Estudio y caracterización de la calidad de suministro eléctrico en los sistemas de alumbrado

Abstract

Un reciente estudio de la Comisión Europea revela que es posible ahorrar entre un 30% y un 50% en la electricidad empleada en iluminación mediante la inversión en sistemas de iluminación eficientes. En la mayoría de los casos, esas inversiones no solo son rentables y sostenibles, sino que también mejoran la calidad de la iluminación. Según la aplicación, los sistemas de alumbrado para interior y exterior presentan una amplia variedad de tecnologías de lámparas. En el alumbrado de interior se incluyen, entre otras, las incandescentes, halógenas y CFL; mientras que en el de exterior encontramos principalmente lámparas de sodio de alta presión (HPS) conectadas a balastos electrónicos y electromagnéticos. Ambos tipos de alumbrado engloban la cada vez mayor presencia de lámparas de LED. Éstas no se usan actualmente en el alumbrado público, a pesar de presentar continuamente importantes mejoras en la eficiencia y en la calidad del color, lo que permite su aplicación en todos los sistemas de alumbrado. Sin embargo, al usarse el ahorro energético como característica de venta, los usuarios necesitan tener claro su ahorro energético. Por otro lado, la iluminación también afecta a la calidad de suministro del sistema de distribución eléctrico. La calidad de suministro está relacionada con las desviaciones en la tensión y corriente de la forma de onda sinusoidal de amplitud y frecuencia constantes. El deterioro en la calidad de suministro se debe a eventos y perturbaciones en el estado estacionario entre los que se incluye la distorsión armónica entre otras. El tema principal de la tesis es la caracterización armónica de diversas tecnologías de iluminación. Se ha estudiado el cambio a LED en alumbrado de interior y exterior. Para poder evaluar esto ha sido necesaria la realización de diversos experimentos. Se han considerado tanto los armónicos (hasta 150 kHz) como los interarmónicos; así como la agregación de cargas, para lo que se han caracterizado magnitudes, ángulos de fase, y la expresión compleja de las corrientes. Esto servirá de ayuda a la hora de caracterizar el impacto de añadir nuevos dispositivos, y en la caracterización armónica tras dicha agregación. Las conclusiones en el alumbrado de interior revelan que el impacto armónico depende en gran medida de los otros equipos conectados, y que dispositivos como la televisión, el ordenador o el microondas tienen un impacto mucho mayor que las lámparas. El impacto de los LED es menor, para la mayoría de los órdenes armónicos, que en las CFL para la misma cantidad de lúmenes, ya que las primeras absorben menos corriente. Se muestra además un cambio en la emisión hacia las altas frecuencias derivado de la introducción de LED. También parecen aumentar los interarmónicos y los armónicos pares con la introducción de las mismas. Sin embargo, en general, no se espera un gran impacto de lo anterior. Además, en cuanto a los LED en el alumbrado de exterior, su emisión armónica es menor que la de las lámparas HPS para todo el espectro en frecuencia. Por lo que la sustitución de sodio por LED no resultará en un incremento de los niveles armónicos. Algunas otras ventajas como las posibilidades de atenuación incrementarán la eficiencia de nuestro sistema de alumbrado. A pesar de no haberse observado agregación con los balastos electrónicos, se necesitan más medidas para predecir de forma precisa la emisión de mezcla de lámparas iguales y distintas.

A recent study carried out for the European Commission has shown that between 30% and 50% of electricity used for lighting could be saved by investing in energyefficient lighting systems. In most cases, such investments are not only profitable and sustainable but they also improve lighting quality. According to the application, indoor and outdoor lighting systems present a wide variety of lamp technologies. The former includes incandescent, halogen and CFL. The latter includes HPS mainly connected to both electronic and electromagnetic ballasts. Both technologies share the incoming presence of LED lamps. At the moment LED lamps are not commonly used as street lighting systems, although recent technology is improving gradually the LEDs efficiency and color quality which allows their application in all lighting systems. However, energy saving is often used as one of their selling features, and customers need to have a clear understanding of LED energy-saving potential. On the other hand, lighting also affects the Power Quality (PQ) of the electrical distribution system. PQ is concerned with deviations of the voltage or current from the ideal single-frequency sine wave of constant amplitude and frequency. Power quality deterioration is due to events and steady state disturbances which include harmonic distortion among others. The main focus of this thesis is the harmonic characterization of several lighting technologies. The change to LED lamps has been considered both in indoor and outdoor. In order to do so, a wide variety of measurements have been needed in both fields of lighting. Harmonics and interharmonics have been considered, and all the frequency range up to 150 kHz has been studied. Aggregation of devices has also been taken into account, in such way; magnitudes, phase angles and complex current from harmonics have been characterized. This will help us to foresee the impact of adding new devices and characterize the expected harmonic content after the addition. Conclusions in indoor lighting reveal that the harmonic impact strongly depends on which other equipment is connected and that devices like TV, computer and microwave have a much bigger impact than the lamps. The impact of LED lamps is smaller, for most harmonics, than for CFLs for the same amount of lumen because LED lamps take less fundamental current. Several of the observations show a shift towards emission at higher frequencies with the introduction of LED lamps. Also interharmonic and evenharmonic levels appear to increase with the introduction of LED lamps. Although no adverse impacts of this are yet to be expected. Moreover, regarding the change to LED in outdoor lighting, the harmonic emission from LED street lamps is less than from HPS lamps, including all frequency bands. Replacing HPS lamps with LED lamps will thus not result in an increase in harmonic levels in the grid. Some other advantages like dimming possibilities and energy savings will increase efficiency within our lighting system. Though no aggregation has been observed with electronic ballasts, more measurements are needed to accurately estimate the emission from uniformed and mixed loads.