INNOVACIÓN EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Electrónica de Potencia e Integración de Energías Renovables No Convencionales

Por Matías Díaz, Ph.D.(c), M.Sc. & Ingeniero Civil Electricista. Sub-Director de la Escuela de Ingeniería Duoc UC, Area Energía y Automatización.

Esta disciplina se ha posicionado como una rama mayor de la ingeniería eléctrica tras décadas de evolución tecnológica en dispositivos semiconductores, conversores, técnicas de modulación, máquinas eléctricas y sistemas avanzados de control. Se espera ver un gran impacto de la Electrónica de Potencia en la industrialización global y sistemas de energía más eficientes, con particular énfasis en la integración de sistemas en base a energías renovables y el desarrollo de las Micro-Redes como una tecnología interdisciplinaria y compleja.

Las redes eléctricas se encargan de transportar y distribuir la electricidad producida en las centrales generadoras hasta los puntos de consumo final. Estas redes generalmente tienen una estructura radial y una relación unidireccional entre los grandes generadores de energía y los consumidores. En respuesta al desafío que significa el uso eficiente de la energía, las redes eléctricas del futuro (conocidas como Smart Grids o Micro-Redes) tratarán de acercar a productores y consumidores, sustituyendo largas líneas de transporte por multitud de pequeños centros de generación, incorporando generación en base a energías renovables y combinando diversas tecnologías, especialmente aquellas vinculadas a la comunicación y al control, para transformar el sistema eléctrico en un modelo distribuido, aumentando su confiabilidad y eficiencia. Micro-Redes El estándar IEEE 1547.4-2011 define una Micro-Red como un sistema eléctrico que posee recursos de Generación Distribuida (GD), múltiples cargas, opera en modo aislado o interconectado a otra red, puede operar con flujos de potencia bidireccionales y es intencionalmente planeado. Generalmente, las Micro-Redes trabajan con GD basados en Energías Renovables No Convencionales (ERNC), que a través de electrónica de potencia acondicionan su entrega de energía. Estos tipos de GD han experimentado un desarrollo importante en los últimos años, siendo las de energías eólica y solar, las industrias con mayor proyección y de más rápido crecimiento en el sector de las energías renovables. Se calcula que la explotación del 10% del total de la energía eólica disponible es suficiente para cubrir todas las necesidades eléctricas del mundo y la demanda energética de nuestro país podría ser cubierta por una planta solar de 20x20-km². Al año 2012, se cuenta con una potencia instalada a nivel mundial de 282 GW y 102 GW de energía eólica y solar fotovoltaica, respectivamente. Aproximadamente unos 1.500 millones de personas no disponen de electricidad, la mayoría habitantes de zonas rurales de difícil acceso o lejanas de las líneas de sistemas eléctricos. En Chile el porcentaje de electrificación rural es elevado (cercano al 95%), pero en muchas ocasiones consiste en generación eléctrica a base de generadores diesel. En este contexto, las Micro-Redes aisladas asoman como una excelente solución. La combinación de ERNC y generación diesel resulta ser una alternativa medioambientalmente sustentable y fiable para suministrar energía eléctrica a comunidades aisladas. Control Droop En Micro-Redes aisladas la estabilidad de frecuencia y tensión no están aseguradas por la robustez del sistema interconectado y aparecen desafíos importantes para los sistemas de control. La estrategia de control más utilizada en estos casos es conocida como “Control Droop”, que regula la frecuencia a través de la potencia activa, mientras que la tensión se controla con la potencia reactiva. Los GD`s utilizan su potencia activa para fijar la frecuencia de la Micro-Red. Por lo tanto, la frecuencia actúa como señal de comunicación entre los GD’s para que sus consignas de potencia activa sean adecuadas. La ecuación característica de este esquema de control se muestra a continuación: El índice Mp se denomina “Coeficiente Droop de frecuencia” y define las características para operar en Droop de los GD’s. En términos sencillos, el control Droop relaciona potencia-frecuencia a través de una recta de pendiente “Mp”. Es decir, ante una baja en la frecuencia el esquema de control Droop basado en curvas, aumenta la potencia; en el caso contrario, se disminuye la potencia para aumentar la frecuencia. Al igual que para la relación potencia activa – frecuencia, la estrategia de control Droop relaciona potencia reactiva - tensión a través de una recta de pendiente “Np”. Es decir, ante una baja en la tensión el esquema de control Droop aumenta la potencia reactiva; en el caso contrario, se disminuye/consume potencia reactiva para bajar la tensión (Ver Figura 1). Como ejemplo de funcionamiento se presentan resultados obtenidos al simular una Micro-Red aislada empleando Matlab/Simulink. La Micro-Red está compuesta por un generador diesel de velocidad variable de 30 kW y una turbina eólica de 10 kW, ambos operando en control Droop. El esquema de esta Micro-Red se muestra en la Figura 2. Fig. 1: Curva Droop Potencia Activa-Frecuencia. Al conectar un consumo de 25 kW al generador diesel, se esperaría que este tome la carga. Sin embargo, al operar en Control Droop se “comparte” la carga. Al momento de conexión del consumo la frecuencia baja, actuando como señal de comunicación para el generador diesel y la turbina eólica. Ambos registran esta disminución, se mueven en su curva Droop y aumentan su consigna de potencia activa para alimentar “solidariamente” a la carga. La Figura 3 permite comprobar el buen funcionamiento del Control Droop de potencia activa, pues la carga (rojo) es equivalente a la suma de la potencia suministrada por el generador diesel (azul) y la turbina eólica (verde). Una de las ventajas de operar Micro-Redes aisladas bajo Control Droop es que se puede disminuir la utilización del generador diesel, lo que se traduce en ahorro de combustible. La combinación de ERNC y generador permite dar fiabilidad a este tipo de sistemas, manejando la intermitencia intrínseca que presentan los recursos renovables a través del respaldo del equipo diesel, y prescindiendo de este cuando las condiciones permitan alimentar los consumos con ERNC. Fig. 2: Micro-Red simulada. Fig. 3: Potencia Activa Diesel, Aerogenerador y Consumo.