Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante UPM y Profesor Visitante Universidad París-Saclay)
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Los sistemas de generación eléctrica reversible, conocidos como bombeos hidráulicos o centrales hidroeléctricas de bombeo, desempeñan un papel crucial en la estabilidad y flexibilidad de las redes eléctricas modernas. Estas plantas no solo generan electricidad, sino que también funcionan como sistemas de almacenamiento de energía, bombeando agua a una altura superior durante periodos de baja demanda para liberarla y generar electricidad cuando la demanda aumenta. Desde el punto de vista eléctrico, estas centrales dependen de generadores-motores y convertidores electrónicos, cuya tecnología ha evolucionado significativamente para mejorar la eficiencia y la capacidad de respuesta del sistema.
En una planta de bombeo hidráulico, los generadores-motores son el corazón del sistema. Estos dispositivos son capaces de operar en dos modos: como generadores cuando convierten la energía mecánica del flujo de agua en electricidad, y como motores cuando utilizan electricidad para bombear agua hacia un embalse superior. Los generadores-motores pueden alcanzar potencias de hasta 360 MVA y funcionan tanto a velocidad fija como variable, dependiendo de la configuración de la planta. Tradicionalmente, las plantas operaban a velocidad constante, lo que significa que la velocidad del generador-motor y de la turbina-bomba debía mantenerse sincronizada con la frecuencia de la red. Sin embargo, esta configuración limita la capacidad de la planta para proporcionar servicios auxiliares a la red y no permite ajustar la potencia de bombeo, lo que puede resultar en un uso ineficiente de la energía sobrante.
La introducción de generadores de velocidad variable ha revolucionado el funcionamiento de las centrales de bombeo. Estos generadores permiten ajustar la velocidad de rotación en función de las necesidades de la red, lo que ofrece un control dinámico mucho más preciso. En lugar de operar a una velocidad fija, los generadores de velocidad variable pueden adaptarse a diferentes condiciones de carga, lo que maximiza la eficiencia y proporciona mayor flexibilidad operativa. Por ejemplo, cuando la demanda de energía es baja, la planta puede reducir la velocidad de bombeo para consumir menos energía, mientras que en momentos de alta demanda, puede aumentar la velocidad de generación para inyectar más potencia en la red.
Este control dinámico es posible gracias a la utilización de convertidores electrónicos, que desempeñan un papel clave en la regulación de la velocidad y la potencia. Existen dos tipos principales de sistemas de convertidores utilizados en generadores de velocidad variable: las máquinas de inducción doblemente alimentadas (DFIM) y las máquinas síncronas alimentadas por convertidor (CFSM). En una DFIM, el estator está conectado directamente a la red, mientras que las bobinas del rotor están conectadas a través de un convertidor electrónico de potencia que utiliza anillos deslizantes. Este convertidor controla la frecuencia de la corriente en el rotor, lo que permite variar la velocidad del generador sin cambiar la frecuencia y la tensión del estator. Esta capacidad de control es crucial para la operación a velocidad variable, ya que permite ajustar la potencia activa y reactiva de manera independiente, lo que mejora la estabilidad de la red y facilita la integración de fuentes de energía renovable.
Por otro lado, en una CFSM, la máquina síncrona está conectada a la red a través de un convertidor de frecuencia total, que generalmente utiliza un sistema de convertidores de fuente de tensión (VSC) en configuración back-to-back. Este sistema conecta dos lados de corriente alterna a través de un enlace de corriente continua (DC), lo que permite que la frecuencia del generador sea independiente de la frecuencia de la red. Las CFSM ofrecen un rendimiento superior en términos de control y eficiencia dinámica, ya que no tienen las limitaciones de velocidad de las DFIM. Además, estos convertidores pueden utilizarse como compensadores estáticos de potencia reactiva (STATCOM) cuando el generador no está en funcionamiento, proporcionando soporte adicional a la red. Sin embargo, las CFSM requieren un convertidor de potencia total, lo que puede resultar costoso y menos práctico para plantas de gran potencia, generalmente superiores a 100 MW.
La capacidad de los generadores de velocidad variable para controlar la potencia activa y reactiva de forma independiente es una de las principales ventajas de esta tecnología. Esto no solo mejora la estabilidad de la red, sino que también permite ofrecer servicios auxiliares valiosos, como la regulación de frecuencia y el soporte de tensión. En una planta de bombeo tradicional de velocidad fija, la potencia de bombeo no puede ajustarse, lo que limita la capacidad de la planta para equilibrar la red. Por el contrario, los sistemas de velocidad variable pueden regular la potencia de bombeo, lo que contribuye a la estabilización de la frecuencia tanto en modo de generación como en modo de bombeo.
Además de mejorar la flexibilidad y la estabilidad de la red, los generadores de velocidad variable también aumentan la eficiencia global de la planta. En una planta de velocidad fija, las máquinas hidráulicas están optimizadas para un único punto de operación, lo que significa que cualquier desviación en el caudal o la altura del agua puede reducir significativamente la eficiencia y causar problemas como vibraciones y cavitación. En cambio, con la operación a velocidad variable, es posible ajustar la velocidad de rotación para mantener una alta eficiencia en un rango más amplio de condiciones operativas. Esta flexibilidad es especialmente importante en plantas con variaciones significativas en la altura del agua o en aquellas que operan a carga parcial.
En resumen, la tecnología de velocidad variable ha transformado el funcionamiento de las centrales de bombeo hidráulico, ofreciendo una mayor flexibilidad, eficiencia y capacidad de respuesta. Los convertidores electrónicos, ya sea en configuraciones DFIM o CFSM, desempeñan un papel fundamental en esta evolución, permitiendo ajustar la velocidad de los generadores-motores en función de las necesidades de la red. A medida que la demanda de energía renovable continúa creciendo, estas tecnologías serán cada vez más importantes para garantizar la estabilidad y la eficiencia de las redes eléctricas modernas.
Fuentes:
Cavazzini, Giovanna & Pérez-Díaz, Juan & Blazquez, Francisco & Platero, Carlos & Fraile-Ardanuy, Jesύs & Sanchez, Jose & Chazarra, Manuel. (2017). Pumped-Storage Hydropower Plants: The New Generation.
R. Vasudevan, Krishnakumar & Ramachandaramurthy, Vigna & Venugopal, Gomathi & Ekanayake, Janaka & Tiong, S.K.. (2021). Variable speed pumped hydro storage: A review of converters, controls and energy management strategies. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
