Top Model: Ventajas y desventajas de los sistemas SINCON para apoyar a las renovables y fortalecer la red. ¿Son realmente una solución?

La fortaleza de la red eléctrica depende principalmente del tipo de generación eléctrica. Los generadores históricamente utilizados en las plantas convencionales (térmicas e hidráulicas) utilizan la denominada máquina eléctrica síncrona, la cual por su naturaleza contribuye muy activamente a la fortaleza de la red, así como también ofrece altos niveles de potencia de cortocircuito y respuesta inercial ante cambios de frecuencia; aspectos también relevantes para un servicio eléctrico con los actuales estándares de calidad. Sin embargo, la generación actual de las plantas renovables fotovoltaicas y eólicas utiliza electrónica de potencia y unos sistemas de control denominados como Grid Following (seguidores de la red). Estos sistemas utilizan circuitos muy rápidos llamados PLL (Phase -lock loop) para realizar la sincronización con el ángulo actual de la red y de este modo poder “seguirla” e inyectar adecuadamente la potencia activa y reactiva. Esta tecnología ha sido un éxito total y ha ofrecido a la generación renovable la posibilidad de convertirse en una verdadera alternativa a mucha generación convencional. Sin embargo, no ofrece de forma sistemática las mismas características de fortalecimiento de la red que sí ofrece la máquina síncrona. Con la entrada masiva de generación renovable en las redes de todo el planeta, este hecho de la pérdida de fortaleza ha sido constatado por los distintos operadores de red motivando con ello la búsqueda de soluciones al respecto, en algunos casos con cierta premura ya.

La problemática debido a una reducción de la potencia de cortocircuito, señalada antes, puede ser aliviada en muchos lugares y de diversos modos. Por ejemplo, reconfigurando las protecciones para asegurar el despeje de la falta con valores de corriente menores a los históricamente disponibles; o bien extendiendo la inyección de la corriente de cortocircuito durante intervalos superiores a los normalmente exigidos por los estándares, asunto que para muchos fabricantes de inversores es un reto que pueden superar sin demasiadas dificultades con muchos de sus diseños actuales, pero sobre todo con los futuros.

De forma similar, la evidenciada reducción de respuesta inercial puede aumentarse significativamente introduciendo algoritmos de emulación de inercia a los controles de tipo Grid Following actuales. Sin embargo, la casuística local y general es muy variada lo que hace recomendable buscar otro tipo de soluciones complementarias, y con una mayor perspectiva tanto espacial como temporal.

Diversas fuentes institucionales a nivel internacional como REE, AEMO, NERC y NREL han trabajado estos años en la caracterización de la situación actual y futura de las redes, mostrando la reducción de la fortaleza de la red, de potencia de cortocircuito, etc., y con ello trata de adelantar posibles soluciones. Aunque para lugares puntuales puede haber soluciones específicas, de forma más general la problemática parece que puede reducirse notablemente e incluso resolverse definitivamente con la adecuada masa crítica de presencia de sistemas de tipo Grid Forming (informamos sobre Grid Forming aquí). Es decir, sistemas que restauren las características propias de los generadores síncronos que van saliendo parcialmente de la red debido a la transición energética a las renovables. En particular se plantean dos tipos de soluciones principales:

Generación / almacenamiento energético utilizando tecnología de conversión electrónica pero de tipo Grid Forming. Estas tecnologías, además, pueden ayudar también a solventar otro tipo de problemas o limitaciones como por ejemplo controlar las tensiones, servir de filtro activo, alivio de redes eléctricas sobrecargadas, etc.
Sistemas SINCON, grandes máquinas síncronas conectadas a una inercia flotante y que pueden aumentar significativamente en las redes circundantes: la fortaleza de la red, la corriente de cortocircuito, el control de tensión e incluso ofrecer respuesta inercial durante periodos cortos de tiempo. Estas máquinas no generan energía eléctrica, pero pueden responder a los problemas en la red en condiciones similares a los grandes generadores síncronos mediante contribuciones de potencia reactiva.

Esta segunda solución ha sido bien recibida en la industria ya que se basa en tecnología conocida. Su implantación resulta relativamente sencilla y disponer de estos grandes sistemas es factible en tiempos de desarrollo aceptables (meses). Aquellas redes de algunos países que adolecen de una situación prematura de pérdida de fortaleza ya han comenzado a instalar estos sistemas en nodos particulares, pero quizá especialmente en EE UU, UK y Australia. En España, el nivel de fortaleza de la red es todavía alto pese a la alta penetración renovable debido a la presencia hidráulica, nuclear y de gas. Sin embargo, en las últimas subastas de capacidad, se ha comenzado a valorar positivamente aquellas propuestas de nuevos parques de generación que incluyan sistemas SINCON.

Hace ya algunos años, NERC elaboró en EE UU un informe acerca de los posibles riesgos de interacción entre SINCONy los controles utilizados en la electrónica de potencia utilizada en parques solares o eólicos [^[1]]. Alertaba de que un SINCON puede tener un alto impacto en las PLL de los circuitos de sincronización de los sistemas Grid Following. En caso de eventos de red, cortocircuitos principalmente, la respuesta de un SINCON puede ser muy enérgica y tener un impacto notable en la tensión (amplitud y fase) de la red circundante. Cuando la red es relativamente débil, y hay conectados en la zona parques renovables, la fase de la tensión de red podría llegar a moverse demasiado y dificultar el trabajo de la PLL hasta el extremo de impedir una adecuada sincronización. Sin embargo, los fabricantes de sistemas SINCON son plenamente conscientes de estas preocupaciones y de los posibles riesgos comentados. Y por ello, recomiendan que cualquier proyecto de instalación de un nuevo SINCON en un punto concreto de la red, sea resuelto con su ayuda para determinar las mejores características del dispositivo y así reducir su impacto sobre los sistemas de generación cercanos. Además, la experiencia internacional en el uso de sistemas SINCON no está resultando especialmente problemática en la mayoría de lugares. Y una de las razones importantes también es el elevado grado de robustez de los actuales sistemas de sincronización con PLL con respecto a los utilizados hace unos años, siendo ahora capaces de soportar variaciones de tensión y fase muy grandes. Los futuros sistemas de control electrónico de tipo Grid Forming prescindirán de los circuitos PLL, lo que lógicamente aumentará más aún la robustez del control frente a eventos de red, elevando con ello la compatibilidad entre SINCON y sistemas de generación renovable. No obstante, una masiva presencia de generación electrónica de tipo Grid Forming reducirá notablemente la necesidad de sistemas SINCON en muchos lugares.

A pesar de las anteriores consideraciones, y de las mejoras tecnológicas comentadas, un inadecuado diseño de SINCONpuede acarrear costosas medidas de corrección. Por ello, es recomendable que cualquier propuesta de integración en red de un nuevo elemento de estas características se analice utilizando las herramientas de estudio adecuadas. Como se ha comentado, estos sistemas pueden alterar notablemente las variables eléctricas a los parques de generación circundantes y afectar al trabajo de los circuitos PLL. El estudio y análisis de estas interacciones puede realizarse de forma precisa utilizando plataformas de simulación de tipo EMT (Electromagnetic Transient), con programas como por ejemplo PSCAD o Power Factory. Utilizando modelos certificados de fabricantes de SINCON, y modelos también validados de los parques de generación circundantes es posible analizar el grado de influencia esperable del SINCON sobre el resto en caso de eventos de red, y así, determinar si hay riesgos razonables, si será necesario modificar el diseño, integrar nuevos componentes, etc. Con las herramientas actuales estos estudios resultan cada vez más accesibles ofreciendo una alta garantía en los resultados, y una gran tranquilidad en el desarrollo de estos proyectos. En este sentido, algunos países obligan ya a validar cualquier propuesta de generación o sistema complementario utilizando modelos validados en plataformas de análisis EMT. Australia es quizá uno de los pioneros y de los más exigentes a la hora de proceder con estos análisis; y quizá esté mostrando, de algún modo, el camino a seguir en un futuro también en países europeos.

^[1] Integrating Inverter-Based Resources into Low Short Circuit Strength Systems, NERC, December 2017

The views and opinions expressed in this article are the author’s own, and do not necessarily reflect those held by pv magazine.

Este contenido está protegido por derechos de autor y no se puede reutilizar. Si desea cooperar con nosotros y desea reutilizar parte de nuestro contenido, contacte: editors@pv-magazine.com.