Los sincronconvertidores o generadores síncronos virtuales [1] [2] son inversores que imitan a los generadores síncronos (SG) [3] para proporcionar "inercia sintética" para servicios auxiliares en sistemas de energía eléctrica . [4] La inercia es una propiedad de los generadores síncronos estándar asociada con la masa física giratoria del sistema que gira a una frecuencia proporcional a la electricidad que se genera. La inercia tiene implicaciones para la estabilidad de la red, ya que se requiere trabajo para alterar la energía cinética de la masa física giratoria y, por lo tanto, se opone a los cambios en la frecuencia de la red. La generación basada en inversores carece inherentemente de esta propiedad, ya que la forma de onda se crea artificialmente a través de la electrónica de potencia.
Los inversores estándar son elementos de muy baja inercia . Durante los períodos transitorios, que se deben principalmente a fallas o cambios repentinos en la carga , siguen los cambios rápidamente y pueden causar una condición peor, pero los generadores síncronos tienen una inercia notable que puede mantener su estabilidad.
La red está diseñada para funcionar a una frecuencia específica . Cuando la oferta y la demanda de energía eléctrica están perfectamente equilibradas, la frecuencia de la red permanecerá en su frecuencia nominal. Sin embargo, cualquier desequilibrio en la oferta y la demanda conducirá a una desviación de esta frecuencia nominal. Es estándar que la generación y la demanda de electricidad no estén perfectamente equilibradas, pero el desequilibrio está estrictamente controlado de modo que la frecuencia de la red se mantenga dentro de una pequeña banda de ±0,05 Hz. [5] La masa giratoria de un generador síncrono actúa como un banco de energía cinética para que la red contrarreste los cambios de frecuencia (puede proporcionar o absorber energía de la red) causados por un desequilibrio entre la oferta y la demanda de energía eléctrica, en forma de energía cinética al acelerar o desacelerar. El cambio en la energía cinética es proporcional al cambio en la frecuencia. Debido a que se necesita trabajo para acelerar o desacelerar la masa giratoria, esta inercia amortigua los efectos de los desequilibrios de potencia activa y, por lo tanto, estabiliza la frecuencia. [6] Debido a que la generación basada en inversores carece inherentemente de inercia, el aumento de la penetración de la generación de energía renovable basada en inversores podría poner en peligro la confiabilidad del sistema eléctrico . [7] [8]
Además, la variabilidad de las fuentes de energía renovables (FER), principalmente en lo que respecta a la energía fotovoltaica (PV) y la energía eólica, podría amplificar este problema al crear períodos transitorios más frecuentes de desequilibrio de potencia. Teóricamente, la generación basada en inversores podría controlarse para responder a los desequilibrios de frecuencia modificando su par eléctrico (salida de potencia activa). La inercia sintética se define como la "contribución controlada del par eléctrico de una unidad que es proporcional a la tasa de cambio de frecuencia (RoCoF) en los terminales de la unidad". [9] Sin embargo, para tener capacidad de reaccionar a este RoCoF, los generadores participantes tendrían que operar a niveles por debajo de su salida máxima, de modo que una parte de su salida se reserve para esta respuesta particular. Además, la variabilidad inherente de la producción limita la capacidad de los generadores para proporcionar inercia sintética. Este requisito de una fuente de alimentación fiable y de acción rápida hace que el almacenamiento de energía basado en inversores sea un mejor candidato para proporcionar inercia sintética.
Hydro-Québec comenzó a exigir inercia sintética en 2005 como primer operador de red. Para contrarrestar la caída de frecuencia , el operador de red exige un aumento de potencia temporal del 6 % combinando la electrónica de potencia con la inercia rotacional de un rotor de turbina eólica . [4] Requisitos similares entraron en vigor en Europa en 2016, [10] [11] y en Australia en 2020. [12] [13]
La estructura del convertidor sincrónico se puede dividir en dos partes: la parte de potencia (ver figura 2) y la parte electrónica. La parte de potencia es la ruta de transformación y transferencia de energía, que incluye el puente, el circuito de filtro, la línea de potencia, etc. La parte electrónica se refiere a las unidades de medición y control, que incluyen sensores y un procesador de señal digital (DSP).
El punto importante en el modelado de un convertidor sincrónico es asegurarse de que tenga un comportamiento dinámico similar al de un generador sincrónico (ver figura 3). Este modelo se clasifica en modelos de segundo a séptimo orden, debido a su complejidad. Sin embargo, el modelo de tercer orden es ampliamente utilizado debido al equilibrio adecuado entre precisión y complejidad. [14]
donde y son los componentes del eje dq del voltaje terminal.
Si bien la tensión y la corriente de los terminales del convertidor sincrónico satisfacen estas ecuaciones, el convertidor sincrónico puede considerarse un generador sincrónico. Esto permite reemplazarlo por un modelo de generador sincrónico y resolver los problemas fácilmente.
Como se muestra en la figura 3, cuando el inversor se controla como una fuente de voltaje, consta de una unidad de sincronización para sincronizar con la red y un bucle de potencia para regular la potencia real y la potencia reactiva intercambiada con la red. La unidad de sincronización a menudo necesita proporcionar frecuencia y amplitud. [15] Pero cuando el inversor se controla como una fuente de corriente, a menudo se requiere que la unidad de sincronización proporcione solo la fase de la red, por lo que es mucho más fácil controlarlo como una fuente de corriente. [16]
Dado que un generador síncrono está inherentemente sincronizado con la red, es posible integrar la función de sincronización en el controlador de potencia sin unidad de sincronización. [17] Esto da como resultado una unidad de control compacta, como se muestra en la figura 4.
Como se mencionó anteriormente, los sincronconvertidores pueden tratarse como generadores sincrónicos, lo que facilita el control de la fuente, por lo que deberían usarse ampliamente en fuentes de energía primaria fotovoltaica (PES). [18]
También se sugiere utilizar un inversor sincrónico en microrredes porque las fuentes de CC se pueden coordinar junto con la frecuencia del voltaje de CA, sin ninguna red de comunicación. [21]
Como lo demuestra la reserva de energía de Hornsdale en Australia
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )La instalación de aerogeneradores con inercia sintética es una forma de evitar este deterioro.
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