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Un sistema de almacenamiento de energía con baterías puede cumplir los límites de armónicos en su punto de acoplamiento común y aun así introducir una frecuencia de resonancia en la red eléctrica.
Esto no es una contradicción. El cumplimiento de la red confirma que la distorsión de tensión y corriente permanece dentro de los límites definidos bajo las condiciones evaluadas. La resonancia armónica describe cómo responde el sistema eléctrico completo a diferentes frecuencias.
Puede existir un punto de resonancia sin causar inmediatamente un incumplimiento. Sin embargo, si un inversor BESS, otro convertidor o la distorsión de fondo existente excita esa frecuencia, una corriente armónica relativamente pequeña puede producir una amplificación significativa de tensión.
Esta distinción es cada vez más importante a medida que los sistemas de almacenamiento de energía con baterías a escala de red se conectan a redes de media y alta tensión.
La resonancia armónica de BESS ocurre cuando los elementos inductivos y capacitivos de un sistema de almacenamiento de energía con baterías conectado a la red interactúan en una frecuencia determinada.
Un BESS a escala de red contiene mucho más que baterías. Su conexión de CA normalmente incluye:
Sistemas de conversión de potencia
Filtros de salida del inversor
Transformadores elevadores
Cables colectores de media tensión
Transformadores principales de conexión a la red
Transformadores auxiliares
Equipos de potencia reactiva
Equipos de protección y conmutación
Los transformadores y la red externa aportan inductancia. Los cables, los filtros del inversor y los bancos de condensadores aportan capacitancia.
En una determinada frecuencia, las reactancias inductivas y capacitivas pueden interactuar para crear resonancia en paralelo o en serie.
La resonancia en paralelo crea una impedancia de red elevada en una frecuencia determinada.
Cuando la corriente armónica fluye en esta frecuencia o cerca de ella, la alta impedancia puede producir una tensión armónica desproporcionadamente grande. Esta es una razón por la que una pequeña corriente armónica puede generar una distorsión de tensión inesperada en el punto de acoplamiento común.
La resonancia en serie crea una trayectoria de baja impedancia en una frecuencia determinada.
Esto puede permitir que una corriente armónica excesiva circule por transformadores, cables, condensadores o filtros armónicos. La corriente resultante puede aumentar el calentamiento de los equipos y el esfuerzo eléctrico incluso cuando la tensión armónica en el PCC parece aceptable.
Por lo tanto, un problema de resonancia armónica de BESS debe evaluarse utilizando mediciones tanto de tensión como de corriente.
Los códigos de red y las normas de armónicos normalmente especifican límites de distorsión de tensión y corriente en el punto de acoplamiento común.
El cumplimiento demuestra que los resultados medidos o calculados satisfacen esos límites. Sin embargo, el resultado solo es válido para las condiciones de operación, la configuración de red y las suposiciones incluidas en la evaluación.
La resonancia es diferente porque es una característica de la impedancia del sistema completo.
Un punto de resonancia puede permanecer en la red incluso cuando la distorsión armónica está por debajo del límite correspondiente. Solo se hace visible cuando existe suficiente energía armónica cerca de la frecuencia de resonancia.
Por lo tanto, el BESS puede superar su evaluación armónica inicial pero experimentar un problema posteriormente después de que:
Cambie el nivel de cortocircuito de la red
Se retire un transformador de servicio
Se desconecte un cable o circuito aéreo
Se conmute un banco de condensadores
Se conecte otra planta de energía renovable cercana
Aumente la distorsión armónica de fondo
El BESS cambie de modo de operación
Cambie el número de inversores energizados
El cumplimiento de la red no debe considerarse una prueba de que la instalación nunca puede experimentar resonancia armónica.
Una evaluación armónica convencional puede representar un inversor como una fuente de corriente armónica. Aunque es útil, este modelo no describe la interacción completa del inversor con la red.
Un inversor BESS moderno tiene una impedancia de salida dependiente de la frecuencia. Su comportamiento está influenciado por:
Ancho de banda del control de corriente
Configuraciones del bucle de enganche de fase
Retardos del control digital
Amortiguamiento activo
Adelanto de tensión
Frecuencia de conmutación
Diseño del filtro de salida
Potencia activa y reactiva
Control de seguimiento de red o de formación de red
En algunas frecuencias, el inversor puede parecer inductivo. En otras, puede parecer capacitivo. Su impedancia efectiva también puede cambiar con su punto de operación y modo de control.
La relación básica entre la tensión armónica y la corriente armónica puede expresarse como:
Tensión armónica = impedancia armónica × corriente armónica
Si la impedancia de la red es baja, una corriente armónica particular puede producir una distorsión de tensión limitada.
Si la impedancia aumenta bruscamente cerca de una resonancia en paralelo, la misma corriente armónica puede producir una tensión armónica mucho mayor.
Por lo tanto, la distorsión resultante está determinada por más factores que la corriente armónica producida por el BESS. También depende de la impedancia a través de la cual circula esa corriente.
Las plantas BESS de media tensión suelen contener extensas redes de cables que conectan múltiples estaciones inversoras a un cuadro de distribución común.
Estos cables introducen capacitancia en el sistema. Cuando se combinan con la inductancia del transformador y de la red, la capacitancia del cable puede crear un punto de resonancia en paralelo.
A medida que se instala más cable, aumenta la capacitancia total. Esto puede desplazar la resonancia hacia una frecuencia más baja y acercarla a los componentes armónicos producidos por los inversores o ya presentes en la red.
La frecuencia resonante final depende de factores que incluyen:
Longitud del cable
Construcción del cable
Número de circuitos en paralelo
Impedancia de fuga del transformador
Nivel de cortocircuito de la red
Número de inversores conectados
Filtros existentes y bancos de condensadores
Por lo tanto, la capacitancia del cable debe representarse con precisión en cada estudio armónico de BESS. Tratar el sistema colector como una impedancia simple de frecuencia fundamental puede ocultar comportamientos armónicos importantes.
Un BESS a escala de red puede contener decenas o cientos de módulos inversores funcionando en paralelo.
Cada inversor puede cumplir sus requisitos armónicos a nivel de equipo cuando se prueba contra una impedancia de referencia especificada. Sin embargo, conectar muchos inversores a una red colectora común cambia la impedancia equivalente de la planta.
La corriente armónica observada desde un inversor puede incluir:
Corriente generada por ese inversor
Corriente originada por otros inversores en paralelo
Corriente causada por la distorsión de tensión de fondo de la red
Corriente circulante entre unidades inversoras
Cada inversor y su filtro de salida también pueden introducir un pico resonante. A medida que se conectan más unidades, la respuesta de impedancia combinada se vuelve más compleja.
Esto significa que veinte inversores que cumplen individualmente las normas no siempre son eléctricamente equivalentes a un inversor multiplicado por veinte.
El BESS completo debe estudiarse como un sistema interconectado.
Un estudio reciente examinó un BESS de 50 MW conectado a una red de 33 kV. La planta contenía 19 inversores y sus transformadores elevadores asociados.
Las mediciones realizadas durante la puesta en servicio y la operación detectaron incumplimientos de los límites de armónicos en múltiples condiciones de carga y descarga. Las frecuencias afectadas se extendían aproximadamente desde el armónico de orden 14 hasta el de orden 65.
Se identificaron dos regiones resonantes principales.
La primera resonancia se produjo aproximadamente entre los armónicos de orden 14 y 20 y estuvo asociada con la autoimpedancia de los inversores del BESS.
La segunda se produjo aproximadamente entre los armónicos de orden 50 y 70 y estuvo vinculada principalmente a la capacitancia de los cables colectores de 33 kV.
La investigación demostró que el problema no podía explicarse únicamente por las emisiones armónicas de los inversores. El BESS había modificado la impedancia de la red y amplificado determinados componentes armónicos.
Se desarrolló un modelo de sistema validado utilizando mediciones de los modos de inactividad, carga y descarga. Posteriormente, se diseñó un filtro de armónicos de tipo C de 5 MVAr y se conectó al tablero de distribución del BESS de 33 kV.
El filtro amortiguó las regiones resonantes y situó la instalación dentro de los límites de armónicos aplicables.
El caso demuestra por qué un estudio de armónicos de un BESS debe evaluar tanto las fuentes de armónicos como la impedancia de red dependiente de la frecuencia.
A menudo se supone que la potencia máxima de carga o descarga producirá la mayor distorsión armónica.
Esto no siempre es correcto.
El espectro armónico de un inversor de BESS puede cambiar con su potencia de salida, potencia reactiva y modo de control. El número de unidades inversoras en operación también puede cambiar con carga parcial.
A baja potencia de salida del BESS:
Pueden estar operando menos módulos inversores
La cancelación de armónicos entre unidades puede disminuir
La distorsión de corriente como porcentaje de la corriente fundamental puede aumentar
Los modos de control pueden cambiar
La impedancia de la planta puede variar
La distorsión de tensión de fondo puede adquirir mayor influencia
Por lo tanto, la resonancia armónica más severa del BESS puede producirse durante la carga parcial, la descarga parcial, el soporte de potencia reactiva o la operación en espera.
Una evaluación de armónicos basada únicamente en la potencia activa nominal puede pasar por alto la condición real de peor caso.
La impedancia de la red no es fija.
Cambia a medida que el sistema de transmisión o distribución pasa entre distintas configuraciones de operación. Una red fuerte con múltiples transformadores y circuitos en servicio puede tener un perfil de impedancia armónica diferente al de una red débil durante una interrupción planificada.
Los cambios en la inductancia de la red pueden desplazar la frecuencia de resonancia más cerca o más lejos de una fuente armónica significativa.
Entre las condiciones importantes de la red se incluyen:
Niveles mínimos y máximos de cortocircuito
Configuraciones normales y de contingencia
Disponibilidad de transformadores
Conmutación de secciones de barras
Posiciones de las tomas de los transformadores
Estado de la generación cercana
Conmutación de condensadores y reactores
Refuerzos futuros de la red
Un único nivel de cortocircuito y una única relación X/R no siempre pueden representar el comportamiento armónico completo de la red externa.
Un estudio robusto de conexión de un BESS a la red debe utilizar una envolvente de impedancia o múltiples casos de red dependientes de la frecuencia.
Un estudio armónico completo del BESS debería examinar la interacción entre los inversores, la red colectora y la red externa.
Los barridos de impedancia deberían realizarse en todo el rango de frecuencias requerido por el código de red aplicable.
Los barridos deberían identificar:
Picos de resonancia en paralelo
Valles de resonancia en serie
Movimiento de resonancia entre casos operativos
Frecuencias cercanas a emisiones significativas de los inversores
Frecuencias cercanas a los armónicos de fondo de la red
Interacciones con filtros existentes y bancos de condensadores
El estudio debería incluir:
Carga a plena potencia
Carga a potencia parcial
Descarga a plena potencia
Descarga a potencia parcial
Operación en espera
Soporte de potencia reactiva con potencia activa cero
Diferentes cantidades de inversores en operación
Disponibilidad reducida de la planta
La impedancia del transformador, la capacitancia del cable, los parámetros de los filtros y los equipos de potencia reactiva deben representarse con precisión.
Pequeños errores en la capacitancia o la inductancia pueden desplazar la frecuencia de resonancia calculada y cambiar el rendimiento previsto del filtro.
Cuando estén disponibles, los fabricantes de inversores deberían proporcionar datos de emisión armónica y modelos de impedancia dependientes de la frecuencia.
Si no se pueden compartir modelos de control detallados, los equivalentes Norton o Thévenin de caja negra pueden proporcionar suficiente información terminal para la evaluación de la interacción armónica.
La distorsión de tensión de fondo debería medirse antes de que el BESS se energice siempre que sea posible.
Estas mediciones ayudan a distinguir entre:
Armónicos generados por el BESS
Distorsión existente de la red
Armónicos amplificados por la impedancia del BESS
Interacciones entre la distorsión de fondo y la nueva instalación
Las mediciones posteriores a la puesta en servicio deberían compararse con el modelo de simulación.
Si los picos de impedancia medidos y calculados no coinciden, el modelo debería corregirse antes de diseñar el equipo de mitigación de armónicos.
El método de mitigación correcto depende del rango de frecuencias, la impedancia de la red, el comportamiento del inversor y la potencia reactiva requerida.
Las posibles soluciones incluyen:
Filtros armónicos pasivos
Filtros armónicos tipo C
Filtros de paso alto amortiguados
Filtros híbridos pasivos y activos
Reactores de convertidor o de línea adicionales
Amortiguamiento activo en los controles del inversor
Impedancia o admitancia virtual
Cambios en las disposiciones de transformadores o cables
Operación coordinada de unidades inversoras
Los filtros armónicos pasivos proporcionan un camino de baja impedancia para corrientes armónicas seleccionadas y pueden añadir amortiguamiento al perfil de impedancia de la red.
Se utilizan comúnmente en media tensión porque pueden ser económicos, eficientes y adecuados para grandes potencias nominales.
Sin embargo, cada filtro pasivo también modifica la impedancia de la red. Un filtro mal diseñado puede desplazar un punto de resonancia existente o crear uno nuevo.
Los filtros tipo C pueden proporcionar amortiguamiento armónico mientras reducen las pérdidas a frecuencia fundamental en la resistencia de amortiguamiento.
Suelen ser adecuados cuando se requieren tanto amortiguamiento de banda ancha como compensación de potencia reactiva.
El diseño debe considerar:
Frecuencia de sintonización
Factor de calidad
Potencia reactiva nominal
Tensión y corriente del condensador
Linealidad del reactor
Servicio energético de la resistencia
Tolerancias de fabricación
Envejecimiento de los componentes
Contingencias de la red
Cambios futuros del sistema
Los filtros activos miden la corriente o tensión armónica e inyectan una señal de compensación.
Pueden adaptarse a condiciones operativas cambiantes, pero su potencia nominal requerida, ancho de banda de control e interfaz de media tensión deben evaluarse cuidadosamente.
En algunas instalaciones, la resonancia armónica puede mitigarse cambiando los parámetros de control del inversor o añadiendo amortiguamiento activo.
Este enfoque puede ser rentable durante la etapa de diseño, pero requiere una estrecha cooperación con el fabricante del inversor y una validación cuidadosa en todas las condiciones de la red.
Un filtro armónico no debe seleccionarse utilizando únicamente el mayor orden armónico mostrado en un informe de medición.
El filtro debe diseñarse considerando:
El perfil completo de impedancia
Todas las condiciones de red creíbles
Modos de carga y descarga
Distorsión de fondo existente
Fuentes armónicas futuras
Tolerancias de los componentes
Límites térmicos y dieléctricos
Requisitos de potencia reactiva fundamental
El objetivo no es simplemente reducir un porcentaje de armónicos. Es crear un perfil de impedancia estable y adecuadamente amortiguado en el rango de frecuencias relevante.
Sí. Puede existir una resonancia sin que sea excitada fuertemente. La tensión y la corriente armónicas pueden permanecer dentro de los límites hasta que cambien la configuración de la red, el modo de operación del BESS o el espectro armónico de fondo.
No. El riesgo de resonancia depende de la impedancia del inversor, la capacitancia del cable, la impedancia del transformador, la fortaleza de la red y los equipos de compensación existentes.
Sí. Múltiples inversores en paralelo cambian la impedancia equivalente de la planta. Pueden interactuar entre sí y con la red incluso cuando cada inversor cumple individualmente sus requisitos a nivel de equipo.
No. La carga parcial, el modo de espera o la operación con potencia reactiva pueden producir a veces una mayor distorsión porcentual o una condición de impedancia menos favorable.
Sí. La capacitancia adicional puede desplazar una frecuencia de resonancia en paralelo más cerca de una fuente armónica existente. Los bancos de capacitores deben incluirse en el modelo armónico completo.
No existe un filtro universal. El diseño correcto depende del espectro armónico medido, la impedancia de la red, los requisitos de potencia reactiva y los escenarios de operación. Los filtros tipo C, sintonizados, de paso alto, activos e híbridos pueden ser adecuados en diferentes instalaciones.
Armónicos del BESSLa resonancia es un problema de interacción del sistema, no simplemente un problema de emisión del inversor.
Un sistema de almacenamiento de energía con baterías puede cumplir los límites de armónicos en el punto de acoplamiento común y aun así crear o desplazar una frecuencia de resonancia. Si posteriormente esa frecuencia es excitada por el BESS, otro convertidor o la distorsión de fondo de la red, la tensión o la corriente armónicas pueden aumentar significativamente.
Por lo tanto, un estudio fiable de armónicos del BESS debe incluir análisis de impedancia dependientes de la frecuencia, múltiples modos de carga y descarga, configuraciones de red realistas, datos precisos de cables y transformadores, mediciones de fondo y validación posterior a la puesta en servicio.
Las preguntas clave no son solo: ¿El BESS cumple hoy con los límites de armónicos?
También son: ¿Dónde están las resonancias del sistema, qué puede excitarlas y cómo cambiarán mañana?
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