Emisiones “supraharmónicas”: miembros invisibles de la electricidad procedente de fuentes renovables
En la próxima década, tener paneles solares y cargadores de vehículos eléctricos en todas nuestras calles y viviendas será una cosa normal. Sin embargo, ¿sabías que este tipo de dispositivos inyectan en las redes eléctricas señales de emisiones “supraharmónicas”? En los últimos años, las emisiones supraharmónicas han asumido la atención de las compañías eléctricas y de la comunidad de investigación, ya que la combinación de emisiones generadas por muchos dispositivos puede producir efectos nocivos en las redes eléctricas y en los dispositivos conectados a ellas.
Uno de los principales objetivos del Acuerdo Climático de París 2015, promovido por la Organización de las Naciones Unidas, es lograr una economía de neutralidad en carbono. Este acuerdo climático establece una serie de objetivos a largo plazo para todas las naciones. Entre estas medidas se encuentra la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, limitando a nivel mundial el aumento de temperatura de este siglo a 2 °C. La Unión Europea ha establecido en su marco jurídico los compromisos acordados en el Acuerdo del Clima de París, a través del Pacto Verde Europeo por el Clima de 2019 y de la Ley Europea del Clima de 2021. Estos acuerdos establecen que las emisiones de carbono en 2030 deben ser un 55% inferiores a las medidas en 1990. La electromovilidad o e-movilidad y la generación distribuida de energías renovables serán claves para reducir la dependencia social de los combustibles fósiles.
Las políticas de las Naciones Unidas y de la Unión Europea han comenzado a incidir en el día a día de la población. Los cargadores y paneles solares de vehículos eléctricos se están instalando de forma masiva en viviendas y calles, conectados a la red de baja tensión. Además, en el futuro se prevé un incremento exponencial de este tipo de dispositivos en la red de baja tensión.
En las últimas décadas se ha estudiado la influencia de los cargadores y paneles solares de vehículos eléctricos en la red de baja tensión. Estos equipos disponen de rectificadores e inversores para modificar las características de la electricidad. Los rectificadores captan corriente alterna (señal de potencia 50 Hz) y la convierten en corriente continua. En los cargadores de vehículos eléctricos se utilizan para transformar la electricidad de la red de baja tensión, ya que las baterías de los vehículos eléctricos trabajan en corriente continua. Por el contrario, los inversores convierten la corriente continua en corriente alterna. Estos dispositivos se utilizan en el caso de los paneles solares, ya que la electricidad generada por los paneles solares está en forma de corriente continua y la red de baja tensión trabaja en corriente alterna. En estas versiones de la electricidad se generan impurezas debido a las técnicas y componentes electrónicos que implementan los inversores y rectificadores. Estas impurezas se inyectan en forma de señales o emisiones no deseadas en redes de corriente alterna de baja tensión que se propagan en la red con una señal de 50 Hz. La disciplina encargada del estudio de estas impurezas se denomina “calidad de potencia”, derivada del término inglés “power-quality”.
Se mide la calidad de potencia desde la creación de las redes eléctricas y se caracterizan los componentes de frecuencia que aparecen fuera de la señal de potencia de 50 Hz. En la literatura se han publicado numerosos estudios que analizan los fenómenos de interferencia en redes de baja tensión (menos de 2 kHz). En las frecuencias bajas se producen emisiones no deseadas por ser “armónicas”. Estas son impurezas de la señal de 50 Hz y se encuentran en múltiplos de la frecuencia de la corriente alterna (50 Hz), como 100 Hz (primer armónico), 150 Hz (segundo armónico), 200 Hz (tercer armónico), etc. Sin embargo, las emisiones no deseadas se producen a frecuencias superiores al armónico 40 (2 kHz). A partir de esta frecuencia, las emisiones no deseadas no son armónicas de la señal de potencia de 50 Hz, sino que dependen de las frecuencias de conmutación de las técnicas y componentes implementadas por inversores y rectificadores. Las emisiones no deseadas generadas por estos equipos suelen encontrarse en el rango de frecuencias comprendido entre 2 kHz y 500 kHz.
Se conocen como emisiones “supraharmónicas” los componentes de frecuencia no deseados que pueden medirse en el rango de frecuencias comprendido entre 2 kHz y 500 kHz. La palabra supraharmónica (proviene del inglés “supraharmonic”) se utiliza para designar las emisiones que se producen a frecuencias superiores a 2 kHz, debido a que el término supraharmónico es una combinación de las palabras latín “supra” (encima) y inglés “harmonic” por encima de los armónicos. El término supraharmónico, muy utilizado en la comunidad investigadora, puede provocar una mala comprensión del fenómeno físico de las emisiones no deseadas que se producen entre 2 kHz y 500 kHz. La fuente de estas emisiones no deseadas no está relacionada con las impurezas de corriente alterna, sino con las frecuencias de trabajo de los componentes y técnicas de rectificadores e inversores.
Dentro del rango de frecuencias en el que se producen las emisiones supraharmónicas, se producen las transmisiones de las comunicaciones de la línea eléctrica (PLC, en inglés “power line communications”) en la banda 10-490 kHz. Las tecnologías PLC utilizan los cables de las redes eléctricas como medio de comunicación. En la actualidad, las tecnologías PLC son los principales sistemas de comunicación de contadores “inteligentes” que miden el consumo y la generación de electricidad en viviendas y empresas, a través de los cuales se transmite la información de telemetría de los consumos de electricidad a las empresas gestoras de redes de baja tensión. Gracias a las tecnologías PLC, las compañías eléctricas han desarrollado tarifas con precios variables a lo largo del día que pueden depender de la demanda y oferta del mercado eléctrico.
Las emisiones supraharmónicas pueden producir efectos no deseados o tener un impacto negativo sobre las redes de baja tensión y los dispositivos conectados a ellas. Estas emisiones no deseadas, si su nivel de amplitud es demasiado alto, pueden poner en peligro el buen funcionamiento de algunos dispositivos. Por otra parte, se ha relacionado la energía de las emisiones supraharmónicas con el “estrés térmico” que sufren los aparatos, lo que reduce la vida útil de los componentes electrónicos que implementan los equipos, lo que acelera el envejecimiento de los mismos. Además, las comunicaciones PLC se transmiten en frecuencias en las que se propagan las emisiones supraharmónicas, por lo que las emisiones no deseadas pueden interferir las transmisiones PLC y onducir las comunicaciones que transportan información de telemetría. A pesar de que los efectos negativos descritos tienen un pequeño porcentaje de equipos conectados a la red de baja tensión, al estar conectados millones de dispositivos y contadores inteligentes a la red, es necesario tomar medidas para mitigar dichos efectos.
Los efectos negativos derivados de las emisiones supraharmónicas han generado numerosas posibilidades de investigación para el diseño de nuevas técnicas y/o dispositivos que prevengan el impacto de estas emisiones. Las investigaciones llevadas a cabo en los últimos años han permitido el lanzamiento de filtros comerciales que debilitan las emisiones supraharmónicas generadas por los aparatos. Además, los límites de amplitud de las señales que pueden inyectar los dispositivos en la red se han definido en estándares internacionales que los fabricantes de equipos deben tener en cuenta a la hora de diseñar los dispositivos. Asimismo, se ha establecido el nivel máximo que pueden alcanzar las combinaciones de todas las emisiones supraharmónicas que generan todos los dispositivos en la red y que deben ser controladas por las compañías eléctricas que gestionan redes de baja tensión. Por otro lado, se han publicado once técnicas basadas en el procesamiento de la señal para que la comunicación PLC funcione al 100%. El objetivo de estas técnicas es eliminar los fenómenos de interferencia que producen las emisiones supraharmónicas en las transmisiones PLC o, al menos, reducir su impacto. Sin embargo, todavía se están realizando numerosos estudios sobre estas emisiones desde el punto de vista metrológico (ciencia que estudia la precisión de las medidas), relacionados con la mejora de la velocidad y cobertura de las comunicaciones PLC.
El grupo de investigación TSR (Tratamiento de la Señal y Radiocomunicaciones) de la Escuela de Ingeniería de Bilbao de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), tras estudiar desde 1998 la calidad de las señales de televisión y radio, creó hace 9 años una nueva línea de investigación denominada “Comunicaciones para redes eléctricas inteligentes”. Esta línea de investigación tenía como objetivo orientar las posibilidades de investigación en torno a las emisiones supraharmónicas y satisfacer las demandas de las empresas del País Vasco.
En el grupo de investigación TSR de la UPV/EHU se han creado una serie de medidores propios para caracterizar la red eléctrica en el rango de frecuencias de supraharmónicos. Entre los instrumentos generados se encuentran los medidores de emisiones supraharmónicas en un rango de frecuencias comprendido entre 9 kHz y 20 MHz, entre los que se han definido las sondas de dichos medidores y los códigos de procesamiento de medidas en tiempo real. Además, se han creado instrumentos de medida para medir la impedancia de entrada que presenta la red de baja tensión en el mismo rango de frecuencias y cuantificar el debilitamiento de las señales de comunicaciones PLC entre los dos puntos de la red. Estos aparatos proporcionan los datos necesarios para caracterizar totalmente la red de baja tensión. Estos datos se han utilizado para caracterizar los mecanismos de interferencia que las redes de baja tensión generan en las comunicaciones de las tecnologías PLC. No obstante, las interferencias en las comunicaciones PLC se han caracterizado tanto por pruebas de laboratorio como por pruebas en redes de baja tensión. Asimismo, los datos recogidos en las redes de baja tensión se han utilizado para analizar la metrología de las medidas mediante estudios de incertidumbre de las técnicas implementadas por los instrumentos que miden la calidad de potencia definida en estándares internacionales y que se pueden encontrar en el mercado.
Es más, las investigaciones llevadas a cabo en el grupo de investigación TSR de la UPV/EHU han servido para realizar aportaciones de gran impacto a nivel internacional de estandarización e investigación. Entre estas aportaciones se encuentra la participación en el proyecto europeo EMPIR-SupraEMI, financiado por EURAMET (Asociación de Centros Nacionales de Metrología Europea), así como las aportaciones realizadas en diferentes grupos de trabajo de las organizaciones IEC (Comité Electrotécnico Internacional) y CENELEC (Comisión Europea para la Normalización Electrotécnica), encargadas de la creación de estándares internacionales.
En resumen, en las próximas décadas, el número de paneles solares y cargadores de vehículos eléctricos conectados a las redes de baja tensión aumentará exponencialmente debido a las políticas de descarbonización de la Organización de las Naciones Unidas y de la Unión Europea. Estos equipos generan e inyectan emisiones supraharmónicas en redes de baja tensión y pueden afectar negativamente al resto de equipos. No obstante, se han llevado a cabo diversos estudios de prevención y mitigación de las emisiones supraharmónicas o están en marcha. Las conclusiones obtenidas de estos estudios serán de gran utilidad para garantizar una buena calidad de potencia de las redes de baja tensión cuando en el futuro el número de paneles solares y cargadores de vehículos eléctricos sea considerable.
Agradecimientos:
Este trabajo ha sido financiado por el Gobierno Vasco a través de las subvenciones IT1436-22, PRE_2023_2_0037 y PRE_2023_2_0162. Este trabajo también ha sido financiado con la subvención PID2021-124706OB-I00, del MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y del Fondo Europeo para el Desarrollo Regional: “Una forma de hacer Europa”.
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