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.
La transición hacia un sistema eléctrico basado en energías renovables ha traído consigo un cambio en la forma en que la energía es generada e integrada en la red. Tradicionalmente, la generación eléctrica estaba dominada por grandes generadores síncronos conectados mecánicamente a la red, los cuales proporcionaban estabilidad a través de su inercia natural. Sin embargo, con la creciente incorporación de parques eólicos y plantas solares, la generación se basa cada vez más en convertidores electrónicos de potencia, dispositivos que transforman la energía de fuentes renovables en corriente alterna sincronizada con la red.
Dentro de estos convertidores, los más utilizados en la actualidad son los inversores grid-following. Aunque estos dispositivos han permitido la masificación de la energía renovable, presentan desafíos importantes cuando operan en redes eléctricas débiles.
¿Cómo funcionan los inversores grid-following?
Los inversores grid-following funcionan bajo la premisa de que la red eléctrica ya tiene una señal de tensión estable a la cual pueden acoplarse. Para lograr esto, utilizan un mecanismo de sincronización conocido como Phase-Locked Loop (PLL). El PLL es un sistema de control que permite al inversor detectar la frecuencia y el ángulo de fase de la tensión de la red y ajustarse a ella. De esta manera, el inversor puede inyectar corriente con la misma frecuencia y en sincronía con la red existente.
Este enfoque funciona correctamente en redes fuertes, donde la tensión de la red se mantiene estable sin grandes fluctuaciones. Sin embargo, en redes débiles, donde la tensión varía de manera significativa debido a cambios en la carga o generación, el rendimiento del PLL y, por lo tanto, del inversor grid-following, puede deteriorarse.
¿Por qué los inversores grid-following presentan problemas en redes débiles?
Las redes débiles se caracterizan por tener una baja relación de cortocircuito (SCR), lo que significa que pequeñas variaciones en la potencia activa y reactiva pueden provocar cambios significativos en la tensión. Esto afecta el comportamiento de los inversores grid-following en varios aspectos:
a) Dependencia del PLL y dificultad para mantener la sincronización
En una red fuerte, el PLL puede seguir la señal de tensión sin problemas, permitiendo al inversor operar de manera estable. Sin embargo, en una red débil, las fluctuaciones en la tensión pueden hacer que el PLL tenga dificultades para detectar correctamente la frecuencia y el ángulo de fase. Esto puede llevar a situaciones como:
Errores en la detección de fase: El PLL puede estimar incorrectamente el ángulo de fase de la red, lo que genera desajustes en la inyección de corriente del inversor.
Oscilaciones de banda lateral: Debido a la interacción entre el PLL y la variabilidad de la red, pueden aparecer oscilaciones no deseadas en la salida del inversor, afectando la estabilidad del sistema.
Pérdida de sincronización: En casos extremos, el inversor puede perder completamente la sincronización con la red y desconectarse, lo que genera problemas de estabilidad en el sistema.
b) Impacto en el control de potencia reactiva
Otro problema crítico en redes débiles es el impacto en el control de potencia reactiva. Los inversores grid-following suelen operar regulando la potencia reactiva para mantener niveles de tensión adecuados en el sistema. Sin embargo, en redes con bajo SCR, los cambios en la inyección de potencia reactiva pueden generar fluctuaciones de tensión que desestabilizan aún más el sistema.
Cuando un inversor grid-following opera en una red débil un pequeño cambio en la potencia reactiva puede provocar una gran variación en la tensión. Además, el inversor puede volverse incapaz de controlar la tensión de manera efectiva. A todo ello, se suma que las oscilaciones de tensión pueden amplificarse, afectando la operación del inversor y la estabilidad general de la red.
c) Limitación en la capacidad de exportar potencia máxima
En redes fuertes, los inversores grid-following pueden operar a plena capacidad sin problemas. Sin embargo, en redes débiles, la interacción con el sistema puede hacer que el inversor no pueda exportar toda su potencia de manera estable. Esto se debe a que las oscilaciones de tensión pueden generar cortes en la generación, y a que la inestabilidad del PLL puede hacer que el inversor reduzca su potencia para evitar desconectarse. En algunos casos, el inversor simplemente deja de funcionar si la inestabilidad es demasiado grande.
¿Cómo se puede mitigar este problema?
Dado que los inversores GFL dependen de la estabilidad de la red, su uso en redes débiles representa un desafío importante. Para abordar estos problemas, se están explorando varias soluciones:
Uso de inversores grid-forming: Estos inversores, en lugar de seguir la tensión de la red, son capaces de generar una referencia de tensión propia, actuando de manera similar a los generadores síncronos. Esto les permite mejorar la estabilidad de la red en lugar de depender de ella.
Mejora en los algoritmos de PLL: Se están desarrollando algoritmos de sincronización más avanzados, capaces de operar de manera más robusta en redes débiles.
Optimización del control de potencia reactiva: Implementando estrategias más sofisticadas que minimicen el impacto de la inyección de potencia reactiva en la estabilidad de la tensión.
Diseño de redes más robustas: A nivel de planificación del sistema, se pueden reforzar las redes débiles mediante compensación reactiva, líneas de transmisión adicionales y almacenamiento de energía para estabilizar las variaciones de tensión.
En conclusión, los inversores grid-following han sido fundamentales en la integración de energías renovables en el sistema eléctrico, pero su dependencia de la estabilidad de la red los hace vulnerables en redes débiles. Su correcta operación requiere que la red tenga un SCR suficientemente alto, lo que en algunos casos limita la cantidad de generación renovable que puede conectarse sin comprometer la estabilidad del sistema.Para asegurar una transición energética exitosa, es crucial avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías, como los inversores grid-forming, y mejorar las estrategias de control para permitir que los convertidores electrónicos operen de manera estable incluso en redes eléctricas más débiles. En el futuro, el diseño de sistemas eléctricos deberá considerar estos desafíos para garantizar un suministro confiable y eficiente en un mundo cada vez más dependiente de las energías renovables.
