Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay)
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En el panorama energético actual, marcado por el crecimiento acelerado de las energías renovables, las tecnologías de conversión electrónica de potencia están evolucionando para satisfacer nuevas demandas. En este contexto, los sistemas de generación en modo Grid-Forming (GFor) están emergiendo como una solución innovadora que complementa o, en algunos casos, podría reemplazar a la tecnología dominante hasta ahora, conocida como Grid-Following (GFoll). Esta transformación tecnológica responde a desafíos clave relacionados con la estabilidad, resiliencia y eficiencia de las redes eléctricas en un sistema energético en transición.
De “Grid-Following” a “Grid-Forming”: dos enfoques complementarios
La solidez del “Grid-Following”
Los sistemas Grid-Following han sido fundamentales en la expansión de las energías renovables. Su principio de funcionamiento se basa en sincronizarse con la red eléctrica existente, comportándose como fuentes de corriente que adaptan su operación a una tensión predefinida. Trabajan con consignas de potencia activa y reactiva. Esto los convierte en soluciones flexibles y fiables, especialmente en redes interconectadas y robustas como las de Europa.
En este contexto, Grid-Following ha permitido conectar fuentes renovables distribuidas, como parques eólicos y fotovoltaicos, directamente a redes de distribución, reduciendo pérdidas de transporte y contribuyendo a una estabilidad local mediante controles de tensión. No obstante, sus limitaciones incluyen una capacidad restringida para inyectar corriente reactiva en fallos de cortocircuito, debido a que el hardware electrónico generalmente no soporta sobrecargas significativas sin sobredimensionamiento.
El potencial del “Grid-Forming”
A diferencia de los sistemas GFoll, los Grid-Forming operan como fuentes de tensión, capaces de “crear” una red estable en lugar de simplemente seguirla. Este enfoque imita el comportamiento de los generadores síncronos convencionales, reforzando la estabilidad de la red mediante una emulación de inercia más natural y la capacidad de operar en islas eléctricas (microgrids). Trabajan con consignas de tensión y frecuencia.
Los sistemas GFor están especialmente diseñados para responder a los retos que presentan redes extensas y menos interconectadas, como en Estados Unidos o Australia, donde la reducción de inercia y la disminución de la fortaleza de la red son problemáticas crecientes. Estas capacidades los hacen ideales para sistemas con alta penetración de renovables y baja generación síncrona convencional.
Desafíos y oportunidades de los sistemas GFor
Limitaciones del hardware
Aunque GFor aporta mejoras en aspectos de control y estabilidad, su hardware básico no difiere significativamente del empleado en GFoll. Esto implica que la capacidad de sobrecarga y la corriente de cortocircuito siguen siendo limitadas. Sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologías de conversión podría beneficiar a ambas modalidades.
La importancia del control avanzado
La mejora de la respuesta inercial en los sistemas GFor no se basa en elementos físicos, sino en algoritmos avanzados que emulan esta característica. Aunque estos sistemas ofrecen una emulación más integrada que los GFoll, las diferencias prácticas no son drásticas debido a las similitudes tecnológicas entre ambos enfoques.
Dependencia de la fuente primaria
Tanto en GFor como en GFoll, la eficacia de la respuesta inercial o la inyección de corriente reactiva depende directamente de la potencia disponible en la fuente primaria, como el viento o la radiación solar. Esto implica que su contribución puede ser limitada en escenarios de baja producción energética.
El papel estratégico del almacenamiento energético
Uno de los escenarios donde Grid-Forming puede marcar una diferencia significativa es en la integración de sistemas de almacenamiento energético. Estos sistemas, en particular los basados en almacenamiento electroquímico, se están convirtiendo en un complemento indispensable para las renovables, equilibrando los flujos de potencia en la red y proporcionando inercia sintética.
Los sistemas de almacenamiento distribuidos, operando en modo GFor, pueden generar o absorber potencia según las necesidades de la red. Además, gracias a sus capacidades avanzadas de control, son ideales para mejorar la estabilidad en redes con alta penetración de renovables y baja generación síncrona.
Una visión hacia el futuro
La transición hacia sistemas Grid-Forming no busca sustituir completamente a Grid-Following, sino complementarlo para enfrentar los retos del nuevo paradigma energético. La clave estará en combinar ambos enfoques con sistemas híbridos, integrando algoritmos de control más avanzados, mejoras en el hardware y una mayor presencia de almacenamiento energético.
Con estas innovaciones, las redes eléctricas podrán no solo adaptarse a un modelo energético más distribuido y renovable, sino también garantizar su estabilidad, resiliencia y sostenibilidad en el largo plazo. Esta evolución es esencial para cumplir con los objetivos globales de descarbonización y asegurar un suministro energético confiable para todos.
Fuentes:
Y. Li, Y. Gu and T. C. Green, “Revisiting Grid-Forming and Grid-Following Inverters: A Duality Theory,” in IEEE Transactions on Power Systems (early access: publicado el 17 de febrero de 2022).
D. Pattabiraman, R. H. Lasseter. and T. M. Jahns, “Comparison of Grid Following and Grid Forming Control for a High Inverter Penetration Power System,” 2018 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Portland, OR, USA, 2018, pp. 1-5
