Investigación sobre Problemas de Calidad del Suministro Eléctrico y Tecnologías de Control en Terminales de Transformadores de Distribución en Estaciones de Carga Fotovoltaica
1. Introducción
Como diseñador de primera línea de sistemas de distribución de estaciones de carga fotovoltaica, me involucro profundamente en la investigación de tecnología de control de calidad de energía. En medio de la transición energética, las estaciones de carga fotovoltaica ganan importancia, pero la integración a gran escala de la energía fotovoltaica plantea desafíos de calidad de energía. El extremo del transformador de distribución, un nodo clave, necesita urgentemente soluciones. A pesar de la investigación existente, persisten brechas en la tecnología de control que considera las características de la PV y las condiciones complejas. Este artículo se centra en el control de la calidad de la energía en este extremo, cubriendo el análisis de problemas, el diseño tecnológico y la verificación de casos para respaldar la estabilidad del sistema.
2. Análisis de los Problemas de Calidad de Energía en el Extremo del Transformador de Distribución
2.1 Características Operativas de las Estaciones de Carga Fotovoltaica
Las estaciones de carga fotovoltaica consisten en sistemas de generación de energía fotovoltaica e instalaciones de carga. Los sistemas PV convierten la energía solar a través de paneles e inversores para la conexión a la red. La salida de PV es intermitente y fluctuante debido a la intensidad de la luz y la temperatura, débil en condiciones de poca luz, más alta al mediodía soleado; la temperatura también afecta la eficiencia de los paneles.
Las instalaciones de carga tienen cargas que cambian dinámicamente. El comportamiento de carga de los usuarios es aleatorio, con tiempos y potencias variables, por ejemplo, picos después del trabajo durante la semana o programación flexible, complicando la predicción de la carga. Estos son consideraciones clave en el diseño.
2.2 Principales Problemas de Calidad de Energía
Después de la conexión a la red, el extremo del transformador de distribución enfrenta problemas como fluctuaciones de voltaje/parpadeo, armónicos y desequilibrio trifásico. Las fluctuaciones de voltaje se deben a la intermitencia de la PV y los cambios de carga, lo que puede causar parpadeo. Los armónicos de los inversores distorsionan el voltaje, aumentando las pérdidas y el envejecimiento del equipo. El acceso desequilibrado a la carga causa desequilibrio trifásico, dañando la vida útil del transformador. Estos problemas comunes de inspección requieren soluciones específicas.
2.3 Causas de los Problemas de Calidad de Energía
Los problemas resultan de factores acoplados: intermitencia/volatilidad de la PV, aleatoriedad de la carga, no linealidad del transformador (saturación del núcleo, fuga de bobinado) y problemas de operación de la red (cargas trifásicas desiguales). El diseño debe abordar estos aspectos de manera integral para un esquema de control apropiado.
3. Tecnología de Control de Calidad de Energía para el Extremo del Transformador de Distribución
3.1 Tecnología de Control Basada en Dispositivos de Compensación
Los dispositivos de compensación comunes tienen características distintas: capacitores reactivos (simples pero lentos), SVC (dinámicos pero propensos a armónicos) y STATCOM (rápidos, precisos, con supresión de armónicos). Durante el diseño, optimizo la capacidad y la posición (por ejemplo, cerca del lado de baja tensión del transformador) para una mayor eficiencia.
3.2 Optimización de la Calidad de Energía a Través de Estrategias de Control
Estrategias avanzadas mejoran el control: control borroso (maneja problemas no lineales/inciertos), redes neuronales (aprendizaje automático para precisión) y control predictivo basado en modelos (optimiza a través de la predicción). Para las fluctuaciones de voltaje, diseñé un algoritmo de regulación basado en control borroso, probado por simulación para suprimir fluctuaciones.
3.3 Esquema de Control Integral
El esquema integra módulos de adquisición de datos, toma de decisiones y compensación. Forma un bucle cerrado: los datos identifican problemas, emparejan estrategias/dispositivos y ajustan parámetros. Guío el diseño del esquema para adaptarlo a los escenarios de la estación de carga.
4. Análisis de Casos de Aplicación Práctica
4.1 Introducción del Caso
Una estación de carga fotovoltaica en un gran parque industrial, con cargas complejas, enfrenta graves problemas de calidad de energía en el extremo del transformador debido a las fluctuaciones de la carga del parque y la intermitencia de la PV, afectando el equipo y la estabilidad de la red. Me involucro profundamente en la implementación del esquema.
4.2 Esquema de Aplicación
Se utiliza una selección personalizada de dispositivos de compensación y una estrategia de control cooperativa de borroso + predictivo basado en modelos. El control borroso genera la compensación inicial; el control predictivo basado en modelos la optimiza. Aseguro que el diseño se adapte a las condiciones en el sitio.
4.3 Evaluación de Efectividad
La monitorización post-aplicación muestra una mejora en la calidad de la energía: la fluctuación de voltaje se reduce a ±3%, el THD cae por debajo del 4% y el desequilibrio trifásico se mantiene dentro del 5%. Económicamente, los costos anuales de mantenimiento se reducen en aproximadamente 200,000 yenes, con un crecimiento de ingresos de aproximadamente 300,000 yenes. Socialmente, la estabilidad de la red apoya a las empresas del parque industrial, verificando la efectividad.
5. Conclusión
El esquema de control integral diseñado, que integra compensación y estrategias, mejora efectivamente la calidad de la energía. Sin embargo, el control en condiciones complejas puede ser optimizado. Los esfuerzos futuros proporcionarán tecnología madura para la gestión de la calidad de la energía en estaciones de carga fotovoltaica, asegurando la estabilidad de la red.
