La integración de Energías Renovables con altos niveles de penetración en Sistemas Eléctricos de Potencia

Por Sergio Ceballos Mannozzi, Director de Nuevos Negocios de GPTech. www.greenpower.es

La creciente generación de energía en los sistemas de potencia, sobre todo en aquellos países con altos índices de crecimiento, obliga cada vez más a la inclusión de las Energías Renovables no Convencionales (ERNC) como fuentes primarias de generación.

En muchas ocasiones, las ERNC son adjudicatarias de las mayores críticas por parte de los defensores de la estabilidad y seguridad del sistema a costa de mantener fuentes de generación, si bien más controlables, también más caras y contaminantes. Sin embargo, no se hace mención a los beneficios del control avanzado aplicado a sistemas de generación renovable (como eólica y solar fotovoltaica), así como a los beneficios de la Electrónica de Potencia en el aporte a la flexibilidad de operación de la propia planta, y a las ventajas que el operador del sistema puede aprovechar de esa flexibilidad. Por ejemplo, la regulación dinámica de tensión en barras del sistema, y la posibilidad de regulación primaria de frecuencia, ya sea por reducción de potencia activa o por aporte de potencia extra, utilizando sistemas de almacenamiento por baterías (BESS) (ver Figura 1). Con respecto al comportamiento ante fallos de la red, tradicionalmente los generadores renovables tenían una mala reputación, ganada sobre todo como consecuencia de la utilización de técnicas de control menos avanzadas o por la utilización de tecnologías de generación antiguas para la generación eólica, como por ejemplo los generadores de inducción directamente conectados a la red.   Actualmente, existe tecnología que ayuda a mitigar este tipo de problemas, hasta tal punto que hacen que los generadores renovables no convencionales se comporten emulando la respuesta transitoria de un generador sincrónico movido por cualquier fuente de energía convencional. La electrónica de potencia actual, junto a las técnicas avanzadas de control para la conversión óptima y eficiente, utilizadas para la conexión de plantas solares o turbinas eólicas al sistema, permiten un control prácticamente total de la potencia activa y de la potencia reactiva o la tensión del punto de conexión. Las nuevas generaciones de inversores fotovoltaicos permiten inyectar potencia reactiva, útil para mantener la estabilidad del sistema, que está disponible para que los operadores de red la utilicen incluso cuando la planta no está generando. Lo mismo ocurre con los generadores eólicos de gran potencia conectados a red. Estas características ya son aprovechadas en sistemas en los que el grado de penetración de renovables es muy alto, con o sin interconexiones, y demuestran que es posible operar la red eléctrica de manera segura desde el punto de vista de la estabilidad de tensiones. La regulación de frecuencia El aporte a la regulación de frecuencia es otro de los aspectos a tener en cuenta a la hora de evaluar el comportamiento de los generadores de ERNC. Hace algunos años, los inversores no incluían esta capacidad. Sin embargo, las necesidades de algunos sistemas han obligado a revisar las normativas de conexión a red y, actualmente, existen convertidores de conexión a red que reaccionan ante las variaciones de frecuencia, reduciendo la generación en caso de sobre-frecuencia. Tanto los generadores eólicos como los fotovoltaicos pueden, además, realizar reducción de potencia (Power Curtailment) siguiendo una consigna del operador del sistema.   Figura 1. Esquema de control de un inversor fotovoltaico. La velocidad de respuesta de estos dispositivos ofrece la posibilidad de un control total de las potencias activa y reactiva inyectadas en la red en tiempo real. No obstante, la integración de fuentes intermitentes en un sistema poco estable podría, sobrepasando ciertos límites, tener una reserva de energía disponible en caso de necesitar respuesta a una caída de la producción de las renovables. Los generadores convencionales necesitan de un tiempo mínimo antes de dar la potencia requerida, luego este aporte transitorio lo realizan bancos de baterías que son capaces de aportar o absorber potencia de la red para estabilizar la diferencia entre la generación y la demanda de energía del sistema, y evitar así las posibles desconexiones por frecuencia fuera de límite. Habitualmente, una de las críticas a los sistemas de generación renovables es la reducción de la inercia del sistema, es decir, la menor capacidad de soportar caídas de generación, por desconexión de una máquina que esté aportando una cantidad significativa de potencia al sistema, fallos en líneas que dejen fuera de operación a parte de la generación, etc. Esto provoca una caída transitoria de la frecuencia en el sistema hasta que el control automático de generación de las centrales actúa para corregirla. Siempre es deseable que el sistema tenga ese aporte de energía propia que proviene simplemente de la energía cinética de los generadores conectados al sistema. En cuanto a la generación de energía eólica, la forma de controlar la potencia de inyección a red no contemplaba este aporte transitorio de potencia. Sin embargo, ya se ofrecen soluciones comerciales a este problema que hacen uso de la energía cinética de la rotación de la masa del rotor de las turbinas. Ese aporte, utilizado de manera correcta haciendo uso de técnicas de control, es suficiente para poder emular el funcionamiento de generadores sincrónicos convencionales. De esta manera, la retirada de generadores convencionales durante horas de generación eólica importante ya no tiene por qué ser un problema en cuanto a pérdida de inercia del sistema. Por lo tanto, no significa que la estabilidad dinámica se comprometa. Otro problema que normalmente se adjudica a los generadores renovables, dado su principio de funcionamiento como fuentes de corriente que no son capaces de imponer la frecuencia y el voltaje del sistema, es el funcionamiento en isla. El funcionamiento en isla es indeseable, sobre todo cuando la generación distribuida es conectada en redes de distribución donde la monitorización suele ser menor. El efecto de una apertura de interruptores o reconectadores en una línea de distribución en la que existen cargas y generadores, es definitivamente indeseable por cuestiones de seguridad de las personas y de los equipos que operan la red. Durante los primeros años de la integración masiva de renovables, existieron diversos problemas con las protecciones encargadas de detectar situaciones de isla en el sistema. No obstante, los avances a nivel técnico y de normativa a nivel internacional han hecho posible que las islas generadas puedan ser detectadas de manera muy rápida utilizando la propia electrónica de potencia y el control total de potencias activa y reactiva en los inversores de conexión a red. Algoritmos de realimentación positiva que producen perturbaciones controladas en el sistema hacen que el tiempo de detección y actuación sobre el generador se reduzca notablemente, lo que lleva a la operación a niveles totalmente aceptables de seguridad. En resumen, la utilización del control avanzado y la electrónica presente en la generación renovable permiten tener un sistema de potencia flexible, cada vez más inteligente, aprovechando al máximo la capacidad de transporte de sus líneas. La inclusión de comunicaciones en la operación puede aumentar significativamente el límite de penetración de las energías renovables, sin comprometer la seguridad, para hacerlo más sostenible y competitivo y, además, a corto plazo.