacitancia y reactanciaVarían con el número de inversores conectados
Bancos de condensadoresCapacitanciaDesplazan la resonancia hacia frecuencias más bajas
Transformadores de estación y elevadorInductanciaSu reactancia de dispersión
Red del operadorInductanciaDepende de la potencia de cortocircuito en el punto de conexión

La resonancia paralelo aparece donde la capacitancia de la planta y la inductancia de la red se igualan: la impedancia vista desde la barra se dispara, y una corriente armónica pequeña produce una tensión armónica grande. Una aproximación clásica para una barra con compensación capacitiva es que el orden de resonancia es la raíz cuadrada del cociente entre la potencia de cortocircuito de la barra y la potencia reactiva capacitiva conectada. Con poca potencia de cortocircuito, o mucha capacitancia, la resonancia baja de frecuencia y se acerca a los armónicos de orden bajo, que son los que más energía tienen en la red.

La resonancia serie da una impedancia baja: la planta absorbe la distorsión de tensión que ya existe en la red a esa frecuencia, y sus condensadores o filtros se sobrecargan.

Lo delicado es que el punto de resonancia se mueve: cambia con los circuitos colectores en servicio, los inversores conectados, los bancos maniobrados y la configuración de la red del operador. Un análisis con un solo escenario no basta. El fenómeno de fondo es el mismo de los bancos de condensadores industriales, que explicamos en resonancia en bancos de condensadores.

Síntomas típicos en un parque

  • Distorsión de tensión que aparece solo con cierto número de circuitos o inversores en servicio.
  • Calentamiento de transformadores de estación o de condensadores sin sobrecarga a frecuencia fundamental.
  • Disparos de inversores por calidad de tensión, o alarmas de sus filtros.
  • Diferencias entre la distorsión medida en la planta y la que el operador mide en su subestación.

Cómo se estudia y se mide

Estudio de armónicos de un parque solar
  1. 01DatosEmisión declarada de los inversores, cables, transformadores, compensación y equivalente de red con su rango de cortocircuito
  2. 02Barrido de frecuenciaImpedancia vista desde la barra y el punto de conexión, para cada escenario de operación
  3. 03Emisión y distorsión de fondoContribución de la planta y amplificación de la distorsión existente
  4. 04ComparaciónResultados en el punto de conexión frente a IEEE 519 y a la regulación aplicable
  5. 05Solución y verificaciónFiltros, ajustes o cambios de configuración, confirmados con medición clase A

Barrido de frecuencia. Se calcula la impedancia en función de la frecuencia, Z(h), desde la barra de media tensión y desde el punto de conexión, con varios escenarios. Los picos muestran las resonancias paralelo y los valles las resonancias serie.

Medición. IEC 61000-4-7 define el método de medición de armónicos e interarmónicos, e IEC 61000-4-30 clase A fija cómo agregar y reportar los valores para que sean comparables. Se mide en el punto de conexión para compararlo con los límites, y en las barras internas para entender de dónde viene la distorsión. Es útil medir con la planta parada y en distintos niveles de generación, para separar la distorsión de fondo de la red del aporte de la planta. En un parque solar de Cucunubá medimos durante siete días con analizadores clase A para evaluar la calidad de potencia y la cargabilidad de los transformadores de sus estaciones.

Puede revisar el cálculo de la distorsión total con nuestra herramienta gratuita de distorsión armónica THD.

Límites aplicables en Colombia

  • Regulación de calidad. La CREG 024 de 2005, modificada por la CREG 016 de 2007, usa el THD de tensión medido según IEEE 519 como indicador en los sistemas de distribución.
  • NTC 5001. Es la norma técnica colombiana de calidad de la potencia eléctrica, con límites y metodología de evaluación en el punto de conexión común. Confirme la edición vigente en el catálogo de ICONTEC.
  • IEEE 519-2022. Fija límites de distorsión de tensión por nivel de tensión y de corriente según la relación entre la corriente de cortocircuito y la de demanda en el punto de conexión. Los explicamos en THD: qué es la distorsión armónica total.
  • Requisitos del operador. El operador de red o el transportador puede fijar límites o estudios propios en la conexión. Esos requisitos mandan sobre los valores típicos.

Soluciones

  • Filtros pasivos sintonizados o desintonizados en la barra de media tensión, diseñados para desplazar la resonancia lejos de los armónicos presentes.
  • Filtros activos o compensadores dinámicos con capacidad de compensar armónicos. Los equipos se describen en filtros activos, SVC y STATCOM.
  • Ajustes del inversor. Algunos fabricantes ofrecen funciones de amortiguamiento o de reducción de emisión; su existencia y su efecto se confirman con el fabricante.
  • Configuración. Limitar combinaciones de compensación y circuitos que llevan la resonancia a un armónico crítico. La compensación de reactiva que crea esas combinaciones se dimensiona con la curva de capacidad P-Q de la planta.

Cada solución cambia la impedancia de la planta, así que se verifica con un nuevo barrido y con medición después de instalarla.

Hacemos su estudio de calidad de potencia

Nuestro equipo hace estudios de calidad de potencia en plantas solares: modelo de la red colectora, barridos de frecuencia, medición clase A en el punto de conexión y en las estaciones, comparación con IEEE 519 y la regulación colombiana, y diseño de la solución. El análisis lo hacemos de forma remota con sus mediciones; en Colombia también medimos en sitio. Cuéntenos su caso.

Guías relacionadas

Referencias

  • IEEE 519-2022, Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
  • IEC 61000-4-7, General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation.
  • IEC 61000-4-30, Power quality measurement methods.
  • CREG, Resolución 024 de 2005, modificada por la Resolución 016 de 2007 (calidad de la potencia).
  • ICONTEC, NTC 5001, Calidad de la potencia eléctrica. Límites y metodología de evaluación en punto de conexión común.

Preguntas frecuentes

¿Los inversores solares generan armónicos?

Sí, aunque mucho menos que un rectificador de seis pulsos. Los inversores modernos con modulación por ancho de pulso emiten poca distorsión de orden bajo; su emisión se concentra alrededor de la frecuencia de conmutación y sus múltiplos, más componentes interarmónicas que dependen del control. El fabricante declara la distorsión de corriente en condiciones de ensayo, que no es la que tendrá la planta conectada a una red concreta.

¿Por qué hay resonancia en un parque solar?

Porque la red colectora de cables subterráneos, los filtros de los inversores y los bancos de condensadores aportan capacitancia, y los transformadores y la red aportan inductancia. Esa combinación tiene frecuencias de resonancia; si alguna coincide con un armónico presente, la tensión o la corriente a esa frecuencia se amplifica. La frecuencia cambia con la potencia de cortocircuito de la red y con los circuitos y compensadores en servicio.

¿Qué límites de armónicos aplican a un parque solar en Colombia?

La regulación de calidad de la potencia (CREG 024 de 2005, modificada por la CREG 016 de 2007) usa el THD de tensión según IEEE 519 como indicador en distribución, y la NTC 5001 trata los límites y la evaluación en el punto de conexión común. IEEE 519-2022 fija los límites de tensión y corriente en el punto de conexión. El operador de red o el transportador puede fijar requisitos propios en el contrato de conexión, y esos mandan.

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