Emisio “supraharmonikoak”: iturri berriztagarrien elektrizitatearen kide ikusezinak

Nazio Batuen Erakundeak sustatutako 2015eko Pariseko Klima Akordioaren helburu nagusietako bat karbono-neutraltasuneko ekonomia lortzea da. Klimaren akordio horrek epe luzerako hainbat helburu xedatzen ditu nazio guztientzat. Neurri horien artean, berotegi-efektuko gasen emisioak murriztea dago, mundu mailan mende honetako tenperatura-igoera 2 °C-ra mugatzeko. Europar Batasunak Pariseko Klimaren Akordioan adostutako konpromisoak bere esparru juridikoan ezarri ditu, 2019ko Europako Klimaren Aldeko Itun Berdearen eta 2021eko Europako Klimari buruzko Legearen bitartez. Akordio horiek zehazten dute 2030eko karbono-emisioek 1990ean neurtutakoak baino % 55 txikiagoak izan behar dutela. Elektromugikortasuna, edo e-mugikortasuna, eta energia berriztagarrien sorkuntza banatua funtsezkoak izango dira gizarteak erregai fosilekiko duen mendekotasuna murrizteko.

Nazio Batuen Erakundeko eta Europar Batasuneko politikak hasi dira biztanleen egunerokotasunean eragina izaten. Ibilgailu elektrikoen kargagailuak eta eguzki-panelak masiboki instalatzen ari dira etxebizitzetan eta kaleetan, behe-tentsioko sarera konektatuta. Gainera, etorkizunean aurreikusten da halako gailuak esponentzialki ugarituko direla behe-tentsioko sarean.

Behe-tentsioko sarean neurtutako seinalea (goian), korronte alternoko 50 Hz-eko seinalea iragazita (erdian) eta nahi gabeko emisioak (behean) denboraren domeinuan.

Azken hamarkadetan, ibilgailu elektrikoen kargagailuek eta eguzki-panelek behe-tentsioko sarean duten eragina aztertu da. Halako ekipoek artezgailuak eta inbertsoreak izaten dituzte, elektrizitatearen ezaugarriak aldatzeko. Artezgailuek korronte alternoa (50 Hz-eko potentzia-seinalea) hartu, eta korronte zuzen bihurtzen dute. Ibilgailu elektrikoen kargagailuetan, behe-tentsioko sareko elektrizitatea eraldatzeko erabiltzen dira, ibilgailu elektrikoen bateriek korronte zuzenean lan egiten baitute. Inbertsoreek, aldiz, korronte zuzena korronte alterno bihurtzen dute. Gailu horiek eguzki-panelen kasuan erabiltzen dira, eguzki-panelek sortutako elektrizitatea korronte zuzen gisa baitago eta behe-tentsioko sareak korronte alternoan lan egiten baitu. Elektrizitatearen konbertsio horietan, ezpurutasunak sortzen dira, inbertsoreek eta artezgailuek inplementatzen dituzten teknikak eta osagai elektronikoak direla eta. Ezpurutasun horiek nahi gabeko seinale edo emisio modura injektatzen dira behe-tentsioko korronte alternoko sareetan, eta emisio horiek 50 Hz-eko seinalearekin batera hedatzen dira sarean. Ezpurutasun horiek aztertzeaz arduratzen den diziplinari “potentzia-kalitate” deritzo, ingelesezko “power-quality” terminotik datorrena.

Sare elektrikoak sortu zirenetik potentziaren kalitatea neurtzen da, eta 50 Hz-eko potentzia-seinaletik kanpo agertzen diren maiztasun-osagaiak ezaugarritzen dira. Literaturan hamaika ikerketa argitaratu dira, behe-tentsioko sareetan behe-maiztasunetan (2 kHz-etik behera) gertatzen diren interferentzia-fenomenoak aztertzen dituztenak. Behe-maiztasunetan “harmonikoak” direlako nahi gabeko emisioak ematen dira. Halakoak 50 Hz-eko seinalearen ezpurutasunak dira, eta korronte alternoaren maiztasunaren (50 Hz) multiplotan aurkitzen dira; adibidez, 100 Hz (lehenengo harmonikoa), 150 Hz (bigarren harmonikoa), 200 Hz (hirugarren harmonikoa) eta abarretan. Dena dela, nahi gabeko emisioak 40. harmonikotik (2 kHz-etik) gorako maiztasunetan gertatzen dira. Maiztasun horretatik aurrera, nahi gabeko emisioak ez dira 50 Hz-eko potentzia-seinalearen harmonikoak, baizik eta inbertsoreek eta artezgailuek inplementatzen dituzten tekniken eta osagaien kommutazio-maiztasunen mendekoak. Halako ekipoek sortzen dituzten nahi gabeko emisioak 2 kHz eta 500 kHz arteko maiztasun-tartean aurkitu ohi dira.

Behe-tentsioko sareetan aurkitzen diren emisioen sailkapenaren eskema maiztasunaren domeinuan.

Emisio “supraharmoniko” modura ezagutzen dira 2 kHz eta 500 kHz arteko maiztasun-tartean neur daitezkeen nahi gabeko maiztasun-osagaiak. Supraharmoniko hitza (ingeleseko “supraharmonic” hitzetik dator) 2 kHz-etik gorako maiztasunetan gertatzen diren emisioak izendatzeko erabiltzeko arrazoia da halako emisioen maiztasuna harmonikoen gainetik dagoela, supraharmoniko terminoa latineko “supra” (gainean) eta ingelesezko “harmonic” hitzen konbinaketa baita. Supraharmoniko hitzak, ikerketa-komunitatean oso erabilia izan arren, 2 kHz eta 500 kHz arteko tartean gertatzen diren nahi gabeko emisioen fenomeno fisikoa txarto ulertzea eragin dezake. Nahi gabeko emisio horien iturria ez dago korronte alternoaren ezpurutasunekin erlazionatuta, baizik eta artezgailuen eta inbertsoreen osagaien eta tekniken lan-maiztasunekin.

Emisio supraharmonikoak gertatzen diren maiztasun-tartearen barnean, linea elektrikoko komunikazioen (PLC, ingelesezko “power line communications”) transmisioak gertatzen dira; 10-490 kHz bandan, hain zuzen ere. PLC teknologiek sare elektrikoen kableak erabiltzen dituzte komunikazio-bide moduan. Gaur egun, etxebizitzetan eta enpresetan elektrizitate-kontsumoa eta -sorkuntza neurtzen dituzten kontagailu “adimentsuen” komunikazio-sistema nagusiak dira PLC teknologiak, eta horien bitartez helarazten zaie elektrizitate-kontsumoen telemetria-informazioa behe-tentsioko sareak kudeatzen dituzten enpresei. PLC teknologiei esker, elektrizitate-konpainiek egunean zehar aldatzen diren prezioak dituzten tarifak garatu dituzte, eta horiek merkatu elektrikoaren eskariaren eta eskaintzaren araberako prezioen mende egon daitezke.

Emisio supraharmonikoek nahi ez diren efektuak sortu edota inpaktu negatiboa izan ditzakete behe-tentsioko sareetan eta haietara konektatuta dauden gailuetan. Izan ere, nahi gabeko emisio horiek, anplitude-maila altuegia badute, arriskuan jar dezakete zenbait gailuren funtzionamendu egokia. Bestalde, emisio supraharmonikoen energia eta gailuek jasaten duten “estres termikoa” erlazionatu dira; horren ondorioz, ekipoek inplementatzen dituzten osagai elektronikoen bizitza erabilgarria murriztu egiten da, eta horrek gailuen zahartze-prozesua bizkortzen du. Gainera, PLC komunikazioak emisio supraharmonikoak hedatzen diren maiztasunetan transmititzen direnez, nahi gabeko emisioek PLC transmisioak interferi ditzakete, eta telemetria-informazioa garraiatzen dituzten komunikazioak izorratu. Deskribatutako efektu negatiboek behe-tentsioko sarera konektatuta dauden ekipoen ehuneko txiki batean duten arren inpaktua, sarera milioika gailu eta kontagailu adimentsu konektatuta daudenez, beharrezkoa da efektu horiek arintzeko neurriak hartzea.

Behe-tentsioko sarean neurtutako PLC transmisioak (gorriz) emisio supraharmonikoak (berdez) eta hondo-zarata elektromagnetikoa (laranjaz) maiztasunaren domeinuan.

Emisio supraharmonikoek eragiten dituzten efektu negatiboen ondorioz, ikerketa-aukera ugari sortu dira emisio horien inpaktua prebenitzen dituzten teknika edota gailu berriak diseinatzeko. Azken urteetan egin diren ikerketak direla eta, gailuek sortutako emisio supraharmonikoak ahultzen dituzten iragazki komertzialak merkaturatu dira. Gainera, gailuek sarean injekta ditzaketen seinaleen anplitude-mugak nazioarteko estandarretan zehaztu dira, eta ekipoen fabrikatzaileek kontuan hartu behar dituzte gailuak diseinatzerako orduan. Era berean, sarean gailu guztiek sortzen dituzten emisio supraharmoniko guztien konbinaketek izan dezaketen maila maximoa ere ezarri da, eta behe-tentsioko sareak kudeatzen dituzten elektrizitate-konpainiek kontrolatu egin behar dituzte. Bestalde, PLC komunikazioak % 100ean funtzionatzeko seinalearen prozesaketan oinarritzen diren hamaika teknika argitaratu dira. Teknika horien helburua da emisio supraharmonikoek PLC transmisioetan eragiten dituzten interferentzia-fenomenoak deuseztatzea edota, gutxienez, haien eragina murriztea. Dena dela, emisio horien inguruan oraindik ere ikerketa ugari egiten ari dira metrologiaren ikuspuntutik (neurketen zehaztasuna aztertzen duen zientzia), eta PLC komunikazioen abiadura eta estalduraren hobekuntzarekin erlazionatuta daude.

Euskal Herriko Unibertsitateko Bilboko Ingeniaritza Eskolako TSR ikerketa-taldeak (gaztelaniako “Tratamiento de la Señal y Radiocomunicaciones”), 1998. urtetik telebista- eta irrati-seinaleen kalitatea aztertzen aritu ondoren, ikerketa-lerro berri bat sortu zuen duela 9 urte “sare elektriko adimentsuetarako komunikazioak” izenpean. Ikerketa-lerro honek emisio supraharmonikoen inguruan zeuden ikerkuntza-aukerak bideratzea eta Euskal Autonomia Erkidegoko enpresen eskakizunak asetzea zuen helburu.

UPV/EHUko TSR ikerketa-taldean supraharmonikoen maiztasun-tartean sare elektrikoa ezaugarritzeko hainbat neurgailu propio sortu ditugu. Sortutako tresnen artean, emisio supraharmonikoak 9 kHz eta 20 MHz arteko maiztasun-tartean neurtzeko neurgailuak daude; besteak beste, neurgailu horien zundak eta denbora errealean neurketak prozesatzeko kodeak definitu ditugu. Gainera, behe-tentsioko sareak maiztasun-tarte berean aurkezten duen sarrerako inpedantzia neurtzeko eta sareko bi puntuen artean PLC komunikazioen seinaleek jasaten duten ahuldura kuantifikatzeko neurgailuak ere sortu ditugu. Halako tresnek behe-tentsioko sarea guztiz ezaugarritzeko ezinbesteko datuak ematen dituzte. Datu horiek erabili izan dira behe-tentsioko sareek PLC teknologien komunikazioetan sorrarazten dituzten interferentzia-mekanismoak ezaugarritzeko. Dena dela, PLC komunikazioen interferentziak bai laborategi-frogen bitartez bai behe-tentsioko sareetan probak eginez ezaugarritu dira. Halaber, behe-tentsioko sareetan jasotako datuak neurketen metrologia aztertzeko erabili izan dira, nazioarteko estandarretan definitutako eta merkatuan aurkitu daitezkeen potentzia-kalitatea neurtzen dute tresnek inplementatzen dituzten tekniken ziurgabetasunaren inguruko ikerketen bidez.

Are gehiago, UPV/EHUko TSR ikerketa-taldean burututako ikerketekin nazioarteko estandarizazio- eta ikerketa-mailan eragin handiko ekarpenak egiteko erabili dira. Ekarpen horien artean, EURAMET erakundeak (Europako metrologia zentro nazionalen elkartea) finantzatutako Europa mailako EMPIR-SupraEMI proiektuko parte-hartzea dago, baita nazioarteko estandarrak sortzeaz arduratzen diren IEC (nazioarteko batzorde elektroteknikoa) eta CENELEC (normalizazio elektroteknikorako Europako batzordea) erakundeen hainbat lantaldetan egindako ekarpenak ere.

Laburbilduz, hurrengo hamarkadetan, esponentzialki handituko da behe-tentsioko sareetara konektatutako eguzki-panelen eta ibilgailu elektrikoen kargagailuen kopurua, Nazio Batuen Erakundearen eta Europar Batasunaren deskarbonizazio-politikak direla eta. Halako ekipoek emisio supraharmonikoak sortzen eta injektatzen dituzte behe-tentsioko sareetan, eta eragin negatiboa izan dezakete gainontzeko ekipoetan. Dena dela, emisio supraharmonikoen eragina prebenitzeko eta arintzeko hainbat ikerketa egin dira, edota abian daude. Ikerketa horietatik lortutako ondorioak oso baliagarriak izango dira behe-tentsioko sareen potentzia-kalitate ona bermatzeko, etorkizunean eguzki-panelen eta ibilgailu elektrikoen kargagailuen kopurua nabarmena denean.

Eskerrak:

Lan hau Eusko Jaurlaritzak finantzatu du IT1436-22, PRE_2023_2_0037 eta PRE_2023_2_0162 dirulaguntzen bitartez. Lan hau PID2021-124706OB-I00 dirulaguntzaren bidez ere finantzatu da, MCIN/AEI/10.13039/501100011033 eta Eskualdeen Garapenerako Europar Funtsaren eskutik: “Europa egiteko modu bat”.

Bibliografia:

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. Berrikuspen prozesuan. “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. E. O. 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 Impedance 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 ĆCuk, Sjef Cobben. 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.