Los sistemas de energías renovables conectados a la red en detalle

Hemos hablado mucho en el blog de los sistemas de generación renovables conectados a las redes de distribución pero hasta ahora no hemos entrado en detalle desde el punto de vista técnico. Vamos a tratar de hacerlo en esta ocasión en varios artículos en los que explicamos algunos conceptos técnicos relevantes de los sistemas conectados a la red.

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS CONECTADOS A LA RED

La evolución de la energía solar fotovoltaica y la eólica se ha dirigido en los últimos años a sistemas conectados a la red. Esto mejora la economía global y la disponibilidad de cargas de las plantas renovables; los dos factores más importantes de cualquier sistema de energía. La red de distribución suministra energía al lugar de conexión cuando hace falta, o absorbe el exceso de energía producido cuando está disponible. Un medidor de kWh se utiliza para registrar la energía transmitida a la red, y otro medidor de kWh se usa para registrar la energía absorbida de la red. Los costes de ambas energía suelen ser diferentes.

En la figura podemos ver un diagrama típico de sistema de generación fotovoltaico conectado a la red. Podemos ver la interface con las líneas de distribución en el lado de salida del inversor. A menudo se añaden baterías para cumplir los picos de carga a corto plazo.

En las instalaciones que contemplan grandes sistemas eólicos, la tendencia actual es usar diseños de velocidad variable. La salida del generador de frecuencia variable primero se rectifica a DC, y luego se invierte en AC de frecuencia fija. Antes de la inversión, los armónicos del rectificador se filtran en DC por el inductor y condensadores. La referencia de frecuencia para el encendido del inversor y la referencia de voltaje para el control del ángulo de fase del rectificador son tomados de las líneas de la red. El valor de referencia del ratio punta-velocidad se almacena y continuamente compara con el valor computado de las velocidades del viento y el rotor. La velocidad de la turbina cambia para asegurar la máxima producción de energía en cualquier momento.

REQUERIMIENTOS DE INTERFACE

La interface con la red tanto de los sistemas eólicos como fotovoltaicos se produce desde los terminales del interruptor automático de sincronización al extremo de salida del inversor. El flujo de energía en cualquier dirección depende del voltaje del sitio en los terminales del interruptor automático. Los requerimientos fundamentales en el voltaje del sitio para interactuar con la red son los siguientes:

• La fase y magnitud del voltaje deben ser iguales a lo requerido por la magnitud deseada y dirección del flujo de energía. El voltaje es controlado por el ratio de transformación del transformador y/o el ángulo de encencido del rectificador/inversor en un sistema de control en bucle cerrado.

• Para que el sistema trabaje, la frecuencia debe ser exactamente igual a la de la red. Para cumplir exactamente los requerimientos de frecuencia, el único medio efectivo es usar la frecuencia de la red pública como referencia para la frecuencia de conmutación del inversor.

• En el sistema eólico, los generadores síncronos del sistema de la red suministran corriente magnetizante para el generador de inducción.

SINCRONIZACIÓN CON LA RED PÚBLICA

El interruptor automático de sincronización tiene un voltaje interno y sensores de ángulo de fase para controlar el voltaje de la red y del sitio y señalar el instante correcto para cerrar el interruptor automático. Como parte del circuito de protección automática, cualquier intento de cerrar el interruptor automático en un instante incorrecto es rechazado por el interruptor automático. Cuatro condiciones deben satisfacerse antes de que el interruptor de sincronización permita el cierre como sigue:

• La frecuencia debe estar lo más cerca que sea posible a la frecuencia de la red, preferiblemente alrededor de un tercio de hertz o más alta.

• La magnitud del voltaje del terminal debe acoplarse con la de la red, preferiblemente un pequeño porcentaje más alta.

• La secuencia de fase de los dos voltajes trifásicos debe ser la misma.

• El ángulo de fase entre los dos voltajes debe estar dentro de cinco grados.

Tomando el sistema eólico como ejemplo, el proceso de sincronización específicamente funciona como sigue:

• Con el interruptor automático de sincronización abierto, el generador de energía eólica es llevado para acelerar usando la máquina en modo motor.

• Cambiar la máquina a modo de generación, y ajustar los controles de forma que los voltajes del sitio y de la red se acoplen a los requerimientos anteriores en todo lo que sea posible.

• El acoplamiento se controla por tres lámparas de sincronización o sincroscopio, una en cada fase. El voltaje a través de las lámparas en cada fase es la diferencia entre el voltaje del sitio renovable y el voltaje de la red en cualquier instante. Cuando el voltaje del sitio y de la red son exactamente iguales en las tres fases, las tres lámparas se quedan oscuras. Sin embargo, no es bastante para las lámparas estar oscuras en un instante. Esta condición se cumplirá solamente si los voltajes del generador y de la red están a la misma frecuencia. Si no, uno de los dos voltajes trifásicos rotará más rápido relativo al otro, y la diferencia entre los dos voltajes se notará en la iluminación de las lámparas.

• El interruptor automático de sincronización se cierra si las lámparas quedan oscuras ¼ o ½ segundo.

Siguiendo al cierre, pequeños desacoplamientos entre el voltaje del sitio y el voltaje de la red circularán la corriente de afluencia entre los dos de forma que los dos sistemas tengan una operación síncrona perfecta.

Corriente de afluencia

Las pequeñas e ineludibles diferencias entre los voltajes de la red y el sitio originan una corriente de afluencia que fluye entre el sitio y la red. La corriente de afluencia eventualmente degenera a cero a una tasa exponencial que depende de la resistencia e inductancia interna. La magnitud inicial de esta corriente en el instante en el que se cierra el interruptor automático depende del grado de desacoplamiento entre los dos voltajes. No es del todo malo, ya que produce la energía de sincronización que actúa para llevar los dos sistemas en cierre síncrono. Sin embargo, produce un paso de par mecánico, establece las oscilaciones electromecánicas antes de que las dos máquinas entren en sincronismo y se bloqueen entre sí.

La potencia de sincronización producida por la corriente de afluencia lleva al sistema eólico y la red en sincronismo después de que caigan las oscilaciones. Una vez sincronizado, el generador tiene una tendencia natural a quedar en sincronismo con la red, aunque puede caer el sincronismo si se extraen cargas excesivas, se aplican grandes pasos de carga, o durante el fallo del sistema. Las pequeñas oscilaciones de perturbaciones en el ángulo de carga caen con el tiempo, restaurando las condiciones de sincronización. La magnitud de la potencia de restauración, también conocida como potencia de sincronización, es más alta si la máquina está funcionando sin carga, y es cero si está funcionando en su límite de estabilidad del estado estacionario.

Operación de sincronización

Una vez sincronizada, es necesario controlar el voltaje y la frecuencia del sistema eólico. Cuando el generador de inducción está directamente conectado a la red, la red sirve como referencia de frecuencia para la frecuencia de salida del generador. La red sirve como la referencia de frecuencia para la frecuencia de salida del generador. La red también actúa como fuente de excitación suministrando energía reactiva. Ya que la curva característica del par respecto a la velocidad del generador de inducción tiene una pendiente pronunciada próxima a cero, la velocidad de la turbina queda aproximadamente constante dentro de unos pequeños porcentajes. El par de carga más alto se cumple incrementado hasta un cierto punto, más allá del cual el generador queda inestable. Si el par de carga se reduce inmediatamente, el generador retornará a la posición estable. Desde el punto de vista de operación, el generador de inducción es más suave, en oposición a la operación relativamente más dura del generador de inducción, que trabaja a velocidades constantes exactas o cae fuera de estabilidad.

El generador síncrono se usa desde hace treinta años y en ellos el voltaje se controla actuando sobre la corriente de excitación de campo del rotor. El control de frecuencia, sin embargo, no se requiere bajo una base continua. Una vez sincronizado y conectado a las líneas, el generador síncrono tiene una tendencia inherente a quedar en bloqueo síncrono con la red. Solamente durante transitorios o fallos del sistema, puede perderse el sincronismo.

En el generador de inducción de velocidad variable usando el inversor en la interface, la señal de la puerta del inversor es derivado del voltaje de la red para asegurar el sincronismo. La estabilidad del inversor depende bastante del diseño. Por ejemplo, con el inversor conmutado de línea, no hay límite de estabilidad. El límite de potencia en este caso es el límite de carga de estado estacionario del inversor con límite de sobrecarga a corto plazo.

Transitorio de carga

Durante la operación en estado estacionario, si la producción del sistema de energías renovables se pierde parcial o completamente, la red recogerá la carga del área. El efecto se sentirá de dos formas:

• Los generadores de red lentamente incrementan ligeramente el ángulo de potencia necesario para obtener la energía perdida. Esto resultará en una caída momentánea de la frecuencia.

• En el sistema se producirá una pequeña caída de voltaje, ya que los conductores de la red transportan más carga.

Los mismos efectos se sienten si se conectan repentinamente grandes cargas a un punto de producción de energías renovables, comenzando la turbina eólica cuando el motor de inducción demanda una gran corriente. Tales transitorios de carga son minimizados por los generadores de grandes arranques suaves. En los parques eólicos eólicas formados por muchos generadores, los generadores individuales arrancan en secuencia, uno tras otro.

LÍMITE DE OPERACIÓN

La conexión una planta de generación renovable a la red pública introduce límites de operación de dos formas, la regulación del voltaje y el límite de estabilidad. En la mayoría de los casos, la línea puede considerarse como una línea de transmisión corta. La capacitancia de tierra y la resistencia de pérdida de tierras son generalmente despreciables y son ignoradas. El circuito equivalente de una línea, por lo tanto, se reduce a una resistencia serie R y reactancia L. Tal aproximación es válida en líneas de hasta 75 km de longitud. La línea transporta energía del sitio renovable a la red pública, o de la red al sitio renovable para cumplir la demanda local. Hay dos efectos principales en la impedancia de la línea de transmisión, uno en la regulación del voltaje y otro en la máxima capacidad de transferencia de energía de la línea de conexión.

Bibliografía: Patel et al. Wind and Solar Power Systems. CRC Press