Calidad de Energía Iberdrola

La sección inicia estableciendo la importancia crucial de los estudios de calidad de energía eléctrica para realizar un diagnóstico completo de las cargas conectadas a una red. Se destacan parámetros eléctricos como voltajes, corrientes, armónicos, desbalances y factor de potencia como elementos clave en este análisis. La identificación de problemas de calidad de energía permite la implementación de medidas correctivas específicas, incluyendo la instalación de compensadores de voltaje, filtros de armónicos y bancos de capacitores. Se contextualiza el panorama de la industria eléctrica mexicana, mencionando la influencia de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE) y su posterior derogación en 2014. Se resalta el papel de Iberdrola como el mayor productor privado de electricidad en México, con la mayor red privada de distribución. La colaboración entre Iberdrola Energía Monterrey y el Tecnológico de Monterrey (ITESM) se presenta como el motor de este análisis de calidad de energía, enfocado en las cargas de su red privada en los niveles de distribución y transmisión, cumpliendo con lineamientos internacionales y el Código de Red Mexicano. El incumplimiento de las especificaciones establecidas implica sanciones administrativas por parte de la CRE, según el artículo 165 de la Ley de Industria Eléctrica (LIE), con multas que pueden llegar a ser significativas.

El estudio se centra en el análisis de la calidad de energía entre Iberdrola Generación Monterrey y sus cargas conectadas en niveles de tensión de transmisión (110 kV) y distribución (13.8 kV). El objetivo principal es determinar el cumplimiento con los parámetros de calidad de energía según la norma EN 50160 y el Código de Red Mexicano en seis Puntos de Conexión Común (PCC). Se mencionan las limitaciones de la aplicación de ambos criterios y se da un preámbulo a los fenómenos analizados, detallando que la descripción completa se desarrollará en secciones posteriores. Se aclara que, aunque la red de Iberdrola es privada con una sola conexión al Sistema Eléctrico Nacional (SEN) en la planta Dulces Nombres (400 kV), los requerimientos del Código de Red son relevantes porque se basan en estándares internacionales que promueven el uso eficiente y seguro de la infraestructura eléctrica. Se plantea la pregunta sobre la magnitud y frecuencia correctas para voltaje y corriente, mencionando que la región occidental de México utiliza 60 Hz y la oriental 50 Hz como frecuencia fundamental. Se introduce la idea de que los estándares y normativas establecen niveles de compatibilidad típicos del 95% de los valores de perturbaciones medidos en el 95% del tiempo, utilizando el percentil 95% como referencia.

El estudio se implementó en las instalaciones de Iberdrola Monterrey, en su red eléctrica particular que abarca el área metropolitana de Monterrey. Se identifican varias cargas importantes conectadas a esta red: Cigarrera de México (British American Tobacco), Aguas Industriales de Monterrey (AIMSU), Alestra, Tecnológico de Monterrey, Sigma Alimentos, plantas de Sociedad Cuauhtémoc y Famosa (SCyF), y algunas cargas de Ternium Planta Guerrero, todas conectadas a niveles de tensión de 110 kV y 13.8 kV. Esta lista de participantes destaca la envergadura del estudio y la relevancia de la red privada de Iberdrola en la región. La colaboración con el Tecnológico de Monterrey (ITESM) resalta la importancia de la investigación académica en la mejora de la calidad de energía en la industria.

La metodología empleada consistió en la instalación de equipos de medición en los Puntos de Conexión Común (PCC) de las cargas analizadas. Estos equipos midieron continuamente voltaje y corriente durante al menos siete días. Esta recolección de datos exhaustiva permite un análisis preciso de los parámetros de calidad de energía. La información obtenida se procesó posteriormente para determinar los diferentes parámetros eléctricos relevantes para la investigación, proporcionando una base sólida para el análisis de los resultados. El uso de equipos de medición continua garantizó la captura de una amplia gama de variaciones y eventos en la red eléctrica, lo que proporciona una representación más completa y realista de la calidad de la energía.

El análisis se centró en la evaluación de parámetros de calidad de energía, comparándolos con los estándares internacionales y las regulaciones mexicanas. Se utilizaron las normas EN 50160 y el Código de Red Mexicano como referencia principal. Los parámetros analizados incluyeron la distorsión armónica de voltaje y corriente, el desbalance de voltaje y corriente, y el factor de potencia. Se utilizaron percentiles, especialmente el percentil 95%, para determinar los niveles de cumplimiento de los parámetros analizados, siguiendo las recomendaciones de los estándares IEC y EN. Para el análisis de la distorsión armónica de corriente se utilizaron las tablas del estándar IEEE 519, específicas para los niveles de tensión de 13.8 kV y 110 kV. Se hace hincapié en que los límites de desbalance de corriente en el Código de Red Mexicano no tienen una base clara en estándares internacionales. Se menciona la metodología para la obtención de los percentiles, que se detallará en secciones posteriores. Se describe la diferencia entre los fenómenos continuos y los eventos, con una mayor focalización en el análisis de los primeros. Se explica cómo se consideran los fenómenos continuos (como la distorsión armónica) a lo largo del tiempo de estudio, mientras que para los eventos transitorios aún no se ha desarrollado un marco de referencia consistente para la compatibilidad electromagnética.

Los medidores de energía utilizados en las instalaciones de Iberdrola son del tipo PowerLogic ION8650 de Schneider Electric, configurados en la mayoría de los casos como arreglo estrella aterrizada de 4 hilos, con transformadores de voltaje y corriente (TPs y TCs) para las mediciones en baja tensión. Las consideraciones sobre el tiempo de observación y el cálculo de los parámetros se discuten a la luz de los requerimientos del Código de Red. La información sobre variaciones permanentes de tensión se toma del percentil 100% (valores máximos medidos), mientras que para eventos temporales (hasta 20 minutos), se utiliza una aproximación porcentual (cerca de 1% del tiempo de medición), para analizar su incidencia. Se establece una diferencia entre el análisis del factor de potencia en alta tensión (promedios de 5 minutos) y baja tensión (promedios de 10 minutos). Se explica la adaptación del factor de potencia para representar valores de adelanto, considerando el comportamiento negativo de las mediciones. Los requerimientos del factor de potencia, basado normalmente en un cálculo mensual, se adaptaron a un análisis de una semana para el reporte. Una nueva metodología basada en percentiles se aplica al factor de potencia para tener una evaluación más consistente con otros parámetros.

La sección sobre resultados y recomendaciones comienza con un análisis del factor de potencia. Se indica que una de las soluciones más comunes para la mejora del factor de potencia es la instalación de bancos de capacitores para compensar la potencia reactiva consumida por la carga. Sin embargo, se advierte que, en presencia de cargas no lineales, esta solución puede generar problemas, como amplificar el efecto de las corrientes armónicas e incluso provocar resonancia en la red eléctrica, resultando en distorsión excesiva de voltaje, operación repentina de interruptores y daño a los equipos. Se propone un enfoque colaborativo entre el suministrador eléctrico y las cargas para controlar los cambios de carga y evitar fluctuaciones de voltaje. Para situaciones donde se requiere conectar más cargas a un mismo bus, se recomienda aumentar la potencia del bus antes de añadirlas. La utilización de compensadores estáticos de VAR (SVCs) se presenta como una opción para la compensación de desbalances mediante el control de la potencia reactiva, así como los compensadores dinámicos (SVCs y STATCOMs) para compensar las desigualdades en el voltaje de alimentación. Se observa que, en la mayoría de los casos, una carga desbalanceada es la principal fuente del desbalance, siendo crítica la situación donde una fase o el neutro se encuentran desconectados.

Para la supresión de armónicos, se recomienda el uso de dispositivos dinámicos como los SVCs y STATCOMs debido a su capacidad de compensación instantánea. Se explica que la supresión de armónicos individuales impacta directamente en el índice de distorsión armónica total de corriente. Se mencionan otras soluciones para compensar el desbalance, además del balanceo de cargas, como la utilización del circuito de Steinmetz para transformar cargas monofásicas en trifásicas balanceadas, aplicable también a cargas trifásicas desbalanceadas. En relación al desbalance de corriente, aunque los requerimientos del Código de Red no tienen una base clara en la literatura, se reconoce la importancia de este parámetro. Se destaca que el desbalance puede originarse tanto en la red de suministro como en la carga misma, incluyendo fuentes aguas arriba (impedancias asimétricas en líneas y transformadores) y aguas abajo (cargas trifásicas desbalanceadas y distribución desigual de cargas monofásicas). Se propone un estudio futuro para parametrizar el desbalance de corriente en función del desbalance de voltaje, utilizando el teorema de Fortescue, para refutar o validar las consideraciones del Código de Red respecto a los límites de desbalance de corriente.

La sección concluye con propuestas para el trabajo futuro, enfocándose en la definición de una estrategia para la instalación de equipos de mitigación de los fenómenos observados en el estudio. Se enfatiza la necesidad de una colaboración entre el suministrador y los centros de carga para la mejora de la calidad de energía, dado que muchos parámetros tienen origen en ambos. Se plantea la posibilidad de analizar cada carga conectada al centro de carga 3 (CC3) de forma individual para identificar la fuente de problemas como el fenómeno 'flicker'. Entre las medidas de mitigación para transitorios, se mencionan los interruptores con cruce por cero y los reactores limitadores de corrientes de energización. Se concluye que un análisis más profundo del desbalance en sistemas trifásicos podría ayudar a determinar el origen del desequilibrio, considerando la dispersión de la corriente y voltaje de secuencia negativa (V2 e I2) y el consumo de potencia reactiva de secuencia negativa (Q2), permitiendo así un mejor entendimiento de los fenómenos.

La sección dedicada al trabajo futuro propone la elaboración de una estrategia para la instalación de equipos que mitiguen los fenómenos observados en el análisis de la calidad de energía. Esta estrategia dependerá de las prioridades del suministrador y de los centros de carga, requiriendo un plan de trabajo colaborativo para lograr una mejora significativa en la calidad de la energía. Se enfatiza que muchos de los parámetros analizados tienen su origen tanto en la carga como en el suministro eléctrico, por lo que la colaboración es fundamental. Se menciona la posibilidad de desarrollar estrategias de mitigación para fenómenos no observados en este estudio inicial. Como ejemplo de futuras acciones, se propone un análisis individual de cada carga conectada a un bus específico (CC3) para determinar cuál contribuye mayormente a fenómenos como el 'flicker', observando cambios en la carga reactiva. Se sugiere la utilización de interruptores con cruce por cero para conectar capacitores, minimizando los transitorios, y de reactores limitadores de corrientes de energización para reducir el pico de la corriente.

Se propone un trabajo de investigación enfocado en el desbalance de sistemas trifásicos, con el objetivo de parametrizar el desbalance de corriente en función del desbalance de voltaje. Esto busca refutar o sustentar experimentalmente las consideraciones del Código de Red Mexicano sobre los límites del desbalance de corriente. Se define el desbalance en sistemas trifásicos a través del teorema de Fortescue, que simplifica el análisis mediante la transformación de componentes simétricas (secuencia cero, positiva y negativa). Se resalta la importancia de las componentes de secuencia negativa de voltaje y corriente para definir el desbalance, aunque magnitudes pequeñas no producen un giro inverso en máquinas rotatorias, si pueden generar par pulsante y calentamiento. Se explica que el desbalance de corriente en un centro de carga industrial puede originarse en la red de servicio o en la propia carga. Se describen las fuentes de desbalance aguas arriba (red, impedancias asimétricas en líneas y transformadores) y aguas abajo (cargas trifásicas desbalanceadas y distribución desigual de cargas monofásicas), representándolas en un equivalente Thévenin de 3 fases. El análisis del desbalance ocasionado por la red de suministro asume una carga perfectamente balanceada, observando que en la mayoría de las situaciones, las cargas son compuestas de motores de inducción y cargas pasivas conectadas en paralelo, lo que modifica las impedancias equivalentes en los modelos de secuencia. Se finaliza con la dificultad de determinar la tendencia predominante en los datos de la dispersión de V2 contra I2 para identificar el origen del desbalance, por lo que se propone incluir el cálculo de Q2 (potencia reactiva de secuencia negativa) para determinar los momentos donde la red o la carga predominan.