Estrategias de control avanzado de planta para la integración de energía en la red eléctrica
Autores: Francisco Cortés, Víctor Andrés Díaz and José Ramón Gordillo | Posición: Departamento de sistemas de control electrónico en GPTech | Publicado en: Energetica International
Inconvenientes de la energía fotovoltaica
El rápido crecimiento de fuentes de energía renovable muestra su importancia para los gobiernos y las compañías eléctricas. La conciencia de la realidad medioambiental es una de las razones por las que se están apoyando los proyectos de energías renovables, pero existen otras razones desde el punto de vista de la gestión de la red eléctrica.
Incrementar el peso de las fuentes de energía renovable en un sistema eléctrico ayuda a reducir la dependencia de otras fuentes de energía que, en la mayoría de los casos, deben ser importadas de otros países. Así, el desarrollo de modelos de generación distribuida va a jugar un papel clave en la penetración de energías renovables en la red eléctrica, pero el aumento de su contribución en la red provoca que algunas de sus características deban ser examinadas de cerca.
Uno de los principales inconvenientes de las fuentes de energía renovable, como las plantas fotovoltaicas, es su imprevisible comportamiento. De hecho, la energía fotovoltaica depende, en gran medida, de las condiciones ambientales (nubosidad, temperatura, tormentas de arena, humo, etc.). Estos factores pueden reducir, en gran medida, la inyección de potencia en la red en un corto período de tiempo. Para una gestión de plantas fotovoltaicas más eficiente, el pronóstico del tiempo y las estadísticas pueden ser útiles, pero, desafortunadamente, no pueden producir estas rápidas variaciones. Este comportamiento difiere mucho del comportamiento de los generadores síncronos convencionales debido a la diferente naturaleza de ambos sistemas. Mecanismos para controlar los parámetros de la red eléctrica, como frecuencia o voltaje, han sido utilizados, usualmente, tomando en cuenta la dinámica de los generadores convencionales. Por lo tanto, las plantas fotovoltaicas deberían tener un comportamiento similar a través del uso de las capacidades de sus sistemas de electrónica de potencia.
Otro inconveniente de la energía fotovoltaica es que la producción de picos, normalmente, no coinciden con los picos de demanda por lo que, a menos que la planta utilice un sistema de almacenamiento de energía, la producción en exceso se pierde. Estos efectos deberían estar controlados cuidadosamente; de otro modo, podrían causar inestabilidad de la red y los beneficios del uso de energías renovables podrían tornarse en un verdadero problema.
Comúnmente, las plantas fotovoltaicas han tenido un impacto pequeño en la mayoría de las redes eléctricas, pero hay algunos casos en los que la energía suministrada por una de estas plantas puede ser significativa. Éste es el caso de algunas islas como, por ejemplo, Puerto Rico (USA), pero algunos otros países más grandes son también conscientes de los problemas de incluir fuentes de energía renovable y han comenzado a desarrollar nuevas regulaciones.
MTRs
Comúnmente, las plantas fotovoltaicas han tenido un impacto pequeño en la mayoría de las redes eléctricas, pero hay algunos casos en los que la energía suministrada por una de estas plantas puede ser significativa. Éste es el caso de algunas islas como, por ejemplo, Puerto Rico (USA), pero algunos otros países más grandes son también conscientes de los problemas de incluir fuentes de energía renovable y han comenzado a desarrollar nuevas regulaciones.
Las actuaciones de las autoridades eléctricas de los diferentes países están destinadas a permitir una mayor penetración de energías renovables basadas en electrónica de potencia (PV Plants) sin comprometer, por ello, la estabilidad del sistema. Para este propósito, las autoridades eléctricas están demandando requerimientos de control que la planta debe cumplir en el llamado Point of Common Coupling, como:
- Sistema de regulación de voltaje
- Control del factor de potencia
- Control de potencia reactiva
- Respuesta de frecuencia
- Respuesta en rampa de potencia activa
- Máxima potencia reactiva
Dependiendo del país, los Requerimientos Técnicos Mínimos (MTR por sus siglas en inglés) deben considerar los dispositivos adicionales que serán necesarios, además de los inversores FV, para cumplir los MTR para la interconexión a la red eléctrica. Podría ser necesario el uso de elementos de almacenamiento de energía como BESS (Sistemas de Almacenamiento de Energía por Baterías) o generadores diésel, así como elementos de compensación de potencia reactiva, como los STATCOMS o baterías por condensadores. Actualmente, compañías como GPTech están desarrollando PPC (Power Plant Controller), que consiguen cumplir estos requerimientos mediante la implementación de dispositivos de control de planta. Los principales dispositivos para cumplir con estos requerimientos técnicos mínimos son:
- STATCOM: Compensador síncrono estático
- Baterías por condensadores: Fuente de potencia reactiva
- BPCS: Sistemas de conversion de potencia por baterías
- Diesel: Generador Diésel
Todos ellos ofrecen diferentes capacidades que necesitan ser gestionadas por una unidad de control central; en nuestro caso, el Power Plant Controller (PPC). El PPC puede ser definido como un elemento máster que incluye la solución completa para los MTRs.
Funciones de control del PPC
Sistema de Regulación de Voltaje (VRS): Se requiere un control de voltaje constante. PPC debe tener un control de bucle VRS cerrado, equivalente al regulador de voltaje automático en generadores convencionales. El controlador de regulación VRS está basado en acciones de control de bucle con compensación en paralelo de potencia reactiva siempre que sea requerida. La puesta a punto del VRS debe ser también adaptada por el operador. De otro modo, un factor de potencia constante o un control fijo de potencia reactiva podría ser requerido.
Generalmente, el control de voltaje se lleva a cabo mediante la capacidad reactiva de los inversores FV. Los compensadores VAR, como los STATCOMs o los bancos de condensadores suministran una fuente de potencia reactiva siempre que sea necesario. Una vez que estas cuestiones son tenidas en cuenta, el PPC necesita gestionar la relación de distribución de potencia reactiva para cada colección:
1. Los inversores FV y STATCOMs recibirán una referencia externa continua de potencia reactiva. Si los bancos de condensadores están incluidos, el control de reactiva del PPC deberá ser capaz de gestionar estas referencias y de integrarlas en las referencias de salida y en el comando para la conexión de condensadores.
2. Los bancos de condensadores serán conectados siguiendo una secuencia definida, por lo que soportarán la respuesta reactiva dependiendo de su capacidad.
Respuesta de Frecuencia/Regulación: La planta suministrará una respuesta de frecuencia de potencia primaria real inmediata, proporcional a las desviaciones de frecuencia de la frecuencia programada, similar a la respuesta del regulador.
Control en rampa: Control en rampa es requerido para evitar problemas de transición desde un nivel de potencia de salida a otro. La planta fotovoltaica deberá ser capaz de controlar que la tasa de potencia de salida cambia bajo ciertas circunstancias, incluyendo:
- Tasa de aumento/disminución de energía solar debido a la irradiación
- Tasa de incremento de potencia cuando una reducción externa de la potencia de salida se libera.
- Tasa de disminución de potencia cuando se activa un límite de restricción externa
Este ramp rate puede aplicarse tanto al incremento como a la disminución de la potencia de salida, y es independiente de las condiciones meteorológicas.
Para incrementar la potencia cuando la desviación de frecuencia es negativa o para control de rampa, la planta FV necesita añadir un sistema de almacenamiento de energía externo. GPTech BPCS (Battery Power Converter System) introduce esta posibilidad de almacenamiento de energía. Considerando el control de algoritmos estudiado anteriormente, mediante el uso de un BPCS, el sistema está listo para alimentar o almacenar una cantidad específica de energía en cada momento. En este punto, el mantenimiento del estado de carga (SOC) es fundamental. El control de mantenimiento del estado de carga hará que su valor esté dentro de un margen objetivo siempre que sea posible. La manera de conseguir este propósito será añadiendo un ∆P a la potencia de referencia que proviene del PPC ramp y del algoritmo de control de frecuencia. Así, la estrategia de control del mantenimiento del estado de carga debe evitar las siguientes situaciones:
- Si BPCS alcanza el estado de carga máximo, el sistema de almacenamiento sólo estará disponible para aportar energía
- Si BPCS alcanza el estado de carga mínimo, el sistema de almacenamiento sólo estará disponible para almacenar energía
De otro modo, el control de la potencia real se torna ineficiente y el sistema de producción de energía completo no alcanzará el punto óptimo. Aunque los BPCS parecen ser suficientes para cumplir con los requerimientos técnicos mínimos (MTRs) sobre potencia real, la evolución del sistema (nivel de irradiación, inestabilidad de la frecuencia) puede llevar al estado de carga a niveles inadecuados. Es en este punto donde los generadores diésel ofrecen una fuente de energía estable que ayuda a estabilizar las perturbaciones de potencia real.
El control de estrategia de los PPC para generadores diésel consiste en un control predictivo para que los generadores comiencen en el momento correcto y estén listos para ser usados cuando las perturbaciones tengan lugar. Una vez que este problema se tiene en cuenta, el PPC necesita gestionar la distribución real de potencia para cada caso:
- Los inversores FV recibirán la saturación de potencia real para cumplir con las restricciones y los requerimientos de ramp rate dependiendo de los requerimientos técnicos mínimos y de la gestión de BPCS
- Los BPCS recibirían la referencia de potencia real para cumplir con el ramp rate y la respuesta de frecuencia
- Los generadores diésel recibirán referencia de potencia real solamente si los BPCS no pueden aportar energía para cumplir con los requerimientos de ramp down
Desarrollos futuros
Como las plantas de energía fotovoltaica comienzan a ser un elemento importante para cubrir el consumo de energía, es necesario considerar otros elementos para mejorar la eficiencia y el rendimiento de la planta. Esto se conseguirá mediante un mejor uso de los paneles fotovoltaicos, desarrollando algoritmos de seguimiento precisos e integrando la funcionalidad de predicción de clima. Otro campo se centra en la investigación de baterías. Actualmente, las baterías de litio-ion son caras y tienen una capacidad limitada, por lo que una nueva tecnología, menos tóxica y con alta capacidad debe ser desarrollada antes de un establecimiento masivo de compensación por baterías.
La integración de todos estos elementos llevará al control de planta a un nivel superior de control, donde todas las estrategias de control trabajarán conjuntamente para conseguir un concepto de planta inteligente.
