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Los inversores desempeñan un papel fundamental en las aplicaciones de generación distribuida conectadas a la red, ya que permiten que la energía generada se inyecte de forma eficiente en la red eléctrica. Sin embargo, para garantizar su funcionamiento estable y su rendimiento óptimo, es necesario gestionar diversos factores que afectan su operación, como las fluctuaciones en la tensión de la red y los cambios en los parámetros internos del propio inversor. Estos factores incluyen perturbaciones en la red y variaciones en las condiciones de operación, como la temperatura o el envejecimiento de los componentes del inversor, los cuales pueden afectar significativamente la calidad y estabilidad de la energía suministrada.
Una de las estrategias más eficaces para mitigar estos problemas es la técnica de desacoplamiento con avance (feed-forward). Esta estrategia se basa en el uso de señales predictivas denominadas "señales feed-forward" que proporcionan información anticipada sobre los cambios esperados en la tensión de la red y los parámetros internos del inversor. Gracias a esta información, el inversor puede ajustar de manera precisa sus corrientes de referencia en el marco sincrónico d-q, asegurando que la salida del inversor se alinee de manera óptima con los requisitos de la red, incluso ante perturbaciones o variaciones en los parámetros. Este enfoque permite que el inversor responda de manera proactiva a los cambios, mejorando tanto su estabilidad como su rendimiento en aplicaciones conectadas a la red.
El diseño adecuado de los filtros y el control preciso de los parámetros del inversor son aspectos igualmente esenciales. Un componente clave en este sentido es el filtro LCL, que consiste en una combinación de inductores y un condensador para minimizar las fluctuaciones y mejorar la calidad de la salida. Los inductores L1 y L2 se conectan entre el inversor y la red, mientras que el condensador se coloca en una configuración en estrella entre ambos inductores. Este tipo de filtro es fundamental para garantizar que la energía entregada a la red no contenga perturbaciones significativas que puedan afectar la operación de otros dispositivos conectados.
Otro aspecto crucial es el control del sistema, que regula la frecuencia y la tensión del inversor para garantizar la sincronización con la red eléctrica. Los algoritmos de control que se utilizan en este contexto, como la teoría del marco de referencia sincrónica, permiten que el inversor se ajuste a las condiciones de la red en tiempo real. Esto se logra al modelar las corrientes de salida del inversor en los ejes d y q, lo que facilita una gestión más precisa de la potencia activa y reactiva.
El uso de modulación por ancho de pulso sinusoidal (PWM) también juega un papel importante. El índice de modulación permite ajustar la relación entre la señal de referencia y la señal portadora, lo que a su vez determina la magnitud de la tensión de salida del inversor. Este enfoque garantiza que la salida del inversor esté lo más cerca posible de una forma de onda sinusoidal pura, minimizando las distorsiones y mejorando la eficiencia del sistema.
Además, la simulación en tiempo real, utilizando plataformas como MATLAB, permite analizar y optimizar estos sistemas antes de su implementación física. Las pruebas y simulaciones realizadas en condiciones controladas permiten ajustar los parámetros de diseño y control, garantizando que el inversor funcione de manera estable y eficiente cuando se conecte finalmente a la red.
Es importante tener en cuenta que, además de la precisión en el control y la correcta implementación de las técnicas de desacoplamiento y modulación, la elección de componentes adecuados y el mantenimiento regular de los sistemas son factores que también juegan un papel crucial en la longevidad y fiabilidad de los inversores conectados a la red. La protección frente a sobrecargas, las variaciones extremas de temperatura y los posibles fallos de los componentes deben ser parte integral del diseño y operación del sistema.
¿Cómo pueden los sistemas de almacenamiento de energía mejorar la estabilidad de las redes eléctricas y la integración de energías renovables?
Los proveedores de electricidad enfrentan un desafío importante: deben contar con una capacidad instalada suficiente para cubrir la demanda máxima de carga, operando siempre a una capacidad adecuada para satisfacer la demanda en tiempo real. Para cumplir con estas necesidades, se obliga a los proveedores a operar sus generadores al 20% por encima de la demanda previsible, aunque solo se utiliza, en promedio, el 55% de la capacidad total instalada a lo largo de un año. Estas ineficiencias surgen principalmente debido a la naturaleza perecedera de la energía en la red eléctrica. Al no contar con dispositivos de almacenamiento en el sistema de la red, la energía debe entregarse y ser utilizada por los consumidores de inmediato. El almacenamiento de energía en la red permitiría que muchas plantas generadoras operen cerca de su capacidad máxima, reduciendo las pérdidas de energía durante la transmisión.
El almacenamiento de energía juega un papel esencial en diversificar las fuentes de energía y en facilitar la incorporación de más fuentes de energía renovable en el mercado. Al utilizar dispositivos de almacenamiento de energía, las fuentes de generación no necesitan incrementarse o disminuirse drásticamente, sino que pueden operar con una eficiencia óptima, mientras que los dispositivos de almacenamiento compensan las variaciones en la demanda de carga. Las aplicaciones que se beneficiarían del almacenamiento de energía en la red eléctrica tienen una gama amplia de requisitos. En áreas aisladas, por ejemplo, se requiere almacenamiento estacional de energía con capacidad de megavatio-hora durante varios meses. Por otro lado, la estabilización de las redes de transmisión y distribución necesita almacenar energía solo durante unos minutos antes de liberarla, operando con capacidades a escala de vatio-hora.
Existen hoy en día diversos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía capaces de trabajar en estos diferentes rangos de tiempo y energía. Con el aumento de la preocupación por la fiabilidad y seguridad energética, el costo de la energía y el impacto ambiental de los combustibles fósiles, las fuentes de energía renovable (RES) han experimentado una gran expansión en los últimos años. Las fuentes de energía renovables están más disponibles a nivel mundial, pero los cortes de electricidad no son comunes debido a las deficiencias en la infraestructura. El mayor crecimiento en el sistema de energía renovable se ha dado en la energía fotovoltaica solar y la energía eólica. A medida que aumenta la penetración de estas fuentes en la red, es necesario que participen en las funciones de soporte de la red. Sin embargo, la naturaleza esporádica de la energía eólica y solar impide que actúen como fuentes independientes y confiables de energía. Esta naturaleza intermitente requiere el apoyo de sistemas de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés). Los ESS juegan un papel crucial en el suministro continuo y de alta calidad de energía a las redes que tienen integradas fuentes de energía solar y eólica.
Los sistemas de almacenamiento de energía existentes utilizan diversas tecnologías, que incluyen hidroeléctricas, baterías, supercondensadores, volantes de inercia, entre otros. Los ESS se han implementado en una amplia gama de sistemas eléctricos, desde la electrónica de consumo hasta la industria automotriz, y en la transmisión y generación a nivel de servicios públicos. El apoyo que requieren los sistemas de energía renovable varía en función de los plazos, que van desde el corto plazo (menos de 5 segundos) hasta el largo plazo (varias horas). El soporte a corto plazo es necesario durante periodos de nubosidad en los paneles solares, ráfagas de viento o limitaciones en las tasas de variación de la potencia. Para estas aplicaciones, el almacenamiento de energía adecuado debe tener una gran capacidad de potencia. El soporte a largo plazo puede incluir funciones de desfasaje de energía y reserva giratoria.
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) pueden estabilizar el sistema eléctrico suministrando soporte de voltaje y frecuencia, suavizando la carga, compartiendo potencia en picos, ofreciendo reserva giratoria y proporcionando otros servicios auxiliares. Un tipo de ESS ampliamente utilizado es el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Los BESS son utilizados por tres grupos principales: utilidades productoras de energía, utilidades distribuidoras y grandes consumidores de energía. Las principales ventajas de los BESS incluyen: suavizado de carga, mejora de la estabilidad de la red, equilibrio de frecuencia, reserva giratoria, disminución de la irregularidad de las fuentes, emisiones cero y la posibilidad de diferir la inversión en nueva generación o equipos de transmisión.
Con el avance tecnológico y el desarrollo significativo en las químicas de las baterías, han surgido diversas opciones para aplicaciones de almacenamiento. El BESS ofrece flexibilidad en capacidad, ubicación y una respuesta rápida necesaria para satisfacer las demandas de diversas aplicaciones, en un rango más amplio que otros tipos de dispositivos de almacenamiento. El rendimiento de una batería se representa mediante su estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés), que indica la cantidad de carga residual en términos de porcentaje de la capacidad total de la batería. El SOC aumenta cuando la batería se carga y disminuye durante la descarga. Un BESS puede suministrar energía en cualquier momento en que el SOC sea mayor que el valor mínimo permitido. El SOC de un BESS en la siguiente hora depende del SOC actual y de la potencia neta de carga en la hora anterior.
Los vehículos eléctricos de conexión enchufable (PEV) también tienen el potencial de servir como sistemas de almacenamiento de energía portátiles. A diferencia de los vehículos a base de combustibles fósiles, los PEV operan de manera silenciosa, eficiente y libre de emisiones. Además, la energía almacenada en sus baterías podría utilizarse efectivamente para ofrecer servicios de V2G (Vehicle to Grid), proporcionando soporte a la red. El modelo de PEV es complejo, ya que involucra una serie de componentes interconectados. El modo de conexión del PEV indica si está conectado en modo de carga o descarga. El SOC de la batería del PEV determina el tiempo restante de operación antes de necesitar recarga o reemplazo.
Otro dispositivo relevante para el almacenamiento de energía son los supercondensadores o ultracondensadores. Estos dispositivos, que poseen una capacidad de entre 800 y 1500 Faradios, actúan de manera similar a las baterías de alta potencia y baja capacidad, pero almacenan energía de manera física, separando cargas opuestas, en lugar de químicamente. La principal ventaja de los ultracondensadores es su ciclo de vida excepcionalmente largo, lo que les permite realizar ciclos rápidos sin una reducción significativa en su duración.
El almacenamiento de energía es una pieza clave para mejorar la eficiencia de las redes eléctricas y la integración de fuentes de energía renovable, especialmente en un contexto global donde la transición hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles es cada vez más urgente.