Gestión y control de energía en plantas FV para cumplir los MTRs
Autores: Víctor Andrés Díaz, José Ramón Gordillo, Carlos Infante y Manuel Lagares | Cargo: Departamento I+D
Esquema general de control
La creciente inclusión de plantas de energía renovable en las redes eléctricas ha provocado que las agencias reguladoras de energía deban establecer una serie de requisitos técnicos para asegurar que dichas plantas garantizan una estabilidad de la red completa. Estos requisitos que las plantas deben cumplir son denominados "Requisitos Técnicos Mínimos" (Minimum Technical Requirements, MTRs en adelante), y pueden ser categorizados en:
- Requisitos de tensión
- Requisitos de frecuencia
- Requisitos de potencia reactiva
Dependiendo del país, se debe tener en cuenta, para el cumplimiento de los MTRs, que pueden ser necesarios dispositivos adiciones para conectar una planta FV, junto con los inversores FV, a la red eléctrica. Entre dichos elementos, podemos mencionar sistemas de almacenamiento de energía, así como elementos de compensación de potencia reactiva.
Cada grupo de requisitos define el tipo de diseño de ingeniería de los distintos elementos de una planta. Dichos elementos deben desarrollarse de acuerdo con las necesidades de inyección de potencia activa y reactiva; además, es necesario definir la arquitectura de comunicaciones entre los diferentes elementos para asegurar un tiempo de respuesta óptimo. Los principales elementos para cumplir con los MTRs son:
PPC: Power Plant Controller. El PPC es el principal sistema de gestión de la planta, responsable de generar referencias de control para administrar el flujo de potencia en el punto de interconexión (POI, por sus siglas en inglés). Este elemento lleva a cabo diferentes tipos de control de potencia tanto activa como reactiva, y también envía órdenes para dirigir el funcionamiento de los diferentes dispositivos de la planta. El PPC se comunica con otros dispositivos a través de dos interfaces de red, de control y supervisión, de acuerdo con las necesidades de la planta.
STATCOM: Static Synchronous Compensator. Su function es inyectar potencia reactiva, inductive o capacitive para cumplir los requisitos de tensión, factor de potencia o potencia reactiva de acuerdo con las directrices de control del PPC.
Batería de condensadores. Se trata de un grupo compuesto por varios condensadores idénticos, inteconectados en paralelo o en serie. Actúan como una fuente de potencia reactiva capacitiva.
PPS: Sistema de almacenamiento Plug and Play. Opera en sistemas de generación híbrida para inyectar o absorber potencia activa. El sistema de almacenamiento integrado Plug & Play diseñado por GPTech se centra en mercados estratégicos con los entornos de red más exigentes: Chile, Brasil, USA, etc.
- Soluciones en contenedor Plug & Play, completamente equipados y probados para la conexión directa a MT.
- Sistema de conversión de potencia por baterías, basado en la tecnología de conversión de potencia desarrollada por GPTech.
- Desarrollado en conjunto con fabricantes de baterías de primer nivel.
- Tiempos de carga y descarga óptimos para favorecer las necesidades de la planta y mejorar el ciclo de vida de las celdas de almacenamiento.
GPTech es una compañía experta en el desarrollo de plantas híbridas. Ha desarrollado controladores para varias combinaciones de energía, como generadores de potencia basados en energía eólica + diésel, sistemas basados FV + eólica + baterías conectados a red, así como sistemas de almacenamiento por baterías + FV en redes aisladas.
El PPC desarrollado por GPTech ha sido diseñado para cumplir con los MTRs en diferentes países como Puerto Rico, EEUU o Sudáfrica, país éste último en el que ha sido instalado con éxito en una planta de 37,8 MW, siguiendo los MTRs exigidos por ESKOM.
Esta planta FV implementa los siguientes controles:
- Control de tensión
- Control de potencia reactiva
- Control de factor de potencia
- Control de rampa
- Control de restricción de potencia activa
Tensión, Factor de Potencia y Sistema de control de potencia reactiva. El PPC debe tener un control constante de la tensión, similar al regulador de tensión automático en generadores convencionales. El controlador de tensión está basado en acciones en circuito cerrado con compensación paralela de pérdida de reactiva, que debe ser ajustado por el operador de red.En el ejemplo anteriormente mencionado de Sudáfrica, se requería un factor de potencia constante y un control de potencia reactiva constante. El PPC da prioridad a cada control dependiendo de las órdenes del operador de planta.
Generalmente, son los inversores FV y su capacidad de reactiva los que llevan a cabo el control de tensión. No obstante, en algunas plantas, se necesitan dispositivos de compensación VAR, como STATCOMs o bancos de condensadores, para suministrar una fuente o una vía de escape de potencia reactiva.
Los inversores FV y los dispositivos para cumplir con los MTRs recibirán una referencia externa continua de reactiva. Si los bancos de condensadores son incluidos, el control de potencia llevado a cabo por el PPC será capaz de gestionar las órdenes necesarias para su conexión a la red. Los bancos de condensadores, pues, será conectados siguiendo una secuencia definida, por lo que darán una respuesta de potencia reactiva dependiendo de su capacidad en cada momento.
Control de rampa y de restricción de potencia activa. La restricción de potencia activa consiste en limitar la cantidad de potencia activa que la planta puede generar. Esta orden puede ser dada de manera manual o automática, vía control remoto. El control de rampa es necesario para suavizar la transición entre un nivel de potencia de salida y otro. Las plantas FV serán capaces de controlar el índice de cambio de potencia de salida bajo algunas circunstancias, incluyendo:
- Índice de incremento/disminución de potencia activa debido a la irradiancia.
- Índice de incremento de potencia cuando se produce una restricción de la potencia de salida por parte de un agente externo.
- Índice de disminución de la potencia cuando se produce un límite de restricción por parte de un agente externo.
Este control de rampa se puede aplicar tanto al incremento como a la reducción de la potencia de salida y es independiente de las condiciones meteorológicas.
Respuesta/Regulación de Frencuencia. Generalmente, las plantas FV suministran una respuesta inmediata de frecuencia primaria de potencia real, proporcional a las desviaciones de frecuencia de la frecuencia programada. El PPC proporciona diferentes modos de control de frecuencia que se dividen en dos categorías. La primera se refiere a plantas sin sistemas de almacenamiento, donde el PPC sólo puede ocuparse de la sobre-frecuencia. La segunda categoría está diseñada para plantas con sistemas de almacenamiento, en las que podrá hacer frente tanto a la sub-frecuencia como a la sobre-frecuencia.
Para cumplir con los MTRs, puede ser necesario, dependiendo del país, incrementar la potencia en el caso de que la desviación de potencia sea negativa, o alcanzar un control de rampa. En este caso, la planta FV necesitaría añadir un sistema de almacenamiento Plug & Play externo. La siguiente figura muestra el comportamiento de una planta FV con almacenamiento Plug & Play, considerando las perturbaciones por irradiancia.
Considerando los algoritmos de control estudiados anteriormente, las soluciones Plug & Play permiten que el sistema esté listo para alimentar o almacenar una cantidad específica de energía en cada momento. De este modo, la gestión del estado de la carga (SOC, por sus siglas en inglés) supone un punto crítico.
La gestión del control del SOC permite que su valor se sitúe dentro de una “banda objetivo” siempre que sea posible. La forma de conseguir este objetivo es añadir un ∆P a la referencia de potencia que proviene del algoritmo de control de rampa y frecuencia. Así, la estrategia de control del PPC para la gestión del SOC debe evitar las siguientes situaciones:
- Si el sistema Plug&Play alcanza el SOC máximo, el sistema de almacenamiento estará disponible únicamente para inyectar potencia.
- Si el sistema Plug&Play alcanza el SOC mínimo, el sistema de almacenamiento estará sólo disponible para almacenamiento de energía.
De otro modo, el control de potencia real resulta ineficiente y el sistema completo de producción de energía no alcanzará un estado de la carga equilibrado. Este tipo de control se exige, normalmente, en países con una red eléctrica débil como, por ejemplo, Puerto Rico. En sistemas débiles, las necesidades de una planta FV deben ser capaces de responder a cualquier perturbación siempre que sea posible. Por esta razón, PREPA, la agencia reguladora de Puerto Rico, tiene uno de los MTRs más restrictivos a nivel mundial.
Para estos casos, GPTech ha desarrollado sus soluciones PPC y Plug & Play específicamente para cumplir estos requisitos en redes débiles. Estas soluciones pueden integrarse con cualquier número de dispositivos de diferentes fabricantes y, también, implementar los protocolos de comunicación más comunes, lo que los hace estar listo para cualquier reto energético.
