En un hito para la integración de energía renovable, General
Electric (GE) y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) operaron
una clase común de turbinas eólicas en modo de formación de red, que es cuando
el generador puede establecer el voltaje y la frecuencia de la red y, si es
necesario, operar sin energía de la red eléctrica.
La demostración en NREL utilizando los controles de GE
mostró que la popular tecnología de turbina tipo 3 puede proporcionar
estabilidad fundamental a la red eléctrica. Dichos controles de formación de
red podrían permitir que la turbina compense menos fuentes convencionales de
estabilidad en la red, como los generadores de carbón o gas.
Esta demostración de dispositivo real es la primera de
varias en el proyecto de la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del
Departamento de Energía (DOE), «Wind as a Virtual Synchronous Generator
(WindVSG)», que tiene como objetivo investigar controles de inversores de eólica
y almacenamiento que imitan electrónicamente la estabilización de los
generadores convencionales. Como parte de WindVSG, NREL ha estado realizando
investigaciones que caracterizan los
recursos basados en inversores y
simulan el funcionamiento del sistema en entornos de red controlados. El
laboratorio ahora está validando los principios de formación de redes en
dispositivos reales en un entorno de réplica de la red eléctrica.
“Hemos demostrado que una variedad común de turbinas eólicas
puede brindar los mismos servicios subyacentes de estabilidad de voltaje y
frecuencia que a menudo brindan las plantas de energía de combustibles
fósiles”, dijo el ingeniero jefe de NREL, Vahan Gevorgian. «Este es otro
ejemplo de cómo los recursos energéticos basados en inversores, como la
energía eólica y la solar, pueden desempeñar un papel más amplio en los futuros
sistemas de energía».
Dado que las energías renovables representan una mayor parte
del suministro de energía, también deberán asumir una mayor parte de la
responsabilidad como administradores de la estabilidad de la red. Esa
responsabilidad incluye la capacidad de reiniciar la energía después de un
apagón, reestabilizar después de un evento eléctrico transitorio y, en general,
«formar» la red como recursos de energía de referencia. Los grandes generadores
síncronos han sustentado tradicionalmente una frecuencia y un voltaje
constantes en la red . Ahora, los recursos basados en inversores, como la
energía eólica, la solar y las baterías, se están preparando para esa función
en múltiples proyectos del DOE, incluido el consorcio Grid-Forming Inverter,
que compartirá hallazgos y objetivos de investigación entre la industria y
socios comunitarios.
En la demostración de WindVSG, un equipo de GE-NREL desplegó
controles para un tren de transmisión de turbina eólica tipo 3 de 2,5 MW para
brindar soporte de frecuencia y voltaje primarios y reestabilizar la red
circundante ajustando su potencia en respuesta a variaciones eléctricas
momentáneas. Las turbinas de tipo 3 son un caso especialmente complejo para
desarrollar controles de formación de red. Estas turbinas utilizan un generador
que está directamente conectado a la red, con la producción de electricidad de
las turbinas controlada por componentes electrónicos de potencia. Para
comprender completamente esta complejidad, NREL desarrolló un modelo completo
de la electrodinámica de la turbina, con la ayuda de un conjunto de
herramientas personalizado desarrollado por su equipo de investigación.
NREL encendió la turbina de formación de red utilizando la
plataforma de Investigación avanzada sobre sistemas de energía integrados
(ARIES), que permite la validación a escala en un entorno de réplica de la red.
Un dinamómetro de investigación de 5 MW sirvió como motor principal en el
sistema de energía simulado, lo que permitió a los investigadores emular
diferentes dinámicas de red y observar el rendimiento de la turbina. El equipo
descubrió que con los controles de formación de la red de GE, la turbina puede
aportar potencia de salto de fase e inercia de manera similar a una máquina
síncrona, que es una característica clave para agregar estabilidad a la red.
Tales capacidades generalmente no están disponibles con controles de
seguimiento que existen en la mayoría de los dispositivos de energía no
convencionales, como las plantas solares y los sistemas de almacenamiento de
baterías, y normalmente producen energía que sigue de cerca la frecuencia y el
voltaje de la red del sistema eléctrico más grande.
“En este trabajo hemos encontrado que la turbina formadora
de red sirve para la estabilidad subyacente en los casos en que es necesaria:
en sistemas con muchos recursos basados en inversores y pocas formas
convencionales de estabilidad”, dijo Gevorgian. “La plataforma ARIES hace
posible esta investigación: podemos ajustar las condiciones que experimentarán
estas turbinas en un sistema vivo, pero dentro de la seguridad de un entorno
controlado”.
Si bien es un gran paso adelante para los recursos renovables
que forman redes, esta demostración también indica nuevas direcciones para la
investigación. Dentro del proyecto WindVSG, el equipo continuará estudiando
cómo la turbina que forma la red interactúa con otros dispositivos en el
sistema de energía y si el modo de formación de la red genera una mayor tensión
mecánica en la turbina. Otras demostraciones también validarán la turbina de
formación de red cuando se desconecte de la red eléctrica.
Para las flotas de turbinas eólicas y otros recursos como la
energía solar fotovoltaica y el almacenamiento de baterías, los controles de
formación de redes podrían abrir una nueva oportunidad de mercado en forma de
servicios de red; es decir, la estabilidad de la red como otro flujo de valor
para los recursos renovables. Con esta demostración, usando la solución de GE,
NREL ha validado un enfoque más para que los activos renovables brinden
estabilidad avanzada. Y con la plataforma ARIES, NREL puede ayudar a los socios
a demostrar esa estabilidad de fuentes renovables en sus propios sistemas.
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