Renovables y armónicos, ¿una relación complicada?

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Las energías renovables han revolucionado la forma en que generamos energía eléctrica, pero su integración en la red no está exenta de desafíos. Uno de los problemas más relevantes es la distorsión armónica, un fenómeno que puede afectar la calidad de la energía y la estabilidad del sistema eléctrico. Esta distorsión se manifiesta como una deformación en la onda sinusoidal de la corriente y la tensión, causada por la interacción entre las corrientes generadas por dispositivos no lineales y la impedancia de la red.

Los sistemas de generación renovable basados en electrónica de potencia, como la energía solar fotovoltaica, la eólica y los sistemas de almacenamiento en baterías (BESS), dependen de convertidores electrónicos para conectarse a la red. Estos convertidores, al operar mediante conmutaciones rápidas de semiconductores, generan ciertos niveles de armónicos que pueden afectar tanto a la red como a los equipos conectados a ella.

La distorsión armónica es indeseable por varias razones. En primer lugar, provoca pérdidas adicionales de energía, ya que los armónicos generan sobrecalentamiento en transformadores, motores y líneas de transmisión. Además, puede causar interferencias electromagnéticas, afectando el funcionamiento de dispositivos sensibles como equipos de comunicación o sistemas de protección. También acelera el envejecimiento del aislamiento eléctrico, reduciendo la vida útil de cables y transformadores, e incluso puede dar lugar a fallos catastróficos en ciertos componentes si los niveles de armónicos son demasiado elevados.

Sin embargo, la emisión de armónicos varía según la tecnología de generación utilizada. Los aerogeneradores más antiguos, de Tipo I y Tipo II, no utilizan electrónica de potencia y, por lo tanto, no generan armónicos directamente. Su impacto en la red se debe más bien a su influencia sobre la impedancia de la red, lo que puede modificar los niveles de distorsión armónica en la zona. En contraste, los aerogeneradores de Tipo III (DFIG) sí emiten armónicos e interarmónicos, principalmente debido a los convertidores electrónicos utilizados. Este tipo de aerogenerador puede producir armónicos de orden superior debido a la modulación cruzada entre las corrientes del rotor y del estator.

Los aerogeneradores de Tipo IV y los inversores fotovoltaicos, que utilizan convertidores de potencia en configuración back-to-back, de plena potencia, presentan otro tipo de emisiones armónicas. En estos casos, los armónicos generados suelen estar en frecuencias más altas, relacionadas con la frecuencia de conmutación de los semiconductores de potencia. Además, los inversores fotovoltaicos pueden mostrar variaciones en sus emisiones armónicas dependiendo de las condiciones de la red y de su punto de operación, lo que complica su control y mitigación.

La cuestión: ¿cómo mitigar los efectos de los armónicos en la red?

Para minimizar el impacto de los armónicos en la red eléctrica, se han desarrollado diversas estrategias y tecnologías que ayudan a reducir su generación o a compensar sus efectos. Algunas de las soluciones más utilizadas incluyen:

Cables aislados y líneas de transmisión adecuadas: La elección de los conductores en la red de transmisión y distribución es clave, ya que los cables largos pueden amplificar ciertos armónicos debido a efectos de resonancia. La correcta selección del tipo de cable y su disposición puede minimizar la amplificación de las distorsiones armónicas.

Transformadores diseñados para mitigar armónicos: Los transformadores pueden ser diseñados con devanados especiales o configuraciones específicas para reducir la circulación de armónicos en la red. Algunos transformadores utilizan técnicas como el desplazamiento de fase para cancelar ciertos armónicos específicos, ayudando a mantener la calidad de la energía.

Filtros pasivos de armónicos: Son dispositivos diseñados para absorber o desviar los armónicos de la red, evitando que se propaguen y afecten a otros equipos. Funcionan utilizando inductancias y condensadores sintonizados a frecuencias específicas para reducir la amplitud de los armónicos más problemáticos.

Filtros activos: A diferencia de los filtros pasivos, los filtros activos utilizan electrónica de potencia para inyectar corrientes de compensación que contrarrestan los armónicos generados por los convertidores de las renovables. Son más flexibles y efectivos, pero también más costosos y complejos de implementar.

Optimización de los controles de los convertidores: Ajustar los algoritmos de control de los inversores y aerogeneradores puede ayudar a reducir la emisión de armónicos. Algunas estrategias incluyen el uso de técnicas avanzadas de modulación, como la modulación por ancho de pulso (PWM) con estrategias de cancelación de armónicos.

A medida que la penetración de energías renovables sigue aumentando, las exigencias para la conexión de estos sistemas a la red también se vuelven más estrictas. Los operadores de red están implementando normativas más rigurosas sobre los niveles de emisión de armónicos permitidos, obligando a los fabricantes y desarrolladores a mejorar la calidad de sus sistemas de conversión de energía. En el futuro, es probable que surjan nuevas tecnologías y estrategias para mitigar aún más el impacto de los armónicos y garantizar que la transición hacia una matriz energética más sostenible no comprometa la estabilidad y la eficiencia del sistema eléctrico.

En conclusión, los armónicos representan un desafío importante en la integración de energías renovables, pero existen diversas estrategias para mitigarlos. Desde el uso de filtros y transformadores optimizados hasta mejoras en el diseño de los convertidores electrónicos, la industria sigue avanzando en el desarrollo de soluciones que permitan una convivencia armónica entre las renovables y la red eléctrica.