Top Models: Grid-Forming, ¿el nuevo paradigma en tecnología renovable?

Una de las crecientes demandas hacia los fabricantes del sector de la generación renovable eólica o fotovoltaica son los sistemas basados en convertidores electrónicos de potencia operando en modo “Grid-Forming” (GFor), incluso en detrimento de la tecnología actual denominada “Grid-Following” (GFoll). Estos últimos se sincronizan con la red, “siguiéndola”, para así poder generar sobre ella la energía producida. Desde un punto de vista eléctrico esto supone funcionar como una fuente de corriente sobre una red de tensión ya establecida. Sin embargo, los sistemas de generación Gfor se comportan como fuentes de tensión “creando” la red y por lo tanto operando de una forma mucho más rígida, y potencialmente similar a como lo hace la generación convencional basada en grandes generadores eléctricos síncronos. Hasta la fecha, los sistemas GFoll han sido una solución robusta, y mejorada en la última década muy notablemente, utilizada por casi todos los fabricantes de electrónica de potencia destinada a generación fotovoltaica o eólica.

En los últimos años y también de modo creciente, los operadores eléctricos de aquellos países con importantes niveles de penetración renovable están detectando una reducción de la fortaleza de la red y de su respuesta inercial. Aspectos que predicen se reducirán aun más de no aplicarse algunas medidas compensatorias. Evidentemente, la gravedad potencial de estos efectos depende de varias características de la red tales como el nivel de generación síncrona convencional, si es red de transporte o de distribución, grado de distribución territorial de la generación y el consumo en las redes, etc. En general, Europa posee una red fuerte y muy interconectada, donde todavía hay mucha generación convencional síncrona, por lo que estos efectos de pérdida de fortaleza o inercia todavía no parecen relevantes pese a la gran generación renovable existente. Sin embargo, en países como EEUU o Australia, con redes muy extensas y menos malladas, se empieza a considerar una problemática que debe atenderse con claridad en los años próximos. A este respecto, para conocer más detalles basta con visitar los sitios web de NERC (EEUU) o de AEMO (Australia) donde hay numerosas publicaciones al respecto.

Mucha generación renovable, por las características dispersas de su fuente primaria, se conecta en redes de distribución, acercando muchas veces la generación eléctrica a consumidores lejanos. Esta realidad ha sido históricamente posible gracias a las características de las tecnologías GFoll, las cuales han mejorado mucho desde su inicio en los años 90 del siglo pasado. Esta distribución de la generación renovable en muchas ocasiones reduce pérdidas de transporte, y mejora la estabilidad de la red debido a los controles de tensión distribuidos. Se suma a lo anterior que, en caso de faltas de cortocircuito cercanas, estos generadores contribuyen localmente inyectando corriente reactiva que ayudaría a una más rápida detección y despeje de faltas. Sin embargo, esta corriente inyectada es limitada y en muchas ocasiones similar a la corriente nominal del parque de generación lo que a veces supone una ayuda menor. Esta limitación de capacidad es principalmente debido a que el hardware de los sistemas electrónicos de potencia normalmente no ofrece claras posibilidades de sobrecarga (salvo sobredimensionando), como sí sucede con los generadores síncronos convencionales.

¿Puede mejorar esto con la llegada de generación “Grid-Forming”?

No especialmente, ya que el hardware utilizado por sistemas Gfoll y Gfor puede llegar a ser el mismo, ofreciendo por tanto similares niveles de corriente de cortocircuito. De hecho, si se introducen nuevas técnicas para aumentar las prestaciones de sobrecarga, muy probablemente quedarán disponibles tanto en soluciones de tipo GFoll como GFor.

Por otra parte, la deseable mejora de la respuesta inercial depende de los sistemas de control, ya que es emulada mediante algoritmos específicos, pero no proporcionada por elementos físicos. Los sistemas GFor introducen de forma más natural esta emulación de inercia en sus algoritmos de control, ofreciendo mejores prestaciones que los algoritmos emulados utilizando GFoll. Sin embargo, las diferencias no son excesivamente grandes ya que parten de sistemas de control tecnológicamente similares y con parecidas limitaciones.

Por otra parte, y no menos importante, aunque muchos generadores renovables pueden ofrecer soluciones GFoll o GFor, la eficacia y la relevancia de sus actuaciones dependerán de sus generadores primarios. Esto es, del nivel de potencia disponible en el campo fotovoltaico, o de las condiciones de viento en eólica. En caso de eventos de red, si la potencia disponible en la fuente primaria es baja también será habitualmente la contribución en términos de corriente extra de cortocircuito o contribución de inercia.

Por lo tanto, ¿dónde y cómo puede beneficiar el GFor de una forma decididamente clara?

En los sistemas de gestión de almacenamiento energético eléctrico, un complemento necesario a la generación renovable actual y cuya presencia en las redes aumentará paulatinamente en muchos países. Es decir, el nuevo paradigma renovable requiere de sistemas de almacenamiento, preferentemente distribuidos, para ofrecer una solución final, completa y equilibrada de generación eléctrica. Estos sistemas de almacenamiento pueden generar o absorber potencia dependiendo de muy distintos criterios con el fin de equilibrar los flujos de potencia en las redes. Muchos de estos sistemas de almacenamiento, especialmente los basados en almacenamiento electroquímico, utilizan electrónica de potencia para la conversión energética. En estos sistemas se puede utilizar hardware con las características adecuadas a un óptimo servicio de inercia sintética e inyección de corriente en caso de cortocircuitos. La figura muestra el principal abanico de mejoras esperables con la tecnología GFor en los principales aspectos funcionales y de seguridad de la red eléctrica.

Evidentemente, estas mejoras utilizando el enfoque GFor permitirá incluso proyectos de generación en lugares de red muy débil (donde en ocasiones los GFoll incluso no pueden funcionar). Además, una funcionalidad natural del GFor es la de creación de la red eléctrica en casos de apagones prolongados, blackout, para restablecimiento de la misma, donde es necesaria energía almacenada y disponible en todo momento.

En resumen, la tecnología GFor ofrece nuevas y beneficiosas posibilidades principalmente para los sistemas de almacenamiento eléctrico. Sin embargo, no se considera muy relevante para sistemas de generación, donde la tecnología actual GFoll puede continuar por largo tiempo, especialmente si se complementa con los citados sistemas de almacenamiento.

Óscar Alonso es Dr. en Electrónica de Potencia y socio fundador de la consultora SiG Coop

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