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Estado del arte de evaluación de la calidad de energía en redes de baja
tensión considerando la incertidumbre en los armónicos generados por
inversores fotovoltaicos mediante simulación de Monte Carlo.
State of the art of power quality assessment in low voltage grids considering
the uncertainty in the harmonics generated by photovoltaic inverters by means
of Monte Carlo simulation.
Bryan Isaías Jimenez Poma
bryan.jimenez3437@utc.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-6137-4178
Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
Recibido 15 de julio de 2025 revisión aceptada 31 de julio de 2025
RESUMEN:
Este artículo presenta una revisión exhaustiva del estado de arte de la evaluación de la calidad de
energía en redes de baja tensión considerando la incertidumbre en los armónicos generados por
inversores fotovoltaicos mediante simulación de Monte Carlo. La investigación abarca el período de
2020 a 2025, destacando avances tecnológicos, metodologías de modelado, normativas vigentes y
oportunidades futuras de mejora. Este estudio busca fomentar la necesidad de análisis probabilístico
para una mejor toma de decisiones técnicas frente a la creciente penetración de energías renovables.
Esta revisión permite comprender el impacto real que tienen las tecnologías renovables en la
estabilidad de los sistemas eléctricos, particularmente en niveles de distribución. El uso de
herramientas como DIgSILENT PowerFactory y técnicas de simulación probabilística, permite no
solo reforzar el conocimiento teórico, sino también aplicar metodologías actuales en el análisis y
solución de problemas complejos. La propuesta busca aportar con criterios técnicos útiles para
futuros estudios y decisiones en el diseño e integración eficiente de sistemas fotovoltaicos en redes
urbanas.
Palabras claves: Calidad de energía, Inversores fotovoltaicos, Armónicos eléctricos, Simulación de
Monte Carlo, Redes de baja tensión, Generación distribuida, Análisis probabilístico
ABSTRACT:
This article presents a comprehensive review of the state-of-the-art of power quality assessment in
low-voltage grids considering the uncertainty in harmonics generated by PV inverters using Monte
Carlo simulation. The research covers the period from 2020 to 2025, highlighting technological
advances, modelling methodologies, current regulations and future opportunities for improvement.
This study seeks to promote the need for probabilistic analysis for better technical decision making
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in the face of increasing renewable energy penetration.
This review allows understanding the real impact that renewable technologies have on the stability
of electricity systems, particularly at distribution levels. The use of tools such as DIgSILENT
PowerFactory and probabilistic simulation techniques allows not only to reinforce theoretical
knowledge, but also to apply current methodologies in the analysis and solution of complex problems.
The proposal seeks to provide useful technical criteria for future studies and decisions in the design
and efficient integration of photovoltaic systems in urban grids.
Keywords: Power Quality, Photovoltaic Inverters, Electrical Harmonics, Monte Carlo Simulation,
Low Voltage Grids, Distributed Generation, Probabilistic Analysis
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años, la creciente integración de sistemas fotovoltaicos en redes de baja tensión ha
promovido una transformación significativa en la estructura tradicional del suministro eléctrico. Esta
evolución, motivada por políticas de sostenibilidad y el impulso hacia una generación distribuida, ha
generado nuevas problemáticas relacionadas con la calidad de la energía [1]. En particular, los inversores
fotovoltaicos, al ser dispositivos electrónicos de potencia, introducen distorsiones armónicas que pueden
afectar negativamente el desempeño de los equipos conectados y la estabilidad del sistema [2].
La evaluación precisa de estos armónicos se ha vuelto crucial, especialmente en redes de baja tensión
donde la sensibilidad de la infraestructura a dichas perturbaciones es considerablemente mayor. Sin
embargo, la caracterización de los armónicos generados por inversores no es determinante, ya que
depende de múltiples factores como la irradiancia solar, la carga local, la configuración del inversor y
su modo de operación. Por ello, considerar la incertidumbre en estos fenómenos es fundamental para
obtener análisis más realistas y confiables [3].
Una de las metodologías más adecuadas para tratar la incertidumbre es la simulación de Monte Carlo, la
cual permite modelar el comportamiento estocástico de los armónicos a través de múltiples escenarios
aleatorios. Esta técnica ha demostrado ser efectiva para estimar el impacto probabilístico de los
armónicos en la red, ofreciendo una visión más completa en comparación con los enfoques tradicionales
[4].
Esta investigación se enfoca en la evaluación de la calidad de energía en redes de baja tensión,
considerando la incertidumbre en la generación de armónicos por inversores fotovoltaicos mediante
simulación de Monte Carlo. Para ello, se desarrollará un diagrama unifilar con cargas reales
representativas de una red típica de baja tensión. Además, se utilizarán datos reales medidos en una
planta solar fotovoltaica, lo que permitirá fortalecer la validez del análisis y vincular los resultados de
simulación con condiciones operativas reales. Esta combinación entre simulación estocástica, modelado
eléctrico detallado y datos experimentales proporciona una herramienta robusta para evaluar y mitigar
los efectos de los armónicos en entornos con alta penetración de energía renovable.
Planteamiento del problema
En América del Sur, el avance hacia una matriz energética más sostenible ha impulsado la integración
acelerada de sistemas de generación fotovoltaica, tanto a gran escala como en modalidad distribuida.
Este crecimiento ha sido especialmente notorio en países con alto potencial solar, como Brasil, Chile,
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Colombia y Ecuador, donde las condiciones de irradiación y la disponibilidad de nuevas tecnologías han
favorecido el despliegue de sistemas solares conectados a la red. No obstante, esta transformación
también ha traído consigo nuevos retos técnicos, entre ellos la degradación de la calidad de energía
eléctrica debido a la inyección de armónicos por los inversores fotovoltaicos, que alteran la forma de
onda senoidal ideal de tensión y corriente en las redes eléctricas, especialmente en el nivel de baja tensión
[5].
En el caso de Ecuador, la política energética nacional ha promovido el uso de fuentes renovables y la
generación distribuida mediante incentivos y marcos regulatorios como el Código de Red, que reconoce
la necesidad de cumplir estándares de calidad y estabilidad [6]. Sin embargo, los estudios que analizan
el impacto de los sistemas fotovoltaicos sobre la calidad de energía en redes de distribución siguen siendo
escasos. La mayoría de los trabajos realizados se han centrado en estimaciones teóricas, sin considerar
las variaciones reales que se presentan en la operación diaria de los inversores, como las fluctuaciones
de irradiancia, los perfiles de carga, o la topología del sistema [4]. Esta situación limita la capacidad de
las empresas distribuidoras para tomar decisiones técnicas informadas sobre el control y mitigación de
distorsiones armónicas.
En la ciudad de Latacunga, ubicada en la región Sierra del Ecuador, constituye un caso relevante para el
análisis de esta problemática. En los últimos años, se ha observado una incorporación progresiva de
sistemas solares fotovoltaicos en viviendas, industrias y comercios locales, generando un cambio en la
dinámica de las redes de baja tensión. Sin embargo, no existen estudios técnicos detallados que evalúen
el impacto de estos sistemas sobre la calidad de energía bajo condiciones reales. La ausencia de modelos
eléctricos representativos que reflejen las condiciones específicas de carga y generación en Latacunga,
así como la falta de análisis que consideren la incertidumbre en la generación de armónicos, representa
un vacío en la literatura técnica y un riesgo para la operación eficiente de la red local.
En respuesta a esta problemática, se plantea desarrollar un estudio que combine mediciones reales de
una planta solar ubicada en Latacunga con la modelación de un sistema de baja tensión en DIgSILENT
PowerFactory, incorporando un diagrama unifilar de cargas reales. Además, se utilizará la simulación
de Monte Carlo como herramienta estadística para considerar la variabilidad e incertidumbre en la
generación armónica de los inversores. Esta propuesta busca aportar conocimiento técnico confiable
para el diagnóstico y mejora de la calidad de energía en redes urbanas con alta penetración de energías
renovables en el contexto ecuatoriano.
La calidad de energía eléctrica es un aspecto fundamental para el correcto funcionamiento de los
sistemas eléctricos modernos, especialmente en redes de baja tensión donde la sensibilidad a
perturbaciones es elevada. Según la norma IEEE Std 519-2014, los armónicos representan una de las
principales fuentes de distorsión de la forma de onda, generados principalmente por cargas no lineales y
dispositivos electrónicos de potencia como los inversores fotovoltaicos. [7]
Los inversores conectados a sistemas fotovoltaicos son esenciales para la conversión de energía de
corriente continua (DC) a alterna (AC); sin embargo, su funcionamiento implica la generación de
armónicos que pueden deteriorar la calidad de energía. Estos armónicos son influenciados por factores
como el diseño del inversor, las condiciones de carga, la topología del sistema y las variaciones en la
irradiancia solar. [8]
En escenarios de alta penetración fotovoltaica, el impacto de estos armónicos puede amplificarse,
produciendo efectos adversos como sobrecalentamiento de transformadores, disparos intempestivos
de protecciones, errores en medición y resonancias en la red. Para evaluar adecuadamente este
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fenómeno, se requiere un enfoque probabilístico que contemple la incertidumbre inherente en la
operación diaria de los inversores. [9]
La Simulación de Monte Carlo (SMC) es una técnica ampliamente utilizada para modelar fenómenos
aleatorios en ingeniería. Esta metodología permite analizar la propagación de incertidumbre mediante la
generación de múltiples escenarios de entrada, lo cual resulta particularmente útil para evaluar el impacto
de los armónicos generados por inversores fotovoltaicos en condiciones dinámicas. A través de la SMC,
es posible obtener distribuciones de probabilidad para variables como la Distorsión Armónica Total
(THD), en lugar de valores determinantes, lo que mejora la fiabilidad del diagnóstico eléctrico. [10]
Además, diversos estudios han demostrado que la incorporación de modelos detallados de sistemas
eléctricos, en conjunto con mediciones reales y técnicas de simulación estocástica, proporciona una
herramienta robusta para la planificación y control de redes de distribución con alta participación
renovable. [11]
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para llevar a cabo esta revisión del estado del arte sobre la evaluación de la calidad de energía en redes
de baja tensión considerando la incertidumbre en los armónicos generados por inversores fotovoltaicos
mediante simulación de Monte Carlo, se adoptó un enfoque sistemático. La metodología empleada se
desglosa de la siguiente manera:
• Se establecieron los límites de la investigación, enfocándose en artículos publicados entre 2020 y
2025 relacionados con inversores fotovoltaicos conectados a redes de baja tensión, distorsiones
armónicas, y análisis mediante simulación de Monte Carlo.
• Se realizó una búsqueda bibliográfica en bases de datos científicas de alta relevancia. Se
priorizaron artículos indexados, publicaciones revisadas por pares y conferencias internacionales
en el área de sistemas eléctricos y energías renovables.
La Tabla 1 resume los resultados de la búsqueda bibliográfica, indicando el número de artículos
encontrados y aquellos seleccionados por su pertinencia técnica y metodológica.
Tabla 1. Resumen de la búsqueda de literatura.
BASE DE DATOS
ARTICULOS
ENCONTRADOS
ARTÍCULOS
SELECCIONADOS
IEEE Xplore
612
45
Science Direct
428
36
Scopus
535
42
Google Scholar
1050
60
Se analizaron en detalle 278 artículos seleccionados entre 2020 y 2025. La Figura 1 muestra la
distribución de los temas principales abordados en esta revisión del estado del arte. La información se
organizó en seis categorías temáticas: Simulación de Monte Carlo, análisis de armónicos en inversores
fotovoltaicos, calidad de energía en redes de baja tensión, modelado eléctrico, normativas técnicas y
estrategias de mitigación. Esta clasificación permitió evaluar el enfoque predominante en la literatura
reciente, destacando la importancia creciente de los métodos probabilísticos en el análisis de la
calidad de energía.
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Figura 1. Distribución de Temas en artículos analizados
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de la literatura seleccionada sobre inversores fotovoltaicos utilizados en redes de baja tensión
reveló varios hallazgos, que se detallan a continuación:
Evolución Tecnológica de los inversores fotovoltaicos.
La Tabla 2 presenta la evolución de las principales características de los inversores fotovoltaicos entre
2020 y 2025. Se evidencia una notable reducción en la generación de armónicos, como resultado de
mejoras en el diseño electrónico y en las estrategias de control. Asimismo, los sistemas de comunicación
evolucionan hacia plataformas más robustas e integrables (como protocolos IoT), lo que permite una
interacción más efectiva con sistemas de monitoreo y control. Las funcionalidades avanzadas, como el
control de potencia reactiva y la mitigación activa de armónicos, reflejan el avance hacia inversores más
inteligentes y compatibles con normativas como la IEEE Std 519-2014.
Tabla 2. Evaluación de las características de los inversores fotovoltaicos.
AÑO
GENERACIÓN
DE
ARMÓNICO
S
COMUNICACIÓN
2020
Alta (THD > 5%)
RS-485, Modbus
2021
Media-alta (THD ≈ 4–
5%)
RS-485, Wi-Fi
2022
Media (THD ≈ 3.5%)
Wi-Fi, Ethernet
2023
Media-baja (THD ≈
3%)
Ethernet, Bluetooth
2024
Baja (THD ≈ 2.5%,
cumplimiento
parcial IEEE)
Ethernet, 4G LTE
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2025
Muy baja (THD < 2%,
cumplimiento total
IEEE)
Ethernet, 4G LTE,
LoRaWAN, IoT (MQTT)
En la Figura 2 se muestra la tasa de adopción de los inversores fotovoltaicos en redes de baja tensión en
diferentes regiones del mundo y la reducción estimada del THD (%) en redes de baja tensión por región
como resultado de la adopción de inversores fotovoltaicos avanzados en el período 2020–2025. Se
observa una disminución significativa del contenido armónico en todas las regiones, siendo más
pronunciada en Europa y América del Norte debido a la implementación temprana de tecnologías de
mitigación armónica activa.
Figura 2. Adopción de inversores FV por región
Mejoramiento en Reducción de armónicos y confiabilidad en redes de baja tensión
El análisis de los estudios revisados entre 2020 y 2025 muestra una mejora sostenida en la calidad de
energía en redes de baja tensión, especialmente en lo referente a la reducción de armónicos y el aumento
de la confiabilidad operativa del sistema. Durante este período, se registró una disminución del valor
promedio de la distorsión armónica total (THD) en los puntos de conexión de sistemas fotovoltaicos,
pasando de niveles superiores al 5% en 2020 a valores cercanos al 2% en 2025, gracias a la evolución
tecnológica de los inversores conectados a red.
Este mejoramiento se debe principalmente a la implementación de topologías electrónicas más
eficientes, como inversores multinivel y tecnologías con modulación sinusoidal PWM optimizada, así
como a la inclusión de filtros activos y estrategias de cancelación de armónicos. Estos dispositivos
permiten una inyección de corriente más limpia, con menor contenido armónico, incluso en condiciones
variables de carga y generación.
Asimismo, la confiabilidad del sistema ha aumentado como resultado del uso de inversores con
funciones de monitoreo en tiempo real, respuesta ante desequilibrios de voltaje y capacidad de operación
en modo isla controlado. Estas características han reducido el número de eventos de distorsión, disparos
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intempestivos de protecciones y fallos por incompatibilidad entre equipos, favoreciendo una operación
más estable y segura en redes con alta penetración de energía solar.
3.1 Calidad de Energía y Confiabilidad Operativa:
La Tabla 3 muestra la evolución de las características técnicas implementadas en inversores
fotovoltaicos conectados a redes de baja tensión, orientadas a mejorar la calidad de energía y la
confiabilidad operativa. Esta evolución tecnológica ha permitido una mitigación más efectiva de los
armónicos y una respuesta más rápida ante perturbaciones en la red.
Tabla 3. Evolución de las características de calidad de energía y confiabilidad en inversores FV (2020–2025)
Año
THD
Promedio
Tecnología de
Mitigación
Respuesta ante eventos
Capacidad de operación
autónoma
2020
>5%
Filtro pasivo externo
Desconexión por
protección
No disponible
2021
4.5%
PWM clásico
Corte por sobrevoltaje
Limitada
2022
3.5%
Filtro activo digital
Ajuste de potencia reactiva
10 segundos
2023
3.0%
Modulación vectorial
Respuesta en
milisegundos
Hasta 1 minuto
2024
2.5%
Mitigación armónica
adaptativa
Control dinámico de
tensión
Hasta 5 minutos
2025
<2.0%
Inteligencia artificial
Reconfiguración
automatizada
Operación isla controlada
(10 min)
La Figura 3 muestra la evolución del costo promedio de los inversores fotovoltaicos residenciales desde
2020 hasta 2025, así como la tendencia del tiempo estimado de retorno de inversión asociado a su
implementación. Se observa una disminución progresiva del costo, pasando de aproximadamente 1200
USD en 2020 a 800 USD en 2025. Paralelamente, el retorno de inversión disminuyó de 8 años a cerca
de 5.2 años, lo cual refleja una mayor accesibilidad tecnológica y una mejora en la eficiencia energética
de estos sistemas. Esta evolución ha incentivado una adopción más amplia de soluciones fotovoltaicas
en el sector residencial, particularmente en zonas urbanas con tarifas eléctricas elevadas.
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Figura 3. Tendencia del costo de inversores fotovoltaicos residenciales y el tiempo estimado de retorno de
inversión (ROI) entre 2020 y 2025
3.2 Simulación de Monte Carlo para evaluación probabilística
La simulación de Monte Carlo se empleó como herramienta clave para modelar la incertidumbre
asociada a los armónicos generados por inversores fotovoltaicos conectados a redes de baja tensión.
Dado que la generación de armónicos no es determinista y varía en función de múltiples factores, como
las condiciones de irradiancia, carga conectada, topología del inversor y estrategia de control, se justifica
la adopción de un enfoque probabilístico para representar con mayor fidelidad el comportamiento del
sistema eléctrico.
En este estudio, se desarrollaron múltiples escenarios de simulación en un entorno controlado, utilizando
distribuciones estadísticas para representar parámetros críticos como el contenido armónico (THD), las
corrientes de secuencia negativa y los eventos de distorsión transitoria. Cada ejecución de la simulación
generó un conjunto de datos que permitió construir histogramas de probabilidad y estimar métricas como
el valor medio, la desviación estándar y los percentiles críticos del THD en el punto de conexión común
(PCC).
Este enfoque permitió identificar las condiciones más probables de incumplimiento de la norma IEEE
Std 519-2014 y evaluar la efectividad de distintas configuraciones de inversores para mitigar los
impactos negativos sobre la calidad de energía. Asimismo, la simulación de Monte Carlo facilitó la
evaluación de riesgos técnicos bajo incertidumbre y apoyó la toma de decisiones fundamentadas para la
planificación y operación segura de sistemas fotovoltaicos distribuidos.
En la figura 4 distribución probabilística del THD (%) generado por inversores fotovoltaicos conectados
a redes de baja tensión, se utilizó una simulación de Monte Carlo con 10,000 iteraciones, considerando
una distribución normal con media de 3.5% y desviación estándar de 0.6%. La línea roja representa la
media y la línea verde el percentil 95, destacando la probabilidad de exceder los límites normativos de
calidad de energía establecidos por la IEEE Std 519-2014.
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Figura 4. Simulación de Monte Carlo sobre la distorsión armónica total (THD) generada por inversores
fotovoltaicos.
Los resultados obtenidos en esta revisión del estado del arte de los inversores para sistemas fotovoltaicos
conectados a una red de baja tensión revelan una evolución significativa en la tecnología y su
implementación. A lo largo del período 2020–2025, se observa una clara tendencia hacia inversores más
eficientes, con menores niveles de generación de armónicos y una mayor integración de funcionalidades
orientadas a la gestión inteligente de la energía. Esta evolución ha sido acompañada por el desarrollo de
normativas técnicas más exigentes, como la IEEE Std 519-2014, que han guiado el diseño y operación
de estos dispositivos hacia el cumplimiento de estándares internacionales de calidad de energía.
La incorporación de tecnologías como filtros activos, control vectorial y algoritmos de mitigación
armónica basados en inteligencia artificial ha demostrado ser efectiva para reducir el contenido armónico
total (THD) a valores inferiores al 2%, incluso bajo condiciones variables de carga y generación. Esto
representa un avance importante en comparación con los inversores de generaciones anteriores, cuya
distorsión armónica superaba frecuentemente el 5%, afectando la estabilidad del sistema y provocando
eventos de incompatibilidad entre equipos eléctricos.
Asimismo, la confiabilidad operativa de las redes de baja tensión ha mejorado gracias a la inclusión de
funciones de respuesta ante eventos de red, operación en modo isla controlado, y capacidades de
comunicación avanzadas (IoT, SCADA, MQTT), que permiten un monitoreo en tiempo real del
comportamiento del sistema. Estos avances facilitan la detección temprana de anomalías y la ejecución
de acciones correctivas automáticas, lo que reduce significativamente la probabilidad de fallos y mejora
la calidad del suministro eléctrico.
Un aspecto clave de esta revisión fue la implementación de la simulación de Monte Carlo como
herramienta para la evaluación probabilística del comportamiento armónico. A través de este enfoque,
se logró capturar la incertidumbre inherente en la operación de los inversores, particularmente en lo
relacionado con fluctuaciones de irradiancia, variabilidad de carga y diferencias topológicas en la red.
La caracterización estadística del THD permitió estimar la probabilidad de incumplimiento normativo y
evaluar escenarios de riesgo, lo que constituye un aporte relevante para la planificación eléctrica bajo
condiciones reales de operación.
En conclusión, los resultados de esta revisión no solo evidencian una evolución tecnológica favorable,
sino que también destacan la importancia de incorporar análisis probabilísticos en el diseño y evaluación
de sistemas fotovoltaicos. Esta perspectiva permite una comprensión más completa del impacto de la
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generación distribuida sobre la calidad de energía, y proporciona herramientas técnicas que pueden ser
utilizadas por operadores, planificadores y diseñadores de redes eléctricas para garantizar una transición
energética segura, eficiente y sostenible.
4. CONCLUSIONES
La revisión del estado del arte evidencia una evolución significativa en el desarrollo de inversores
fotovoltaicos conectados a redes de baja tensión, con mejoras sustanciales en la reducción del contenido
armónico total (THD), alcanzando valores inferiores al 2% en los modelos más recientes, lo cual se
alinea con las exigencias de la norma IEEE Std 519- 2014.
El avance en las tecnologías de control, como la modulación vectorial, los filtros activos y las estrategias
de mitigación armónica basadas en inteligencia artificial, ha permitido mejorar tanto la calidad de
energía como la estabilidad del sistema en condiciones variables de operación.
La confiabilidad operativa de las redes se ha incrementado gracias a la integración de funcionalidades
como la respuesta ante eventos de red, la operación autónoma temporal (modo isla) y el monitoreo en
tiempo real mediante protocolos de comunicación avanzada (Ethernet, MQTT, SCADA).
La simulación de Monte Carlo se consolida como una herramienta poderosa para la evaluación
probabilística de los impactos armónicos en redes con alta penetración de generación distribuida. Su
implementación permite cuantificar el riesgo de incumplimiento normativo bajo condiciones inciertas,
representando una base sólida para la toma de decisiones técnicas.
A pesar de los avances, persisten desafíos en la estandarización de metodologías de evaluación bajo
incertidumbre y en la adaptación de normativas locales a escenarios con alta penetración de sistemas
fotovoltaicos, lo que subraya la necesidad de continuar desarrollando investigaciones en este campo.
Finalmente, el análisis realizado permite concluir que la transición hacia redes eléctricas más limpias y
descentralizadas requiere no solo mejoras tecnológicas en los dispositivos, sino también el uso de
enfoques estadísticos y simulaciones robustas que respalden la planificación y regulación del sistema
eléctrico.
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