Energías renovables, armónicos, inercia y otros detalles.

Autor: Willy Villa Tineo

Señor. ”Si me quitas el éxito dame valor para aprender del fracaso, Si yo ofendiera a la gente dame humildad para disculparme, y si la gente me ofende dame piedad para perdonar”.

Mahatma Gandhi

A propósito del gran incremento de proyectos realizados, concesiones, reestructuraciones, regulaciones, incentivos y demás bondades que se le otorgan a la matriz de las energías renovables, en este artículo estaremos revisando algunos aspectos técnicos que se deben tomar en cuenta sobre cómo influye en las redes eléctricas la calidad de la energía entregada por las fuentes de energías renovables, ya que se debe tomar responsabilidad debido a lo antes dicho sobre este gran incremento que se ha venido dando durante los últimos 10 años. 

Las políticas de reformas y regulaciones del sector eléctrico son de gran trascendencia y de actualidad en la República Dominicana, pero esto no debe rebasar el ámbito de lo estrictamente técnico, por cuanto su discusión corresponde a los entes energéticos creados para esto por leyes estatales, a la sociedad de ingenieros expertos en estos temas, a los inversionistas tanto públicos como privados, y al gobierno central como principal regente del presupuesto nacional e inversionista en la “cosa nostra.”

A la fecha la República Dominicana esta realizando grandes cambios en el sector eléctrico lo cual nos debe de animar a todos a debatir, revisar y promover los detalles de calidad de energía tomando como referencia los más altos estándares internacionales como son el IEC 61000-4 y el IEEE 519, entre otros más. 

No obstante, se debe mencionar que tanto la implementación como la difusión de todos estos cambios constituyen un verdadero reto para el sector energético tanto público como privado. Súmese a todo esto la crisis a nivel legislativo como de infraestructura que se ha tenido que enfrentar. 

Aunque en nuestra defensa como país podemos decir que se tienen muchas experiencias técnicas nuevas y de nuevas conciencias recientes, esperando por madurar y hacerse de un espacio de confianza en el sector eléctrico, esperando desplazar viejas creencias y viejos prejuicios que entorpecen los avances tecnológicos del sector eléctrico. 

Bajo todo este contexto y como bien pide a gritos nuestra Ley Orgánica 1-12, corresponde a todos los actores del sector eléctrico dominicano sentarse en la mesa de la concertación y definir que tipo de sector eléctrico es al que aspiramos al 2030; es una responsabilidad social evaluar todas las alternativas, inclusive tomar bondades de aquellas medidas creadas bajo un esquema empresarial capitalista que buscan fundamentalmente la calidad, el servicio y la expansión del sector dentro de un marco regulatorio que garantice la fijación de tarifas que permitan cubrir costos operativos y una adecuada cobertura de toda la demanda. 

De acuerdo con la ley Núm. 1-12 de Estrategia Nacional de Desarrollo de la República Dominicana, en su capítulo VII, art. 25: Objetivos Específicos y Líneas de Acción, cita lo siguiente:   ”3.2.1.6 Promover una cultura ciudadana y empresarial de eficiencia energética, mediante la inducción a prácticas de uso racional de la electricidad y la promoción de la utilización de equipos y procesos que permitan un menor uso o un mejor aprovechamiento de la energía”.

Aunque no hemos alcanzado todo el potencial que tiene nuestro país en términos de potencia instalada de energías renovables, estamos confiados de que gracias a la economía de escala podemos decir que una vez logrado dicho potencial de renovables, esto repercutirá en una baja de precios significativa de la energía eléctrica.  

Importancia del sector energético en la economía dominicana

Como todos sabemos el sector energético en si mismo no genera significativa y directamente un aporte de capital al PIB, pero si tiene una incidencia fundamental sobre los demás sectores económicos, siendo así que debido a esta incidencia se nota la expansión del sector industrial, lo cual repercute directamente sobre las finanzas públicas, grandes inversiones y demás variables micro y macroeconómicas.     

Características del sector energético 

La electricidad es un bien no transable. Es decir, aunque exista escasez de electricidad en otra parte del mundo no podemos almacenarla y enviarla. 

Debido a la imposibilidad hasta ahora de almacenar grandes cantidades de energía y que se haga de forma económica, se precisa de una gran sincronización entre la producción y la demanda. Y estas características de sincronismo, balance y precisión entre máquinas productoras y clientes son las que dictan los caminos a seguir para demostrar la necesidad de reforzar y modernizar los sistemas de potencia.

Si bien es cierto que la integración vertical del sector energético ha traído ventajas, y en algunas circunstancias economías de escalas, pero ha disimulado ineficiencias en varios aspectos del desarrollo energético. Una de las ventajas de la desintegración vertical de la industria energética radica en la apertura a mayores inversionistas y consigo una eventual competitividad. 

No obstante, la transmisión y distribución, a pesar de ser un tema de seguridad nacional, también es cierto que mantienen su característica de monopolio natural por lo costoso que sería mantener sistemas de potencia con esquemas de circuitos redundante. 

Distribuir energía eléctrica a nivel comercial hasta el momento se ha mantenido bajo esquemas donde se mantienen cautivos a los clientes, pero es nuestra responsabilidad como profesionales del sector proponer e impulsar ideas que revolucionen y solucionen este tipo de cautiverio y saltar hacia nuevos esquemas de servicios. 

Parafraseando al reconocido ingeniero y matemático Charles Steinmetz, un sistema de potencia interconectado es la más grande y compleja máquina jamás vista por el hombre. Es realmente increíble como tal sistema opera con un alto grado de confiabilidad. 

La habilidad de un sistema de potencia para mantener su estabilidad depende de una larga y extensa disponibilidad de equipos de controles y así salvar las oscilaciones electromecánicas. 

De aquí que el estudio y diseño de controles es muy importante. 

Es por esto que para sustentar mis análisis sobre la calidad de energía proveniente de fuentes de energías renovables integradas al SENI me baso en uno de los libros más famosos, complejos y fáciles de entender como es el libro del gran ingeniero Dr. Prabha Kundur, su libro Power System Stability and Control es uno de los más calificados en el tema.   

Por ultimo y antes de entrar en materia a lo que nos ocupa, recordarles que todo sistema de potencia, incluso el nuestro, debido a su complejidad esta continuamente sujeto a expandirse debido a las continuas interconexiones y el uso de nuevas tecnologías. Y además por las restricciones y transacciones comerciales nuestro sistema de potencia puede estar ahora mismo operando en sus límites de estabilidad. 

Concepto de equipos FACTS 

En la actualidad todos los sistemas de potencia deben ser controlados de manera automática, para así aumentar la capacidad de respuesta de dichos sistemas, hacerla más rápida y generar bajos costos de mantenimiento, por lo tanto, serían más flexibles y controlables.

Los ingenieros y operadores trabajan en conjunto aprovechando variadas e ingeniosas técnicas para hacer que los sistemas trabajen eficientemente, pero a un precio que implica una mayor inversión en infraestructura y operación. 

Actualmente la demanda de transmisión de energía continúa aumentando, por lo que se ha presentado la necesidad de buscar nuevas formas de optimizar la capacidad de los sistemas de potencia, manteniendo los niveles de seguridad y estabilidad dentro de los rangos establecidos. Una de las técnicas que se usan para obtener los resultados antes dicho son los controladores basados en tecnología de electrónica de potencia, los cuales están siendo usados de manera eficiente y con excelentes resultados. 

Estos dispositivos de electrónica de potencia ofrecen un gran número de tareas de control que no se logran con equipos tradicionales. 

Las dos definiciones más precisas dada por el Capítulo de Potencia del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) para esta tecnología es: 

• Flexibilidad de Transmisión de la Potencia Eléctrica: Es la capacidad de adecuar y ajustar los cambios en el sistema de transmisión eléctrico o en las condiciones operativas, mientras se mantiene bastante margen de estabilidad transitoria y de régimen permanente. 

•Sistemas Flexibles de Transmisión en Corriente Alterna (FACTS): Son sistemas de transmisión de corriente alterna basados en dispositivos de electrónica de potencia cuyas técnicas de control aumentan la controlabilidad e incrementan la capacidad de transferencia de potencia de los sistemas eléctricos de potencia, se le llama controladores FACTS y se representan por la figura siguiente. 

                            

Los FACTS permiten solucionar algunos de los problemas más comunes de los sistemas de potencia, dando paso a que la industria eléctrica optimice los recursos de infraestructura y a su vez refuerce la estabilidad del sistema.

Los dispositivos basados en esta tecnología abren posibles circuitos de control para controlar la potencia eléctrica transmitida, permitiendo que una línea incremente su capacidad de conducción aproximándose a su límite térmico y aumentar las capacidades de transmisión tanto en condiciones de operación normales como de contingencias. 

Tipos de FACTS

Los equipos FACTS permiten un control directo sobre los parámetros que se encuentran relacionados son el sistema de potencia como son la impedancia serie y en derivación, corriente, voltaje, ángulo de fase, frecuencia, entre otros. 

Dichos equipos se basan en una tecnología de controladores que se activan individualmente o en conjunto con otros para controlar uno o varios parámetros de la red. 

Principios de funcionamiento 

Los FACTS se fabrican a partir de la unión de equipos convencionales como capacitores, transformadores, reactores, microelectrónica, equipos de telecomunicaciones y principalmente de elementos semiconductores de alta potencia, todo esto permite flexibilizar las redes eléctricas de potencia.

Desventajas de los FACTS

Lo más importante es saber que el uso de estas tecnologías genera armónicos en todas sus formas de operación, por ello es preciso usar filtros para contrarrestar estos fenómenos. Además, realizar estudios que consideren la utilización de cada uno de los dispositivos de potencia y así no agregar dichos efectos indeseables. 

Tecnología Eólica conectada a la Red

Cerca de los años 1990, a nivel general, la penetración de energía eólica conectada a la red era muy pequeña, y por eso las perturbaciones que estas provocaban no afectaban la estabilidad del sistema, pero recientemente la inserción de dicha energía se ha convertido en un actor muy importante en las redes eléctricas. Es por eso que los investigadores y desarrolladores de proyectos se han ocupado en invertir tiempo y capital para crear nuevas tecnologías que permitan una inserción más agresiva de esta energía sin afectar la seguridad del sistema.

Existen parámetros muy importantes a tener en cuenta a la hora de conectar una energía con la calidad suficiente para no provocar anomalías en las redes, estos son:

-desviaciones de voltaje                                                                                                                                

-desviaciones de frecuencia                                                                                                                         

-distorsión por armónicos                                                                                                                            

-flickers                                                                                                                                                             

-variación de potencia    

Ante una perturbación del sistema, de frecuencia o tensión, los aerogeneradores deben tener algún tipo de tecnología de control para poder maniobrar sobre la potencia activa y reactiva. Es aquí donde la electrónica de potencia juega un papel protagónico. Mas, sin embargo, dicha tecnología también tiene sus defectos como la inserción de armónicos en las redes eléctricas, y para lo cual se deben usar otras tecnologías para contrarrestar estos efectos indeseables. Según estudios que se realizan con analizadores de potencia, dichos armónicos viajan varios kilómetros por las redes afectando incluso otras industrias que no tienen ninguna aportación de armónicos a las redes eléctricas. 

Como se pude ver, es por eso que debemos estar vigilantes ante dichos efectos de estas tecnologías de punta, ya que resolver un problema conlleva crear otros, y así se convierte en una espiral de solución de perturbaciones a gran escala.  

A continuación, daremos un breve resumen de los diferentes tipos de turbinas eólica y como se comportan frente a eventos antes mencionados.

Generación asincrónica con «jaula de ardilla«

Esta es la tecnología eólica más antigua usada para producir energía a través del viento, ya que es una tecnología sencilla, robusta y económica en su construcción. Se conecta a la red por transformador o de forma directa. La regulación de potencia la hace a través del efecto stall aerodinámico. Esta tecnología no posee control sobre la potencia ya que depende solo de la velocidad del viento. El efecto stall limita la potencia cuando el viento supera el valor nominal de diseño. La potencia reactiva aportada a la red tampoco se controla, pero tiene unos bancos de capacitores variables para absorber reactivos propios del generador. Es así, entonces como esta tecnología al no poder efectuar ningún control ante perturbaciones de la red se necesita seguir mejorando a si misma como veremos más adelante.

Ahora explicaremos lo que sucede en máquinas eólicas más modernas, pero esto no significa que se hayan superado los problemas antes mencionados sobre control de energía activa, reactivos y frecuencia. 

Como vemos en la figura anterior las palas de la turbina están fijas sobre su mismo eje por lo que el viento incide directamente sobre el generador. 

En las turbinas más modernas se ha diseñado el control de paso de pala para generación asíncrona. Esto permite un mejor aprovechamiento de las corrientes de viento, pero no lo soluciona todo. Dicho control consiste en que las palas se mueven sobre sí misma y pueden jugar con la velocidad del viento incluso evitando disparos de la turbina por fuertes ráfagas de viento. 

Además, de este avance, se ha incorporado como veremos en la figura de abajo lo que se llama inversor back to back, que permite la conexión del generador a la red para poder controlar variaciones de frecuencia y voltaje hasta ciertos niveles. Nueva vez al hablar de inversores de alta potencia estamos incorporando a la red la electrónica de potencia y consigo los armónicos que producen perturbaciones. Cuando el inversor es del tipo PWM los armónicos que se producen son más fáciles de mitigar debido a su alta frecuencia. 

Generación sincrónica 

La generación sincrónica tiene dos variantes, una es con el aditamento de caja multiplicadora y la otra es con acoplamiento directo del generador con el rotor eólico, no obstante, nuevas tendencias sobre diseño dictan más por el acoplamiento directo ya que en grandes turbinas de alta potencia la multiplicadora adquiere tamaños difíciles de manejar. La generación sincrónica usa alternadores excitados con corriente continua y el rotor eólico tiene control de paso de pala. La conexión a la red se hace a través de un inversor que genera frecuencia variable y por consiguiente inyecta a la red la frecuencia correspondiente. Estos inversores se diseñan para la potencia total de la máquina lo que aumenta su tamaño. Esta variable de generador optimiza muy bien el uso del viento y controla la potencia activa y reactiva.  

En conclusión, la tecnología asincrónica eólica en su simple diseño se usa más para parques eólicos pequeños, aportando energía a la red su comportamiento no altera las redes externas. Para los parques eólicos más grandes la tendencia es usar la tecnología back to back ya que su funcionamiento los hace muy versátiles a la hora de controlar variables de potencia.  

Existen además muchas ideas del tipo regulatorio que se pueden aplicar para hacer de la generación renovable más versátil en lo relacionado a las variables de control como frecuencia y tensión, por ejemplo:

–La generación eólica puede proporcionar un servicio de respuesta en frecuencia, siempre que no produzca al 100% de su capacidad disponible, esto es que cuando el viento es limitado o reducido se puede usar para proporcionar reserva.

–Si a un parque eólico se le reduce su potencia de salida las fluctuaciones de potencia dejan de ser un problema y así quedan con capacidad disponible para brindar reserva. 

–otra manera puede ser acordar contratos de servicios para la reserva de frecuencia de parques renovables que acuerden disminuir su producción por un pago regular contratado.

Inercia de las Energías Renovables

La respuesta inercial corresponde a la reacción que sigue a una perturbación que ocurra al sistema asociado a desbalances de potencia activa. Consiste en una caída brusca y sostenida de la frecuencia eléctrica debido a la desaceleración de los generadores síncronos en operación. La inercia del sistema de potencia está asociada a la inercia de sus generadores, por lo que mientras mayor sea la inercia del sistema, menor será la desviación en la frecuencia de este en los segundos siguientes a la perturbación.

Como todo sabemos la respuesta inercial de un sistema de potencia donde hay máquinas rotatorias su comportamiento dinámico queda descrito por la ecuación conocida de power swing:  

Efectos en la respuesta inercial

Ahora más que nunca la inercia en sistemas de potencia debe de prestársele especial atención a medida que aumentan la penetración de energías no convencionales con tecnología de electrónica de potencia.

La inercia de un sistema de potencia reduce la relación de cambio de la frecuencia durante los primeros segundos luego de ocurrido un desbalance entre generación y carga. Ciertamente los generadores eólicos guardan una gran cantidad de energía cinética almacenada en las aspas, pero esta energía cinética no se traduce en una entrega de inercia al sistema en caso de fallas dado que el inversor de potencia desacopla el generador de la red eléctrica. 

Incrementar la penetración de energía eólica, acarrea cierto nivel de disminución de la capacidad de regulación de frecuencia del sistema de potencia. No obstante gracias a la investigación y desarrollo se han propuesto una serie de medidas que involucran la modificación de la capacidad de control de los generadores eólicos de manera que puedan emular inercia en las redes eléctricas. 

Generación fotovoltaica

La generación fotovoltaica conectada a las redes eléctricas se les debe prestar más atención cuando se hacen los estudios de modelaje para su interconexión. Como es un sistema que no tiene partes rotatorias en su estructura no posee la capacidad de aportar inercia al sistema pudiendo afectar la respuesta inercial. 

Debemos tener presente que, a menor inercia en un sistema, la respuesta inercial de este puede ser más rápida llevando a un desequilibrio más abrupto. 

Estabilidad: Desafíos

Mientras más avanza la eliminación de los gases de efecto invernadero más avanzan las tecnologías para producir energía a base de fuentes renovables, lo que trae grandes desafíos a los ingenieros y científicos ocupados en investigación y desarrollo. 

Como hemos visto dada la naturaleza estocástica de la energía eólica y solar mantener la estabilidad de un sistema eléctrico de potencia en un mundo futuro donde se pretenda tener el 100% de energías renovables será un verdadero desafío y mas aun para los países islas como el nuestro, porque a diferencia de otros países ubicados en continentes y que hacen fronteras con otros países vecinos con sistemas eléctricos robustos quizás ya estén inmersos en alianzas regulatorias para compartir a gran escala sus sistemas energéticos y transmitir energía de una frontera a otra.     

La tecnología avanza y la generación renovable también lo hace a una velocidad vertiginosa ya que, aunque con las ventajas y desventajas de la electrónica de potencia y el control de las variables principales se pueden manejar grandes parques de energía renovables y ser conectados a la red mediante la electrónica de potencia.  

Nota: este articulo contiene una gran cantidad de datos y números factuales. Aunque hicimos el mejor esfuerzo para confirmar la información, el autor estaría siempre agradecido de recibir correcciones y sugerencias de mejoras.