Autores: Alejandro García (Grenergy Renovables) y Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia)
Tiempo de lectura: 10 minutos
Los sistemas de energía renovable, como las plantas solares fotovoltaicas, dependen de tecnologías avanzadas para garantizar un rendimiento óptimo y continuo. El control de la generación de energía, la distribución y el almacenamiento eficiente en sistemas complejos requiere herramientas y procesos de gestión precisa. En este contexto, los sistemas de supervisión y control juegan un papel fundamental, permitiendo la monitorización en tiempo real y la toma de decisiones automatizadas, mientras que la electrónica de potencia es responsable de gestionar la conversión y distribución de la energía, asegurando que todos los componentes operen en condiciones óptimas. En este artículo abordaremos estos aspectos desde el punto de vista de las plantas solares.
Elementos clave en el control de energía en plantas solares
Para una central solar fotovoltaica, varios dispositivos y tecnologías trabajan en conjunto para garantizar un suministro eficiente de energía, desde la generación solar hasta la distribución a la red y el almacenamiento de energía. Entre los componentes esenciales se encuentran los inversores, convertidores, baterías y sistemas de monitoreo en tiempo real.
Generación solar y conversión de energía
Los paneles solares convierten la luz solar en corriente continua (DC). Sin embargo, para que esta energía sea utilizable en la red eléctrica, es necesario convertirla en corriente alterna (AC), lo que se logra mediante inversores de potencia. Estos inversores no solo realizan la conversión de DC a AC, sino que también optimizan la salida de energía mediante el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), un algoritmo que ajusta continuamente el rendimiento del inversor según las condiciones de radiación solar y temperatura.
Un detalle técnico relevante es que los inversores modernos utilizan modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la forma de onda de la salida, mejorando la eficiencia de la conversión y reduciendo las pérdidas de energía. Los inversores de alta frecuencia pueden operar a frecuencias más altas, lo que permite una mayor eficiencia en el proceso de conversión, ya que reducen el tamaño de los componentes magnéticos y aumentan la velocidad de respuesta del sistema. Además, los inversores multinivel se utilizan para mejorar la calidad de la forma de onda y reducir las pérdidas por conmutación, especialmente en aplicaciones de alta potencia.
El SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) supervisa este proceso, gestionando el rendimiento de los inversores en tiempo real, y ajustando su operación según las condiciones de la red y las variaciones meteorológicas. Este tipo de inversores también es fundamental para garantizar que la energía producida cumpla con los estándares de calidad y fiabilidad exigidos por la red eléctrica.
Almacenamiento de energía y gestión de baterías
Cuando la generación de energía excede la demanda o en momentos de alta producción solar, la energía sobrante se almacena en baterías de iones de litio, la tecnología más comúnmente utilizada por su alta densidad energética y eficiencia. El proceso de carga y descarga de las baterías se regula mediante convertidores DC-DC, que permiten ajustar la tensión y corriente de carga para optimizar el rendimiento y la vida útil de las baterías.
Los convertidores DC-DC en estos sistemas son fundamentales, ya que gestionan el flujo de energía entre las baterías y el inversor o entre las baterías y la red. Estos convertidores permiten el ajuste dinámico de la tensión durante los ciclos de carga y descarga, y se utilizan para proporcionar una salida de corriente constante que es compatible con los requerimientos de los sistemas de almacenamiento. En aplicaciones de mayor escala, los convertidores bidireccionales permiten tanto la carga como la descarga de las baterías, gestionando la energía de forma eficiente y ajustada a las fluctuaciones de la demanda.
El sistema de gestión de baterías (BMS) juega un papel crucial en esta etapa, monitoreando constantemente la temperatura, el nivel de carga y el estado de salud de cada celda de la batería. Un detalle técnico clave es que el BMS utiliza algoritmos de balance de carga para asegurar que todas las celdas mantengan un rendimiento equilibrado, evitando sobrecargas y maximizando la eficiencia del sistema.
Gestión dinámica de la energía
Cuando la producción solar disminuye o la demanda de la red aumenta, la energía almacenada en las baterías debe liberarse eficientemente. Para ello, los convertidores DC-AC gestionan la conversión de la energía almacenada en corriente continua a corriente alterna para que sea compatible con la red eléctrica. Este proceso debe realizarse de manera controlada, ajustando la potencia de salida según las necesidades de la red. Los convertidores de frecuencia y los cambiadores de fase aseguran que la energía distribuida tenga la frecuencia y la tensión adecuados, garantizando la estabilidad de la red.
Los convertidores de frecuencia se utilizan para ajustar la frecuencia de la salida de corriente alterna y adaptarla a los requisitos de la red, particularmente en sistemas que incluyen fuentes de energía renovable intermitentes, como la solar. Estos dispositivos permiten modular la frecuencia de salida de forma precisa para evitar oscilaciones que puedan afectar la calidad de la energía.
A medida que se inyecta energía en la red, el sistema también regula la potencia reactiva y activa, optimizando la potencia de salida para adaptarse a las variaciones de carga en tiempo real. Las celdas de filtrado y otros dispositivos de compensación reactiva, como los condensadores de corrección de factor de potencia, desempeñan un papel crucial al mantener el equilibrio en la red eléctrica. Estos elementos ayudan a mitigar los armónicos generados por la conversión de energía y a optimizar el factor de potencia, reduciendo pérdidas y mejorando la eficiencia global.
Optimización operativa mediante control predictivo
El control predictivo es esencial para mejorar la eficiencia de los sistemas de energía renovable, especialmente cuando se trata de integrar fuentes de energía intermitentes, como la solar. Utilizando algoritmos avanzados, los sistemas de supervisión pueden predecir la producción energética en función de las condiciones meteorológicas y ajustar los sistemas de almacenamiento y generación con antelación.
La utilización de modelos predictivos basados en inteligencia artificial (IA) permite a los operadores anticipar cambios en la generación de energía, lo que optimiza el uso de los recursos renovables y mejora la eficiencia global del sistema. Por ejemplo, mediante el análisis de datos históricos y en tiempo real, se pueden predecir patrones de radiación solar, ajustando la carga de las baterías antes de una posible caída en la producción solar debido a nubes o cambios en el clima.
Mantenimiento preventivo y gestión de fallos
La integración de sistemas de mantenimiento predictivo a través de plataformas SCADA es otra ventaja crucial. Los sensores de temperatura, tensión y corriente en los inversores, convertidores y sistemas de almacenamiento permiten detectar posibles fallos antes de que ocurran. SCADA, a través de algoritmos de monitoreo de condiciones, alerta a los operadores sobre desviaciones en los parámetros de funcionamiento, permitiendo que se lleven a cabo mantenimientos preventivos antes de que los equipos sufran daños.
En cuanto a los inversores y convertidores, las tecnologías de detección de fallos como los diagnósticos basados en firmas eléctricas (signature analysis) permiten detectar problemas en el proceso de conversión y distribución de energía, asegurando la mínima interrupción en la operación.
Interacción entre generación, almacenamiento y distribución: un ejemplo integrado
Consideremos el caso de una planta solar fotovoltaica con almacenamiento que gestiona la generación, almacenamiento y distribución de energía en tiempo real. SCADA se conecta a todos los dispositivos clave: los inversores, los convertidores de frecuencia, las baterías y los sistemas de distribución de energía. Gracias a este control centralizado, el sistema no solo supervisa el rendimiento de cada componente, sino que también ajusta dinámicamente las operaciones según la producción solar, la demanda de la red y las condiciones meteorológicas.
Cuando los paneles solares generan más energía de la que la red necesita, SCADA gestiona el almacenamiento de energía de manera eficiente, activando los convertidores DC-DC para cargar las baterías y controlar el flujo de energía almacenada. El BMS y SCADA trabajan conjuntamente para garantizar que las baterías estén correctamente equilibradas y no sufran sobrecargas.
Durante los periodos de baja producción solar o alta demanda de la red, SCADA coordina el flujo de energía desde las baterías hacia los inversores y convertidores de frecuencia, asegurando que la energía almacenada se libere de manera eficiente. Al mismo tiempo, el control de potencia activa y reactiva ayuda a mantener la estabilidad de la red, evitando fluctuaciones de tensión o frecuencia que puedan afectar su operación.
El papel del PPC en el control y optimización operativa
El PPC (Control de Procesos de Planta) es un aspecto esencial para lograr la optimización operativa en plantas solares fotovoltaicas. Mientras que SCADA se centra en la supervisión de alto nivel y el control de los sistemas de generación, almacenamiento y distribución, el PPC se ocupa de la optimización del control local y de los procesos de planta, ajustando el rendimiento de los inversores, las baterías y otros equipos según las condiciones operativas.
En una planta solar, el PPC puede gestionar aspectos como la modulación de la velocidad de los inversores para maximizar la eficiencia bajo diferentes condiciones de radiación solar. Este control avanzado puede coordinar algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para optimizar el rendimiento de cada módulo fotovoltaico de acuerdo con las condiciones ambientales cambiantes.
El PPC también optimiza la gestión de la carga de las baterías, ajustando las operaciones de los convertidores DC-DC para asegurar una carga eficiente y prolongar la vida útil de las baterías. Mientras SCADA realiza la supervisión general, el PPC asegura que cada componente individual de la planta opere de manera eficiente, maximizando la producción de energía y reduciendo el desgaste de los equipos.
Conclusión
La optimización de los sistemas de energía renovable, como las plantas solares fotovoltaicas, depende de la interacción entre diversos componentes tecnológicos avanzados. A través del control y la gestión eficientes de la electrónica de potencia, los convertidores, los sistemas de almacenamiento y las plataformas de supervisión y control, es posible maximizar la eficiencia operativa y garantizar la estabilidad de la red. Además, las técnicas de mantenimiento predictivo y los algoritmos de control predictivo contribuyen a la mejora continua de estos sistemas, reduciendo costos operativos y aumentando la fiabilidad del sistema en general.
En un contexto global de transición hacia un futuro energético más sostenible, la combinación de energía renovable, almacenamiento eficiente y tecnologías de control avanzado no solo optimiza la gestión de la energía, sino que también facilita la integración de fuentes renovables intermitentes en las redes eléctricas, promoviendo un suministro más estable, eficiente y flexible.visan y controlan a gran escala, sino que también permiten la optimización de los procesos operativos, maximizando la eficiencia de la planta y contribuyendo a un futuro energético más sostenible.
Fuentes:
Kasinathan, Padmanathan & Govindarajan, Uma & Ramachandaramurthy, Vigna K. & Selvi, T. & Jeevarathinam, Baskaran. (2018). Integrating Solar Photovoltaic Energy Conversion Systems into industrial and commercial electrical energy utilization—A Survey. Journal of Industrial Information Integration
Sayed, Khairy & A.Gabbar, Hossam. (2017). SCADA and smart energy grid control automation.
