Emissions “supraharmónicas”: membres invisibles de l'electricitat procedent de fonts renovables

2024/05/27 Alexander Gallarreta Canteli - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako ikertzaile doktoregaia | Jon González Ramos - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako ikertzaile doktoregaia | Igor Fernández Pérez - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | Itziar Angulo Pita - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | David de la Vega Moreno - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea | Amaia Arrinda Sanzberro - UPV/EHUko Bilboko Ingeniaritza Eskolako irakaslea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak
• Ingeniaritza

Un dels principals objectius de l'Acord Climàtic de París 2015, promogut per l'Organització de les Nacions Unides, és aconseguir una economia de neutralitat en carboni. Aquest acord climàtic estableix una sèrie d'objectius a llarg termini per a totes les nacions. Entre aquestes mesures es troba la reducció de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle, limitant a nivell mundial l'augment de temperatura d'aquest segle a 2 °C. La Unió Europea ha establert en el seu marc jurídic els compromisos acordats en l'Acord del Clima de París, a través del Pacte Verd Europeu pel Clima de 2019 i de la Llei Europea del Clima de 2021. Aquests acords estableixen que les emissions de carboni en 2030 han de ser un 55% inferiors a les mesures en 1990. L'electromovilidad o e-mobilitat i la generació distribuïda d'energies renovables seran claus per a reduir la dependència social dels combustibles fòssils.

Les polítiques de les Nacions Unides i de la Unió Europea han començat a incidir en el dia a dia de la població. Els carregadors i panells solars de vehicles elèctrics s'estan instal·lant de manera massiva en habitatges i carrers, connectats a la xarxa de baixa tensió. A més, en el futur es preveu un increment exponencial d'aquesta mena de dispositius en la xarxa de baixa tensió.

En les últimes dècades s'ha estudiat la influència dels carregadors i panells solars de vehicles elèctrics en la xarxa de baixa tensió. Aquests equips disposen de rectificadors i inversors per a modificar les característiques de l'electricitat. Els rectificadors capten corrent altern (senyal de potència 50 Hz) i la converteixen en corrent continu. En els carregadors de vehicles elèctrics s'utilitzen per a transformar l'electricitat de la xarxa de baixa tensió, ja que les bateries dels vehicles elèctrics treballen en corrent continu. Per contra, els inversors converteixen el corrent continu en corrent altern. Aquests dispositius s'utilitzen en el cas dels panells solars, ja que l'electricitat generada pels panells solars està en forma de corrent continu i la xarxa de baixa tensió treballa en corrent altern. En aquestes versions de l'electricitat es generen impureses a causa de les tècniques i components electrònics que implementen els inversors i rectificadors. Aquestes impureses s'injecten en forma de senyals o emissions no desitjades en xarxes de corrent altern de baixa tensió que es propaguen en la xarxa amb un senyal de 50 Hz. La disciplina encarregada de l'estudi d'aquestes impureses es denomina “qualitat de potència”, derivada del terme anglès “power-quality”.

Es mesura la qualitat de potència des de la creació de les xarxes elèctriques i es caracteritzen els components de freqüència que apareixen fora del senyal de potència de 50 Hz. En la literatura s'han publicat nombrosos estudis que analitzen els fenòmens d'interferència en xarxes de baixa tensió (menys de 2 kHz). En les freqüències baixes es produeixen emissions no desitjades per ser “harmòniques”. Aquestes són impureses del senyal de 50 Hz i es troben en múltiples de la freqüència del corrent altern (50 Hz), com 100 Hz (primer harmònic), 150 Hz (segon harmònic), 200 Hz (tercer harmònic), etc. No obstant això, les emissions no desitjades es produeixen a freqüències superiors a l'harmònic 40 (2 kHz). A partir d'aquesta freqüència, les emissions no desitjades no són harmòniques del senyal de potència de 50 Hz, sinó que depenen de les freqüències de commutació de les tècniques i components implementades per inversors i rectificadors. Les emissions no desitjades generades per aquests equips solen trobar-se en el rang de freqüències comprès entre 2 kHz i 500 kHz.

Es coneixen com a emissions “supraharmónicas” els components de freqüència no desitjats que poden mesurar-se en el rang de freqüències comprès entre 2 kHz i 500 kHz. La paraula supraharmónica (prové de l'anglès “supraharmonic”) s'utilitza per a designar les emissions que es produeixen a freqüències superiors a 2 kHz, pel fet que el terme supraharmónico és una combinació de les paraules llatí “supra” (damunt) i anglès “harmonic” per sobre dels harmònics. El terme supraharmónico, molt utilitzat en la comunitat investigadora, pot provocar una mala comprensió del fenomen físic de les emissions no desitjades que es produeixen entre 2 kHz i 500 kHz. La font d'aquestes emissions no desitjades no està relacionada amb les impureses de corrent altern, sinó amb les freqüències de treball dels components i tècniques de rectificadors i inversors.

Dins del rang de freqüències en el qual es produeixen les emissions supraharmónicas, es produeixen les transmissions de les comunicacions de la línia elèctrica (PLC, en anglès “power line communications”) en la banda 10-490 kHz. Les tecnologies PLC utilitzen els cables de les xarxes elèctriques com a mitjà de comunicació. En l'actualitat, les tecnologies PLC són els principals sistemes de comunicació de comptadors “intel·ligents” que mesuren el consum i la generació d'electricitat en habitatges i empreses, a través dels quals es transmet la informació de telemetria dels consums d'electricitat a les empreses gestores de xarxes de baixa tensió. Gràcies a les tecnologies PLC, les companyies elèctriques han desenvolupat tarifes amb preus variables al llarg del dia que poden dependre de la demanda i oferta del mercat elèctric.

Les emissions supraharmónicas poden produir efectes no desitjats o tenir un impacte negatiu sobre les xarxes de baixa tensió i els dispositius connectats a elles. Aquestes emissions no desitjades, si el seu nivell d'amplitud és massa alt, poden posar en perill el bon funcionament d'alguns dispositius. D'altra banda, s'ha relacionat l'energia de les emissions supraharmónicas amb el “estrès tèrmic” que sofreixen els aparells, la qual cosa redueix la vida útil dels components electrònics que implementen els equips, la qual cosa accelera l'envelliment d'aquests. A més, les comunicacions PLC es transmeten en freqüències en les quals es propaguen les emissions supraharmónicas, per la qual cosa les emissions no desitjades poden interferir les transmissions PLC i onducir les comunicacions que transporten informació de telemetria. A pesar que els efectes negatius descrits tenen un petit percentatge d'equips connectats a la xarxa de baixa tensió, en estar connectats milions de dispositius i comptadors intel·ligents a la xarxa, és necessari prendre mesures per a mitigar aquests efectes.

Els efectes negatius derivats de les emissions supraharmónicas han generat nombroses possibilitats de recerca per al disseny de noves tècniques i/o dispositius que previnguin l'impacte d'aquestes emissions. Les recerques dutes a terme en els últims anys han permès el llançament de filtres comercials que afebleixen les emissions supraharmónicas generades pels aparells. A més, els límits d'amplitud dels senyals que poden injectar els dispositius en la xarxa s'han definit en estàndards internacionals que els fabricants d'equips han de tenir en compte a l'hora de dissenyar els dispositius. Així mateix, s'ha establert el nivell màxim que poden aconseguir les combinacions de totes les emissions supraharmónicas que generen tots els dispositius en la xarxa i que han de ser controlades per les companyies elèctriques que gestionen xarxes de baixa tensió. D'altra banda, s'han publicat onze tècniques basades en el processament del senyal perquè la comunicació PLC funcioni al 100%. L'objectiu d'aquestes tècniques és eliminar els fenòmens d'interferència que produeixen les emissions supraharmónicas en les transmissions PLC o, almenys, reduir el seu impacte. No obstant això, encara s'estan realitzant nombrosos estudis sobre aquestes emissions des del punt de vista metrològic (ciència que estudia la precisió de les mesures), relacionats amb la millora de la velocitat i cobertura de les comunicacions PLC.

El grup de recerca TSR (Tractament del Senyal i Radiocomunicacions) de l'Escola d'Enginyeria de Bilbao de la Universitat del País Basc (UPV/EHU), després d'estudiar des de 1998 la qualitat dels senyals de televisió i ràdio, va crear fa 9 anys una nova línia de recerca denominada “Comunicacions per a xarxes elèctriques intel·ligents”. Aquesta línia de recerca tenia com a objectiu orientar les possibilitats de recerca entorn de les emissions supraharmónicas i satisfer les demandes de les empreses del País Basc.

En el grup de recerca TSR de la UPV/EHU s'han creat una sèrie de mesuradors propis per a caracteritzar la xarxa elèctrica en el rang de freqüències de supraharmónicos. Entre els instruments generats es troben els mesuradors d'emissions supraharmónicas en un rang de freqüències comprès entre 9 kHz i 20 MHz, entre els quals s'han definit les sondes d'aquests mesuradors i els codis de processament de mesures en temps real. A més, s'han creat instruments de mesura per a mesurar la impedància d'entrada que presenta la xarxa de baixa tensió en el mateix rang de freqüències i quantificar l'afebliment dels senyals de comunicacions PLC entre els dos punts de la xarxa. Aquests aparells proporcionen les dades necessàries per a caracteritzar totalment la xarxa de baixa tensió. Aquestes dades s'han utilitzat per a caracteritzar els mecanismes d'interferència que les xarxes de baixa tensió generen en les comunicacions de les tecnologies PLC. No obstant això, les interferències en les comunicacions PLC s'han caracteritzat tant per proves de laboratori com per proves en xarxes de baixa tensió. Així mateix, les dades recollides en les xarxes de baixa tensió s'han utilitzat per a analitzar la metrologia de les mesures mitjançant estudis d'incertesa de les tècniques implementades pels instruments que mesuren la qualitat de potència definida en estàndards internacionals i que es poden trobar en el mercat.

És més, les recerques dutes a terme en el grup de recerca TSR de la UPV/EHU han servit per a realitzar aportacions de gran impacte a nivell internacional d'estandardització i recerca. Entre aquestes aportacions es troba la participació en el projecte europeu EMPIR-SupraEMI, finançat per EURAMET (Associació de Centres Nacionals de Metrologia Europea), així com les aportacions realitzades en diferents grups de treball de les organitzacions IEC (Comitè Electrotècnic Internacional) i CENELEC (Comissió Europea per a la Normalització Electrotècnica), encarregades de la creació d'estàndards internacionals.

En resum, en les pròximes dècades, el nombre de panells solars i carregadors de vehicles elèctrics connectats a les xarxes de baixa tensió augmentarà exponencialment a causa de les polítiques de descarbonització de l'Organització de les Nacions Unides i de la Unió Europea. Aquests equips generen i injecten emissions supraharmónicas en xarxes de baixa tensió i poden afectar negativament la resta d'equips. No obstant això, s'han dut a terme diversos estudis de prevenció i mitigació de les emissions supraharmónicas o estan en marxa. Les conclusions obtingudes d'aquests estudis seran de gran utilitat per a garantir una bona qualitat de potència de les xarxes de baixa tensió quan en el futur el nombre de panells solars i carregadors de vehicles elèctrics sigui considerable.

 

Agraïments:

Aquest treball ha estat finançat pel Govern Basc a través de les subvencions IT1436-22, PRE_2023_2_0037 i PRE_2023_2_0162. Aquest treball també ha estat finançat amb la subvenció PID2021-124706OB-I00, del MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i del Fons Europeu per al Desenvolupament Regional: “Una manera de fer Europa”.

 

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. En el procés de revisió. “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. "Diagnosi of supraharmonics related problems based on the effects on electrical equipment". Electric Power Systems Research. 195. DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107179.
5. R. H. 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 Pixen and Sub-cycle LV Grid Access Alojance 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 en línia 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 VOCCuk, SlistadoCobben. 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.