Autor:
Kumar V. Mahtani Mahtani
Profesor Ayudante en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial, Universidad Politécnica de Madrid.
Profesor Visitante en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Paris-Saclay, Francia.
Los sistemas eléctricos de potencia están experimentando una transformación sin precedentes debido a la creciente incorporación de energías renovables y generación basada en convertidores electrónicos de potencia. Este cambio ha llevado a la aparición de nuevos desafíos en la estabilidad del sistema eléctrico, lo que ha obligado a los expertos a replantear las clasificaciones tradicionales de estabilidad.
Históricamente, la estabilidad en los sistemas eléctricos estaba dominada por la generación síncrona, es decir, grandes generadores conectados mecánicamente a la red. En este contexto, se identificaban tres fenómenos principales:
Estabilidad de tensión: Se refiere a la capacidad del sistema de mantener voltajes dentro de rangos aceptables después de una perturbación, evitando caídas o sobrecargas que puedan afectar la operación de los equipos.
Estabilidad de frecuencia: Garantiza que la frecuencia del sistema (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz según la región) permanezca estable después de cualquier perturbación. Esto es crucial porque una desviación excesiva puede causar apagones masivos.
Estabilidad angular o transitoria: Se relaciona con la sincronización entre los generadores síncronos. Cuando un generador pierde el sincronismo con la red, puede provocar oscilaciones e incluso fallos en cascada.
Estos tres conceptos fueron la base del análisis de estabilidad durante décadas, pero la creciente participación de generación basada en convertidores ha traído nuevos desafíos.
Los convertidores electrónicos de potencia, utilizados en energías renovables como la solar y la eólica, dependen de sistemas de control avanzados para inyectar energía a la red. A diferencia de los generadores síncronos, estos convertidores no poseen inercia natural, lo que introduce fenómenos de estabilidad completamente nuevos.
En 2020, los expertos en el sector eléctrico ampliaron la clasificación tradicional de estabilidad, añadiendo nuevas categorías:
Estabilidad impulsada por convertidores: Dado que los convertidores dependen de algoritmos de control con tiempos de respuesta muy rápidos, pueden generar oscilaciones imprevistas cuando interactúan con la dinámica del sistema eléctrico. Estas oscilaciones pueden abarcar un amplio rango de frecuencias y, en algunos casos, provocar inestabilidad.
Estabilidad de resonancia: Se produce cuando el sistema entra en un estado de oscilación periódica debido a interacciones entre convertidores y otros elementos eléctricos. Estas resonancias pueden ser electromecánicas o puramente eléctricas y pueden comprometer la operación segura del sistema.
Las inestabilidades provocadas por convertidores pueden manifestarse en distintos rangos de tiempo y frecuencia:
Inestabilidad rápida impulsada por convertidores (Fast Converter-Driven Stability): Se produce cuando las interacciones entre los controles de los convertidores y los componentes del sistema generan oscilaciones en el rango de cientos de Hz hasta varios kHz.
Inestabilidad lenta impulsada por convertidores (Slow Converter-Driven Stability): Puede ocurrir cuando los convertidores operan en redes débiles o cuando los controladores no están bien ajustados. Estas inestabilidades se manifiestan en frecuencias menores a 10 Hz.
Debido a que estos nuevos fenómenos ocurren en tiempos mucho más cortos (del orden de milisegundos), su análisis requiere herramientas más avanzadas que las tradicionales. Se necesitan simulaciones más detalladas, como las basadas en transitorios electromagnéticos (EMT), así como mediciones de alta resolución. Además, es fundamental desarrollar modelos eléctricos más precisos y metodologías de análisis innovadoras que permitan a la industria comprender y mitigar estos nuevos desafíos.
El sistema eléctrico del futuro dependerá cada vez más de fuentes de energía basadas en convertidores electrónicos de potencia. Esto implica un cambio de paradigma en la estabilidad del sistema, con nuevos tipos de inestabilidad que deben ser comprendidos y abordados para garantizar un suministro eléctrico seguro y confiable.
A medida que esta transformación avanza, la investigación y el desarrollo de herramientas de análisis más sofisticadas serán clave para garantizar que la estabilidad de los sistemas eléctricos siga siendo una prioridad en la transición energética global.
