Por Felipe Ruiz Allende, profesor y miembro del Núcleo de Ingeniería de la Dirección de Postgrado de la Universidad Tecnológica de Chile INACAP. Master en Ingeniería en Electrónica por la Universidad Politécnica de Cataluña, con participación en el grupo de investigación EPICEnergy Processing and Integrated Circuits, desarrollando investigación aplicada en eficiencia energética y microrredes con generación fotovoltaica.
El concepto de generación distribuida no es nuevo; de hecho, está en el origen de la energía eléctrica. Los primeros sistemas en países como EE.UU. consistían en pequeñas plantas de generación próximas a los consumidores pero aisladas entre sí, y carentes de toda conexión con otras empresas eléctricas. Sin embargo, a fines de los años 20 las redes eléctricas de Estados Unidos se unieron, logrando así los beneficios evidentes de la interconexión, como el intercambio de la cobertura para momentos de carga máxima, la potencia auxiliar y el fomento de la competencia en el mercado eléctrico, entre otros.
En la última década, la innovación tecnológica y un cambio en el entorno económico y regulatorio han dado como resultado un interés renovado por la generación distribuida. Sin embargo, la evolución hacia un sistema descentralizado requiere una serie de cambios técnicos que no alteren la calidad de potencia; el desarrollo de nuevas tecnologías de comunicación y control; y la incorporación de fuentes de energía renovables, entre otros. También se requieren cambios económicos y regulatorios, como la liberalización del mercado eléctrico; y sociales, como la aceptación y la demanda de los usuarios por estas nuevas tecnologías.
La generación distribuida es considerada en términos amplios como una generación de electricidad en pequeña escala, pero no existe una definición detallada. En países donde tiene una penetración importante, existen normas o reglamentos técnicos que están basados en definiciones abiertas, cualitativas y contextuales de la generación distribuida.
Para el “IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems” (IEEE Std 1547-2003), la generación distribuida es concebida como la generación de electricidad mediante instalaciones pequeñas, en relación con las grandes centrales de generación, conectadas al sistema eléctrico a través del punto de conexión común (PCC, sigla en inglés de Point of Common Coupling). En esta definición, los autores incluyen los medios de almacenamiento.
La microrred fotovoltaica y sus problemas
Una mejor manera de aprovechar todo el potencial emergente de la generación distribuida es tomar un enfoque de sistema que considera la asociación de generación y cargas como un subsistema o microrred. Este enfoque nos permite un control y operación local de la generación distribuida, reduciendo o eliminando la necesidad de un control central. Además, nos proporciona un alto nivel de servicio, ya que es posible la desconexión de la microrred y sus correspondientes cargas del sistema eléctrico, especialmente durante perturbaciones, fallas o eventos de calidad de potencia.
La generación distribuida abarca una amplia gama de tecnologías, como: motores de combustión interna, sistemas de microcogeneración, turbinas de gas, microturbinas, fotovoltaica, pilas de combustible y energía eólica. Estas tecnologías emergentes tienen menores emisiones de CO2 y pueden llegar a ser más económicas que las tradicionales, por lo que jugarán un papel importante en el futuro del suministro de electricidad. La mayoría de las tecnologías emergentes requieren de la electrónica de potencia para proveer el control y la flexibilidad necesarios para funcionar en microrredes. Las características anteriores pueden ser logradas utilizando una arquitectura de sistema con tres componentes críticos: control local de las fuentes de generación, optimización del sistema (necesidades de la red eléctrica) y protección (respuesta a fallas y protección de las cargas).
Microrred simulada.
En el caso particular de la generación distribuida con energía fotovoltaica, la proliferación de estos sistemas conectados a red, ha acarreado la aparición de nuevos problemas relacionados con la calidad de potencia eléctrica. Por ejemplo en Alemania, donde gran parte de la capacidad fotovoltaica instalada está conectada a la red de distribución de baja tensión, esta alta penetración ha acarreado incremento de tensión y flujo de potencia inversa desde la baja tensión hacia la media tensión. En el caso de Australia, se observa que 60 al 70% de los problemas de calidad de energía de la red se relaciona con el incremento de tensión causada por los sistemas FV y la desconexión de los inversores debido a un exceso de tensión. Otro problema relacionado con sistemas fotovoltaicos en zonas rurales es el desequilibrio de tensión. En los últimos años, esto ha implicado la convocatoria de grupos de trabajo para el desarrollo de los Inversores Inteligentes (Smart Inverter), para la interconexión de fuentes de energía distribuida a la red eléctrica.
En estos ambientes se han detectado niveles altos de distorsión armónica en el voltaje y corriente de la microrred, los que pueden afectar el funcionamiento de algunos equipos así como el de los mismos inversores. Más concretamente, los armónicos pueden excitar resonancias de la tensión de red, debido a la interacción de las impedancias como: las cargas residenciales, de los cables de distribución, el transformador de media tensión, los filtros de salida de los inversores, entre otras.
El problema es complejo y se plantean por tanto nuevos retos de diseño en el control de estos inversores para intentar atenuar estos fenómenos de calidad de potencia. La evaluación de los nuevos diseños pasa, entre otros factores, por caracterizar temporal y eléctricamente una determinada microrred, que posibilite analizar sus prestaciones.
