Patrones Estacionales de Perturbaciones Armónicas

Los "días de perros" del verano, desde finales de julio hasta finales de agosto, se asocian tradicionalmente con el calor y el aire pesado. El nombre proviene de Sirio, la Estrella del Perro, que salía junto al sol en la antigua Grecia. Aunque el término describe un clima bochornoso, las redes eléctricas también enfrentan sus propios días de perros.

Para las empresas eléctricas, este periodo no solo implica una demanda máxima por la refrigeración. También coincide con niveles más altos de perturbaciones armónicas. Las armónicas son componentes de tensión o corriente en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (50 o 60 Hz). Estas distorsionan la forma de onda sinusoidal, reducen la eficiencia y acortan la vida útil de los equipos.

Este artículo analiza cómo varían las armónicas según la estación, por qué el verano es especialmente desafiante y qué pueden hacer las utilities para mitigar los efectos.

Comprendiendo las Armónicas

Las armónicas surgen de cargas no lineales. En lugar de consumir corriente en una onda sinusoidal suave, estos dispositivos la absorben en pulsos. Las fuentes comunes son variadores de frecuencia (VFD), inversores, iluminación LED y equipos de aire acondicionado.

El impacto de las armónicas se mide mediante la Distorsión Armónica Total (THD). Se define como:

THD = \sqrt{\frac{\sum_{h=2}^{n} V_h^2}{V_1^2}} \times 100%

donde V_h es el valor RMS de la tensión de la armónica h‑ésima y V_1 es la fundamental.

Las normativas proporcionan orientación sobre los límites aceptables:

IEEE 519 recomienda un THD de tensión inferior al 5% en el punto de acoplamiento común (PCC).
IEC 61000‑2‑2 fija un límite del 8% de THD para redes públicas de baja tensión.
IEC 61000‑2‑4 especifica entre 5 y 10% de THD para entornos industriales, según la clase.

Patrones Estacionales

Verano

Durante los días de perros, las armónicas aumentan debido a:

Aires acondicionados: Los compresores basados en inversores generan armónicas de orden impar, especialmente la 3ª y 5ª.
Variadores de velocidad: Usados en HVAC e industria, añaden armónicas de 5º, 7º y órdenes superiores.
Inversores fotovoltaicos: En el pico de producción veraniega, inyectan armónicas de conmutación, particularmente en redes débiles.
Altas temperaturas: Los transformadores operan cerca de la saturación y la impedancia de los cables aumenta, amplificando ambos los efectos armónicos.

Datos de casos de ERCOT (Texas) han mostrado que el THD local pasa del 2–3% en meses frescos al 6–8% durante olas de calor, impulsado por cargas de aire acondicionado sincronizadas y el comportamiento de los inversores. Estos valores son ilustrativos y varían según el alimentador y la fortaleza de la red.

Invierno

Las armónicas en invierno son diferentes:

Calefacción eléctrica: Los calefactores resistivos son lineales, pero aumentan la carga base, reduciendo la amortiguación y haciendo la red más sensible a armónicas de otras fuentes.
Iluminación: La iluminación LED, especialmente con drivers antiguos, añade armónicas de 3º y 5º orden. Los drivers modernos suelen cumplir con IEC 61000‑3‑3, pero el uso a gran escala aún puede crear distorsión.
Cargas industriales: Los hornos de arco y equipos de soldadura aportan armónicas de bajo orden e interarmónicas (múltiplos no enteros).
Generación eólica: Las turbinas basadas en inversores pueden introducir componentes subsíncronos, especialmente en redes débiles.

Las utilities nórdicas informan picos locales de THD del 6–7% en las noches de invierno, vinculados a la calefacción y la demanda industrial. Nuevamente, estos son picos específicos de sitio, no promedios de todo el sistema.

Impactos en las Utilities

Las armónicas reducen la vida útil de los transformadores, aumentan las pérdidas en cables y provocan disparos intempestivos en los sistemas de protección. Los motores sufren pulsaciones de par y la electrónica sensible puede fallar.

Económicamente, las armónicas implican:

Mayores costes de mantenimiento y reemplazo.
Reducción de la capacidad nominal de transformadores y cables.
Quejas de clientes por parpadeo y mala calidad de energía.
Posibles sanciones bajo marcos regulatorios.

Estrategias de Mitigación

Monitorización
Instale analizadores de calidad de energía con registro de armónicas en subestaciones y alimentadores. Las auditorías estacionales ayudan a identificar puntos críticos. Los sistemas AMI modernos y los medidores de energía CLOU con funciones de registro de armónicas permiten a las utilities localizar las fuentes de distorsión hasta el nivel de alimentador o cliente.

Filtrado

Filtros pasivos sintonizados para la 5ª o 7ª armónica.
Filtros activos para cargas dinámicas como centros de datos o hubs de recarga de vehículos eléctricos.
Soluciones híbridas que combinan ambos.

Operación de la Red

Escalonar los arranques de aire acondicionado para evitar resonancias.
Hacer cumplir la conformidad de inversores con las normativas de armónicas.
Usar inversores formadores de red en zonas con alta penetración renovable.

Participación del Cliente

Tarifas que penalicen la mala calidad de energía.
Incentivos para equipos amigables con las armónicas.

Conclusión

Los días de perros del verano traen más que calor: traen estrés armónico a la red. Los patrones estacionales importan: en verano las armónicas aumentan con la refrigeración y los inversores solares, mientras que en invierno provienen de la calefacción y la industria.

Para las utilities, la respuesta es clara: monitorizar, filtrar y planificar. Al tratar las armónicas como un riesgo estacional, los proveedores de energía pueden proteger sus activos, mejorar la eficiencia y mantener la confianza del cliente.

En CLOU, nuestros sistemas avanzados de infraestructura de medición (AMI) y medidores de energía con capacidad de registro de armónicas brindan a las utilities las herramientas para identificar cuándo y dónde ocurren las distorsiones. La monitorización continua hasta el nivel de alimentador o cliente permite a los operadores distinguir entre perturbaciones locales y problemas de todo el sistema. Con esta información, las utilities pueden actuar más rápido, orientar mejor las medidas de mitigación y reducir el estrés innecesario en los equipos.

En resumen: las armónicas no tienen por qué ser una carga estacional oculta. Con las herramientas adecuadas de medición y análisis, se convierten en un parámetro gestionable en la operación de la red—y en un paso hacia una red más resiliente e inteligente.