Tecnologías de Inversores para uso en energías renovables
En la actualidad existen varias tecnologías de equipos inversores electrónicos, destinados a la operación en redes de generación eléctrica con energía renovable. Estas tecnologías se diferencian fundamentalmente por su aplicación, dado que en su diseño mantienen circuitos electrónicos similares y funcionalmente iguales.
A la fecha dos aplicaciones en la red, basado en energía renovable, son distinguibles en los mercados de estos productos: El inversor Grid Following y el Inversor Grid Forming. Aquí describiremos brevemente como son y las ventajas y desventajas de estos.
Inversor Grid Following:
Este tipo de inversor se sincroniza pasivamente con la red eléctrica existente. Actúa como una carga conectada a la red y ajusta su frecuencia y tensión para coincidir con las de la red. Es decir, "sigue" las características de la red. Estos inversores están diseñados para seguir el voltaje y la frecuencia de la red a la que están conectados. Funcionan en sincronización con la red eléctrica principal, lo que significa que dependen de ella para generar una señal de referencia a la que puedan ajustarse, los inversores seguidores de red sincronizan su voltaje y frecuencia con la red existente, aportando corriente al sistema en función de la generación solar. Si la red falla o se desconecta, el inversor detendrá su operación porque pierde su referencia.
En cuanto a la operación circuital podemos decir lo siguiente:
. Topología de la etapa de potencia: Los inversores grid following suelen emplear un sistema de control de corriente, donde la etapa de potencia incluye transistores de potencia (IGBTs o MOSFETs) configurados en una topología puente H, similar a los inversores convencionales.
. Modulación: Utilizan técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) para ajustar la corriente que se inyecta a la red en sincronía con la frecuencia de la misma. La topología es más simple y generalmente tiene filtros de salida diseñados para reducir el ruido armónico y asegurar una inyección de corriente limpia hacia la red.
. Dependencia de la red: Al estar sincronizados con la frecuencia y el voltaje de la red, carecen de elementos de almacenamiento o sistemas de respaldo en su etapa de potencia para operar en modo aislado, por ello son parte de algún sistema subordinado a una red principal.
Algunos componentes principales:
Los circuitos de estos inversores contemplan en general:
- Control de corriente sincronizada: El control en estos inversores se basa en mantener una corriente sincronizada con la red, regulando la cantidad de potencia que se inyecta sin modificar la frecuencia ni el voltaje de la red. Utilizan el algoritmo de circuito Phase-Locked Loop (PLL), que detecta la frecuencia de la red para mantener la fase en sincronización.
- Control reactivo limitado: Su control se centra principalmente en el flujo de corriente, con menos énfasis en el control de la potencia reactiva, ya que dependen de la red para la estabilidad de voltaje y frecuencia.
- Simplicidad en el diseño de control: Dado que solo siguen la señal de la red, el sistema de control es más sencillo y rápido, ajustando la inyección de corriente en función de las variaciones de la red.
Inversor Grid-Forming :
Funcionamiento: A diferencia del inversor grid following, este inversor actúa como una fuente de tensión independiente. Es capaz de controlar la tensión y la frecuencia de la red a la que está conectado, incluso si esta red está débil o desconectada. También se le conoce como formador de red. los inversores formadores de red pueden operar de manera autónoma, proporcionando una señal de voltaje y frecuencia estable, incluso sin estar conectados a la red eléctrica principal. Estos inversores formadores de red generan su propia frecuencia y voltaje, permitiendo una operación en modo aislado o independiente de la red. Esto es posible mediante el uso de controladores internos avanzados que mantienen estos parámetros estables, independientemente de la carga que se les conecte y se pueden conectar a un sistema de almacenamiento de energía exterior.
Respecto a su diseño circuital podemos decir:
. Topología de la etapa de potencia: La etapa de potencia de los inversores grid forming incluye una estructura de respaldo más avanzada, que a menudo incorpora sistemas de almacenamiento de energía (como baterías o supercondensadores) para proporcionar energía en modo aislado. También suelen contar con un convertidor adicional o un transformador para desacoplar la red cuando se opera de forma aislada.
. Modulación: Además de la modulación PWM, pueden emplear métodos de modulación avanzada que les permitan ajustar no solo la corriente, sino también mantener la frecuencia y el voltaje de salida estables en el tiempo. Esto les permite crear una señal de referencia en lugar de seguir una señal ya establecida. Algunos inversores modernos utilizan control DSP y técnicas de modulación SVPWM (modulación por ancho de pulso de vectores espaciales).
. Capacidad autónoma: Estos inversores pueden mantener la operación en ausencia de la red. La presencia de almacenamiento de energía en la etapa de potencia les permite sostener cargas críticas durante una desconexión de la red. Una configuración posible es utilizar bancos de baterías inteligentes (BESS) como soporte de la operación en la red.
Algunos componentes principales:
· Convertidor CC/CA: Similar al grid following, pero con una mayor capacidad de control mayor sobre las señales en la red.
· Controlador: Regula la tensión y la frecuencia de salida del inversor, y puede incluir funciones de control de potencia reactiva.
· Transformador: Ajusta el nivel de tensión de salida. Muchas veces esta máquina es parte de la configuración de la red.
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· Filtro: Elimina los armónicos y el ruido de la señal de salida, igualmente pueden ser pasivos y activos.
Los circuitos de estos inversores contemplan en general
- Control de voltaje y frecuencia: Los inversores grid forming no solo ajustan la corriente, sino que también generan una frecuencia y un voltaje estables. Su control utiliza un sistema de lazo cerrado de voltaje y frecuencia, siendo capaces de ajustar ambos parámetros para formar una señal de referencia de red.
- Algoritmos avanzados: Implementan técnicas avanzadas de control, como control por modos de deslizamiento o control predictivo, para garantizar la estabilidad de voltaje y frecuencia en cargas variables. A menudo integran sistemas de control en tiempo real y reguladores proporcionales-integrales-derivativos (PID) que mantienen el voltaje y la frecuencia en los niveles correctos, incluso sin la red, este sistema de regulación se simula con un microcontrolador y con funciones dedicadas a cada etapa de control.
- Control de potencia activa y reactiva: Siendo un sistema de formación de la red, los inversores grid forming pueden ajustar tanto la potencia activa como la reactiva, permitiendo un control completo del suministro eléctrico en ausencia de la red principal.
Funcionalidades mas importantes en un Inversor Grid Forming:
Todos los inversores que se utilizan para uso en sistemas renovables , cumplen con las funciones generales siguientes:
· Auto sincronización con la red eléctrica
· Regulación de la potencia activa y reactiva
· Capacidad de corrección de salto de fase manteniendo potencia activa
· Capacidad de mantener la frecuencia sincronizada
· Dumping positivo (Amortigua oscilaciones, estabiliza perturbaciones de la red, mantiene la sincronización de red)
Adicionalmente se puede incluir otras funcionalidades propias del inversor Grid Forming:
· Black start (arranque de la red sin ninguna otra fuente de energía disponible, a excepción de la propia)
· Operación aislada
· Control primario de frecuencia
· Control primario de voltaje
· Power Oscillation Damping) que son el amortiguamiento de oscilaciones interáreas (incluye la detección de las oscilaciones, la modulación de la potencia activa y reactiva, la estabilización de la red por áreas sin importar la variación de carga y generación)
· Soporta componentes armónicas y de secuencia negativa
Jorge Pareja (autor)