Los generadores síncronos virtuales, también conocidos como sincroconvertidores o máquinas síncronas virtuales, son inversores que imitan el comportamiento de los generadores síncronos tradicionales. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar inercia sintética como servicio auxiliar en los sistemas eléctricos de potencia. La inercia es una propiedad fundamental de los generadores síncronos estándar, que se deriva de la masa rotatoria del sistema, la cual gira a una frecuencia proporcional a la electricidad generada. La inercia juega un papel crucial en la estabilidad de las redes eléctricas, ya que la energía cinética de la masa giratoria actúa como un amortiguador frente a los cambios de frecuencia en la red. En contraste, los inversores tradicionales carecen de esta propiedad, ya que la forma de onda que generan se crea de manera artificial mediante la electrónica de potencia.
En un sistema eléctrico, la frecuencia de la red debe mantenerse dentro de un rango estrecho en torno a un valor nominal, generalmente 50 o 60 Hz, dependiendo de la región. Cuando existe un desequilibrio entre la oferta y la demanda de electricidad, la frecuencia de la red se desvía de su valor nominal. Los generadores síncronos, debido a su masa giratoria, tienen la capacidad de proporcionar o absorber energía cinética para contrarrestar estos desequilibrios, lo que ayuda a estabilizar la frecuencia. La inercia de un generador síncrono amortigua los efectos de las oscilaciones de potencia activa, lo que mejora la estabilidad de la frecuencia de la red. Sin embargo, los generadores basados en inversores como interfaz con la red, como los que se encuentran en las energías renovables, carecen de esta inercia física, lo que plantea un desafío para la fiabilidad del sistema eléctrico a medida que aumentan las energías renovables basadas en inversores.
El crecimiento de las energías renovables, especialmente la fotovoltaica (PV) y la eólica, ha incrementado la presencia de inversores en las redes eléctricas. Estos inversores, al no tener inercia, responden rápidamente a los cambios de la red durante los periodos de transitorios, los cuales son comúnmente causados por fallos o cambios abruptos de carga. En estos momentos, la falta de inercia puede empeorar las condiciones de la red, ya que los inversores ajustan su salida de manera casi inmediata, sin la capacidad de amortiguar los cambios como lo hace un generador síncrono. Este fenómeno ha generado preocupaciones sobre la estabilidad del sistema eléctrico, particularmente en regiones donde la penetración de energía renovable es elevada.
Para abordar este desafío, los generadores síncronos virtuales surgen como una solución innovadora. Estos inversores están diseñados para simular la inercia de los generadores síncronos tradicionales al responder a los desequilibrios de frecuencia de la red. A través de un control adecuado, los inversores pueden generar inercia sintética al modificar su par eléctrico, que está relacionado con la tasa de cambio de la frecuencia de la red (RoCoF, por sus siglas en inglés). Esto permite que los inversores participen en el proceso de estabilización de la frecuencia, similar a lo que haría un generador síncrono real.
Sin embargo, para que un generador basado en inversor proporcione una inercia sintética efectiva, debe operar por debajo de su capacidad máxima, reservando una parte de su salida para poder reaccionar a los cambios de frecuencia. Este requisito limita la capacidad total de generación de energía de los inversores, ya que una fracción de su capacidad se dedica exclusivamente a la respuesta de inercia. Además, la variabilidad inherente de las fuentes de energía renovable puede dificultar aún más la capacidad de los inversores para proporcionar una inercia sintética confiable, ya que la producción de energía no es constante.
Un aspecto técnico importante de los generadores síncronos virtuales es su control. Cuando el inversor se controla como una fuente de tensión, requiere un sistema de sincronización que le permita sincronizarse con la red y regular tanto la potencia activa como la reactiva intercambiada con la misma. En este caso, el sistema de sincronización debe proporcionar tanto la frecuencia como la amplitud de la red. Por otro lado, cuando el inversor se controla como una fuente de corriente, la sincronización solo requiere ajustar la fase de la red, lo que facilita el control. Este tipo de control permite integrar la función de sincronización dentro del controlador de potencia, sin necesidad de un sistema de sincronización externo, lo que mejora la eficiencia y la respuesta del sistema.
En conclusión, los generadores síncronos virtuales representan una alternativa prometedora para mitigar los problemas derivados de la falta de inercia en los sistemas eléctricos modernos, especialmente a medida que aumentan las fuentes de energía renovable basadas en inversores. Aunque los inversores tradicionales no tienen inercia física, los sincroconvertidores pueden proporcionar una solución efectiva al emular el comportamiento de los generadores síncronos, mejorando así la estabilidad y fiabilidad de las redes eléctricas. Sin embargo, los desafíos técnicos relacionados con la capacidad de respuesta y la variabilidad de las fuentes de energía deben ser considerados para garantizar que los generadores síncronos virtuales puedan desempeñar un papel crucial en el futuro de la energía renovable.
