La creación de islas es la división intencionada o no de una red eléctrica interconectada en regiones individuales desconectadas con su propia generación de energía .
El aislamiento intencional a menudo se realiza como defensa en profundidad para mitigar un apagón en cascada . Si una isla colapsa, no se llevará consigo a las islas vecinas. Por ejemplo, las centrales nucleares tienen sistemas de refrigeración críticos para la seguridad que normalmente se alimentan de la red general. Los circuitos de refrigerante generalmente se encuentran en un circuito separado que también puede funcionar con la energía del reactor o con generadores diésel de emergencia si la red colapsa. [1] [2]
Los diseños de redes que se prestan para su instalación en islas cerca del nivel del cliente se denominan comúnmente microrredes . En un corte de energía , el controlador de la microrred desconecta el circuito local de la red en un interruptor dedicado y obliga a los generadores distribuidos en línea a alimentar la carga local. [3] [4]
El aislamiento involuntario es una condición peligrosa que puede provocar un estrés severo en el generador, ya que el generador debe adaptarse a cualquier cambio en la carga eléctrica por sí solo. Si no se comunica adecuadamente a los trabajadores de la línea eléctrica , la isla involuntaria también puede presentar un riesgo de descarga eléctrica . A diferencia de los cables sin alimentación, las islas requieren técnicas especiales para volver a conectarse a la red más grande, porque la corriente alterna que transportan no está en fase . Por estas razones, los inversores solares que están diseñados para suministrar energía a la red generalmente deben tener algún tipo de circuito automático anti-isla, que cortocircuita los paneles en lugar de continuar alimentando la isla no intencionada.
Los métodos que detectan islas sin un gran número de falsos positivos constituyen objeto de considerables investigaciones. Cada método tiene un umbral que debe cruzarse antes de que una condición se considere una señal de interrupción de la red, lo que conduce a una " zona de no detección " (NDZ), el rango de condiciones donde se filtrará una falla real de la red. . [5] Por esta razón, antes de su implementación en el campo, los inversores interactivos con la red generalmente se prueban reproduciendo en sus terminales de salida condiciones específicas de la red y evaluando la efectividad de los métodos anti-isla para detectar condiciones de isla. [4] [6]
La instalación en isla intencional divide una red eléctrica en fragmentos con la generación de energía adecuada en cada fragmento para suministrar las cargas de ese fragmento. [7] [8] En la práctica, equilibrar la generación y la carga en cada fragmento es difícil y, a menudo, la formación de islas requiere deshacerse temporalmente de la carga . [9] [10] Es posible que los generadores síncronos no entreguen suficiente potencia reactiva para evitar transitorios severos durante la formación de islas inducidas por fallas, [11] y cualquier inversor debe cambiar de control de corriente constante a control de voltaje constante . [12]
Suponiendo P≠NP , no existe un buen criterio de conjunto de cortes para implementar la formación de islas. Existen aproximaciones en tiempo polinomial , pero encontrar las divisiones exactamente óptimas puede ser computacionalmente inviable . [8] [9]
Sin embargo, la creación de islas localiza cualquier fallo en la isla contenedora, evitando que se propaguen. [13] En general, las estadísticas de apagones siguen una ley de potencia , de modo que fragmentar una red aumenta la probabilidad de apagones, pero reduce la cantidad total de demanda de electricidad insatisfecha. [14]
La instalación en islas reduce la eficiencia económica del mercado mayorista de energía [ 10] y suele ser un último recurso que se aplica cuando se sabe que la red es inestable pero aún no ha colapsado. [8] En particular, la creación de islas mejora la resiliencia ante amenazas con tiempo conocido pero no ubicación, como ataques terroristas , ataques militares a infraestructura eléctrica o fenómenos meteorológicos extremos . [15]
Tras los cortes de energía de California en 2019 , aumentó el interés en la posibilidad de operar la red eléctrica de una casa como una isla. Si bien los sistemas de generación distribuida típicos son demasiado pequeños para alimentar todos los electrodomésticos de un hogar simultáneamente, es posible que gestionen las necesidades críticas de energía del hogar mediante el control tradicional de frecuencia de carga . Los módulos instalados en serie entre el generador y cargas grandes, como aires acondicionados y hornos eléctricos, miden la frecuencia eléctrica de la isla y realizan un deslastre de carga automático cuando el inversor se acerca a la sobrecarga . [ cita necesaria ]
La detección automática de una isla es objeto de numerosas investigaciones. Estos se pueden realizar de forma pasiva, buscando eventos transitorios en la red; o activamente, creando pequeñas instancias de esos eventos transitorios que serán insignificantes en una red grande pero detectables en una pequeña. Los métodos activos pueden ser realizados por generadores locales o "aguas arriba" a nivel de servicio público. [dieciséis]
Muchos métodos pasivos dependen del estrés inherente al funcionamiento de una isla. Cada dispositivo en la isla comprende una proporción mucho mayor de la carga total, de modo que los cambios de voltaje y frecuencia a medida que se agregan o eliminan dispositivos probablemente sean mucho mayores que en condiciones normales de la red. Sin embargo, la diferencia no es tan grande como para evitar errores de identificación , y los cambios de voltaje y frecuencia generalmente se utilizan junto con otras señales. [17]
El análogo activo de la detección de cambio de voltaje y frecuencia intenta medir la impedancia general alimentada por el inversor. Cuando el circuito está conectado a la red, casi no hay respuesta de voltaje a ligeras variaciones en la corriente del inversor; pero una isla observará un cambio de voltaje. En principio, esta técnica tiene un NDZ extremadamente pequeño, pero en la práctica la red no siempre es una fuente de voltaje infinitamente rígida , especialmente si varios inversores intentan medir la impedancia simultáneamente. [18] [19]
A diferencia de los cambios, es muy poco probable que un circuito aleatorio tenga una frecuencia característica que coincida con la potencia de red estándar. Sin embargo, muchos dispositivos, como los televisores, se sincronizan deliberadamente con la frecuencia de la red. Los motores, en particular, pueden estabilizar la frecuencia del circuito cerca del estándar de la red a medida que se "desactivan". [20]
A nivel de servicios públicos, los relés de protección diseñados para aislar una parte de la red también pueden conmutar componentes de alta impedancia , de modo que un generador distribuido en isla necesariamente se sobrecargará y se apagará. Esta práctica, sin embargo, depende del costoso suministro generalizado de dispositivos de alta impedancia. [21] [22]
Alternativamente, los circuitos anti-isla pueden depender de señales fuera de banda . Por ejemplo, las empresas de servicios públicos pueden enviar una señal de apagado a través de comunicaciones de un operador de línea eléctrica o una conexión telefónica . [23] [24]
Ciertos métodos pasivos son excepcionalmente viables con generadores de corriente continua ( recursos basados en inversores ), como los paneles solares .
Por ejemplo, los inversores suelen generar un cambio de fase cuando están en isla. Los inversores generalmente hacen coincidir la señal de la red con un bucle de bloqueo de fase (PLL) que rastrea los cruces por cero . Entre esos eventos, el inversor produce una salida sinusoidal , variando la corriente para producir la forma de onda de voltaje adecuada dada la carga del ciclo anterior. Cuando la red principal se desconecta, el factor de potencia en la isla disminuye repentinamente y la corriente del inversor ya no produce la forma de onda adecuada. Cuando la forma de onda se completa y vuelve a cero, la señal estará desfasada. Sin embargo, muchos eventos comunes, como el arranque de motores, también provocan saltos de fase a medida que se agregan nuevas impedancias al circuito. [25]
Una técnica más efectiva invierte el cambio de fase en isla: el inversor está diseñado para producir una salida ligeramente desalineada con la red, con la expectativa de que la red abrume la señal. El bucle de bloqueo de fase se vuelve inestable cuando falta la señal de la red; el sistema se aleja de la frecuencia de diseño; y el inversor se apaga. [26]
Un método de detección de aislamiento muy seguro busca 2º y 3º armónicos distintivos generados por interacciones no lineales dentro de los transformadores del inversor . Generalmente no existen otras fuentes de distorsión armónica total (THD) que coincidan con un inversor. Incluso las fuentes ruidosas, como los motores, no provocan una distorsión mensurable en un circuito conectado a la red, ya que este último tiene una capacidad de filtración esencialmente infinita. Los inversores de modo conmutado generalmente tienen grandes distorsiones, hasta un 5%. Cuando la red se desconecta, el circuito local presenta una distorsión inducida por el inversor. [27] Los inversores modernos intentan minimizar la distorsión armónica, en algunos casos hasta límites inmensurables, pero en principio es sencillo diseñar uno que introduzca una cantidad controlada de distorsión para buscar activamente la formación de islas. [28]
Las empresas de servicios públicos se han negado a permitir la instalación de sistemas solares domésticos u otros sistemas de generación distribuida, con el argumento de que pueden crear islas de red incontroladas. [29] [30] En Ontario, una modificación de 2009 a la tarifa de alimentación indujo a muchos clientes rurales a establecer sistemas pequeños (10 kW) bajo el microFIT de "capacidad exenta". Sin embargo, Hydro One se negó a conectar los sistemas a la red después de la construcción. [31]
La cuestión puede ser candentemente política, en parte porque los defensores de la generación distribuida creen que la preocupación por las islas es en gran medida un pretexto . Una prueba realizada en 1999 en los Países Bajos no pudo encontrar islas de generación distribuida 60 segundos después del colapso de la red. Además, los momentos en los que la generación distribuida sólo coincidía con las cargas distribuidas se produjeron a un ritmo comparable a 10 −6 años −1 , y que la posibilidad de que la red se desconectara en ese momento era aún menor, de modo que la "probabilidad de encontrar una isla" [ sic ] es prácticamente cero". [32]
El riesgo de aislamiento involuntario se da principalmente en el caso de los generadores síncronos , como en el caso de las microhidroeléctricas . Un informe canadiense de 2004 concluyó que "la tecnología anti-isla para sistemas DG basados en inversores está mucho mejor desarrollada y las evaluaciones de riesgos publicadas sugieren que la tecnología y los estándares actuales brindan una protección adecuada". [33]
Las empresas de servicios públicos generalmente argumentan que los generadores distribuidos podrían provocar los siguientes problemas: [34] [35]
Las dos primeras demandas se disputan dentro de la industria eléctrica . Por ejemplo, las líneas normales corren constantemente el riesgo de exposición a cables con corriente , y los procedimientos estándar requieren controles explícitos para garantizar que un cable esté muerto antes de que el trabajador entre en contacto. Los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) se pueden configurar para que emitan una alarma si hay voltaje inesperado en una línea supuestamente aislada. Un estudio realizado en el Reino Unido concluyó que "el riesgo de descarga eléctrica asociada con el aislamiento de sistemas fotovoltaicos en los peores escenarios de penetración fotovoltaica tanto para los operadores de red como para los clientes es típicamente <10 −9 por año". [36] [37] Del mismo modo, los sistemas modernos de detección de islas inhiben en gran medida el daño a los dispositivos del usuario final. [ cita necesaria ]
Es, generalmente, el último problema que más preocupa a las empresas de servicios públicos. Los reconectadores se usan comúnmente para dividir la red en secciones más pequeñas que reactivarán automática y rápidamente la rama tan pronto como la condición de falla (una rama de árbol en las líneas, por ejemplo) desaparezca. Existe cierta preocupación de que los reconectadores no se vuelvan a energizar en el caso de una isla o que una pérdida de sincronía intermedia pueda dañar los generadores distribuidos en la isla. Sin embargo, no está claro que los reconectadores sigan siendo útiles en la práctica moderna de servicios públicos ni que los reconectadores con interruptores deban actuar en todas las fases . [38]