miniaturadeimagen|300x300px|Figura 1. Diagrama simple del entorno de operación de un generador síncrono virtual Un generador síncrono virtual (synchronverter en inglés) o máquina síncrona virtual es un inversor que imita el comportamiento de un generador síncrono para proporcionar "inercia sintética" a sistemas auxiliares de redes eléctricas. Esta inercia, en el sentido eléctrico, es una propiedad de los generadores síncronos estándar asociada con la rotación de una masa a una frecuencia proporcional a la electricidad que está siendo generada. La inercia tiene implicaciones para la estabilidad de la red eléctrica porque hace falta trabajo (en el sentido que da la Física a esta palabra) para alterar la energía cinética de esa masa giratoria, y eso se opone al cambio de la frecuencia, cuya permanencia es imprescindible para que la red siga cumpliendo su función de transmitir energía.

La generación basada en inversores convencionales (como la solar fotovoltaica) no tiene esta inercia, porque la forma de onda que sale del inversor no es un resultado intrínseco del sistema de generación, sino que se crea a través de electrónica de potencia.

Contexto Los inversores estándar tienen una inercia muy baja. Durante los períodos de transición, que se deben a cambios bruscos de la carga de la red, siguen los cambios rápidamente, en vez de amortiguarlos, y pueden así empeorar las condiciones de la red. En cambio, los generadores síncronos tienen inercia y favorecen la estabilidad.

La red está diseñada para operar a una frecuencia específica. Cuando la energía introducida en la red por los diversos sistemas de generación y la demanda de las diversas cargas están perfectamente equilibradas, la frecuencia de la red se mantendrá en su valor nominal. Sin embargo, cualquier desequilibrio entre la energía introducida en la red y la extraída provocará una desviación de esta frecuencia nominal. Es normal que la generación y la demanda de electricidad no estén perfectamente equilibradas, pero el desequilibrio se controla rigurosamente para que la frecuencia de la red se mantenga dentro de una pequeña banda de ±0,05Hz.

La masa giratoria de un generador síncrono actúa como un "depósito" de energía cinética para la red eléctrica, contrarrestando los cambios de frecuencia provocados por un desequilibrio entre la generación y la demanda. El generador puede así suministrar energía a la red desacelerando, o absorberla acelerando. El cambio en la energía cinética es proporcional al cambio en la frecuencia. Debido a que se requiere trabajo para acelerar o desacelerar una masa giratoria, esta inercia amortigua los desequilibrios entre generación y demanda, y por tanto contribuye a estabilizar la frecuencia.

Debido a que la generación basada en inversores carece inherentemente de inercia, una mayor penetración de la generación de energía renovable que solamente utilizara inversores estándar podría poner en peligro la estabilidad del sistema eléctrico.

Además, la variabilidad de las fuentes de energía renovables, principalmente fotovoltaica y eólica (otras renovables, como la hidráulica, no tienen esta variabilidad), podría agravar este problema, al crear períodos transitorios de desequilibrio energético más frecuentes.

En teoría, la generación basada en inversores podría controlarse para responder a los desequilibrios de frecuencia alterando su potencia activa de salida (la potencia eléctrica en un circuito complejo, como lo es una red eléctrica, puede estudiarse dividida en potencia activa, capaz de producir un trabajo, y potencia reactiva, que debe compensarse).

La inercia sintética se define como la “contribución controlada de la potencia de una unidad que es proporcional a la variación de frecuencia (RoCoF) en los terminales de esta unidad”. Sin embargo, para que los generadores que aportan energía a una red tuvieran capacidad de reacción ante un cambio de la frecuencia de esta, tendrían que operar a niveles levemente inferiores a su potencia máxima, de modo que, si durante un período transitorio se necesitara que generaran más, pudieran hacerlo.

Además, la variabilidad inherente de la producción limita la capacidad de la renovable variable (eólica y solar) para proporcionar inercia sintética. Este requisito de una generación eléctrica despachable (gestionable) y de respuesta rápida convierte al almacenamiento de energía basado en inversores en una mejor opción para proporcionar inercia sintética.

Historia Hydro-Québec fue el primer operador de red eléctrica que comenzó a exigir inercia sintética, en 2005, a las empresas de generación que vertían a su red la energía producida. Para contrarrestar la caída de frecuencia, el operador de la red exigía un aumento temporal de potencia del 6% mediante la combinación de la electrónica de potencia con la inercia rotacional del rotor de una turbina eólica. Requisitos similares entraron en vigor en Europa en 2016, y en Australia en 2020.

Modelo de un generador síncrono virtual miniaturadeimagen|300x300px| Figura 2. Parte de potencia de un generador síncrono virtual miniaturadeimagen|300x300px| Figura 3. El modelo por fase de un generador síncrono conectado a un bus infinito La estructura del generador síncrono virtual se puede dividir en 2 partes: la de potencia (figura 2) y la electrónica. La de potencia comprende la transformación y transferencia de energía, incluyendo el puente, el circuito de filtrado, la línea eléctrica, etc. La parte electrónica se refiere a las unidades de medición y control, incluyendo sensores y procesadores de señales digitales (DSP).

Lo importante al modelar un generador síncrono virtual es asegurarse de que tenga un comportamiento dinámico similar al de un generador síncrono (figura 3). Este modelo se clasifica en orden creciente de complejidad, desde el modelo de orden 2 (es decir, modelo electromecánico, típicamente derivado de la ecuación de oscilación) hasta el modelo de orden 7 (es decir, que incluye la dinámica transitoria completa del rotor y del estator). Sin embargo, el que se utiliza ampliamente es el modelo de orden 3, debido a que es una solución de compromiso adecuada entre precisión y complejidad. Este modelo combina el modelo electromecánico con una ecuación de dinámica de voltaje para uno de los enlaces de flujo (típicamente el eje q).

Los componentes de los ejes dq de la tensión en los terminales satisfacen las siguientes ecuaciones diferenciales: donde se encuentran los enlaces de flujo con representando la corriente como una función del tiempo, la resistencia del estator, la velocidad angular del sistema de referencia giratorio, las inductancias, el flujo enlazado desde el campo magnético del devanado del rotor y las fuerzas electromotrices rotacionales o los voltajes de velocidad internos a la máquina debido a la rotación del rotor (es decir, la transformación dq del sistema de referencia del estator).

Si la tensión y la corriente en los terminales del generador síncrono virtual satisfacen estas ecuaciones, puede considerarse un generador síncrono estándar. Esto permite sustituirlo, en los cálculos y simulaciones de la red eléctrica, por un modelo de generador síncrono y solucionar los problemas fácilmente.

Estrategia de control miniaturadeimagen|300x300px| Figura 4. Estructuras de control típicas para un inversor conectado a la red eléctrica. (a) Cuando se controla como una fuente de voltaje. (b) Cuando se controla como una fuente de intensidad. Como se muestra en la figura 4, cuando el inversor se controla como una fuente de voltaje, consta de una unidad de sincronización para sincronizarse con la red y un bucle de potencia para regular la potencia activa y la potencia reactiva intercambiadas con la red. La unidad de sincronización a menudo necesita proporcionar frecuencia y amplitud. Pero cuando el inversor se controla como una fuente de intensidad, a menudo se requiere que la unidad de sincronización proporcione únicamente la fase de la red, por lo que es mucho más fácil controlarlo como una fuente de intensidad. miniaturadeimagen|300x300px| Figura 5. Estructura de control compacta para un inversor conectado a la red eléctrica. Dado que un generador síncrono está inherentemente sincronizado con la red, es posible integrar la función de sincronización en su controlador de potencia sin una unidad de sincronización. Esto da como resultado una unidad de control compacta, como se muestra en la figura 5.

Aplicaciones

Fotovoltaica miniaturadeimagen|300x300px| Figura 6. Parte de potencia de un generador síncrono virtual trifásico. Los generadores síncronos virtuales pueden tratarse como generadores síncronos, lo que facilita el control de la fuente, por lo que podrían utilizarse ampliamente en energía solar fotovoltaica.

Corriente continua de alta tensión Fuente: Aouini, Raouia, et al. "Synchronverter-based emulation and control of HVDC transmission." IEEE Transactions on Power Systems 31.1 (2016): 278-286.

Turbina eólica Fuente:

Microrred de corriente continua Los generadores síncronos virtuales también se pueden utilizar en microrredes de corriente continua (CC), porque las fuentes de CC se pueden coordinar junto con la frecuencia del voltaje de corriente alterna (CA), sin necesidad de una red de comunicación.

Reserva de batería Como lo demuestra la central eléctrica Hornsdale Power Reserve en Australia.

Véase también Inercia Inversión (en su sentido económico) Inversor de red Inversor fotovoltaico Inversor trifásico

Referencias

Categoría:Componentes de sistemas de alimentación eléctrica Categoría:Electrónica de potencia